« EFFETS MATERNELS » ET ÉVOLUTION
DE LA FRÉQUENCE D’UN GÈNE
P.
MÉRAT,
Station de Recherches avicoles,
Centre national de Recherches
zootechniques,
78 -Jouy-en-Josas
som MAIRE
Pour
prévoir théoriquement
l’évolution de lafréquence
d’ungène,
un « effet maternel » peut être assimilé à une sélection exercéeuniquement
sur les zygotes femelles. Cepoint
de vue,appli-
qué à un modèle «déterministe,
où lesfréquences
peuvent être assimilées auxprobabilités,
permet de retrouver les résultats obtenusexpérimentalement
par NAYLOR( 19 6 4 )
concernant lespossibi-
lités
d’équilibre
desfréquences géniques
pour un locus soumis à une sélection par a effet maternel »sans différences de valeur sélective entre les génotypes des zygotes eux-mêmes. On peut, de
plus, prévoir
lapossibilité,
dans certains cas, deplusieurs équilibres,
stables ounon, lorsque
l’effet maternelse superpose à une sélection exercée
indépendamment
sur les zygotes. Lepoint
de vueadopté
sug-gère également,
lorsqu’il
y a interaction entreplusieurs
loci pour un effet maternel, despossibilités d’équilibre analogues
à cellesqui
existent dans une sélection directe des zygotes.Une interaction entre
génotype
de la mère à un locus A et génotype des descendants à un autre locus B peut entraîner une variation liée desfréquences géniques
à ces loci sansqu’il
y ait interférence dans leurs effets chez un même individu. De plus, dans des cas trèsparticuliers,
il pour- rait y avoir influence « à sensunique
» d’ungène
sur lesfréquences alléliques
à un autre locus, sansréciprocité.
- ! !_
INTRODUCTION
L’évolution de la
fréquence
d’un allèle et lespossibilités
de maintiend’un poly- morphisme
sous l’effet de la sélection ont été étudiéesthéoriquement
dans diverses situations où legénotype
duzygote lui-même,
à un locusdonné,
détermine sa valeur sélective. Des travauxclassiques
serapportant
à un locusdiallélique
ontmontré,
en
particulier,
l’existence d’unefréquence d’équilibre lorsque
la valeur sélective del’hétérozygote
estsupérieure
à celle des deuxhomozygotes.
Unegénéralisation
à unlocus
polyallélique
a été faite par MANDEE(1959).
Dans le cas où les valeurs sélectives différeraient suivant le sexe, divers auteurs ont mis en évidence la
possibilité
d’un ou deplusieurs équilibres,
stables ou non,des
fréquences géniques (O W E N .
rg52-ig53 ;P AR S ON S, ig6i ; Li, 19 6 3 ;
BoDMER,i
9
65).
Des
polymorphismes peuvent
aussi être réaliséslorsque
la sélectiondépend
dela
fréquence
des allèles(LEworTr:!, i 95 8 ;
CLARKE etO’I) ONAID , ig6 q ;
HAr,DA?s!et
J AY A K AR, i963).
Au
total,
deséquilibres
stables sontpossibles,
soit dans le cas de «superdomi-
nance », soit dans d’autres situations
(LEwoi!,,TiN, 195 8).
Il
peut
arriver que ce soit legénotype
de la mèrequi
influe sur la valeur sélectived’un
zygote
par « effet maternel ». Ce cas nous est apparu àplusieurs reprises
chezla
poule domestique. Ainsi,
lespoules homozygotes
pour l’allèle c(blanc récessif)
ont un taux d’éclosion inférieur à celui des
poules
colorées(MÉ RAT , 19 6 4 ) ;
les mèreshétérozygotes
pour legène
« crête en rose »(Rr)
ont des enfants à croissance pon- dérale moinsrapide
que les mères à crêtesimple (vv) quel
que soit legénotype
despoussins (MÉ RAT , r 9 6 5 ) ;
lespoules
àemplumement rapide (k-)
ont despoussins
mieux
emplumés
que celles àemplumement
lent(K-), indépendamment
des allèlespossédés
par ces derniers(MÉ RAT , i 9 66) ;
une différence dans la vitesse de croissance est,également,
associée augénotype
de la mère au locus K(MÉ RAT ,
données nonpubliées).
