ALLOPOLIPLOIDIA: gli ibridi anfidiploidi MEIOSI ABORTIVE, STERILITA’ Fecondazione interspecifica, fra specie diverse ma compatibili, con sviluppo dell’ibrido Le allopoliploidie sono generate da un percorso obbligato a 2 tappe. La prima tappa è una fecondazione interspecifica in cui le 2 specie coinvolte abbiano i loro cromosomi abbastanza simili da poter interagire nello sviluppo della progenie ibrida, quindi in grado di consentire la vita e la salute degli ibridi, ma abbastanza diversificati da non potersi più appaiare in meiosi. L’ibrido viene chiamato anfidiploide, è sano e vitale ma completamente sterile, poiché, in mancanza dell’appaiamento dei cromosomi omologhi, la distribuzione dei cromosomi in 1° divisione meiotica è casuale e i gameti che si formano presentano aneuploidie complesse. Se, come avviene nelle piante e in alcuni animali, l’ibrido anfidiploide è in grado di riprodursi senza meiosi (partenogenesi, riproduzione vegetativa) si può sviloppare una popolazione geneticamente uniforme (un clone) di individui anfidiploidi. I cromosomi non sono a 2 a 2 omologhi: in 1° divisione meiotica non riescono ad appaiarsi e segregano casualmente Zigote anfidiploide ibrido, vitale Successive divisioni mitotiche, differenziamento Di conseguenza i gameti sono sbilanciati geneticamente, quindi sterili inividuo anfidiploide ibrido, vitale ma sterile

ALLOPOLIPLOIDIA: origine di individui allotetraploidi Cellula anfidiploide INDIVIDUO ALLOTETRAPLOIDE FECONDO ZIGOTE ALLOTETRAPLOIDE Fecondazione fra gameti anfidiploidi Salto di una mitosi nella linea germinale GAMETE ANFIDIPLOIDE La seconda tappa nella genesi dell’allopoliploidia è il salto di una mitosi nella linea germinale in alcuni individui anfidiploidi; si formano così cellule allotetraploidi da cui derivano meiociti I in cui ogni cromosoma ha un cromosoma identico a sé con cui appaiarsi in 1° divisione meiotica; queste cellule sono in grado di formare gameti bilanciati anfidiploidi; dalla fecondazione di 2 gameti anfidiploide si forma uno zigote allotetraploide in grado di svilupparsi e di dare vita ad un individuo allotetraploide, sano, vitale e del tutto fecondo. 1° DIVISIONE MEIOTICA NORMALE Meiocita allotetraploide

Mutazioni cromosomiche strutturali stabili e bilanciate Le inversioni pericentriche e paracentriche, le traslocazioni reciproche e le fusioni-fissioni centriche sono le mutazioni cromosomiche stabili e bilanciate. Stabili poiché i prodotti dell’evento mutazionale sono dotati ciascuno di un centromero e due telomeri che consentono la trasmissione dei cromosomi mutati alla progenie cellulare Bilanciate perché non si è perso ne aggiunto alcun gene ma è solo stata cambiata la loro disposizione lungo i cromosomi a b d c e a d c b e Inversione pericentrica Inversione paracentrica Le mutazioni cromosomiche strutturali consistono in un’alterazione della struttura dei cromosomi conseguenti al danneggiamento del DNA. La presente diapositiva raffigura la tipologia delle principali mutazioni cromosomiche strutturali, stabili e bilanciate. Tutte le mutazioni il cui risultato sono cromosomi con un centromero e due telomeri sono stabili, perché sono in grado di trasmettersi invariate nella progenie cellulare attraverso la mitosi. Tutte le mutazioni in cui non ci sono geni in eccesso o difetto, ma cambia solo la collocazione dei geni, sono dette mutazioni bilanciate (inversioni pericentriche – con il centromero entro la regione invertita – e paracentriche - con il centromero fuori dalla regione invertita; traslocazioni, fusioni e fissioni centriche). a b a b c d h i l a b c d e Fissione centrica f gh i l f g e Traslocazione reciproca c d e + + Fusione centrica

