Sélection assistée par marqueurs - Marker-assisted selection

La sélection assistée par marqueur ou la sélection assistée par marqueur ( SMA ) est un processus de sélection indirect où un trait d'intérêt est sélectionné sur la base d'un marqueur ( variation morphologique , biochimique ou ADN / ARN ) lié à un trait d'intérêt (p. tolérance au stress et qualité), plutôt que sur le trait lui-même. Ce procédé a fait l'objet de nombreuses recherches et a été proposé pour l' amélioration des plantes et des animaux .

Par exemple, l'utilisation de la SMA pour sélectionner des individus résistants aux maladies implique l'identification d'un allèle marqueur lié à la résistance aux maladies plutôt qu'au niveau de résistance aux maladies. L'hypothèse est que le marqueur s'associe à haute fréquence avec le gène ou le locus du trait quantitatif (QTL) d'intérêt, en raison d'une liaison génétique (étroite proximité, sur le chromosome, du locus marqueur et du locus déterminant la résistance à la maladie). La MAS peut être utile pour sélectionner des caractères difficiles ou coûteux à mesurer, présentant une faible héritabilité et/ou exprimés tardivement dans le développement. À certains moments du processus de sélection, les spécimens sont examinés pour s'assurer qu'ils expriment le caractère souhaité.

Types de marqueurs

La majorité des travaux de SMA à l'ère actuelle utilise des marqueurs basés sur l'ADN. Cependant, les premiers marqueurs qui ont permis la sélection indirecte d'un trait d'intérêt étaient des marqueurs morphologiques. En 1923, Karl Sax a signalé pour la première fois l'association d'un marqueur génétique simplement hérité avec un trait quantitatif chez les plantes lorsqu'il a observé une ségrégation de la taille des graines associée à une ségrégation pour un marqueur de couleur du tégument chez les haricots ( Phaseolus vulgaris L.). En 1935, J. Rasmusson a démontré le lien entre la période de floraison (un caractère quantitatif) des pois et un gène simplement hérité pour la couleur des fleurs.

Les marqueurs peuvent être :

  • Morphologique – Ce sont les premiers loci de marqueursdisponibles qui ont un impact évident sur la morphologie des plantes. Ces marqueurs sont souvent détectables à l'œil, par simple inspection visuelle. Des exemples de ce type de marqueur incluent la présence ou l'absence d' arête , la coloration de la gaine foliaire, la hauteur, la couleur du grain, l'arôme du riz, etc. Dans les cultures bien caractérisées comme le maïs , la tomate , le pois, l' orge ou le blé , des dizaines ou des centaines de gènes qui déterminent les traits morphologiques ont été cartographiés à des emplacements chromosomiques spécifiques.
  • Biochimique - Une protéine qui peut être extraite et observée ; par exemple, les isozymes et les protéines de stockage .
  • Cytologique - Les marqueurs cytologiques sont des caractéristiques chromosomiques qui peuvent être identifiées par microscopie. Celles-ci prennent généralement la forme de bandes chromosomiques, régions de chromatine qui s'imprègnent de colorants spécifiques utilisés en cytologie . La présence ou l'absence d'une bande chromosomique peut être corrélée à un trait particulier, indiquant que le locus responsable du trait est situé à l'intérieur ou à proximité (étroitement lié) de la région en bandes. Les marqueurs morphologiques et cytologiques ont constitué l'épine dorsale des premières études génétiques sur des cultures telles que le blé et le maïs.
  • Basé sur l'ADN - Y compris les microsatellites (également appelés répétitions en tandem courtes, STR ou répétitions de séquences simples, SSR), polymorphisme de longueur de fragment de restriction (RFLP), amplification aléatoire d'ADN polymorphe (RAPD), polymorphisme de longueur de fragment amplifié (AFLP) et polymorphismes nucléotidiques simples (SNP).

