La diversita - la genetica a urbino

”
o
B
i
l
i lo
t
n ar
e
g
C
r
“
Genetica dellaie Conservazione
P ino
tr o rb
e U
b
i
o
Lezione
2
d
R tà
i
Lo studio
della
diversità
genetica
s
r
e
v
i
n
U
La diversità genetica”
o
B
i
l
i lo
t
n ar
e
g
C
r
E’ la varietà di alleli e genotipi
presenti
in un gruppo
“
e o
i
P in gruppo di specie).
in esame (popolazione, specie,
tr o rb
e U
b
i
Viene descritta omediante
l’analisi di polimorfismi,
d
R teà diversità allelica.
eterozigosità media
i
s
r
e
v
i
n
U
La diversità genetica
”
o
B
i
l
i lo
t
n ar
e
g “C
r
e o
i
P in
tr o rb
e U
b
i
o
R tà d
i
s
r
e
v
i
n
Un caso di elevata
diversità genetica è quello delle razze
U
canine, tutte derivanti dal lupo e con esso interfeconde.
Definizione: polimorfismo
” sono
Un locus è detto polimorfico se, in una specie,
o
B
presenti due o più alleli. Diili solito
l’allele
più
o
t
l
r inferiore al
n frequenza
frequente in questi casi ha una
a
e
g minimizzare
C
r
99% (diminuita al 95% per
i problemi
“
e
i
o
con dimensioni diversePdei campioni
analizzati). Se è
n
i
o
b è monomorfico la
t
r
r
presente un solo allele,
il
locus
e U
b
i locus è zero.
diversità genetica
perdquel
o
R
à
La proporzione di
loci polimorfici (P) è il rapporto
t
i
s polimorfici e numero totale di loci
r
tra numero di loci
e
v
campionati.niEsempio: se su 10 loci campionati, 3
U
sono polimorfici,
si ha P=3/10=0,3.
Si usa per calcolare l’eterozigosità media.
Definizione: eterozigosità media (H)
È la somma delle proporzioni degli eterozigoti per
”
o
tutti i loci fratto il numero totale di loci campionati.
B
i
l
i lper
Esempio: le proporzioni di eterozigoti
10 loci in una
o
t
r è: 0,2-0,4-0,1-0n prima)
a
e
popolazione (calcolati come detto
g “C
r
0-0-0-0-0-0 (cioè P=0,3). Quindi
ie osi ha:
P in
o
b
t
r
r
H=(0,2+0,4+0,1+0+0+0+0+0+0+0)/10=0,07
e U
b
i
o
R tà d
He: eterozigosità smedia
attesa
meno sensibile alla
i
r
e
dimensione del campione
v
i
n
Ho: eterozigosità
media osservata
dipende dal
U
campione
In popolazioni con accoppiamento casuale He=Ho
Definizione: diversità allelica
(A)
”
o
B
i
l
i lo
t
r locus.
È il numero medio dienalleliaper
g “C
r
e o
i
P in sono stati trovati i
Esempio: in 10 loci analizzati
b alleli riscontrati nel
to gli
seguenti numeri erper
r
U
b
campione: 2-3-2-1-1-1-1-1-1-1
(cioè sempre P=0,3).
i
o
R tà d
i
s
A=(2+3+2+1+1+1+1+1+1+1)/10=1,4
r
e
v
i
n
U
Definizione: popolazione mendeliana
”
o
B
i
l
i lo
t
n ar
e
g
C mendeliano se è
r
Una popolazione si dicee di tipo
“
i
o
costituita da un gruppoP di inindividui
interfertili che
o
b la cui trasmissione segue
t
r
r
condividono una serie
di
geni
e U
b
i condivisi dagli individui di
le leggi di Mendel.
I dgeni
o
R mendeliana
à
una popolazione
costituiscono il pool
t
i
s
r
genico.
e
v
i
n
U
L’equilibrio di Hardy-Weinberg
Le frequenze alleliche, e di conseguenza
quelle
”
o
genotipiche, non variano nel tempo.
