Introgression génique assistée par marqueurs

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Submitted on 1 Jan 1992

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Introgression génique assistée par marqueurs

F. Hospital, J-M. Elsen

To cite this version:

F. HOSPITAL J-M. ELSEN

INRA Laboratoire de

Génétique

cellulaire BP 27 31326 Castanet-Tolosan Cedex

*/A!*A S’!a!oK d’A77te/:ora!:OK

_!e!e!q’Me

des

*INRA Station d Amélioration génétique des

animaux BP 27 31326 Castanet-Tolosan Cedex

Apports

actuels

et

futurs des

marqueurs

génétiques

dans

l’amélioration

des

_populations

animales

Introgression génique

assistée

_{par marqueurs}

L’introgression génique

consiste à inclure dans le

génome

d’une race sélectionnée

A,

un et un seul

_gène

favorable,

G,

d’une race B _par ailleurs moins

produc-tive. Ceci s’effectue

_{classiquement}

par un

_premier

croisement

AxB,

suivi d’une série de croisements en

retour

(Backcross),

des descendants

_portant

le

_gène

G,

par la race A. Tous ces descendants _{sont par}

construction

_{hétérozygotes Gg}

(nous supposons pour

simplifier qu’il

y a un seul allèle de G dans la race A :

g). L’introgression

s’achève si besoin _par un

accouple-ment entre animaux

_Gg

de la race A

(intercross),

afin

de

_produire

des

_homozygotes

GG de "race

_pure"

A. L’utilisation de marqueurs

peut

améliorer ce pro-cessus de deux

_{façons :}

- dans

une

première étape,

_pour trier les animaux

selon leur

_génotype

au locus

majeur,

c’est-à-dire

choi-sir des

_{reproducteurs}

_porteurs

de G.

- dans

une deuxième

étape,

_pour

trier,

parmi

les

reproducteurs

porteurs

de

_G,

ceux

qui

sont les

plus

proches

du

_{"type génétique"}

A.

Le processus

d’introgression

sera amélioré si le

résultat final (obtention d’un effectif minimal

d’ani-maux GG

_possédant

un

_pourcentage

maximum de

gènes

de la race A) est obtenu

_plus

vite et/ou à

moindre coût.

1

/

Utilisation des

_{marqueurs pour}

trier

sur

le

génotype majeur

A

_{chaque génération,}

on choisit des

reproducteurs

porteurs

de G.

_Si,

_pour des raisons de

_coût,

le nombre de

_{reproducteurs}

doit être

_limité,

on choisira en

prio-rité le sexe le

plus

efficace _pour la

reproduction,

c’est-à-dire les mâles. Dans le cas où le

_génotype

des

ani-maux est visible sans erreur dès la naissance sur les

mâles comme les

femelles,

il est inutile de faire

appel

à un _marqueur. Dans tous les autres cas, l’utilisation

d’un marqueur améliore

potentiellement

l’introgres-sion.

Caractère mesuré sur un seul sexe

(exemple :

le taux d’ovulation

_qui

n’est mesurable _que chez les

femelles). En l’absence de marqueur, deux solutions sont

_{envisagées :}

- n’utiliser dans les croisements _en

retour que les

femelles

_porteuses

de

G,

ce

qui

est peu efficace dans

les

_espèces

où les femelles ont une faible

capacité

de

reproduction.

- tester _sur descendance des

mâles,

_en

accouplant

des candidats à des

_conjointes

gg et en observant

leurs filles. Pour le croisement

_final,

et la constitution

de la souche

_{homozygote GG,}

ce

_testage

est

obligatoi-re. Il

_présente

deux inconvénients : il

_augmente

les

besoins en animaux

_puisque

des

reproducteurs

inutiles (se révélant

_gg)

