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Définition et mesure des paramètres du croisement
J.-M. Brun
To cite this version:
J.-M. BRUN
INRA Station d’Amélioration
Génétique
des Animaux BP 27 31326 Castanet-Tolosan CedexLes bases
de
la
génétique
quantitative
Définition
et
mesure
des
paramètres
du
croisement
Résumé.
Comment décrire la variabilitégénétique qui
existe entre les valeursmoyennes
desdifférents
types
génétiques
issus d’unplan
de croisement entreplusieurs populations ?
Comment
prédire
la valeur moyenne des nombreuxtypes
génétiques
quel’on
peut
obtenir,
enfonction
dusystème
decroisement
pratiqué,
àpartir
de npopulations parentales disponibles ?
Cesquestions
illustrent lesdeux
grandes
fonctions
desparamètres
du croisement :l’analyse
génétique
et l’améliorationgénétique.
Contrairement auxparamètres qui
décrivent la variabilitégénétique
tntra-population
desvariances,
les
paramètres
du croisement sont deseffets fixés
caractérisantles
populations parentales
étudiées. Lapremière
partie
de l’article est consacrée à lamodélisation
du croisement. Nousprésentons
et
analysons
les
"ingredients"
communs à de nombreux modèles du croisement :(1)
les notions de"composante
individuelle
(ou
directe)"
et de"composante
maternelle"(voire
grand-maternelle)
de la valeurmoyenne
d’uncroisement,
(2)
les notionsd’effets
moyens(ou
additifs)
des racesparentales"
et "deffets
d’hétéros!s’,
(3)
lescomposantes
de l’hétérosisrespectivement
liées à la "dominance" et à"l’épistasie’.
L’hétérosis,
ou"vigueur hybride". fait l’objet
d’undéveloppement particulier
concernant sesfacteurs
devariation,
ses mécanismes et leursconséquences
pour laprédiction
de l’hétérosis àpartir
dudegré
d’hétérozygotie.
Onprésente
lesparamètres
du modèle de Dickerson(1969),
qui
est leplus
utilisé engénétique
animale : leseffets additifs
respectivement direct,
maternel etgrand-maternel (g,
g"
’
,
g"),
leseffets
d’hétérosis liés à la dominancerespectivement
direct et maternel(h
°
eth"
’
)
et lespertes
épistatiques
par recombinaison(r°
etr’°).
La deuxièmepartie
de L ârticle est consacrée auxprotocoles
d’estimation
desparamètres
de Dickerson.Enfin
unexemple
d’estimation illustre à lafois
l’application
du modèle de Dickerson à un
dispositif
diallèle(tous
les croisementspossibles
entre n racesprises
2 à2)
et une méthodesimple
d’estimation desparamètres
du
croisement.Dans les articles
précédents
on s’est intéressé àl’analyse
de la variabilitégénétique qui
existe entreindividus à l’intérieur d’une
population.
Enaméliora-tion
génétique,
ces modèles constituent la basethéo-rique
de la sélectionintra-population.
On s’intéressemaintenant au croisement entre diverses
populations
et à la variation
génétique qui
existe entre les valeursmoyennes de différents types
génétiques
issus d’unplan
de croisement entre cespopulations.
Lespara-mètres du croisement sont les
paramètres
de cettevariabilité.
L’analyse
d’unplan
de croisementcorrespond
àdeux
grands
types
d’objectifs :
-
L’analyse génétique :
au même titre que latrans-plantation embryonnaire
ou lapratique d’adoptions,
le croisement
permet
unedisjonction
entre legénoty-pe de la mère et celui du
produit :
lors d’unaccouple-ment en race pure (mâle AA x femelle
AA),
lecouple
mère/produit
a pourgénotype
AA/AA alors que dansle croisement (mâle BB x femelle
AA),
il a pourgéno-type
AA/BA. Le croisement constitue ainsi un outil pour évaluer lapart
respective
de l’influencemater-nelle et de l’effet lié aux
gènes
duproduit
dans ladétermination d’un caractère de ce
produit.
- L’amélioration
génétique :
ils’agit
alors deprédi-re la valeur
zootechnique
de différentes combinaisonspossibles
entre lespopulations parentales
dispo-nibles. C’est la basethéorique
du croisement.1
/ Modélisation du croisement
Il existe différents modèles du croisement. On
peut
distinguer
des modèlesplus "théoriques"
construitssur les
principes
de lagénétique quantitative
(dontles
paramètres
sont définis d’emblée en termesd’effets des
gènes)
et des modèlesplus "empiriques"
pour
lesquels
on a dû aposteriori
rechercher lasigni-fication
génétique
desparamètres.