Si B
instaura così un
i
l
i lo
t
equilibrio.
n r
a
e
g
C
La legge può essere applicata rquando
la popolazione soddisfa
“
e cinque
i
contemporaneamente le seguenti
condizioni:
o
P
n
i
deve essere infinitamente
b
tr ogrande;
r
gli accoppiamenti eal suoU interno devono essere casuali
b
i
o
(panmissia);
d
R
àstessa fitness, ovvero la stessa capacità di
ogni allele deve avere ila
t
s
essere trasferito alle generazioni
successive;
r
e
v
le velocità di acquisizione
e perdita di nuovi alleli devono essere
i
n
uguali;
U
non deve esserci migrazione, né in uscita né in entrata, con altre
popolazioni.
Calcolo delle frequenze alleliche
”
o
Nel caso sia possibile riconoscere in qualunque
modo gli
B
i
individui eterozigoti (codominanza,til dominanza
incompleta,
o
l
n alleliarad un locus, se per
ecc.), e se si considerano solo due
e
g100 individui,
C
r
esempio la nostra popolazione,esu
ne avesse X/100
“
i o di tipo aa, allora la
di tipo AA, Y/100 di tipo PAa e nZ/100
i
o
frequenza p dell’allele rAt sarà r(2X+Y)/200
e quella q di a sarà
b
e USi usano 2X e 2Z perché ciascun
(2Z+Y)/200, o anchebq=1-p*.
i
o
d
omozigote, essendo
porta due copie di ciascun allele,
R diploide,
à portano uno solo. Inoltre, per lo stesso
t
mentre gli eterozigoti ine
s porteranno in tutto 200 alleli, due per
r
motivo, 100 individui
e
v
i
ciascun individuo.
n
U
*q=1-p perché p+q=1, cioè la somma dei due alleli dà la totalità
di alleli segreganti in quel locus, in quella popolazione.
L’esempio dei gruppi sanguigni M/N
”
o
Nell’uomo i gruppi sanguigni M/N sono
codominanti
ed
B
i
l
i
o
t
esistono solo due alleli al locus L.
Sarà
allora:
l
n ar
e
g “C
r
e di o N° di
N° di
gruppo
N°
i
genotipo P
n
M
N
i
alleli
L
sanguigno
individui
alleli
L
o
t rb
r
e U49
LM LM
98
--M
b
i
o
d 42
M
L RLN tà
42
42
MN
i
s
N
LNeLrN
9
--18
v
i
totali
100
140
60
n
U
p = 98+42/200 = 0,7
q = 1-p = 0,3
Le frequenze genotipiche
”
o
Possono venire calcolate in base alle frequenze alleliche.
B
i
l
i lo
t
n ar
e
Sia p la frequenza
g “C
r
e o
i
dell’allele A e q la
P in
frequenza dell’allele a.to
b
r
r
In totale si avrà:be
U
i
o
R tà d
individui AA = p2si
r
e
individui Aa =
v2pq
i
individuiU
aan = q2
ovvero (p+q)2!
Dalle frequenze genotipiche alle
frequenze alleliche
”
o
B
i
l
Riconsiderando l’esempio precedente,
i lo si avrà:
t
n ar
e
g “C
uova
r
e o
i
P p inLN(0.3) = q
LM(0.7)o =
t rb
r
e
U
M
M
M LN
b
M
L
L
L
i
L
o
d
2
R
(0.49)
=
p
(0.21) = pq
à
generazione
(0.7) =p
t
i
s
spermi
r
successiva
N
M
N
N LN
L
e
L
L
L
v
i
(0.3) = qn (0.21) = pq
(0.09) = q2
U
LM LM = 0.49
LM LN = 0.42 LN LN = 0.09
Relazione
alleli /
genotipi
”
o
B
i
l
i lo
t
n ar
e
g “C
r
e o
i
P in
Se si considerano DUE alleli:
tr o rb
e adU
1. quando questi tendono
b
o di
avere la stessaRfrequenza,
à
t
il genotipo più frequente
è
i
s
l’eterozigote; er
v etero2. la frequenza idegli
n
zigoti non U
può MAI essere
>50%!