sont

_utilisés,

et

_peut

multi-plier

par deux la durée du processus

puisque,

pour

chaque génération

de

mâles,

il faut d’abord

_produire

une

_génération

de

_testage,

_puis

une

_génération

de

croisement en retour. Ce délai sera toutefois annulé

s’il est

_possible,

_par les mêmes

_{accouplements}

ou en

parallèle,

de tester les mâles et de

_produire

la

généra-tion suivante

_{d’introgression.}

Caractère mesuré tardivement dans la vie de l’animal

_{(exemple :}

la finesse de la laine). En

l’absen-ce de _marqueur, aucun choix n’est

possible

avant que

le caractère ne soit visible. Il faut donc

entretenir,

jusqu’à

leur mesure, des animaux inutiles. En outre,

si cette

_{expression n’apparaît}

que

longtemps après

la

puberté,

ceci

_allonge

les intervalles de

_{génération.}

Il est

_malgré

tout

_envisageable

de mettre à la

reproduc-tion les

_jeunes,

mais seule la moitié des

accouple-ments (le

quart

pour le croisement final) seront utiles.

Caractère nécessitant la destruction de l’ani-mal

_{(exemple :}

la

_qualité

de la _viande). Si la mesure

peut

se faire chez

l’adulte,

il sera

envisageable

de

mettre des candidats à la

_{reproduction puis,}

a

poste-riori,

d’éliminer la descendance des non

_porteurs.

Cette solution se traduira comme

_{précédemment}

_par

la

_procréation

de nombreux animaux inutiles. Dans le

cas où la

_congélation

de

_gamètes,

en

particulier

des

spermatozoïdes,

est

_possible,

les

_{accouplements}

pour-ront attendre les informations sur le

_génotype

au

locus

_majeur

et le coût de

_{l’impossibilité}

de mesurer

les

_génotypes

à la naissance sera

_uniquement

l’entre-tien de futurs

_{reproducteurs}

inutiles

_jusqu’à

la

congé-lation de leur

gamètes.

Si la mesure doit se faire chez

le

_jeune

(c’est le cas de la

_plupart

des caractères

bou-chers),

seul le

_testage

sur descendance

_permet

actuel-lement de résoudre le

_{problème -}

la fabrication de

vrais

_jumeaux

étant une solution

envisageable

dans

l’avenir. Ceci se traduira par un éventuel

allonge-ment du processus (à

moins,

comme

_{plus haut,}

de

d’introgression)

et surtout _par une

_augmentation

considérable des effectifs

_{impliqués :}

si le caractère

s’exprime

sans erreur de

classification,

il faut 5

des-cendants par

reproducteur

pour connaître son

génoty-pe propre avec une

probabilité

d’erreur de 5%.

Gène

_majeur

avec

pénétrance incomplète

(exemple :

la conformation). Le

_génotype

des candi-dats n’est _pas connu de

façon

certaine. Il est

_possible

d’améliorer la

_précision

du

_typage

en considérant

l’ensemble des informations sur les

_apparentés,

mais

cette amélioration ne sera substantielle _que

lorsque

les informations sur la descendance seront

dispo-nibles,

ce

_qui

revient à

_prévoir

un

_testage

sur

descen-dance, donc,

encore une fois à

allonger

les délais et

augmenter

la taille de la

_population

_{expérimentale.}

Dans la

_plupart

des cas, des erreurs de classification

seront commises et devront être

_rattrapées,

a

poste-riori,

en éliminant des descendances entières.

En

conclusion,

les

_quatre

situations

_qui

viennent

d’être décrites se

traduisent,

_par

_rapport

au cas

idéal,

par au moins un des inconvénients suivants :

- entretien d’un effectif _accru

d’animaux,

des

indi-vidus gg (inutiles) étant conservés

_jusqu’à

la mesure ou la confirmation de leur

génotype.

-

allongement

des intervalles de

_{générations,}

soit

pour obtenir

plusieurs reproducteurs

par

femelle,

soit pour tester les

reproducteurs

sur descendance.

La connaissance d’un marqueur M du locus G remé-die à ces inconvénients (voir _par

exemple

Soller et Plotkin-Hazan 1977). Une situation idéale serait celle

où les

_{reproducteurs}

B de

_départ

sont tous

_porteurs

d’allèles marqueurs inexistants dans la race A. En

l’absence de

recombinaison,

il suffirait de choisir

comme

reproducteurs

à

chaque génération

les

por-teurs de ces

allèles,

le choix final des individus GG se

faisant

_parmi

les

_porteurs

de deux allèles de la race

B. Par

_rapport

à cette situation

_idéale,

deux

phéno-mènes non

_{indépendants}

_peuvent

limiter l’intérêt des

marqueurs : un

équilibre

de liaison

partiel

entre M et

G,

et la

_possibilité

de recombinaison entre les deux locus.