Il est clair que de tels effets maternels
peuvent jouer
pour l’évolution de lafréquence
d’ungène
un rôleanalogue
aux effets attachés auzygote
lui-même.Cepen- dant,
la théorie ne semble pas en avoir étéenvisagée
en détail. Nous nous proposons ici d’en étudierquelques aspects caractéristiques,
en nous limitant au cas demodèles « déterministes », où les
fréquences peuvent
être assimilées auxprobabilités (loi
desgrands nombres).
I. - EFFET MATERNEL SANS
SÉLECTION
DIRECTE SUR LES ZYGOTESSeul NAm,oR
( 19 6 4 ),
à notreconnaissance,
étudie le cas d’un effet maternel associé à un locusautosomal,
sans interaction entre legénotype
de la mère et celui deszygotes
et sans sélection liée directement augénotype
de ces derniers. Cette étude était réaliséeexpérimentalement
par simulation à l’aide d’un calculateur électro-nique.
Elle conduit à conclure que les conditionsd’équilibre
doivent être semblablesà celles d’une sélection directe sur les
zygotes
mais que l’évolution desfréquences géniques
estplus
lente.Nous introduirons un
point
de vue nouveau enremarquant qu’un
effet maternel est formellementéquivalent
à une sélection exercée seulement sur leszygotes
fe-melles,
avec desprobabilités W l , W 2 , W 3
de contribuer à lagénération
suivantepour un individu de
génotype AA,
Aa et aa, enreprenant
les notations de NAyr,ox, alors que pour les mêmesgénotypes
chez lesmâles,
lesprobabilités analogues
sonttoutes égales,
Soient D, H et R les
probabilités d’apparition
desgénotypes AA,
Aa et aaparmi
les
zygotes,
mâles oufemelles,
nés à lagénération
n. Ce sont aussi lesfréquences
des mêmes
génotypes parmi
les membres de lagénération
nqui
serontparents
de lagénération
n!--
i.Évaluons
lesprobabilités d’apparition
de cesgénotypes parmi
leszygotes
de l’un ou l’autre sexe nés à lagénération
n + i. laprobabilité
D* d’obtenir unzygote
AA à cettegénération
est leproduit
de laprobabilité
pour unzygote
mâlede la
génération
n de transmettre ungamète
A par laprobabilité correspondante
pour un
zygote femelle,
ensupposant qu’il
y apanmixie.
I,a
première
estégale
àP,
enappelant
P etQ
lesfréquences
de A et a dans lagénération
M.La
deuxième,
que nousappellerons P’,
est la somme desprobabilités,
pour deszygotes
femelles des diversgénotypes
de lagénération
n, de transmettre un ga- mète A( 1 ).
Chacune de cesprobabilités
est leproduit
de laprobabilité
pour cette femelle d’être dugénotype
enquestion (c’est-à-dire
D, H ouR)
par celle d’avoirun descendant
(c’est-à-dire respectivement W l , W 2
ouW 3 ),
et enfin par celle de transmettre A à ce descendant( 2 ).
Cette dernière est i pour les femellesAA, 1/2
pour lesAa,
o pour les aa.On évaluerait de même la
probabilité
pour une femelle de transmettre l’allèle a :En
conséquence,
lesfréquences
deszygotes
nés à lagénération
n !- i serontdonnées par les
probabilités
de rencontre desgamètes
A ou a, mâles etfemelles,
c’est-à-dire(en posant W = DW I
+HW,
+RW,) :
Nous retrouvons les formules
déjà indiquées
parN!yr,ox,
mais lafaçon
dontnous les avons obtenues montre bien l’identité formelle entre la situation « effet maternel o et la situation « sélection limitée aux
zygotes
femelles ». Rien n’estchangé,
en termes de
probabilité
et dans unegrande population,
que les coefficientsW l , W
2
, W 3
concernent les chances pour une femelle de devenirreproductrice,
ou cellesde donner ensuite un descendant. La seule différence est un
décalage
d’unegéné-
ration pour les modifications des
fréquences géniques.