Mutazioni cromosomiche strutturali sbilanciate Le delezioni e le duplicazioni sono le mutazioni cromosomiche stabili poiché i prodotti dell’evento mutazionale sono dotati ciascuno di un centromero e due telomeri che consentono la trasmissione dei cromosomi mutati alla progenie cellulare. I cromosomi ad anello e dicentrici sono le mutazioni cromosomiche sbilanciate poiché non possiedono un centromero (dicentrici) e due telomeri (anelli). Queste mutazioni sono sbilanciate perché si sono persi o aggiunti alcun geni rispetto ai cromosomi originari a b c d de a b e Duplicazione Delezione a b c d e La presente diapositiva raffigura la tipologia delle principali mutazioni cromosomiche strutturali sbilanciate. a b c d g f f gh i l Dicentrico + Anello b c d

Comportamento in meiosi delle mutazioni cromosomiche bilanciate (I divisione meiotica): inversioni paracentriche in eterozigosi A B C D E Crossing over all’interno dell’ansa fra i geni B e C A B C B D A E B D A E Anafase I C D E B E C D A EFFETTI GENETICI: soppressione dei prodotti del crossing over entro la regione invertita; riduzione della fecondità. I gameti con i prodotti del crossing over nella regione invertita (2 su 4) non sono vitali Le diapositive 18-21 descrivono il comportamento dei riordinamenti strutturali bilanciati (inversioni paracentriche e pericentriche, traslocazioni reciproche, fusioni centriche) in condizione eterozigote in 1° divisione meiotica. Poiché l’appaiamento tra gli omologhi è preciso, i bivalenti che coinvolgono un cromosoma con un inversione e il suo omologo normale presentano una caratteristica ansa in corrispondenza della regione invertita: uno dei 2 omologhi forma un “cappio” (il cromosoma rosso, con l’inversione, nelle diapositive 18-19), l’altro si piega a ferro di cavallo (il cromosoma nero, normale, nelle diapositive 18-19). Se in un’inversione paracentrica in eterozigoti avviene un crossing over entro l’ansa in corrispondenza della regione invertita, 1 dei 2 cromatidi coinvolti nel crossing over non ha alcun centromero, e non prenderà parte, per questo, alla 2° divisione meiotica e di conseguenza verrà perduto; l’altro, invece, ha due centromeri che, facendo parte di 2 diversi cromosomi omologhi, sono necessariamente tirati verso i poli opposti, sottoponendo così il proprio cromatidio a un vero e proprio tiro alla fune; si forma un “ponte” di cromatina (la sostanza di cui sono costituiti i cromosomi, instabile, che si rompe, dando luogo a ulteriori riordinamenti cromosomici complessi, incompatibili con la vita dell’embrione, se un gamete che contiene un segmento rotto del cromatidio di centrico prende parte alla fecondazione. Dunque i due cromatidi che hanno subito il crossing over non possono essere trasmessi alla progenie, mentre i cromatidi che non lo hanno subito sono pienamente compatibili con la vita e trasmissibili alla progenie. Per quanto riguarda gli effetti genetici, la soppressione del crossing over nella regione invertita deriva dal fatto che, quando questo crossing over si realizza, i suoi prodotti non sono vitali e non danno luogo a una progenie vitale. Questa è anche la causa della riduzione della fecondità. A D C B E Il cromatidio dicentrico è instabile: forma un ponte di cromatina che si rompe e si perde Il frammento acentrico si perde

Comportamento in meiosi delle mutazioni cromosomiche bilanciate (I divisione meiotica): inversioni pericentriche in eterozigosi Crossing over all’interno dell’ansa fra i geni B e C Cromatidi sbilanciati C B D A E B D A E A B C D E Anafase II E D C B E Anafase I A D C B A A D C B E EFFETTI GENETICI: soppressione dei prodotti del crossing over entro la regione invertita; riduzione della fecondità. Se in un’inversione pericentrica in eterozigoti avviene un crossing over entro l’ansa in corrispondenza della regione invertita, i 2 cromatidi coinvolti nel crossing over presentano ciascuno una duplicazione e una delezione complementari alla delezione e alla duplicazione corrispondente dell’altro (il cromatidio nero/rosso, il secondo dall’alto nella diapositiva, presenta una duplicazione per il gene E e una delezione per il gene A, mentre il cromatidio rosso/nero, il terzo dall’alto, presenta una duplicazione per il gene A e una delezione per il gene E); se i gameti che possiedono questi cromatidi prendono parte alla fecondazione, gli sbilanciamenti dovuti alla duplicazione e alla delezione possono compromettere lo sviluppo dello zigote che ne deriva. Dunque i due cromatidi che hanno subito il crossing over non possono essere trasmessi alla progenie, mentre i cromatidi che non lo hanno subito sono pienamente compatibili con la vita e trasmissibili alla progenie. Anche in questo caso, per quanto riguarda gli effetti genetici, la soppressione del crossing over nella regione invertita deriva dal fatto che, quando questo crossing over si realizza, i suoi prodotti non sono vitali e non danno luogo a una progenie vitale. Questa è anche la causa della riduzione della fecondità. I gameti con i prodotti del crossing over nella regione invertita (2 su 4) sono sbilanciati, con delezioni e duplicazioni complementari; quindi non sono vitali o lo sono poco