I geni legati al sesso
La formula precedente (p+q)2 vale sia
per la popolazione intera, sia per
ciascuna sottopopolazione considerata
in un dato momento in base ad un dato
criterio: ad esempio varrà sia se
consideriamo solo i maschi sia che
consideriamo solo le femmine, e le
frequenze alleliche e genotipiche per
geni autosomici saranno identiche nei 2
sessi. Tuttavia i maschi di mammifero (e di molte specie animali)
sono emizigoti, quindi non possono essere eterozigoti. Questo
significa che nei maschi le frequenze alleliche sono uguali alle
frequenze genotipiche perché ogni volta che un allele c’è, si
manifesta anche se recessivo. Per questo motivo i caratteri recessivi
legati all’X sono più frequenti tra i maschi che non tra le femmine.
”
o
B
i
l
i lo
t
n ar
e
g “C
r
e o
i
P in
tr o rb
e U
b
i
o
R tà d
i
s
r
e
v
i
n
U
Quando la popolazione esce
dall’equilibrio o”
B
i
l
i che,lo all’equilibrio, le
La legge di Hardy-Weinberg dice
t
r
n
a
e
frequenze alleliche e genotipiche
non cambiano nel
g
C
r
“motivo tale equilibrio
e
tempo. Ma se per un qualunque
i
o
P
n
i
venisse alterato, non tappena
la popolazione torna alle
o
b
r
r
e
condizioni che soddisfano
la legge, essa si posizionerà,
U
b
i
o
d
nel giro di una sola
in un nuovo equilibrio
R generazione,
à
t
(altrettanto costante)sii cui valori dipenderanno dagli eventi
r
e
accaduti durantev le cause dello squilibrio. Quando le
i
n
condizioni di equilibrio non sono rispettate, le frequenze
U
alleliche cambiano e si va verso l’evoluzione (cioè il
cambiamento) della popolazione.
Diversità attesa nelle popolazioni
”
o
La diversità genetica per un singolo locus è caratterizzata da:
B
i
l
i lo
• Eterozigosità attesa (He)
t
r
n
a
e
• Eterozigosità osservata (Ho) g
C
r
“
e o
• Diversità allelica (A)
i
P in
tr o rb
e UHe=2pq (eterozigosità genica).
Se gli alleli sono due,ballora
i
o
Se gli alleli sono più
d He=1-(somma dei quadrati delle
R ditàdue,
frequenze alleliche) secondo
la formula:
i
s
r
e
#alleli
v
i
2
n
H
=1p
e
i
U
i=1
restano nel calcolo solo gli eterozigoti!
Un esempio pratico
Dati 3 alleli ad un locus (A1-A2-A3), con frequenze
”
o
rispettivamente di 0,364-0,352-0,284, icalcolare
l’eterozigosità
B
l lo
attesa secondo l’equilibrio nditiHardy-Weinberg.
r
e Ca
g
r
“ 2+r2+2pq+2qr+2pr=1
e
Sappiamo che per 3 alleli sii ha: po2+q
P in
tr o rb
2+q2+r2)
e
He=2pq+2qr+2pr=1-(p
U
b
i
o
R tà d
i
s
r
2+0,3522+0,2842)=0,663
e
He=1-(0,364
v
i
n
U
Come confronto, si verifica facilmente che Ho=0,659, perciò
He=Ho la popolazione è ad accoppiamento casuale.
Calcolo delle frequenze partendo
da un allele recessivoo”
B
i
l
i lo
t
r
n
a
e
Poiché gli individui con ung carattere recessivo sono
C
r
“
e ola loro frequenza è q2,
genotipicamente a/a, e poiché
i
P in alleliche e genotipiche
calcolare i valori delletofrequenze
b
r
r
risulta relativamente
Tuttavia facendo ciò si dà
esemplice.
