Insegnamento BIOMETRICAL GENETICS

Corso
Biotecnologie agrarie e ambientali
Codice insegnamento
A002223
Curriculum
Comune a tutti i curricula
Docente
Luigi Russi
CFU
13
Regolamento
Coorte 2022
Erogato
2022/23
Tipo insegnamento
Obbligatorio (Required)
Tipo attività
Attività formativa integrata

GENOMIC ANALYSIS AND PRINCIPLES OF BIOINFORMATICS

Codice A002225
CFU 7
Docente Gianpiero Marconi
Docenti
  • Gianpiero Marconi
Ore
  • 63 ore - Gianpiero Marconi
Attività Caratterizzante
Ambito Discipline biotecnologiche generali
Settore AGR/07
Tipo insegnamento Obbligatorio (Required)
Lingua insegnamento inglese
Contenuti Enzimi restrizione e enzimi per la manipolazione del DNA. Dettagli su realizzazione di PCR, elettroforesi e Southern. Marcatori morfologici, biochimici e molecolari. Mappaggio per associazione e linkage. Realizzazione pratica e teorica di librerie genomiche (cDNA teorica). Dettagli su sequenziamento di librerie genomiche (valutazioni dei parametri di qualità). Miglioramento genetico assistito da marcatori molecolari e da sistemi Next Generation Sequencing. Fondamenti di Bioinformatica per la gestione di dati si sequenziamento NGS.
Testi di riferimento - Weising, Nybom, Wolff, Kahl. DNA Fingerprinting in Plants Principles, Methods, and Applications. CRC Press - Haddock & Dunn, Practical computing for biologists. Sinauer Accociated Publishers
- Lorenzetti et al, Miglioramento genetico delle piante agrarie. Edagricole editore
- Citterich et al, Fondamenti di Bioinformatica. Zanichelli editore
- Barcaccia & Falcinelli - Genetica e genomica Vol. III. Liguori editore
– Materiale distribuito dal docente
Obiettivi formativi Il corso fornisce allo studente una dettagliata conoscenza delle tecniche basate sui marcatori molecolari al fine di utilizzarle nell'ambito del miglioramento genetico assistito
Prerequisiti Nessuno
Metodi didattici Lezioni frontali ed esercitazioni in aula e laboratorio
Altre informazioni La frequenza delle lezioni e altamente consigliata ma la frequenza delle esercitazioni in aula e laboratorio è obbligatoria (80%)
Modalità di verifica dell'apprendimento Esame orale¿¿
Per informazioni sui servizi di supporto agli studenti con disabilità e/o DSA visita la pagina http://www.unipg.it/disabilita-e-dsa
Programma esteso Enzimi di restrizione. Enzimi per la manipolazione del DNA. Dettagli sulla realizzazione di una efficiente reazione a catena della polimerasi (PCR). Elettroforesi e ibridazione Southern. Sequenziamento Sanger e nuove tecnologie di sequenziamento (NGS). Costruzione di librerie genomiche (NGS) e trascrittomiche. Composizione strutturale di genomi procariotici e eucariotici. Marcatori morfologici, biochimici e molecolari. Marcatori molecolari basati sull'ibridazione (RFLP). Marcatori molecolari basati sulla PCR (RAPD, AFLP, STS, SCAR, CAPS, SSR, SNP). Marcatori basati su tecniche Next Generation Sequencing: RAD-Seq, ddRAD-Seq e GBS. Fondamenti di bioinformatica per la gestione di grandi dataset derivati da sequenziamenti NGS (vari tools di bash). Preparazione pratica di librerie (ddRAD-Seq), sequenziamento di librerie NGS e analisi per l’identificazione, la validazione e il genotyping mediante marcatori SNPs. Teoria e pratica su analisi fingerprinting, di genetica di popolazione e mappaggio per associazione (GWAS) e linkage. Miglioramento genetico assistito da marcatori molecolari. Applicazioni ed impatto delle nuove tecnologie di sequenziamento sul miglioramento genetico delle piante di interesse agrario.