En considérant donc des différences de valeur sélective dans le sexe
femelle,
et se
rappelant qu’à
lanaissance,
lafréquence
dechaque génotype
estidentique
dans les deux sexes, il
apparaît qu’une
invariance desfréquences alléliques
d’unegénération
à la suivante(comptée,
si l’on veut, de la naissance au stade de la repro-duction)
doit être réalisée chez les femellesenvisagées séparément,
pourqu’un équi-
libre soit
possible.
Eneffet,
rien nepeut
contrebalancer une variation existant dansce sexe,
puisqu’il n’y
a pas de modification desfréquences alléliques
chez les mâlespendant
la mêmepériode,
et,inversement,
le maintien de la mêmefréquence
entreles
générations
M et n -f- i chez les femelless’accompagne
du même maintien dansl’autre sexe.
I,es conditions
d’équilibre
coïncident donc avec cellesqui
caractérisent unepopulation
danslaquelle
leszygotes AA,
Aa et aa ont les valeurs sélectivesW l , W
2et
W 3 ,
abstraction faite du sexe.( 1
) Théorème des probabilités totales.
( 2
) Théorème des probabilités composées.
Dans ce cas, l’on sait que, pour
qu’il puisse
y avoir unéquilibre stable,
il fautque
W l
soit à la foissupérieur
àW 2
et àW 3 ;
lafréquence d’équilibre P o
de l’allèle Asera alors
(L’HÉ P iTi£R, 1954) :
On vérifie
bien,
enremplaçant
P parl’expression
deP o
et laportant
dans(i)
et
( 2 ),
que lafréquence
de A à lagénération
suivante dans le cas d’effet maternel resteégale
àP o
dans les deux sexes(P’
=P o ),
lesfréquences D * ,
H* et R* étantrespectivement égales
àP o 2 , 2 P oQo
etQ 0 2 .
Cet
équilibre
serastable,
de même que celuiqui
serait obtenu avec les valeurs sélectivesW l , W,, W 3
réalisées dans les deux sexes : Si P s’écarte de le valeurP o ,
il y aura, chez les
zygotes femelles,
une sélection tendant à le ramener vers cettevaleur,
leszygotes
mâles restant « neutres ». En outre, cette valeurd’équilibre
serala seule
possible.
Dans le cas
où,
par contre, aucunéquilibre
stable nepeut
avoir lieu avec une sélectionidentique
sur leszygotes
des deux sexes(cas
où‘U2
n’est passupérieur
à la fois aux deux autres
paramètres)
aucun n’estpossible
nonplus
avec un « effetmaternel », et l’on tend vers la fixation de l’un ou l’autre des deux allèles à l’état
homozygote.
Quant
à larapidité
aveclaquelle
on tendra vers cettefixation,
ou vers un étatd’équilibre,
elle sera moitiémoindre,
pour le cas de sélection dans un seul sexe, que cellequi correspondrait
à une sélectionidentique
dans les deux sexes, avec les mêmesparamètres
W, mais l’ « effet maternel » décale d’unegénération
la modification desfréquences alléliques.
Le raisonnement seraanalogue
pour lesgènes
liés au sexe,mais il ne pourra y avoir
d’équilibre
que dans le cas où la femelle esthomogamétique.
Si,
comme chez lesoiseaux,
le sexe femelle esthémizygote,
cettepossibilité
seraexclue.
II. - EFFET MATERNEL ET
SÉLECTION EXERCÉE
DIRECTEMENT SUR LES ZYGOTES
Notre
interprétation
doitpermettre
aussi d’étudier le casplus complexe
où ily a, d’une
part,
effetmaternel,
et, del’autre,
sélection sur leszygotes. Supposons
que les valeurs sélectives des
zygotes
degénotype AA,
Aa et aa dans les deux sexessoient
W l , W 2
etW 3 respectivement,
et que, d’autrepart,
un « effet maternel » setraduise par une
probabilité W’ 1 , W’ 2
etW’ 3 ,
pour les femelles des mêmesgénotypes,
d’avoir un descendant. La situation pourra être assimilée à celle où les valeurs sélec- tives des
génotypes
sont différentes suivant le sexe, soitW 1> W 2
etW 3
chez les mâles etW 1 W’ i , iX’2W’ 2 > W 3 W’ 3
chez lesfemelles,
ensupposant
que la sélection par « effet maternel » s’exerceindépendamment
de celle attachée directement auxzygotes.