On peutégale-ment
distinguer
des modèlescontingents
deplans
decroisement à structure
particulière
comme parexemple
lesplans qu’on appelle
"diallèles" (ce sontdes croisements factoriels entre n
populations
utili-sées comme "mâles" et les mêmes
populations
utili-sées comme "femelles") et des modèles
plus
généraux,
applicables
à touttype
deplan
de croisement.Enfin,
il existe unegrande
variété de modèles en fonctionAprès
avoirexposé
les&dquo;ingrédients&dquo;
communs à de nombreuxmodèles,
nousprésenterons
le modèle deDickerson
(1969,
1973)qui
est leplus
courammentutilisé en
génétique
animale.1.1 / Fondements
&dquo;biologiques&dquo;
a /
Effets
directs et maternelsChez les animaux et en
particulier
chez lesmam-mifères,
les contributionsgénétiques
dupère
et de lamère sont
inégales :
enplus
desgènes
que la mère transmet à sesdescendants,
au même titre que lepère,
pour la réalisation d’uncaractère,
la mèrepeut
influencer ce caractère à travers l’environnement
qu’elle
procure à ses descendants durant lagestation
et l’allaitement. Cette influencepeut
avoir une basegénétique
chez la mère(gènes
deproduction
laitièrede la
mère,
influençant
la croissance duproduit,
parexemple).
La valeur
phénotypique
P, de l’individu X de mèreW, peut s’écrire :
où Gx
représente
l’effet desgènes
de l’individu sur lecaractère
considéré, qualifiés
d’effetsgénétiques
indi-viduels ou encore directs. (L’indice
&dquo;o&dquo;,
initiale de&dquo;off-spring&dquo;,
est relatif àl’individu) ;
GW
représente
l’effet desgènes
de lamère,
qualifiés
d’effets
génétiques
maternelset E un effet du
milieu,
autre que le milieu&dquo;mater-nel&dquo;.
La somme Gx + Gw
représente
la valeurgénoty-pique
globale
de l’individu X.A son tour, l’influence maternelle
peut
êtrecondi-tionnée par des effets
maternels,
cequi
constitue leseffets
grand-maternels.
Les effets maternels ne sontbien sûr pas spécifiques du croisement mais le
croise-ment les met
particulièrement
bien en évidence. Parexemple,
dans le croisement entre les deux races dechevaux Shire Horse et
Poney
Shetland,
lepoids
à la naissance despoulains
de mère Shire Horse est troisfois
plus
élevé que celui des croisésréciproques
et cette différencepersiste
jusqu’à l’âge
adulte.La valeur
génotypique
moyenne des deuxcroise-ments
réciproques
AB = mâle A x femelle B et BA =mâle B x femelle A
peut
s’écrire :La différence GAa - GBAtraduit ainsi les différences d’effets maternels entre les races B et A.
La
pratique
du croisement entre une racequi
contribue favorablement à
G
utilisée comme&dquo;père&dquo;
et une race àG
favorable,
donnant lesmères,
constitue unexemple
d’utilisation de lacomplémentarité
entre races.b / Additivité et hétérosis
L’hétérosis,
encoreappelé &dquo;vigueur hybride&dquo;
est unphénomène spécifique
du croisement. L’hétérosis sedéfinit comme la différence entre la
performance
moyenne du croisement de
première
génération
entredeux
populations
É,
et la
performance
moyenne despopulations parentales P :
H, =F
I
.
P
L’hétérosis mesure ainsi l’écart par
rapport
àl’additivité des valeurs des
parents
au sens où la valeur du croisé ne résulte passimplement
d’une somme d’effets transmis par les parents.Par
extension,
onparle
aussi d’hétérosis dansdivers croisements dérivés de la F, en termes de &dquo;fraction de l’hétérosis
exprimée&dquo;
(ou &dquo;retenue&dquo;) dansces croisements
(par
exemple,
&dquo;hétérosisexprimée
dans la deuxième
génération
de croisements ou F,&dquo;).L’hétérosis est fonction du caractère
considéré,
despopulations
enprésence
mais aussi de l’environne-ment :- En
règle générale,
l’hétérosis varie inversement àl’héritabilité du caractère. Les caractères liés à la
reproduction
(fertilité,
prolificité,
viabilité desjeunes)
à faible
héritabilité,
montrent engénéral
un effetd’hétérosis
important,
de l’ordre de 10 à 20 %. Lescaractères liés au
développement
desjeunes
(vitessede
croissance,
par exemple) montrent des effets d’hétérosisplus
faibles,
de 5 à 8 %.Enfin,
lescarac-tères liés à la
composition
corporelle (caractéristiques
de la carcasse,qualité
de laviande),
trèshéritables,
ne manifestentpratiquement
pas d’hétérosis.- L’hétérosis
est d’autant
plus important que
lespopulations parentales
sontgénétiquement plus
éloi-gnées.
