1 / 67

Augu molekulārā ģenētika

Augu molekulārā ģenētika . Nils Rostoks LU Bioloģijas fakultāte . Kursa apjoms. 2 kredītpunkti 11 lekcijas 2 semināri Patstāvīgais darbs – sagatavot prezentāciju semināram Nobeigumā – eksāmens

eliora
Télécharger la présentation

Augu molekulārā ģenētika

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Augu molekulārā ģenētika Nils Rostoks LU Bioloģijas fakultāte

  2. Kursa apjoms • 2 kredītpunkti • 11 lekcijas • 2 semināri • Patstāvīgais darbs – sagatavot prezentāciju semināram • Nobeigumā – eksāmens • Prasības KP ieguvei: Lekciju apmeklējums, uzstāšanās ar referātu seminārā un aktīva dalība referātu apspriešanā (50% atzīmes), sekmīgi nokārtots rakstiskais eksāmens (50%)

  3. Mācību plāns un lekciju saraksts

  4. Mācību materiāli I • Lekcijas

  5. Mācību materiāli II • Lekcijas

  6. Augi kā ģenētikas modeļorganismi • Augi kā ģenētikas modeļorganisms (Mendelis un zirņi) • Wilhelm Ludwig Johannsen, tīro līniju teorija (pupiņas un mieži) • Jack R. Harlan, Robert W. Allard, evolūcija un populāciju ģenētika (mieži) • Barbara McClintock, krusmijascitoģenētiskie pētījumi, gēnu novietojums hromosomā, transponējamie ģenētiskie elementi (kukurūza)

  7. Mendeļa eksperimenti • 1865. gada raksts “VersucheüberPflanzen-Hybriden" (tulkojums angļu valodā atrodams http://www.mendelweb.org/) • Prasības eksperimentā izmantotajiem augiem: • 1. augiem jāpiemīt nemainīgām, tos atšķirošām īpašībām; • 2.šo augu hibrīdiem ziedēšanas laikā jābūt pasargātiem no apputeksnēšanas ar svešiem putekšņiem; • 3. hibrīdiem un to pēctečiem nedrīkst piemist būtiskas atšķirības auglībā.

  8. Mendeļa eksperimentu gēns – krokota sēkla • Gēns, kas nosaka gludu/krokotu sēklu fenotipu Bhattacharyya etal. (1990) The wrinkled-seed character of pea described by Mendel is caused by a transposon-like insertion in a gene encoding starch-branching enzyme.Cell, 60:115-122. Šo pazīmi nosaka r (rugosus) lokuss. RR un Rr genotipi nosaka gludas sēklas, bet rr genotips nosaka krokotas sēklas. rr sēklās trūkst cietes zarošanās enzīms I (starch-branching enzyme –SBEI). r lokusā ir Ac/Dstransposonainsercija, kas noved pie nefunkcionālas mRNS sintēzes un cietes, lipīdu un proteīnu biosintēzes traucējumiem.

  9. Tīrās līnijas

  10. Kvantitatīvo pazīmju sadalījums

  11. Kvantitatīvās pazīmes ģenētikā

  12. Diskrētās un kvantitatīvās pazīmes ģenētikā • Mendelis strādāja ar diskrētām pazīmēm «dzeltens» – «zaļš», «rievots» – «gluds», pie tam katru pazīmi noteica viena gēna dažādas alēles • Johansens strādāja ar kvantitatīvu pazīmi «pupiņu garums, cm», kuru nosaka gan gēni (tāpēc iespējamas tīrās līnijas), gan vides faktori (tāpēc variācija tīrās līnijas ietvaros) • Vairums pazīmju dabā ir kvantitatīvas – tās nosaka vairāki gēni, kā arī vides faktori (fenotips = gēni + vide) • Vēsturiski uzskatīja, ka Mendeļa un kvantitatīvā ģenētika ir dažādas lietas, bet tagad ir zināms, ka kvantitatīvā ģenētika arī balstās uz Mendeļa likumiem

  13. Evolūcijas pētījumi • Alllard RW (1988) The Wilhelmine E. Key 1987 invitational lecture. Genetic changes associated with the evolution of adaptedness in cultivated plants and their wild progenitors. J Hered, 79: 225 – 238 • Compositecross II – izveido 1928. gadā J. Harlan. Krusto 28 miežu šķirnes, no iegūtajiem 378 krustojumiem izsēj vienādu daudzumu F1 sēklu. Ievākto ražu apkopo un no tās izsēj nejaušu paraugu. To atkārto līdz F60.