U
b
o glidiaccoppiamenti siano casuali, (2)
per scontato cheR(1)
à
t
sia assente la selezione,
(3) sia assente la migrazione,
i
s
r sistema non dovrebbe mai essere
e
ecc., quindi questo
v
i
n
usato per i loci
con i genotipi in qualunque modo (per
U
esempio, molecolare) distinguibili.
I caratteri quantitativi”
o
B
i
l
i sono
o
I caratteri quantitativi, o complessi,
caratteri per cui
t
l
r
n
a
e
la variazione fenotipica è distribuita
in maniera continua
g
C
r
“ caratterizzati da una
e
nelle popolazioni naturali.i Sono
o
P
n
i
distribuzione statisticato molto
vicina alla distribuzione
b
r
r
e
normale (gaussiana).
I caratteri
quantitativi includono
U
b
i
o
caratteri morfologici
R tà d (peso, altezza), fisiologici
i
(pressione sanguigna,
forza muscolare), comportamentali
s
r
e
(aggressività, intelligenza),
ma anche molecolari (livello
v
i
n
di espressione genica, livelli intraematici di
U
macromolecole quali il colesterolo, quantità di melanina).
Variabilità quantitativa
”
o
B
i
l
• I caratteri quantitativi sono determinati
i lo da molti loci
t
r influenzati dal
n sono
(QTL, Quantitative Trait Loci),
a
e
g
r
background genetico (altriie loci, “Csesso, ecc.) e dalla
sensibilità all’ambiente. P ino
o
b
t
r
r
• Ogni singolo QTL
normalmente
influisce poco sul
e
U
b
i
fenotipo finale (eredità
per
mescolamento, pre-mendeliana).
o
d
R
à
In generale, non c’è una
relazione evidente tra genotipo e
t
i
s
r
fenotipo.
e
v
i quantitativa è spesso alla base
• La variabilità
n
U delle popolazioni naturali e della selezione
dell’evoluzione
artificiale fatta dall’uomo (vedi razze canine).
Un esempio pratico
” intensa,
La cariosside di grano può essere bianca, rossa
o
B
li i 1908
oppure di sfumature intermedie. tNel
Nilsson-Ehle
o
l
ottenne i seguenti risultati: en
ar
g “C
r
e o
i
P in
o
b
t
r
r
X
e U
b
i
o
R tà d
i
s
r
e
v
i
n
U
tutti di colore
intermedio
X
1 : 4 : 6 : 4 : 1
Spiegazione: duplicazione genica
L’allele R contribuisce per il colore in
maniera
”
o
quantitativa (somma), l’allele r no.iPer cui
B si ha:
rrrr
il lo
t
r
RRRR
n RRrr
a
e
g “C
r
e
i
X
X
P ino
tr o rb
e U
b
i
o
R tà d
i
s
r
e
v
i
n
rr
Rr RR
RRrr
U
rr
rr
rr
RRrr
RR RR
Rr RR
1 : 4 : 6 : 4 : 1
Infatti…
”
o
gameti r1r2
R1r2 lir1R2 B R1R2
i lo
t
r
n r1r1
a
e
r1r1
R1r1
R1r1
g
C
r1r2
r
“
e o R2r2 R2r2
i
r2r2
r2r2
P in
R1r1rto R1R1
R1r1
R1R1
b
r
R1r2
e
U
b
r2r2
r2r2
R2r2
R2r2
i
o
Rr1r1tà d R1r1 r1r1 R1r1
i
s
r1R2
r
e
R2r2
R2r2
R2R2
R2R2
v
i
n
R1r1
R1R1
R1r1
R1R1
U
R1R2
R2r2
R2r2
R2R2
R2R2
Generalizzando…
Asse X: numero di geni che incrementano il” carattere;
o
Asse Y: frequenze del fenotipo,
in
percentuale
B
li
50
25
50
25
i lo
t
n ar
e
g50 “C
r
1 gene ie
2 geni
o
P 25
n
i
tr o rb
e U
b
i
0 1 2o
0 1 2 3 4
R tà d
i
s
r4 geni
e
50
n geni
v
i
n
25
U
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Gli alleli deleteri
”
o
B
i odeleteri
La diversità genetica dovuta ad ialleli
è critica
l
t
l in quanto essi
r
n
nella Genetica della Conservazione
e Ca
g
r
riducono la vitalità e la fitness
riproduttiva
se si trovano
“
e
i
o
in omozigosi in seguito a Pinincrocio.