Unexemple
en est donné dans l’article deBidanel.
- Enfin l’hétérosis
s’exprimerait plus
en milieu&dquo;pauvre&dquo; qu’en
milieu&dquo;riche&dquo;,
cequi
est lié à laplus
grande
stabilité des croisés face aux variations dumilieu.
Les mécanismes de l’hétérosis sont
complexes
et encore mal élucidés. Le modèlegénétique
leplus
clas-sique qui
en rendcompte
est le modèle de ladomi-nance. Nous allons l’illustrer en prenant le cas d’un
caractère à déterminisme
génétique simple,
supposé
déterminé par 1 locus à 2 allèles (A/a). Soient 2
popu-lations
parentales
PI etP
z
,
danslesquelles
lesfré-quences
alléliques
à ce locus sontrespectivement
(p,
q)
et(p’, q’).
Les valeursgénotypiques
sont a pourAA,
d pour Aa et -a pour aa. La différence d entre la valeur de
l’hétérozygote
et la moyenne deshomozy-gotes est
appelé
&dquo;l’écart de dominance&dquo;. Soit y ladiffé-rence entre la
fréquence
desgènes
dans les deuxpopulations
y
2
mesure la distancegénétique
entre PietPz):y=p-p’=q
’
-q.
Les valeurs
génotypiques
moyennesP
i
,
Pz et FIdes deux
populations parentales
et de lapopulation
croisée Fl s’écrivent :
L’hétérosis est ainsi une fonction directe de l’écart
de dominance (d) et du carré des différences
allé-liques
entre les deuxpopulations (y
2
).
La formule (1)permet
decomprendre
comment l’hétérosis estfonc-tion du caractère - à travers d - et de la distance
génétique
entre lespopulations parentales -
à traversy!.
2D’autre part on peut montrer que
y
2
représente
dans la
population
F, parrapport
à leurfréquence
moyenne dans les
populations parentales.
L’hétérosisdécoule ainsi de
l’avantage
del’hétérozygotie
(expri-mé par d) et de l’accroissement de lafréquence
deshétérozygotes (exprimé
pary’)
dans lapopulation
F,.L’existence d’hétérosis repose sur
l’hypothèse
d’une valeur
positive
de d c’est-à-dire une valeur del’hétérozygote
(Aa)plus proche
de celle del’homozy-gote
favorable (AA) que de celle del’homozygote
défa-vorable. Une théorie des chaînes de réactionsenzy-matiques
accrédite cettehypothèse :
dans une chaînemétabolique,
la liaison entre le flux de métabolites etla
quantité
(ou l’activité) d’un enzymeparticulier
decette chaîne n’est pas linéaire mais
hyperbolique.
Cela
signifie
que pour un enzymedonné,
impliqué
dans une
longue
chaînemétabolique,
une variationde
quantité
ou d’activité n’aura que très peu d’effet sur le flux. Parconséquent,
l’hétérozygote
Aa aura engénéral
un effetphysiologique proche
de celui de AA.Quand
on considèreplusieurs
locus dont les effetss’ajoutent,
c’est-à-dire en l’absenced’épistasie,
l’hété-rosis sera encore fonction des écarts de dominance etde la distance entre
populations
àchaque
locus. Enprésence d’épistasie,
l’hétérosis devient fonction de cetype
d’interactions. Ilpeut
ainsi y avoir de l’hétérosis en l’absence de dominance.c / Relation entre hétérosis
et
degré d’hétérozygotie
On peut montrer
qu’en
présence
de dominanceseule,
l’hétérosis estproportionnel
au&dquo;degré
d’hétéro-zygotie
raciale&dquo;(dh),
défini comme laprobabilité
quedeux
gènes homologues
d’un individu croisé nepro-viennent pas de la même race
parentale.