Nous sommes ramenés à un
problème
traité par OWEN(r 95 2, i 953 ).
Ce derniera montré
qu’il pourrait
yavoir,
dans certains cas,jusqu’à
troisfréquences d’équi- libre,
les conditionssuggérées
étant que, dans au moins un sexe, au moins unhomozy- gote
ait unavantage
sélectif parrapport
àl’hétérozygote,
etqu’il
existe une diffé-rence de sens inverse dans les deux sexes entre les
homozygotes
etl’hétérozygote.
D’une
façon générale,
etquoique
toutes lespossibilités
n’aient pas étéexplorées,
O
WEN montre
qu’il peut n’y
avoir aucunéquilibre
« non-trivial »(autre
que la fixa- tion d’unallèle),
unéquilibre
stable ou non, ou troiséquilibres,
dont deuxpeuvent
être stables.Les conditions d’obtention de
plusieurs équilibres semblent,
comme le remarqueO WEN
,
devoir être réalisées rarement si l’on considère une sélection directe sur leszygotes. Cependant,
en y rattachant le cas où des effets maternelsinterviennent,
de telles situationspeuvent
se révéler moinsexceptionnelles.
III. - INTERACTION ENTRE LE
GÉNOTYPE
DE LAMÈRE
ET CELUI DE
1/EMBRYON
Il faudrait encore, pour être
complet,
considérer le cas d’une interaction entre legénotype
de la mère à un locus donné et celui del’embryon.
Nous ne l’avons pas rencontré avec certitude chez lapoule, quoiqu’il
nous ait étésuggéré
par unelégère
différence dans la
proportion
des enfants colorés(Cc)
issus des deux croisementsréciproques
Cc X ce et cc X Cc.HAL.DANE
(zg 4 z)
en considère une modalitéparticulière, correspondant
à celledu facteur « Rhésus » chez
l’homme,
et montrequ’un équilibre
instablepeut
exister dans ces conditions.Le cas
général paraît complexe
et n’a pas été traité. Il estpossible
de montrer,dans des situations
simplifiées, qu’en
dehors du casd’équilibre
instable étudié parH
ALDANE
,
ilpeut
y avoir dans certaines conditionséquilibre stable,
avec maintiend’un
polymorphisme
pour legène
enquestion, si,
enplus
de l’influence maternelle et de son interaction avec legénotype
duzygote,
les valeurs sélectives des diverszygotes
diffèrent.IV. - EFFET MATERNEL AVEC INTERACTION ENTRE LOCI DISTINCTS NON
LIÉS
Divers auteurs ont étudié
théoriquement
l’évolution desfréquences géniques lorsqu’il
y a interaction entre deux loci non liés. C’est le cas de KrMUR9( 1957 )- KOJIMA (rg5g),
MoxaN(rg6 3 ).
Il ressort de leurs travauxqu’avec
des valeurs sélec- tives constantes pourchaque génotype,
etidentiques
dans les deux sexes, la « domi-nance » ou «
superdominance
» doit intervenir pourpermettre
le maintien depoly- morphismes
stables. Onpeut prévoir
que les choses serontcomparables
si les locien interaction concernent un « effet
maternel », interprétable
par une sélection limitéeaux
zygotes
femelles.On
peut imaginer
aussi que laprésence
de A ou de a chez la mère modifie les valeurs sélectives de B et b chez les enfants. Il y aura alors variation liée desfréquences géniques
aux deuxloci, malgré
l’absence d’une interférence dans leur effetphysio- logique
chez le même individu.Dans des cas
particuliers,
il serait mêmepossible
que laprésence
de A ou de ainflue sur les
fréquences alléliques
au locus B sans que lafréquence
de A soit modi-fiée.
Supposons
que A soit lié au sexe dans uneespèce
comme lapoule
où la femelle esthétérogamétique,
laprésence
de A chez la mèrefavorisant, chez_les filles,
l’allèle Bpar
rapport
àb, indépendamment
de la constitution de ces filles elles-mêmes aulocus A. Dans ce cas, il ne s’exercerait aucune sélection sur le
gène A,
ce derniern’étant pas transmis des mères aux
filles,
de sorte que saprésence
chez les unes etchez les autres serait
indépendante
enprobabilité.