n
i
o
b
t continuamente
Gli alleli deleteri vengono
creati ex novo
r
r
e
U continuamente persi per
b
per mutazione, eo altrettanto
i
d
R
selezione naturale (iltàbilancio nelle popolazioni di tipo
i
s
mendeliano resta ezero).
r
Il numero di nalleli
iv deleteri rari fissati nella popolazione
U
(carico mutazionale)
per le popolazioni grandi che
praticano esoincrocio è di norma al di sotto dell’1%.
Misurazione della diversità
genetica a livello proteico
”
o
B
i
l
i lo
t
n ar
e
g “C
r
e o
i
P in
tr o rb
e U
b
i
o
R tà d
i
s
r
e
v
i
n
U
TAXON
H (%)
crostacei
6,3
molluschi
12,1
Le popolazioni
vertebrati
totale
6,4
di grandi
mammiferi ”
5,4
o
uccelli
5,4
B
i
dimensioni
il rettililo
t
9,0
r
n
a
mostrano grande rge “Canfibi
9,4
e o pesci
5,4
i
diversità o P in
invertebrati
b
tr
r
totale
11,3
e
U
allozimica
b
i
o
insetti
12,2
R tà d
i
s
Per esempio nell’uomo,
su 104
r
e
v
loci analizzati,
il 32% è
i
n
polimorfico,
U con una
gimnosperme
11,3
eterozigosità media (H) del 6%.
monocotiledoni
14,4
dicotiledoni
9,6
piante
Diversità genetica nel genoma
”
o
B
i
l
i lo
t
n ar
e
g “C
r
e o
i
P generale
Regola
n
i
b
tr osi accumulano
Le variazioni nucleotidiche
in sequenze con scarso
r
e U rare in regioni funzionalmente
significato funzionale,b ma sono
i
o
d esempio, i siti attivi degli enzimi)
importanti delle molecole
R tà (per
i
perché eliminate per selezione
naturale.
s
r
e
v
i
Eccezioni
n
U di istocompatibilità (MHC) negli animali
• Il sistema maggiore
Lo studio del gene Adh (alcol deidrogenasi) in D. melanogaster ha
mostrato che su 11 campioni del gene (lungo 2379 nt) 43 siti erano
polimorfici. Tuttavia solo uno di questi dava un cambiamento
aminoacidico (allozima); gli altri mappavano negli introni del gene.
• I loci di auto-incompatibilità nelle piante
Limiti dell’elettroforesi proteica
”
o
B
i
l
i lo
t
n ar
e
g “C
r
e o
i
P in
tr o rbgenotipi uguali o diversi?
e U
b
i
o
R tà d
i
s
r
e
v
i
n
U
Omozigoti ed eterozigoti possono essere identificati a livello
molecolare tramite elettroforesi, ma solo circa il 30% dei
cambiamenti nel DNA determina un cambiamento nelle proteine
sottostima significativa del vero livello di diversità genetica.
La Polymerase
Chain
Reaction
La TAQ
polimerasi è
estratta dal
Termophilus
aquaticus.
”
o
B
i
l
i lo
t
n ar
e
g “C
r
e o
i
P in
tr o rb
e U
b
i
o
R tà d
i
s
r
e
v
i
n
U
L’elettroforesi
”
o
del
DNA
su
B
i
il lo
t
n ar gel di
e
g “C
r
e o
i
agarosio
P n
i
o
t rb
r
e U
b
i
o
R tà d
i
s
r
e
v
i
n
U
Esiste una
relazione
logaritmica
tra altezza
della banda e
sua lunghezza
(ovvero peso
molecolare).
