VL 9 Flashcards
Was ist ein Marker?
Einfach zu bestimmendes Merkmal, gekoppelt mit (komplexem) Zielmerkmal
Phänotypischer Marker
Limitierte Anzahl
Durch Umwelt beeinflusst
Genetische Marker
Unterschiede in der DNA Sequenz
Verschiedene Methoden zur Erkennung
Grosse Anzahl erhältlich
Nicht beeinflusst durch die Umwelt
Oft einfach zu untersuchen
Molekulargenetische Marker
Molekulare Grundlage aller Markersyteme sind Sequenzunterschiede in der DNA verschiedener Individuen oder Linien
Besonders häufig sind Einzelnukleotidpolymorphismen (SNPs) oder Insertionen / Deletionen (InDels)
Was ist marker-gestützte Selektion im engeren und im weiteren Sinn?
Im engeren Sinn:
Selektion auf mit dem Merkmal gekoppelten Marker (meist DNA-basiert), nicht auf das Zielmerkmal selbst
Im weiteren Sinn:
Einsatz von Methoden der Molekulargenetik und Genomik als DIAGNOSE Instrumente für die Pflanzenzüchtung
Vorteile von MAS
Marker gekoppelt mit agronomischen Merkmalen
Selektion un frühem Entwicklungsstadium (Ertragsmerkmale im juvenil-Stadium)
Gezielte Selektion für komplexe Merkmale (Qualität, Ertrag)
Vereinfachte Selektion für schwierig zu bestimmende Merkmale (Inhaltsstoffe)
Gezieltes Einkreuzen von gewünschten Genen (Pyramidisieren von Resistenzgenen)
Voraussetzungen für MAS
Genotypische Informationen über die Zielart
- Molekulargenetische Marker, Kopplungskarten
- Genomsequenzen
Phänotypische Informationen über die Zielmerkmale
- genau beschriebene Phänotypen
Information über die Interaktion von Genotyp und Phänotyp (d.h. über Markern - Merkmal Koppelung)
Voraussetzung Molekulare Marker
Verschiedene Markersysteme: RFLP, RAPD, SSR, SNP, AFLP, CAPS, GBS, ISSR etc.
Ähnliche Grundpronzipien:
Verdau von DNA mit Enzymen, Nachweis durch Hybridisierung -> RFLP
Vervielfältigung bestimmter DNA Abschnitte mit Polymerase Kettenreaktion (PCR) -> SSR
DNA Sequenzierung -> SNP, GBS
SSR Marker
Simple Sequence Repeats (Mikrosatelliten)
Repetitive DNA Motive (2 - 4 bp)
Polymorphismen: unterschiedliche Anzahl repetierter Motive
Flankierende Regionen +/- konserviert -> Nachweis durch PCR
SNP
Single Nucleotide Polymorphism
Unterschiede in einzelnen Nukleotiden
Kommen in codierenden und nicht codierenden Sequenzen vor
Nachweis mittels
- DNA Sequenzierung
- Hybridisierung (SNP chips)
- Spezifischer enzymatischer Nachweis
Automatisierung / Detektion von mehreren tausend SNP in 1 Assay
Voraussetzungen für Kopplungskarte
Darstellung der Anordnung (Reihenfolge) von Genorten (Loci) auf einem Chromosom
-> nicht gleich physikalische Karte mit absoluter Sequenz
Positionsangabe als kumulatives Längenmass (cM)
Wie wird eine Kopplungskarte berechnet?
Basierend auf Rekombinationshäufigkeiten werden Marker den Chromosomen zugeteilt und geordnet
Rekombinations-Häufigkeit
r = Anzahl Rekombinanter Gameten / (Rekombinante + Parentale Gameten)
r = 0.5: keine signifikante Koppelung zwischen A/a und B/b, Loci sehr weit entfernt, auf verschiedenen Kopplungsgruppen
r < 0.5: signifikante Koppelung
r ~ 0: totale Koppelung (loci identisch oder sehr nahe)
1 crossing over pro Meiose = 1 Morgan
1 cM = 1% CO pro Meiosis
Bsp.