Equilibre

de liaison

_{partiel. Supposons qu’il n’y}

ait que deux allèles en

_M,

Ml et

_M2,

_que les

fonda-teurs de

_{l’introgression}

(les animaux GG de la race B)

soient tous M1M1 et que les deux allèles soient

pré-sents dans la race A. Un

reproducteur

MlG/M2g,

de

phase

connue,

peut

donc être

_accouplé

à des

_conjoints

de la race A de

_{génotype Mlg/Mlg, Mlg/M2g}

ou

M2g/M2g.

Les

_{accouplements}

avec les

hétérozygotes

M1M2 donneront des descendants dont le

_génotype

en G ne _pourra se déduire de celui en M dans la

moi-tié des cas. Par

_ailleurs,

les descendants

_M1G/M1g

des

_{accouplements}

avec les

conjoints

M1M1 ne sont

pas doubles

hétérozygotes

et le marqueur sera ineffi-cace pour

typer

leur propre descendance. Il faut donc

se restreindre à utiliser des

_conjoints

M2M2,

ce

_qui

impose

d’une

_part

la mesure de tous les

_génotypes

en

M des candidats

_conjoints,

d’autre

_part

une sélection

très réduite de ces candidats sur d’autres critères

zoo-techniques

que leur

génotype

en M. L’utilisation de

marqueurs très

polymorphes

réduira cet inconvénient

en

_augmentant

la

proportion

de

conjoints

utilisables.

Recombinaison

_possible.

Si M et G ne _{sont pas}

parfaitement liés,

des erreurs seront commises dans

l’interprétation

des

_génotypes.

Dans ce _cas,

l’utilisa-tion d’un marqueur doit être conçue comme une

pré-sélection des

_{reproducteurs,}

le choix définitif étant

établi

_après

l’observation des

_phénotypes

pour le

caractère

_quantitatif

gouverné

par le locus G. Selon

la distance entre M et

_G,

cette

_{présélection}

_pourra

être

_plus

ou moins intense,

l’organisation

concrète de

l’introgression

devant être raisonnée au cas _par cas.

A

_l’avenir,

il faudra

_développer

des critères

statis-tiques

de tri des animaux incluant l’ensemble des informations sur les

performances quantitatives

et sur le

_génotype

en M des animaux et de leurs

appa-rentés. Une

_piste

évidente est le

_prolongement

des méthodes de maximum de vraisemblance actuelle-ment utilisées _{pour typer} les

_{reproducteurs}

dans des

introgressions

sans _marqueurs.

Enfin,

rappelons

_que

l’utilisation de deux _marqueurs encadrant le locus

majeur

avec des

_pourcentages

de recombinaison rl et

r2, augmente

considérablement la

_puissance

de la

technique,

la

_probabilité

d’erreur n’étant

_plus

_que de

rlr2 dans ce cas.

2

/

Utilisation des

_{marqueurs pour}

augmenter

le

taux

de

_génome

receveur

chez les

_porteurs

de

_g

A

_{chaque génération,}

une fois les descendants

por-teurs de G

_{sélectionnés,}

on

_peut

laisser le restant du

génome

évoluer au

hasard,

ou sélectionner les

des-cendants sur des critères

phénotypiques

caractéris-tiques

de A (méthodes

classiques).

On

_peut

aussi

pen-ser à sélectionner les descendants sur des _marqueurs

génomiques caractéristiques

de A : c’est le

_point

_que

nous allons

développer.

D’un

point

de vue

théorique,

ce cas

_particulier

de sélection assistée _{par marqueurs}

peut

être étudié directement en terme de

_composition

génomique

des

descendants,

sans

qu’il

soit besoin de

faire des

_hypothèses

sur le _passage du

_génotype

au

phénotype qui

pose de gros

problèmes

dans les autres

cas. On

_peut

donc _{penser que} les

prédictions

obtenues

dans ce cas seront

plus

fiables. Les résultats suivants

sont tirés de

_Hospital

et al (1992).