I microsatelliti
”
I microsatelliti sono
o
B
i
sequenze genetiche corte
l
i lo
t
n ar
(1-5 nt) ripetute in
e
g “C
r
tandem più volte. Il
e o
i
numero delle ripetizioni èP in
o
b
t
altamente variabileera
r
U
b
causa dello slittamento
i
o
d
R
à
della polimerasi durante
t
i
s
rDNA,
la replicazione del
e
v bene
i
quindi si prestano
n
U della
per la misura
diversità genetica.
I microsatelliti
Vantaggi:
”brevi;
o
• misurano la variazione del DNA in tempi
B
i
l
i lo deducibili;
• i genotipi individuali sono facilmente
t
r
n avviene
a
e
• la tipizzazione degli individui
attraverso
g
C
r
“
e o
campionamenti non invasivi.
i
P in
Svantaggi:
o
b
t
r
r
• i primer per la PCR
specie-specifici, quindi
e sono
U
b
i
o
variano da caso
a
caso.
d
R
à
t
i
s
r
e
v
i
n
U
L’esempio dell’arvicola
Il comportamento sociale (gene quantitativo) dell’arvicola è determinato
dalla lunghezza di un microsatellite a monte di un gene.
”
o
B
i
l
i lo
t
n ar
e
g “C
r
e o
i
P in
tr o rb
e U
b
i
o
R tà d
i
s
r
e
v
i
n
U
L’influenza del microsatellite è
evolutivamente conservata
”
o
B
i
l
i lo
t
n ar
e
g “C
r
e o
i
P in
tr o rb
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b
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Il DNA
mitocondriale
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Anche il mtDNA si
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presta bene per l’analisi
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della diversità genetica.
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Vantaggi:
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• non ricombina, perchétoè
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ereditato esclusivamente
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per via materna; R
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• ha un elevato tasso
di
s
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mutazione.
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Svantaggi: Un
• dà informazioni solo
sull’eredità matroclina.
Le popolazioni piccole hanno ridotta
diversità genetica
”
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Le popolazioni
passate attraverso un
collo di bottiglia
presentano sia una
ridotta variazione
allozimica che per i
microsatelliti, se
confrontate con
specie che non hanno
subìto riduzioni
numeriche. Come si
vede in tabella, le
specie minacciate
hanno perso il 40%
circa della diversità
genetica rispetto a
quelle non a rischio.
Specie in pericolo
A
H%
Specie non a rischio
A
H%
Rinoceronte nero
4,2
69
Bufalo cafro
8,6
73
Lupo del Messico
2,7
42
Lupo grigio
4,5
62
Lupo etiopico
2,4
21
Coyote
5,9
68
Licaone
3,5
56
Cane domestico
6,4
73
Ghepardo
3,4
39
Leone africano
4,3
66
Cornacchia delle Marianne
1,8
16
Cornacchia americana
6,0
68
Gheppio delle Mauritius
1,4
10
Gheppio
5,5
68
Gheppio delle Seychelles
1,3
12
Gheppio africano m.
4,5
59
Falco pellegrino
4,1
48
Falco grillaio
5,4
70
Vombato L. krefftii
2,1
32
Vombato L. latifrons
5,9
71
Potorus longipes
3,7
56
Koala
8,0
81
Wallaby dalle briglie
11,6
83
Wallaby P. assimilis
12
86
Varano di Komodo
4,0
31
Alligatore americano
8,3
67
Mogano (pianta)
9,7
55
P. arboreum
9,3
67
Definizione: la fitness riproduttiva
Rappresenta il numero di progenie
fertile con cui ciascun individuo di
una popolazione contribuisce alla
generazione successiva, e che a sua
volta raggiunge la maturità sessuale,
ha la capacità di accoppiarsi e di
allevare la prole.
”
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La fitness media è il rapporto
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numero di individui R
nella generazione
à
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filiale e quello nella parentale.
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r
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Il
potenziale ni evolutivo
è
U misurato dalla
(prevalentemente)
variazione genetica quantitativa per la
fitness riproduttiva.