Comportamento in meiosi delle mutazioni cromosomiche bilanciate (I divisione meiotica): traslocazioni reciproche in eterozigosi C A B C A B C D C D Segragazione adiacente: si formano coppie di gameti sbilanciati con delezioni e duplicazioni complementari EFFETTI GENETICI: pseudoassociazione fra i geni dei cromosomi coinvolti; riduzione della fecondità. Segregazione alternata: si formano coppie di gameti bilanciati: 2 con i cromosomi normali e 2 con i cromosomi traslocati Anafase I A B E F D E F A B E F D E F Poiché l’appaiamento tra gli omologhi è preciso, i 2 cromosomi con la traslocazione reciproca e i loro 2 omologhi normali si appaiano in un’unica struttura, un quadrivalente cruciforme, in cui ogni regione cromosomica è appaiata alla propria regione omologa. Se, durante la 1° divisione meiotica segregano allo stesso polo i cromosomi opposti lungo la diagonale (il cromosoma azzurro in alto a sinistra insieme al cromosoma rosso in basso a destra e, al polo opposto, il cromosoma azzurro/rosso in basso a sinistra insieme al cromosoma rosso/azzurro in alto a destra), i 4 prodotti della meiosi che ne risultano saranno tutti bilanciati; questa modalità di segregazione è chiamata segregazione alternata (a sinistra nella diapositiva); il risultato della segregazione alternata è che a un polo migrano insieme i 2 cromosomi normali, all’altro i 2 cromosomi con la traslocazione. Se, invece, segregano allo stesso polo i cromosomi adiacenti (il cromosoma azzurro in alto a sinistra insieme al cromosoma rosso/azzurro in alto a destra e, al polo opposto, il cromosoma azzurro/rosso in basso a sinistra insieme al cromosoma rosso in basso a destra), i 4 prodotti della meiosi che ne risultano saranno tutti sbilanciati (una duplicazione di C e una delezione di E ed F per i 2 prodotti che derivano dal polo in alto; una duplicazione di E ed F e una delezione di C per i 2 prodotti che derivano dal polo in basso); questa modalità di segregazione è chiamata segregazione adiacente (a destra nella diapositiva); il risultato della segregazione alternata è che a entrambi i poli migrano un cromosoma normale e un cromosoma con la traslocazione. Per quanto riguarda gli effetti genetici, per le traslocazioni, solo la segregazione alternata produce spore o gameti bilanciati; quando si realizza questo tipo di segregazione, i due cromosomi normali, che derivano dallo stesso genitore, vanno allo stesso polo, mentre al polo opposto vanno i 2 cromosomi coinvolti nella traslocazione, che derivano dall’altro genitore; così gli alleli che si trovano sui due cromosomi normali segregano sempre insieme, nella segregazione alternata, come se fossero sullo stesso cromosoma; lo stesso ovviamente avviene per gli alleli che si trovano sui cromosomi coinvolti nella segregazione; per questo si parla di pseudo-associazione. Il fatto che la segregazione adiacente produca gameti o spore sbilanciati giustifica la riduzione della fecondità.