Marqueurs sélectionnables positifs et négatifs

Les termes suivants sont généralement moins pertinents pour les discussions sur la SMA en sélection végétale et animale, mais sont très pertinents dans la recherche en biologie moléculaire :

  • Les marqueurs sélectionnables positifs sont des marqueurs sélectionnables qui confèrent un avantage sélectif à l'organisme hôte. Un exemple serait la résistance aux antibiotiques, qui permet à l'organisme hôte de survivre à la sélection d'antibiotiques.
  • Les marqueurs sélectionnables négatifs sont des marqueurs sélectionnables qui éliminent ou inhibent la croissance de l'organisme hôte lors de la sélection. Un exemple serait la thymidine kinase , qui rend l'hôte sensible à la sélection du ganciclovir .

Une distinction peut être faite entre les marqueurs sélectionnables (qui éliminent certains génotypes de la population) et les marqueurs sélectionnables (qui rendent certains génotypes facilement identifiables, auquel cas l'expérimentateur doit « coter » ou évaluer la population et agir pour conserver les génotypes préférés ). La plupart des MAS utilisent des marqueurs sélectionnables plutôt que des marqueurs sélectionnables.

Gène vs marqueur

Le gène d'intérêt provoque directement la production de protéines ou d'ARN qui produisent un trait ou un phénotype souhaité, tandis que les marqueurs (une séquence d'ADN ou les marqueurs morphologiques ou biochimiques produits en raison de cet ADN) sont génétiquement liés au gène d'intérêt. Le gène d'intérêt et le marqueur ont tendance à se déplacer ensemble lors de la ségrégation des gamètes en raison de leur proximité sur le même chromosome et de la réduction concomitante de la recombinaison (événements de croisement de chromosomes) entre le marqueur et le gène d'intérêt. Pour certains traits, le gène d'intérêt a été découvert et la présence d'allèles souhaitables peut être directement dosée avec un niveau de confiance élevé. Cependant, si le gène d'intérêt n'est pas connu, des marqueurs liés au gène d'intérêt peuvent toujours être utilisés pour sélectionner des individus ayant des allèles souhaitables du gène d'intérêt. Lorsque des marqueurs sont utilisés, il peut y avoir des résultats inexacts en raison de tests inexacts pour le marqueur. Il peut également y avoir des résultats faussement positifs lorsque des marqueurs sont utilisés, en raison de la recombinaison entre le marqueur d'intérêt et le gène (ou QTL). Un marqueur parfait ne provoquerait aucun résultat faussement positif. Le terme « marqueur parfait » est parfois utilisé lorsque des tests sont effectués pour détecter un SNP ou un autre polymorphisme d'ADN dans le gène d'intérêt, si ce SNP ou un autre polymorphisme est la cause directe du trait d'intérêt. Le terme « marqueur » est toujours approprié à utiliser lors du dosage direct du gène d'intérêt, car le test de génotype est un test indirect du trait ou du phénotype d'intérêt.

Propriétés importantes des marqueurs idéaux pour MAS

Un marqueur idéal :

  • A une reconnaissance facile des phénotypes - idéalement tous les phénotypes possibles ( homo et hétérozygotes ) de tous les allèles possibles
  • Démontre des différences mesurables dans l'expression entre les types de traits ou les allèles de gènes d'intérêt, au début du développement de l'organisme
  • Le test du marqueur n'a pas un succès variable selon l'allèle au locus marqueur ou l'allèle au locus cible (le gène d'intérêt qui détermine le trait d'intérêt).
  • Interaction faible ou nulle entre les marqueurs permettant l'utilisation de plusieurs en même temps dans une population en ségrégation
  • Abondant en nombre
  • Polymorphe

Inconvénients des marqueurs morphologiques

Les marqueurs morphologiques sont associés à plusieurs déficits généraux qui réduisent leur utilité dont :