L’hétérosis est maximal dans le croisement depremière
généra-tion où dh = 1. Dans la
génération
Fzissue ducroise-ment d’animaux F, entre eux, dh =
0,5
et l’hétérosisest diminué de moitié. Le niveau d’hétérosis est
ensuite constant dans les
générations
successivesF
I
,
F
4
,
etc. Dans les croisements en retour PIx FIet P, xF, l’hétérosis attendu est le même
qu’en
Fz. Uneexpérience
chez la souris montre cetteproportionnali-té entre l’hétérosis sur la taille de
portée
et ledegré
d’hétérozygotie
de la femelle dans divers croisementsréciproques
de deux souches.Cependant,
cettepro-portionnalité
n’est pastoujours
vérifiée. Parexemple,
dans
plusieurs expériences
de croisementsindépen-dantes entre deux races de
poules,
l’hétérosis sur laponte
observée en F, estsystématiquement
inférieurà la moitié de celui observé en F, (4 % en moyenne contre 16 %). Dans d’autres
expériences,
l’écartconcerne la moyenne de la F,
qui
s’avère inférieure àla moyenne des deux back-cross PI x Fi et P2 x Fi
malgré l’égalité
de leur constitutiongénétique
et de leurdegré d’hétérozygotie.
Divers modèles
génétiques qui
introduisentl’épis-tasie
permettent
de rendrecompte
de cesphéno-mènes : Dickerson
(1969, 1973),
parexemple,
faitl’hypothèse
que la sélection adéveloppé
dans lespopulations parentales
des associations favorables degènes qui
sont détruites par la recombinaisonlorsque
des individus croisés sereproduisent.
Il introduit unparamètre
&dquo;r&dquo;appelé &dquo;pertes épistatiques
dues à larecombinaison&dquo;,
dontl’expression
est maximale en F,.A côté de modèles
particuliers
comportant,
commecelui de
Dickerson,
deshypothèses
sur la nature del’épistasie,
des modèlesgénétiques généraux
ont étéproposés
(Kinghorn
1980,
Hill 1982). Tout en se limi-tant aux interactions pouvant exister entre deuxlocus
seulement,
ces modèles font intervenir unplus
grand
nombre deparamètres.
d / Autresfacteurs
Certains auteurs introduisent d’autres facteurs dans leur modèle du croisement comme par exemple
les effets liés au sexe ou encore les effets maternels
d’origine cytoplasmique qu’ils distinguent
de l’ensemble des effets maternels.1.2
/ Le modèle de Dickerson
(1969,1973)
Les
paramètres
de ce modèle se rattachent auxtrois composantes
génétiques classiques
de ladécom-position
de Fisherqui
sont les effetsadditifs,
de dominance etd’épistasie :
-
g, valeur
génétique
&dquo;additive&dquo; ou encore&dquo;moyenne&dquo;
d’une race,
exprimée
en écart à la moyenne de l’ensemble des races pures étudiés.-
h, appelé
à tort&dquo;hétérosis&dquo;, représente
en fait lafraction de l’hétérosis lié à la dominance.
-
r,
pertes
épistasiques
dues à la recombinaison. Cettedécomposition s’applique
à lacomposante
direc-te de la valeur d’un
croisement,
liée auxgènes
desindividus,
mais aussi à lacomposante
maternelle etgrand-maternelle
de cette valeur. Les effets relatifs àla
composante
directe sont affectés de l’indice&dquo;o&dquo;,
comme
&dquo;offspring&dquo;
(ouparfois
&dquo;I&dquo; comme&dquo;Individual&dquo;) : g°,
h
°
,
r°. Ceux relatifs à lacomposante
maternelle sont : g&dquo;’,h
’
&dquo;,
r’&dquo;.et ceux relatifs à lacom-posante
grand-maternelle
sont affectés de l’indice n.Quelles
sont les lois du modèle ?- Les effets additifs d’une
race
s’expriment
propor-tionnellement à la contribution de cette race aux
gènes
de l’individu considéré.- Les effets d’hétérosis entre deux
races
s’expriment
proportionnellement
auxdegrés
d’hétérozygotie
raciale de l’individu considéré pour ce
couple
de races. Parexemple,
l’hétérosis direct dans le croise-ment A x BC s’écrira H° =0,5
h! +0,5 hl
c
.
Les effetsd’hétérosis dans d’autres croisements sont donnés dans l’article de Bidanel au tableau 1.
- Les effets &dquo;r&dquo; ont
un coefficient
égal
aupourcentage
de
paires
degènes
dans lesgamètes
des deuxparents
qui
sont les combinaisons nonparentales.
Cepara-mètre
exprime
l’écart à la liaison linéaire entre hété-rosis etdegré d’hétérozygotie qui
découle del’existen-ce des effets
d’épistasie.