QUANTITATIVE GENETICS

Codice A002224
CFU 6
Docente Luigi Russi
Docenti
  • Luigi Russi
Ore
  • 54 ore - Luigi Russi
Attività Caratterizzante
Ambito Discipline biotecnologiche generali
Settore AGR/07
Tipo insegnamento Obbligatorio (Required)
Lingua insegnamento INGLESE
Contenuti Equilibrio Hardy Weinberg e fattori evolutivi; inbreeding e equilibrio di Sewall Wright; Statistiche F; valore adattativo; Media e varianza di una popolazione per variazioni nelle frequenze alleliche; componenti della varianza; ereditabilità; risposta alla selezione.
Testi di riferimento 1. Conner JK, Hartl DL 2004. A Primer of Ecological Genetics. Sinauer Ass., Inc. USA
2. Hartl DL, Clark AG, 2008. Principles of Population Genetics, 4th Edition. Sinauer Associates.
3. Falconer DS, MacKay TFC. 1996 - Introduction to Quantitative Genetics. 4th Edition. Longman.
4. Materiale didattico fornito dal docente.
Obiettivi formativi Fornire agli studenti gli approfondimenti necessari per comprendere i fenomeni selettivi e le forze evolutive che operano nelle popolazioni naturali e migliorate, nonché le conoscenze necessarie a poter gestire programmi di miglioramento genetico convenzionale e avanzato.
Prerequisiti Al fine di un efficace apprendimento dei contenuti di entrambi i moduli dell'insegnamento sono molto importanti, oltre alle conoscenze di genetica, le conoscenze basilari di statistica accompagnate da applicazioni dei più comuni software esistenti.
Metodi didattici Il Modulo Genetica quantitativa è organizzato in:
1. lezioni in aula su tutti gli argomenti del corso, come elencati nel programma;
2. esercitazioni con applicazioni di modelli di genetica di popolazione e di genetica quantitativa, anche con impiego di software dedicati. Il corso comprende anche una esercitazione congiunta tra i due moduli dell'insegnamento, durante il quale i dati sperimentali ottenuti da ciascuno studente nel ciclo di esercitazioni svolte nel laboratorio di biotecnologie del Dipartimento (dettagliate nel Modulo Analisi Genomica) vengono analizzati e interpretati alla luce delle conoscenze acquisite nelle lezioni frontali;
3. svolgimento di seminari da parte degli studenti su argomenti concordati con i docenti.
Altre informazioni 1. Periodo delle attività didattiche: 19 Settembre 2022 - 22 Febbraio 2023.
2. La frequenza delle lezioni e delle esercitazioni è altamente consigliata.
3. Il materiale distribuito dal docente (diapositive, lavori scientifici, appunti, ecc.) è disponibile agli studenti iscritti al corso sulla piattaforma UNISTUDIUM, all'indirizzo www.unistudium.unipg.it.
Modalità di verifica dell'apprendimento Per gli studenti che non frequentano le lezioni la valutazione complessiva, nelle date di appello previste nel calendario, è basata su una prova scritta della durata di 2 ore per accertare le capacità di risolvere problemi applicativi, seguita da una prova orale, della durata di circa mezz'ora, per accertare le capacità comunicative e verificare l'apprendimento di aspetti teorici che servono a risolvere problemi applicativi.
Per chi invece frequenta le lezioni con regolarità per ciascun modulo vengono programmate in itinere: (a) verifiche scritte nelle quali viene saggiato l'apprendimento su argomenti trattati a lezione nelle settimane precedenti; (b) a conclusione del corso viene programmata per ciascuno studente l'esposizione in forma seminariale di un lavoro scientifico che comprenda argomenti trattati nei due moduli, concordato precedentemente con i docenti, durante il quale vengono saggiate capacità espositive e capacità di argomentare le risposte a domande poste nella discussione.
Per il modulo Genetica Quantitativa la prova scritta o le verifiche scritte in itinere sono basate sulla soluzione di problemi di genetica di popolazione e di genetica quantitativa. La prova orale serve a complemento della parte scritta per accertare che accanto alle capacità di risoluzione dei problemi lo studente sia in grado di esprimersi oralmente approfondendo aspetti teorici. Per il modulo Analisi Genomica le verifiche di apprendimento in itinere sono basate su risposte aperte su argomenti svolti durante il corso e riguardanti sia aspetti teorici, svolti in aula, che pratici condotti in laboratorio. La prova orale finale va a completamento o integrazione delle parti scritte con l’obiettivo di collegare tutti gli aspetti pratici e teorici sviluppati nel corso.