Il est évident

_qu’une

sélection

_portant

sur des

mar-queurs moléculaires bien identifiés

permettra

rapide-ment

_{d’augmenter}

la

_fréquence

de ces _marqueurs

dans la

_population,

encore

qu’une

fixation

complète

de nombreux _marqueurs en une

_génération

soit

impossible

(voir

plus

loin). Mais

_au-delà,

tout le

géno-me ne

_pouvant

être

_marqué,

il

s’agit

surtout de savoir

comment une sélection sur des _marqueurs

_permettra

d’entraîner les

_parties

non

_marquées

du

génome,

en

fonction de leur

_pourcentage

de recombinaison avec

les _{marqueurs. Deux} cas sont à

_{distinguer :}

- les

parties

du

_génome

non liées au

_gène

intro-gressé

G (&dquo;chromosomes non

porteurs&dquo;),

où seul le

phénomène précédent

sera à considérer

(figure

1).

- les

parties

du

_génome

liées au

_gène

G (&dquo;chromo-some

_{porteur&dquo;),}

où la sélection de descendants

por-tant tous le

_gène

G crée un entraînement fort de

génome

de

_type

&dquo;B&dquo; autour du

_gène.

Techniquement,

des résultats

_analytiques

ne

_peuvent

être obtenus _{que pour} une seule

génération

de

sélec-tion. Pour

_{plusieurs générations,}

il faudra avoir

recours aux simulations.

Evolution aléatoire sans sélection. En croisant

à

_chaque

_génération

les descendants _par la race

_{&dquo;A&dquo;,}

on

_augmente

le taux de

_{gènes d’origine}

&dquo;A&dquo; dans leur

génome,

même sans sélection. Les taux attendus en

Densité des marqueurs. Avec L marqueurs

indé-pendants,

la

_probabilité

(1/2)’ que tous les marqueurs

se trouvent dans un même

_gamète

devient

rapide-ment

_négligeable

avec L. Si l’on tient _compte des

recombinaisons dans un

_génome

_réaliste,

la

_figure

2

montre

_{qu’à partir}

d’un certain seuil

_dépendant

de la

longueur

du

_génome,

_augmenter la densité des

mar-queurs

n’augmente

pas la

réponse

à la sélection. Pour des densités moyennes, des marqueurs

répartis

uni-formément sur le

_génome

fournissent de meilleurs

résultats que des marqueurs

répartis

au hasard.

On voit donc _{que la marge de} manoeuvre

dispo-nible _pour la sélection est limitée à la fois

extrinsè-quement par l’évolution

déjà rapide

de la

composition

du

_génome

sans

sélection,

et

_{intrinsèquement}

par l’efficacité même des marqueurs. De

plus,

les événe-ments de recombinaison s’accumulant au cours du

temps,

la sélection est d’autant

_plus

efficace

_qu’elle

est

_{pratiquée plus}

tard,

lorsqu’il

ne _{reste que peu} à

gagner, comme le montre la

_figure

3

_{qui présente}

l’évolution de la

_réponse

à la sélection sur le

chromo-some _porteur. D’un

_point

de vue _purement

mathéma-tique

et

abstrait,

pour obtenir des descendants conte-nant 100 % de

_gènes

&dquo;A&dquo; à _part

G,

il vaudrait mieux

sélectionner le

_plus

tard

_possible,

autrement dit _pas du tout ! Dans la

_pratique,

on

_peut

se fixer un taux de

génome

&dquo;A&dquo; à atteindre et

_espérer

l’obtenir

_plus

rapi-dement en

_pratiquant

une sélection sur les

mar-queurs. Le tableau 1 montre que l’effort de sélection doit _porter en

_priorité

sur le chromosome _porteur, sur

lequel

le taux de &dquo;A&dquo; sans sélection est le

_plus

bas.