Un
exemple d’application
de ce modèle est donné auparagraphe
2.2.2
/ Estimation des
paramètres
du modèle de
Dickerson
2.1 / Protocole
Il faut
produire
au moins autant de typesgéné-tiques qu’il
y a deparamètres
à estimer. Le choix de cestypes
est fonction desparamètres
que l’on veut estimer. Le modèlegénétique
sert deguide pour le
a / Estimation des valeurs additives directes et maternelles et de l’hétérosis direct :
go, gm, h’
Un
dispositif
couramment utilisé est lediallèle,
qui
consiste en unplan
de croisement factoriel entre npopulations
utilisées comme mâles et commefemelles. Le diallèle
complet
comporte
n= croisementsincluant n
génotypes
purs et n (n - 1)/2couples
de croisementsréciproques.
Les croisementsréciproques
permettent
l’estimation des effets maternels. Cedis-positif
ne permet pas de dissocier les effets maternelset
grand-maternels.
Une estimation non biaisée deseffets
maternels,
globalement
calculés comme diffé-rence entre l’effet d’une race utilisée comme mère et commepère,
supposel’égalité
du niveaugénétique
des mâles et des femelles d’une
population.
Unexemple
d’estimation de cesparamètres
est donnéplus
loin.Classiquement,
cesplans
sontinterprétés
selond’autres modèles que celui de Dickerson. Les para-mètres de ces modèles sont les AGC
(Aptitudes
Générales à la
Combinaison),
les ASC(Aptitudes
Spécifiques
à laCombinaison),
les effets maternels etles &dquo;effets de
réciprocité spécifique&dquo;.
L’AGC d’unepopulation
est la valeur moyenne de sa descendanceobtenue en croisement avec toutes les autres
popula-tions du
dispositif
diallèle. L’ASC d’un croisementparticulier
est l’écart entre la valeur de ce croisementet la somme des AGC de ses parents. Les effets de
réciprocité spécifique s’interprètent
comme desinter-actions entre AGC et effets maternels.
b / Estimation de l’hétérosis
maternel,
séparation
deseffets
maternelset
grand-maternels : A&dquo;,
g&dquo;L’option
laplus fréquemment
choisie est undispo-sitif utilisant des femelles issues d’un diallèle en croi-sement avec des mâles d’une autre
population.
L’uti-lisation de croisements en retourpermet
également
l’estimation de l’hétérosis maternel.
Cependant
les estimées de h- dans cesdispositifs
sont biaisées pardes effets
d’épistasie.
Le recours à des mâles croiséspermet
de lever ces biais.c / Estimation des
paramètres
relatifs
à
l’épistasie :
r&dquo;, r’&dquo;L’estimation des effets
épistatiques
derecombinai-son nécessite le contrôle de la deuxième
génération
(F.
z et croisements en retour avec deux races) pour les
effets directs et de la troisième
génération
pour les effets maternels.2.2
/ Exemple
d’estimation des
paramètres
du croisement
On
analyse
lepoids
à 11 semaines dans unplan
decroisement diallèle entre deux souches de
lapin,
A etB. Ces deux souches ont été constituées en 1975 à
partir
d’une même souched’origine.
La souche B estsélectionnée sur la taille de
portée.
La souche A n’estpas sélectionnée. Le tableau suivant donne les
valeurs moyennes du
poids
à 11 semaines (eng) pour
les 4 typesgénétiques. L’écart-type
de ces moyennes est de 20 g.La
décomposition
de ces valeurs moyennes selon lemodèle de Dickerson conduit au
système
d’équations
suivant :
Ce
dispositif
de croisement nepermet
pas desépa-rer les effets maternels et
grand-maternels ;
on esti-mera leur sommeg
’
&dquo;
= gm+ g&dquo;. Il reste 6paramètres
àestimer :
Les 4 relations entre eux
permettent
d’en estimer4. On pose :
d’où 4 inconnues. La résolution du
système
conduit à :Les effets g&dquo; et g&dquo;’ sont
significativement
diffé-rents de 0. La sélection réalisée dans la souche B s’est
accompagnée
d’une réduction de 180 g dupoids
deslapereaux
à 11 semaines. Cette réduction estattri-buable aux effets directs des
gènes
(2 x 55 = 110g),
mais aussi aux effets maternels (70
g),
vraisemblable-ment liés àl’augmentation
de la taille deportée
dans la souche B (+ 1lapereau).
Cetexemple
illustrel’inté-rêt du croisement pour
l’analyse génétique.
Conclusion
Les modèles du croisement couramment utilisés
sont
généralement simples
et sans doute peuréa-listes : la
description
des interactions entre locus estsimplifiée ;
les interactions noyau xcytoplasme
ne sont pasprises
encompte
commecomposante
del’hétérosis ;
onnéglige
les interactions entre effets directs et maternels. Ces limites doivent êtregardées
àl’esprit lorsqu’on
utilisera ces modèles pour le choixRéférences
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