Per informazioni sui servizi di supporto agli studenti con disabilità e/o DSA visita la pagina http://www.unipg.it/disabilita-e-dsa
Programma esteso LEZIONI FRONTALI:
Parte 1: Genetica di popolazione
Richiami dei principi di genetica di popolazione: concetti di metapopolazione e subpopolazioni; stima della variazione genetica esistente in una popolazione; calcolo delle frequenze alleliche e genotipiche; organizzazione della variazione genetica; dimostrazione dell'equilibrio Hardy-Weinberg (EHW) attraverso unioni tra individui e unioni tra gameti.
Le condizioni per il modello di equilibrio HW. Verifica dell'equilibrio mediante test del Chi Quadrato. Stima delle frequenze alleliche dalle frequenze degli omozigoti recessivi in popolazioni in EHW. EHW per alleli multipli: metodo della radice quadrata e algoritmo EM per alleli multipli con azioni geniche codominanti e dominanti; EHW per alleli ubicati sui cromosomi sessuali.
EHW in organismi autotetraploidi: possibili genotipi con una coppia allelica. Tipi di gameti prodotti da un quadruplex, triplex, duplex, simplex e nulliplex, fenotipi e genotipi attesi da segregazione cromosomica in incroci e da autofecondazione. Segregazione casuale dei cromosomi e dei cromatidi, tipi e proporzioni di gameti in presenza di double reduction. Eterosi progressiva. Alleli multipli nei poliploidi. Raggiungimento dell’equilibrio HW negli autotetraploidi. Equilibrio HW nel caso di due geni: cause del linkage disequilibrium. EHW e unioni non casuali: unioni tra individui fenotipicamente simili (assortative e disassortative mating), unioni tra individui geneticamente simili (inbreeding). Inbreeding in specie con autogamia totale e in specie prevalentemente allogame; dimostazione dell'equilibrio di Sewall Wright. Variazioni del coefficiente di inbreeding con diversi sistemi di unione. Effetto delle mutazioni sulle frequenze alleliche. Tasso di mutazione, di retromutazione e raggiungimento dell'equilibrio. Migrazione unidirezionale e modello continente-isola. Modello a isole. Effetto della migrazione sulle frequenze alleliche. Effetto Wahlund. Deriva genetica e suoi effettii sulle subpopolazioni e sulla metapopolazione. Statistiche F di Sewall Wright. Dimensione effettiva di una popolazione. Effetto bottleneck ed effetto del fondatore. Flusso genico tra popolazioni frammentate.

Parte 2: Genetica quantitativa
Caratteristiche genetiche di una popolazione. Valore genotipico e numero di loci coinvolti. Effetto del genotipo ed effetto dell’ambiente. Tipi di azioni geniche e modello generale a un locus.
Calcolo della media dei valori genotipici di una popolazione in EHW. Effetto della dominanza sulla media di una popolazione. Scomposizione della varianza fenotipica.
Calcolo della varianza dei valori genotipici di una popolazione in EHW ed effetto delle frequenze alleliche. Effetto della dominanza sulla varianza di una popolazione. Valore riproduttivo. Scomposizione della varianza genetica. Stima di VA e h2. Regressione progenie-genitori. Somiglianza tra parenti. Disegni sperimentali: analisi di famiglie full-sib e half-sib. Scomposizione della varianza genetica nelle specie prevalentemente autogame.
Risposta alla selezione di popolazioni naturali e in corso di miglioramento. Interazione G×E. Plasticità fenotipica. Breeding per adattamento e per stabilità produttiva (interazioni G×L, G×Y, G×L×Y). Prove per la determinazione della differenziazione genetica (ecotipizzazione) e/o della plasticità fenotipica presente in popolazioni naturali di specie vegetali.
Correlazione tra caratteri: correlazione fenotipica e genetica. Selezione artificiale: direzionale, stabilizzante e divergente. Stima dell'ereditabilità realizzata media da esperimenti di selezione divergente. Risposte asimmetriche alla selezione. Risposta correlata alla selezione.
Caratteri quantitativi sotto selezione naturale. Funzioni di fitness teoriche e funzioni reali. Agenti selettivi e bersagli della selezione. Selezione diretta e indiretta. Selezione con caratteri correlati. Manipolazione sperimentale dei bersagli e degli agenti della selezione.

ESERCITAZIONI:
Esercizi in classe su EHW e fattori che lo modificano, inbreeding e coefficiente F.
Analisi Cluster dei dati sperimentali: Matrice grezza dei dati, coefficiente di similarità di Dice, di distanze euclidee, coefficiente di correlazione; scelta dell'algoritmo di raggruppamento. Clustering gerarchico (single linkage, complete linkage, UPGMA, metodo di Ward), Clustering non gerarchico (k-mean clustering).
Esercitazione su: lettura dei gel, costruzione di matrici di dati in excel, analisi cluster di dati di laboratorio, costruzione di dendrogrammi e interpretazione dei risultati.
Esercizi in classe con esempi numerici: analisi statistica e interpretazioni genetiche dei dati analizzati: ANOVA a una e due vie, correlazione e regressione tra caratteri. Analisi della covarianza. Analisi statistica di esperimenti condotti in più località e/o per più anni. Calcolo dell'ereditabilità in senso stretto e in senso largo in popolazioni prevalentemente allogame (famiglie full sib e half sib, regressione prole-genitori) e autogame. Risposta alla selezione. Risposte correlate alla selezione.

SEMINARI:
Seminari svolti da piccoli gruppi di studenti su argomenti concordati con il docente come approfondimenti del programma.
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