  14. Mikroevolūcija miežu populācijā • Evolūcija – iedzimstošas izmaiņas organismos vai populācijās vairāku paaudžu laikā, īpašību nodošana nākamajām paaudzēm ar izmaiņām • Mikroevolūcija – evolūcija sugas iekšienē, ģenētiskās izmaiņas populācijās un ģenētiskā diferenciācija starp populācijām • Pielāgotība (adaptedness) – organisma spēja dzīvot un vairoties noteiktā vidē • Pielāgošanās (adaptation) – organisma vai populācijas pielāgošanās noteiktai videi • Fitness – genotipa vidējais ieguldījums populācijā salīdzinot ar citiem genotipiem

  15. Evolūcija CCII populācijā CCII paaudžu gaitā bija novērojamas būtiskas kvalitatīvo pazīmju (morfoloģiskās pazīmes, slimību izturība, izoenzīmi, rDNSrestrikcijas fragmenti) alēļu frekvenču izmaiņas CCII kopumā turpināja pieaugt pielāgotība noteiktiem vides apstākļiem Visiem marķieru lokusiem bija būtiska ietekme uz vairākām kvantitatīvām pazīmēm Jau agrīnās paaudzēs izveidojās būtiskas asociācijas starp alēlēm dažādos lokusos

  16. Alēļu frekvenču izmaiņas esterāzes lokusā

  17. Transponējami ģenētiskie elementi • Nobela prēmija medicībā 1983. gadā "for her discovery of mobile genetic elements“ • Mutable Loci in Maize (1948) • http://profiles.nlm.nih.gov/LL/

  18. Ac/Dstranspozonu sistēma http://www.mun.ca/biology/scarr/Ac-Ds_system_genetics2.html

  19. Ac/Ds sistēmas pielietojums funkcionālajā genomikā • LazarowandLutticke (2009) An Ac/Ds-mediated gene trap system for functional genomics in barley. BMC Genomics, 10: 55 • Izveido transgēnu miežu līniju, kura satur Actranspozāzi, kā arī vairākas līnijas, kas satur uz Ds elementa bāzes veidotu konstrukciju, kas ekspresē GUS marķieri. Krusto Ac līniju ar Ds līnijām, F1 un F2 augos novēro GUS marķiera aktivitāti. Sekvences analīze liecina, ka Ds elements ar GUS marķieri insertējas gēnu tuvumā miežu genomā

  20. Poliploīdija, hromosomu segregācija, mejotiskā krustmija • Polyploidy in Zea Mays L (1926) • A Correlation of Cytological and Genetical Crossing-Over in Zea Mays (1931) • The Order of the Genes C, Sh, and Wx in Zea Mays with Reference to a Cytologically Known Point in the Chromosome (1931) • The Correlation of Cytological and Genetical Crossing-Over in Zea Mays. A Corroboration (1935)

  21. NormansBorlaugs un “Zaļā revolūcija” • NormansBorlaugs (1914. – 2009.), Nobela miera prēmijas laureāts 1970. gadā • Augu patologs, ģenētiķis un selekcionārs • Pazīstams ar savu darbu CIMMYT (Centro Internacional de Mejoramiento de Maíz y Trigo, International Maize andWheatImprovementCenter, Mexico) pie jaunu kviešu šķirņu veidošanas un popularizēšanas Meksikā, Indijā, Pakistānā • “Zaļā revolūcija” notika pateicoties jaunām šķirnēm, pesticīdu pielietojumam un agrotehniskajiem pasākumiem