Comportamento in meiosi delle mutazioni cromosomiche bilanciate (I divisione meiotica): fusioni centriche in eterozigosi Segragazione con non disgiunzione secondaria: si formano coppie di gameti sbilanciati con nullisomie e disomie complementari Segregazione corretta: si formano coppie di gameti bilanciati: 2 con i cromosomi normali e 2 con il cromosoma fuso EFFETTI GENETICI: pseudoassociazione fra i geni dei cromosomi coinvolti; riduzione della fecondità. A B C A B C A B C A B C A B C A B C Poiché l’appaiamento tra gli omologhi è preciso, il cromosoma metacentrico derivato dalla fusione e i 2 omologhi telocentrici normali si appaiano in un’unica struttura, un trivalente, in cui ogni regione cromosomica è appaiata alla propria regione omologa. Se, durante la 1° divisione meiotica segregano allo stesso polo i 2 cromosomi acrocentrici (i 2 cromosomi rossi) e, al polo opposto, il cromosoma metacentrico (azzurro), i 4 prodotti della meiosi che ne risultano saranno tutti bilanciati (a sinistra, nella diapositiva). Se, invece, segregano allo stesso polo il cromosoma metacentrico (azzurro) e uno dei 2 cromosomi acrocentrici (rossi), i 4 prodotti della meiosi che ne risultano saranno tutti sbilanciati e complementari (una nullisomia e una disomia del cromosoma con B e C, nello schema al centro e una nullisomia e una disomia del cromosoma con A, nello schema a destra). Per quanto riguarda gli effetti genetici, la pseudoassociazione riguarda gli alleli presenti sui 2 cromosomi telocentrici omologhi al cromosoma metacentrico derivato dalla fusione; infatti l’unica modalità di segregazione bilanciata è quella per cui il cromosoma metacentrico va a un polo e i 2 cromosomi telocentrici all’altro. Il fatto che talvolta un cromosoma telocentrico migra allo stesso polo del cromosoma metacentrico giustifica la riduzione di fecondità.

Le leggi di Hardy-Weinberg 1° legge di Hardy-Weinberg: le frequenze degli alleli in una popolazione non cambiano passando da una generazione all’altra se: 3) Non c’è migrazione 1) Non c’è selezione 2) Non c’è mutazione 4) La popolazione è infinitamente grande Se p è la frequenza relativa dell’allele A1 alla generazione iniziale, e p’ è la frequenza relativa dello stesso allele alla generazione successiva, quando le 4 condizioni sono rispettate, la popolazione è all’equilibrio (e non c’è evoluzione!) e: p’=p; p’-p= p=0 2° legge di Hardy-Weinberg: le frequenze dei genotipi diploidi in una popolazione sono uguali al prodotto delle frequenze degli alleli (se queste ultime sono i coefficienti di un polinomio, le prime sono i coefficienti del quadrato del polinomio ) se: A1 p A2 q A3 r A1 p A1A1 p2 A1A2 pq A1A3 pr A2 q A1A2 pq A2A2 q2 A2A3 qr A3 r A1A3 pr A3A3 r2 Le leggi fondamentali della genetica delle popolazioni furono formulati indipendentemente da Hardy e Weinberg nei primi anni del secolo scorso: la 1° legge pone le condizioni per cui le frequenze degli alleli in una popolazioni (frequenze alleliche) non cambino da una generazione all’altra, quindi rimangano invariate nel tempo. La mancanza di variazione delle frequenze alleliche nel tempo è la condizione genetica per la stasi evolutiva; dunque individuare le condizioni della stasi evolutiva a livello popolazionistico consente, per contrasto, di definire le condizioni che promuovono l’evoluzione. Le frequenze alleliche rimangono costanti nel tempo se: i diversi genotipi degli organismi hanno tutti la stessa idoneità riproduttiva (“fitness”), cioè la stessa probabilità di riprodursi con successo; i diversi alleli nei gameti hanno la stessa probabilità di partecipare alla fecondazione; ovvero non c’è selezione; la frequenza di mutazione è uguale per tutti gli alleli, oppure non c’è mutazione; le frequenze alleliche di una popolazione immigrante sono uguali a quelle delle popolazioni riceventi, oppure non c’è migrazione; la popolazione è infinitamente grande, o almeno è abbastanza grande che siano trascurabili le variazioni casuali delle frequenze all’eliche. Se ogni gamete del pool di un sesso ha uguale probabilità di prendere parte alla fecondazione con qualsiasi gamete dell’altro sesso, senza nessuna preferenza di accoppiamento, si ha una condizione di panmissia. La 2° legge di Hardy-Weinberg asserisce che se la popolazione è panmittica la somma delle frequenze genotipiche, cioè quelle dei genotipi diploidi, è uguale al quadrato del polinomio delle frequenze all’eliche, per cui la frequenza di ogni genotipo omozigote è uguale al quadrato della corrispondente frequenza allelica, mentre la frequenza di ogni genotipo eterozigote è uguale al doppio prodotto delle frequenze dei due alleli implicati, come è illustrato dalla tabella a sinistra nella diapositiva, che a sua volta è una versione generalizzata della tabella a destra della diapositiva precedente. 1) C’è panmissia, cioè se ogni incontro tra i gameti di sesso opposto ha la stessa probabilità Se p e q sono le frequenze relative degli alleli A1 e A2 in una data generazione, le frequenze relative dei genotipi A1A1, A1A2 e A2A2 della stessa generazione sono, rispettivamente: p2, 2pq e q2