Beobachtete Rekombinationen:
A-B: 9%
B-C: 9.5%
A-C: 17%
-> Rekombinationshäufigkeiten sin dnicht additiv
Kartierungspopulationen - selbstkompatible Arten und Selbst-Inkompatible Arten
Selbstkompatible Arten:
- Rückkreuzungspopulationen (Backcross BC)
- F2 Populationen
- Doppelhaploide
- Rekombinante Inzucht Linien
Selbst-Inkompatible Arten
- F1 Populationen, viel fehlende Information, Rechenintensiv, für viele Arten oft einzige Option
- Doppelhaploide
Marker - Merkmal Koppelung
Folien 290 - 293
(S. 38 - 41)
Vererbung von Merkmalen
Siehe S. 42 + 43
Qualitative Merkmale
Ausprägung: distinkte Typen, Klassen
Beispiele: Farbe, männl. Sterilität, Resistenz
Genetische Komponente: monogen, oligogen
Heritabilität: oft 100%
Informationsquelle: Individuum
Disziplin: Qualitative Genetik (Mendel)
Quantitative Merkmale
Ausprägung: kontinuierlich
Beispiele: Ertrag, Grösse, Resistenz
Genetische Komponente: polygen
Heritabilität: oft < 50%
Informationsquelle: Population
Disziplin: Quantitative Genetik
QTL - Quantitative Trait Loci
Quantitative Merkmale werden von vielen Genen kontrolliert
einzelne Gene/Loci verhalten sich nach den mendelschen Gesetzen
Viele agronomisch wichtige Merkmale sind quantitativ (Ertrag, Krankheitsresistenzen, Qualität, Wuchsform etc)
Identifikation von QTL und gekoppelten Markern ist eine wichtige Voraussetzung für MAS
QTL Analyse - Ziele
Wieviele Gene kontrolliere das Zielmerkmal?
Wie gross ist der Beitrag dieser Gene zur Erklärung der phänotypischen ud genotypischen Variabilität?
Wie wirken und interagieren diese Gene?
Wie sind sie im Genom verteilt?
Wie wirken diese Gene in verschiedenen Umwelten?
Vorgehen bei einer QTL Analyse
Aufbau einer Pflanzenpopulation mit grosser Variabilität für das Zielmerkmal
Erstellen einer genetischen Kopplungskarte (linkage map)
Ermitteln der Korrelation zwischen gewünschtem Phänotyp und Marker-Genotyp
Validierung der identifizierten QTL in verschiedenen Populationen und Umwelten
Methoden QTL Analyse
Varianzanalyse (ANOVA); F-test der Koppelung zwischen Phänotyp und mArker-Genotyp Klassen
- keine Lokalisierung des QTL, keine Schätzung der Effekte
Simple Interval Mapping (SIM); Wahrscheinlichkeitstest für die Existenz eines QTL zwischen zwei nebeneinander liegenden Markern
- Lokalisierung möglich, Effekte von anderen QTL auf gleicher Kopplungsgruppe werden ignoriert
Composite Interval Mapping (CIM); Kombiation von SIM und multipler Regression (Effekte benachbarter QTL)
Simple Iterval Mapping
Testen der Wahrscheinlichkeit für die Existenz eines QTL zwischen zwei benachbarten Markern
- schrittweises “scannen” der Kopplungskarte
LOD - Score = log10(L1/L0)
- L1 = Wahrscheinlichkeit fpr Existenz eines QTL
- L0 = Wahrscheinlichkeit für Absenz eines QTL
Kritische LOD SChwelle = Mass für Signifikanz
- wird empirisch bestimmt durch wiederholtes Berechnen der QTL mit vertauschten Datensätzen
Möglichkeiten und Grenzen von QTL
Genauigkeit abhängig von der Populationsgrösse (Anzahl Rekombinationen)
Genaue Phänotypisierung in vielen Umwelten nötig
In grossen Versuchen werden oft sehr zahlreiche QTL detektiert (v.a. für Merkmale wie Ertrag etc.)
Besonders effektiv für Merkmale die durch mehrere, aber nicht sehr viele Gene beeinflusst werden (z.B. Ölgehalt)
Oft in experimentellen Populationen ermittelt, schwierig ins Zuchtprogramm zu übertragen
Assoziations-Kartierung
Statt Nachkommen einer Kartierungskreuzung wird eine natürliche Population betrachtet, deren Mitglieder sich in vielen quantitativen Merkmalen unterscheiden
High-throughput Genotypisierung mit möglichst hoher Abdeckung des Genoms
Assoziation zwischen Genotypen und bestimmten Phänotypen
Vorteile: Kartierung direkt im Zuchtmaterial möglich
Dank neune Sequenziertechnologien: Genome wide association studies (GWAS)
WIe wird QTL im Zuchtprogramm genutzt?
Ziele: Analyse der QTL in nicht-verwandten Genotypen
Einkreuzen des QTL aus Kartierungspopulation in Zuchtmaterial
Sortenkandidaten entwickeln
Methoden:
Phänotypische und genotypische Selektion
Mehrfachkreuzungen (polycrossing)
Integration in den Zuchtprozess