  22. NormansBorlaugs un “Zaļā revolūcija”

  23. NormansBorlaugs un “Zaļā revolūcija” • The green revolution in India and Pakistan ... is neither a stroke of luck nor an accident of nature. Its success is based on sound research, the importance of which is not self-evident at first glance. For, behind the scenes, halfway around the world in Mexico, were two decades of aggressive research on wheat that not only enabled Mexico to become self-sufficient with respect to wheat production but also paved the way to rapid increase in its production in other countries. It was in Mexico that the high-yielding Mexican dwarf varieties were designed, bred, and developed. There, also, was developed the new production technology which permits these varieties, when properly cultivated, to express their high genetic grain-yield potential - in general, double or triple that of the best yielders among older, tall-strawed varieties. http://nobelprize.org/nobel_prizes/peace/laureates/1970/borlaug-lecture.html

  24. NormansBorlaugs un “Zaļā revolūcija” • Equally as important as the transfer of the new seed and new technology from Mexico to India and Pakistan was the introduction from Mexico of a crop-production campaign strategy. This strategy harnessed the high grain-yield potential of the new seed and new technology to sound governmental economic policy which would assure the farmer a fair price for his grain, the availability of the necessary inputs - seed, fertilizers, insecticides, weed killers, and machinery - and the credit with which to buy them. Collectively these inputs and strategy became the base from which the green revolution evolved. http://nobelprize.org/nobel_prizes/peace/laureates/1970/borlaug-lecture.html

  25. Augu filoģenēze un taksonomija • Sauszemes augu sporas pirmoreiz parādījās 476 miljonus gadu vecos iežos • Pirmās vaskulāro augu fosīlijas datētas no Silūra (415 – 440 miljoni g.) • Pirmie ziedaugi parādās pirms apm. 130 miljoniem gadu

  26. Augu sistemātika • Sistemātika (nozare) un taksonomija (apakšnozare) • Taksonomijā izmantojamās pazīmes : • Morfoloģiskās pazīmes – lapas forma un anatomija, reproduktīvo orgānu morfoloģija, ziedu forma un anatomija, embriju un dīgstu forma, vasas un sakņu forma • Bioķīmiskās pazīmes – fotosintēzes ceļi, izoenzīmi, hloroplastu un kodola genoms, metabolīti

  27. Mikroskopija augu taksonomijā Orhidejas Lycastec.f.tricolor putekšņlapas Lahayeetal. (2008) PNAS, 105: 2923

  28. Augu taksonomija • Taksonomija – sadala dzīvos organismus grupās (taksonos) un sakārto tos hierarhiskā secībā balstoties uz to līdzības pakāpi • Filoģenētiskātaksonomija – atspoguļo taksonomisko vienību evolucionāro vēsturi

  29. Molekulārie marķieri taksonomijā • Molekulārie dati sniedz nepastarpinātu informāciju par organismu genomu, tos iespējams interpretēt izmantojot precīzi definējamus evolūcijas modeļus • Molekulārās metodes ļauj analizēt tādus organismus, kuri nav pieejami standarta metodēm, piemēram, nekultivējami mikroorganismi, vai herbārija paraugi • Molekulāro marķieru informācija ir daudz plašāka nekā fenotipiskā informācija • Molekulārie marķieri palīdz atšķirt homoloģiju un analoģiju • Molekulārie dati ļauj tieši salīdzināt ģenētiskās diferenciācijas pakāpi dažādās taksonomiskās grupās, piemēram, zivīs un putnos

  30. Morfoloģiskās pazīmes un molekulārie marķieri

  31. Graudzāļu (Poaceae) sistemātika Filoģenēze rekonstruēta balstoties uz morfoloģijas un anatomijas datiem, hloroplastu genoma datiem (cpDNArestrikcijas analīze, rbcL, ndhF, rpoC2 un rps4 sekvences) un kodola genoma datiem (rDNS, GBSSI (waxy) un fitohroma B sekvences) Kellog E (1998) PNAS, 95: 2005

  32. Fenotips un genotips sistemātikā O’Learyetal. (2013) The placentalmammalancestorandthe post-K-Pgradiationofplacentals. Science, 339:662