  • le retard de l'expression du marqueur jusqu'à tard dans le développement de l'organisme
  • permettre à la domination de masquer la génétique sous-jacente
  • pléiotropie , qui ne permet pas de tirer des inférences faciles et parcimonieux d' un gène à un trait
  • effets confusionnels de gènes sans rapport avec le gène ou le trait d'intérêt mais qui affectent également le marqueur morphologique ( épistasie )
  • effets de confusion fréquents des facteurs environnementaux qui affectent les caractéristiques morphologiques de l'organisme

Pour éviter les problèmes spécifiques aux marqueurs morphologiques, des marqueurs basés sur l'ADN ont été développés. Ils sont hautement polymorphes , présentent une hérédité simple (souvent codominante), sont abondants dans tout le génome, sont faciles et rapides à détecter, présentent des effets pléiotropes minimes et la détection ne dépend pas du stade de développement de l'organisme. De nombreux marqueurs ont été cartographiés sur différents chromosomes dans plusieurs cultures, notamment le riz, le blé, le maïs, le soja et plusieurs autres, et dans le bétail comme les bovins, les porcs et les poulets. Ces marqueurs ont été utilisés dans l'analyse de la diversité, la détection de la filiation, les empreintes génétiques et la prédiction des performances hybrides. Les marqueurs moléculaires sont utiles dans les processus de sélection indirecte, permettant la sélection manuelle d'individus pour une propagation ultérieure.

Sélection de gènes majeurs liés à des marqueurs

Les « gènes majeurs » responsables de caractéristiques économiquement importantes sont fréquents dans le règne végétal. Ces caractéristiques comprennent la résistance aux maladies, la stérilité mâle, l'auto-incompatibilité et d'autres liées à la forme, la couleur et l'architecture des plantes entières et sont souvent de nature mono- ou oligogénique. Les loci marqueurs qui sont étroitement liés aux gènes majeurs peuvent être utilisés pour la sélection et sont parfois plus efficaces que la sélection directe pour le gène cible. De tels avantages en termes d'efficacité peuvent être dus, par exemple, à une expression plus élevée de l'ARNm marqueur dans les cas où le marqueur est lui-même un gène. Alternativement, dans les cas où le gène cible d'intérêt diffère entre deux allèles par un polymorphisme nucléotidique unique difficile à détecter , un marqueur externe (que ce soit un autre gène ou un polymorphisme plus facile à détecter, comme une courte répétition en tandem ) peut se présenter comme l'option la plus réaliste.

Situations favorables à la sélection de marqueurs moléculaires

Il existe plusieurs indications pour l'utilisation de marqueurs moléculaires dans la sélection d'un trait génétique.

Des situations telles que :

  • Le caractère sélectionné s'exprime tardivement dans le développement de la plante, comme les caractéristiques des fruits et des fleurs ou des caractères adultes avec une période juvénile (de sorte qu'il n'est pas nécessaire d'attendre que l'organisme soit complètement développé avant de pouvoir prendre des dispositions pour la propagation)
  • L'expression du gène cible est récessive (de sorte que les individus hétérozygotes positifs pour l'allèle récessif peuvent être croisés pour produire une progéniture homozygote avec le trait souhaité)
  • Il existe des conditions spéciales pour l'expression du ou des gènes cibles, comme dans le cas de la sélection pour la résistance aux maladies et aux ravageurs (où l'inoculation de la maladie ou la soumission à des ravageurs seraient autrement nécessaires). Parfois, les méthodes d'inoculation ne sont pas fiables et parfois l'inoculation sur le terrain avec l'agent pathogène n'est même pas autorisée pour des raisons de sécurité. De plus, l'expression dépend parfois des conditions environnementales.
  • Le phénotype est affecté par deux ou plusieurs gènes non liés (epistatis). Par exemple, la sélection de plusieurs gènes qui offrent une résistance contre les maladies ou les insectes nuisibles pour la pyramide génétique .