Cet
exemple
estthéorique,
et c’est une autrequestion
de savoir s’il est effecti- vement réalisé dans la nature. D’autres sontconcevables,
tel celui d’un allèle Apossédé par la
mère et favorisant chez les enfants legène
B parrapport
à son allèleb,
avec «
compensation »,
c’est-à-dire de sorte que le nombre d’enfants des mèrespossé-
dant ou non A soient
égaux.
l,à encore, iln’y
aurait pas sélection au locus A. La réalité dephénomènes
de ce genrepeut
au moins êtreenvisagée :
Une «compensation
n estpossible
s’il y acompétition précoce
entreembryons
chez uneespèce multipare (UUI,1,, i 9 6q.).
CONCLUSION
Il est donc clair que des effets maternels
génétiques,
dont nos résultatsexpéri-
mentaux
suggèrent l’importance
chez lapoule,
sont des facteurs d’évolution d’unepopulation,
defaçon analogue
aux effetsgéniques
associés à l’individu lui-même. Ilspeuvent
notamment contribuer au maintien depolymorphismes géniques, sauf,
chez lesoiseaux,
lesgènes
liés au sexe, pourlesquels
la femelle esthémizygote,
cequi implique
l’absence d’hétérosis liée à cesgènes
pour des effets maternels.Nous avons
noté, lorsqu’il
y a effet maternel à un locus en interaction avec une sélection sur leszygotes
à un autrelocus,
lapossibilité
d’une variation liée desfréquences géniques
à ces deuxloci, quoiqu’il n’y
ait pas interférence dans leur effet chez un même individu. Une telle variationconjointe
desfréquences alléliques
pour- rait d’ailleurs êtreproduite
d’autresfaçons,
parexemple
par l’effet desgènes
à un locus A sur une sélectiongamétique
à un locus B, ou encore sur l’intensité dulinkage
des allèles B avec un autre
gène,
favorable ou défavorable. I,’éventualité degènes
« modificateurs » dans le cas de sélection sur la
phase haploïde
adéjà
été étudiée(SaVnr,!R
etH IPAIZUMI , ig6o),
ainsi que celle degènes
influant sur le taux de recom- binaison entre d’autres loci(E NNS
et LARTER,19 6 2 ).
Une influence « à sens
unique
» d’un locus sur lesfréquences alléliques
à unautre
locus,
sansréciprocité,
n’est pas, elle nonplus,
concevable seulement dans lecas où un effet maternel intervient. Elle
doit,
pourexister,
faire entrer enjeu
deszygotes
ou éventuellement desgamètes
différents. Une telle situationpourrait
serencontrer
si,
dans unepopulation,
lafréquence
des allèles à unpremier
locus Ainfluait par elle-même sur les valeurs sélectives des
génotypes
deszygotes
à un deuxième locus B. Dans le cas d’une sélectiongamétique,
unexemple possible
estsuggéré
par nos résultatsrelatifs,
chez lapoule,
à la fertilisation par les sperma- tozoïdes R ou y suivantqu’ils possèdent
C ou c(1!T>~RAT,
souspresse) ;
il semble que laprésence
de C influe sur les valeurs sélectives desgamètes
R et r, mais sans modi- fication du tauxglobal
defertilité,
d’unefaçon analogue
auxphénomènes
de « com-pensation
» cités par UULI, chez leszygotes.
Il semble intéressant de considérer ces diverses
possibilités,
même si toutesn’ont pas été réalisées
expérimentalement,
car, enfait,
seules les situations lesplus
courantes et les
plus simples
ont été étudiéesthéoriquement
dansbeaucoup
de do-maines de la
génétique
despopulations.