  33. DNS svītrkods un genomu sekvences KressandErickson (2008) PNAS, 105: 2761

  34. DNS svītrkods • DNS svītrkods – īsa (400 – 800 bp) DNS sekvence dažādu taksonu identifikācijai un klasifikācijai • Pirmā starptautiskā konference “Barcoding of Life”, Londonas Dabas vēstures muzejā, Londonā, 2005. gada februārī • http://barcoding.si.edu/history.html • Priekšnoteikumi DNS svītrkodu pielietojumam: • Sekvences pietiekami polimorfas, lai atšķirtu radniecīgas sugas • Polimorfo rajonu flankējošie rajoni ir konservatīvi un ļauj veidot universālus PCR praimerus • Sekvencēm jābūt pietiekami īsām, lai atbilstu mūsdienu tehnoloģiju iespējām

  35. CBOL – consortiumforthebarcodeoflife • http:// http://www.barcodeoflife.org/; http://www.boldsystems.org/ • Dzīvniekiem visplašāk pielieto mitohondriju genomā kodētās citohroma c oksidāzes 1. subvienības 5’ rajonu (COI) • Augiem COI rajons nav pielietojams. Izmantoti tiek vairāki citi gēni, galvenokārt no hloroplastu genoma

  36. DNS svītrkoda gēnu daudzveidība Lahayeetal. (2008) DNA barcoding the floras of biodiversity hotspots. PNAS, 105: 2923

  37. Plantgeneticsandenvironment • ScienceMatters: PlantGeneticsandtheEnvironment (Dr. JulianSchroeder, UCSD) • http://www.youtube.com/watch?v=fghFaDlgc-E

  38. Augu genomu struktūra

  39. Augu genomi Kodola genoms Mitohondriju genoms Hloroplastu genoms Papildus informācija par augu genomiem: http://www.ndsu.nodak.edu/instruct/mcclean/plsc731/genome/genome1.htm http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genomes/PLANTS/PlantList.html http://www.arabidopsis.org/portals/genAnnotation/other_genomes/index.jsp

  40. Genomiskās DNS renaturācijas kinētika Denaturēta DNS renaturēsies balstoties uz DNS bāzu pāru komplementaritātes principu Renaturācijas kinētika ļauj raksturot genoma sekvences, jo renaturācija balstās uz nejaušu komplementāru DNS fragmentu sadursmi C0 x t1/2 raksturo noteikta DNS sekvences veida renaturāciju, kur C0 = DNS molārā koncentrācija t1/2 = laiks, kas nepieciešams, lai puse DNS molekulu renaturētu Jo lielāks C0t1/2, jo lēnāka reakcija

  41. http://plantgenome.agtec.uga.edu/CBCS/hub/webpages/cot.htm

  42. C0t1/2

  43. C0t1/2 vērtība atkarīga no genoma kompleksitātes

  44. Genoma kompleksitāte • Genoma kompleksitāti definē kā kopīgo unikālo (savstarpēji atšķirīgo) sekvenču garumu • E. coligenoma kompleksitāte ir 4.2 x 106, kas atbilst tā genoma izmēriem, jo šajā genomā visas sekvences ir unikālas • C0t1/2 tieši saistīts ar DNS daudzumu genomā - jo genoms kompleksāks, jo mazāks katras unikālās sekvences kopiju skaits • Piemēram, 12 pgE. coligenomiskās DNS satur 3000 kopijas no katra gēna, bet tas pats daudzums cilvēka genomiskās DNS tikai 4 kopijas katra gēna

  45. Eikariotu genomu C0t1/2 analīze Eikariotu genoma C0t1/2 analīzes līkne atšķiras no baktēriju līknes Eikariotu genoms satur vairākus komponentus, katru ar savu C0t1/2 vērtību Lēnais (augstas C0t1/2 vērtības) komponents satur gēnus, kurus veido unikālas DNS sekvences Piemēram, sorgo genomā lēnais komponents atbilst 700 mb (24%) no genoma (Petersonetal. (2002) GenomeRes, 12: 795

  46. Genomu izmēru salīdzinājums

  47. Augu genomu sekvences 2006. g. 2000. g. 2002. g. 2005. g. 2002. g.

  48. Brachypodiumdistachyongenoms nosekvenētshttp://www.brachypodium.org/ Kukurūzas (Zeamays) genoms nosekvenēts-http://www.maizegdb.org/ Kviešu (Triticumaestivum) (http://www.wheatgenome.org/) un miežu (Hordeumvulgare) (http://www.etgi.org) genoma sekvenēšana Augu genomu sekvenēšana

More Related