Specie e speciazione CLADOGENESI ANAGENESI La specie è un insieme di popolazioni… La specie è un pool genico potenziale (definizione “biologica” di specie): questa definizione è applicabile solo agli organismi a riproduzione sessuale (gli eucarioti e non tutti), si applica solo tra gruppi di popolazioni che vivono contemporaneamente e comunque presenta situazioni ambigue. … interfeconde al loro interno… … e reciprocamente tra loro,… … isolate riproduttivamente rispetto ad altre popolazioni. n generazioni n generazioni CLADOGENESI ANAGENESI La definizione di specie è un problema ancora aperto; la definizione data nella diapositiva, pur nelle sue ambiguità, è quella che risponde di più ai criteri dell’evoluzionismo secondo Darwin e Wallace. Il criterio dell’isolamento riproduttivo, oltre al fatto di essere applicabile solo a organismi a riproduzione sessuale, rende facile il confronto fra specie sincrone, in cui è possibile verificare l’eventuale formazione di ibridi fecondi, ma non è applicabile fra specie vissute in epoche diverse, di cui non si può verificare l’eventuale formazione di ibridi fecondi. Questo problema è particolarmente evidente nella formazione di specie per anagenesi, quindi per semplice cambiamento genetico senza ramificazioni,in cui non si possono fare incroci fra la specie attuale e quella ancestrale. Se avviene la speciazione per cladogenesi, se cioè c’è stata una divisione in 2 o più rami, è invece possibile verificare l’isolamento riproduttivo tra le 2 o più specie contemporanee. Anche in questo caso, però, non sempre è possibile una verifica rigorosa: l’isolamento riproduttivo deve essere totale perché se popolazioni esaminate si possano assegnare a specie diverse. Per di più l’isolamento definito in condizioni naturali può non esserci più in condizioni particolarmente artefatte. Uno dei criteri che si usano per definire l’appartenenza a una o più specie di popolazioni diverse vissute nello stesso tempo o in tempi diversi può essere la misurazione delle distanze genetiche (vedere l’ultima diapositiva): se 2 popolazioni presentano una distanza maggiore o uguale a quella presente fra due specie diverse ormai riconosciute, allora, per induzione, si può ammettere che le 2 popolazioni esaminate appartengano a 2 specie diverse; su questa base, confrontando il DNA mitocondriale si è concluso che l’uomo di Neanderthal e l’uomo ettuale appartengono a due specie diverse. Ma anche questo criterio può avere alcune falle: non è detto che diversi processi di speciazione richiedano l’accumulo della stessa distanza genetica…. Sono documentate diverse modalità di speciazione per cladogenesi: graduale, rapida o istantanea; con separazione geografica (allopatria), con contiguità (parapatria) o nello stesso territorio (sinpatria). Nella speciazione per cladogenesi giocano un ruolo decisivo i meccanismi di isolamento riproduttivo ereditabili, cioè con base genetica. La speciazione per cladogenesi richiede che si instaurino meccanismi di isolamento riproduttivo a base genetica. I meccanismi di isolamento post-zigotico non prevengono la fecondazione ma colpiscono lo sviluppo, la vitalità o la fecondità dell’ibrido. I meccanismi di isolamento pre-zigotico prevengono la fecondazione.