Sélection sur le chromosome

_porteur

seul. La

figure

4

_présente

la

_réponse

à la sélection sur le

chro-mosome _porteur. La sélection retient une

_proportion

de la

_population

(valeurs entre

_{parenthèses)}

et

_porte

sur deux _marqueurs

_flanquant

G à une distance d

figurée

en abscisse. Cette

figure

montre

qu’il

_y a

interaction entre le taux de sélection

_pratiqué,

et la

distance (ou le

_pourcentage

de _{recombinaison)} entre

G et les _marqueurs. Autrement

_dit,

il n’est _pas

tou-jours plus

efficace de sélectionner fortement sur des

marqueurs

proches

du

gène

comme cela se

_pratique

couramment. Il faut

_{plutôt :}

- si

une intensité de sélection maximale est fixée

expérimentales,

choisir de sélectionner sur des

mar-queurs

apportant

une

_réponse

_optimale

_pour cette intensité donnée.

-

ou, si le choix du

couple

de marqueurs est limité par l’avancement de la carte

génique

de

l’espèce,

choi-sir le taux de sélection

_optimal

dans ce cas.

Dans le cas favorable où une carte assez

_complète

est

disponible,

et où l’intensité de sélection n’est _pas

limi-tée,

cette

_figure

montre aussi

_qu’il

vaut mieux

sélec-tionner dans les

_{premières générations}

pour des

mar-queurs assez distants du

_gène

G,

et seulement dans les

_{générations}

suivantes _pour des _marqueurs

proches.

Dans tous les cas, ceci met en évidence

l’intérêt des marqueurs

distaux,

et par là-même d’une carte

_complète.

Sélection sur chromosomes non

_porteurs.

A

_{chaque génération,}

une

première

sélection _ayant

été

_pratiquée

sur le chromosome

_porteur,

il est

pos-sible d’en

_pratiquer

une deuxième visant à

augmen-ter le taux de

_gènes

_d’origine

&dquo;A&dquo; sur les chromo-somes non

_{porteurs. Néanmoins,}

l’intensité de

sélec-tion

_disponible

pour cette seconde sélection

dépend

de

la

_position

des marqueurs et du taux de sélection

choisi dans la

_{première étape.}

Ceci est

_représenté

figure

5 :

_lorsque

le taux de sélection lu en abscisse est

_appliqué

sur le chromosome

_porteur

au niveau de

2 _marqueurs

_flanquant

G à une distance

d,

la

_figure

donne à la fois la

_réponse

obtenue sur le chromosome

porteur

(pointillés)

et l’intensité de sélection résiduel-le

_disponible

pour une deuxième

_étape

de sélection

sur les autres chromosomes (trait continu). Cette

der-nière varie selon _{que le nombre} final d’individus

rete-nus

_après

la deuxième

étape

de sélection est

infé-rieur,

supérieur

ou

égal

au nombre de recombinants

entre G et un _marqueur sur le chromosome

_porteur.

Par

_exemple,

si le nombre des individus retenus est

égal

au nombre de recombinants sur le chromosome

porteur,

les chromosomes non _porteurs sont choisis

au

_hasard,

et l’intensité de sélection sur ces derniers

est nulle.

Conclusion

Les marqueurs sont efficaces pour accélérer les programmes

d’introgression génique.

D’une

part,

des

marqueurs

proches

du

gène introgressé

permettent

une économie de

_temps

et de moyens,

qui

peut

être

considérable,

pour la détermination des individus

porteurs

du

_gène.

D’autre

_part,

des _marqueurs

répar-tis sur l’ensemble du

_génome

_permettent

de diminuer

plus rapidement

le taux de

_génome

donneur chez les individus

_porteurs

du

_gène

_{introgressé.}

Dans ce

der-nier cas, l’efficacité de la sélection sur _{marqueurs est}

inférieure à celle

_prédite

par Hillel et al

(1990),

mais néanmoins

_{conséquente :}

4

_{générations}

de sélection suffisent pour obtenir une

réponse correspondant

à 6

générations

sans sélection

(figure

2). Dans tous les

cas, une carte

_{génétique complète}

et des _marqueurs bien

_répartis

sont

_{préférables.}

Références

_{bibliographiques}

Hillel _{J., Schaap T.,} Haberfeld _{A., Jeffreys} A. J., Plotzky Y.,

Cahaner A., Lavi U., 1990 DNA _fingerprint

_applied

to _gene introgression breeding programs. Genetics 124: 783-789. Hospital F., Chevalet _C., Mulsant _P., 1992 _Using markers in

gene introgression breeding programs. Genetics : sous

presse.