Reçu pour
publication
enseptembre
i966.SUMMARY
« MATERNAL EFFECTS » AND EVOLUTION OF GENE FREQUENCIES
In order to determine
theoretically
the evolution of allelicfrequencies,
a « maternal effect » can be considered a selectionexerting
itselfonly
on female zygotes. Thisviewpoint
allows to confirmthe results
experimentally
obtainedby
VAYLOR(1964) on thepossible
balances of genefrequencies
in a « deterministic » model for a locus submitted to a selection
by
maternal effect without any difference in selective value between the own genotypes of the zygotes. One can furtherpredict
whether several balances either stable or not are
possible
in some cases when the maternal effect is superimposed to anindependent
selection on zygotes. Ourview-point
also suggests when several loci interact for a maternal effect,possible
balances similar to those obtainable in a direct selectionon the
zygotic
genotypes.An interaction between the dam’s genotype at a locus A and the genotype of the progeny at another locus B may
produce
a correlated variation of allelicfrequencies
at these loci inspite
of the absence of interference of their effects on the same individual. Moreover, in some
particular
cases, there might be an !, unidirectional influence on the allelic
frequencies
at another locus, withoutany
reciprocity.
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
B
ODMER W. F., i965. Differeiitial fertility in population genetics models. Genetics, 51, 411-424. Et,nxkE B., 0’1)0,NALD l’., 1964. Frequency-dependent selection. lIeredity, 19, 201-206.
I!v!s IL, LARTER E. N-, 1962. Linkage relation of ds : A gene governing chromosome behaviour in barley
and its effects on genetic recombination. Can. J. Genet. Cytol., 4, 263-266.
H
ALDANE J. B. S., 1941. Selection against heterozygosis in man. Ann. Eugen. Lond., 11, g3.;-g4o.
H A
LDANE J. B. S., JAYAKAR S. D., 1963. Polymorl>hism due to sélection depending on the composition
of the population../. Genet., 58, 318-323.
Hoi,t P., y64. Equilibrium of gene frequency produced by partial incompatibility of offspring with dam.
Proc. nain. Acad. Sci. U. S..4., 51, 461-464. Kt
M
Uttn !T., 19!7. Rules for testing stability of selective polymorphism. Proc. natn. Acad. Sci. U. S. A., 42,
33 6- 3 40.
K OJIN
IA K., 19!9. Role of epistasis and overdominance in stability of equilibria with selection. Proc. natn.
Acad. Sci. U. S. A., 45, 984-989. Lewon
’
rm R. C., 1958. A general method for investigating the equilibrium of gene frequency in a popu- lation. Genetics, 43, 419-434.
1,’IIÉ
RITIFR P., i9g4. Traité de génétique. II. La génétique des populations. P. e. F., Paris.
Li C. C., i963. Equilibrium under differential sélection in the sexes. Evolution, 17, 493-496.
MANDEL S. P. 1L, i959. The stability of a multiple allelic system. Heredily, 13, 289-302. MÉ
RAT P., 1954. Effet maternel sur le taux d’éclosion lié au gène « blanc récessif n chez la poule. Ann.
Bial. anirn., Biach., l3iophys., 4, 99-ioo.
IVI!xn’r P., 1 95 a Effet maternel » lié au gène R de forme de la crête sur la croissance des jeunes chez la poule domestique. Ann. Biol. anim., Bioch., 7!o!/!y!., 5, 3zL-3zz.
M
ÊRAT P., i y66. Effets maternels liés à des gènes connus chez les volailles. C. R. XllleCongr. Mond. Avic.,
Kiev (sous presse).
MÊ
RAT P. Interaction entre deux gènes pour une ségrégation anormale chez la poule. Ann. Biol. anim., Bioch., Biophys. (sous presse).
M
ORAN P. A. P., 1963. Balanced polymorphism with unlinked loci. llust. J. biol. Sci., 16, 1-5. N
AYLOR A. F., 1964. Natural selection through maternal influence. Heredity, 19, 5o9-5m.
OwErr A. R. G., 1952. A genetical system admitting of two stable equilibria. lVature, 170, II27. OwEN A. R. G., 1953. A genetical system admitting of two distinct stable equilibria under natural selec-
tion. Heredity, 7, (3j-IOZ.
P
ARSONS P. A., ig6i. Thé initial progress of new genes with viability differences between sexes and with
sex linkage. Heredity, 16, 103-107. S
ANDLER L., HIRAIZUMI Y., r96o. Meiotic drive in natural populations of Drosophila melanogaster. IV.
Instability at the ségrégation - distorter locus. Genetics, 45, 1269-1287.