Le coût du génotypage (par exemple, les tests de marqueurs moléculaires nécessaires ici) diminue, augmentant ainsi l'attractivité de la SMA à mesure que le développement de la technologie se poursuit. (De plus, le coût du phénotypage effectué par un humain est une charge de travail , qui est plus élevée dans un pays développé et augmente dans un pays en développement.)

Étapes pour le MAS

Généralement, la première étape consiste à cartographier le gène ou le locus de caractère quantitatif (QTL) d'intérêt en utilisant d'abord différentes techniques, puis en utilisant ces informations pour la sélection assistée par marqueurs. Généralement, les marqueurs à utiliser doivent être proches du gène d'intérêt (<5 unités de recombinaison ou cM) afin de garantir que seule une fraction mineure des individus sélectionnés seront des recombinants. Généralement, non seulement un seul marqueur mais plutôt deux marqueurs sont utilisés afin de réduire les risques d'erreur due à la recombinaison homologue. Par exemple, si deux marqueurs flanquants sont utilisés en même temps avec un intervalle entre eux d'environ 20 cM, il y a une probabilité plus élevée (99 %) de récupération du gène cible.

Techniques de mappage QTL

Article détaillé : Quantitative_trait_locus § QTL_mapping

Chez les plantes, la cartographie des QTL est généralement réalisée à l'aide de populations croisées biparentales; un croisement entre deux parents qui ont un phénotype contrasté pour le trait d'intérêt est développé. Les populations couramment utilisées sont les lignées quasi isogéniques (NIL), les lignées consanguines recombinantes (RIL), les haploïdes doublés (DH), les rétrocroisements et les F 2 . L'association entre le phénotype et des marqueurs déjà cartographiés est testée dans ces populations afin de déterminer la position du QTL. De telles techniques sont basées sur la liaison et sont donc appelées " mapping de liaison ".A

Cartographie MAS et QTL en une seule étape

Contrairement à la cartographie QTL en deux étapes et à la MAS, une méthode en une seule étape pour la sélection de populations végétales typiques a été développée.

Dans une telle approche, dans les premiers cycles de reproduction, les marqueurs liés au caractère d'intérêt sont identifiés par cartographie QTL et plus tard, la même information est utilisée dans la même population. Dans cette approche, la structure généalogique est créée à partir de familles créées en croisant le nombre de parents (en croisement à trois ou quatre voies). Le phénotypage et le génotypage sont tous deux effectués à l'aide de marqueurs moléculaires cartographiés l'emplacement possible du QTL d'intérêt. Cela permettra d'identifier les marqueurs et leurs allèles favorables. Une fois ces allèles marqueurs favorables identifiés, la fréquence de ces allèles sera augmentée et la réponse à la sélection assistée par marqueur est estimée. Les allèles marqueurs ayant un effet souhaitable seront ensuite utilisés dans le prochain cycle de sélection ou d'autres expériences.

Techniques de génotypage à haut débit

Récemment, des techniques de génotypage à haut débit ont été développées, ce qui permet le criblage assisté par marqueurs de nombreux génotypes. Cela aidera les éleveurs à passer de la sélection traditionnelle à la sélection assistée par marqueurs. Un exemple d'une telle automatisation est l'utilisation de robots d'isolement d'ADN, d'électrophorèse capillaire et de robots de pipetage.

Un exemple récent de système capillaire est Applied Biosystems 3130 Genetic Analyzer. Il s'agit de la dernière génération d'instruments d'électrophorèse à 4 capillaires pour les laboratoires à faible et moyen débit.

Une SMA à haut débit est nécessaire pour la sélection végétale car les techniques actuelles ne sont pas rentables. Des matrices ont été développées pour le riz par Masouleh et al 2009 ; blé par Berard et al 2009, Bernardo et al 2015, et Rasheed et al 2016 ; légumineuses par Varshney et al 2016; et diverses autres cultures, mais toutes présentent également des problèmes de personnalisation, de coût, de flexibilité et de coûts d'équipement.

Utilisation de la MAS pour le rétrocroisement

Un minimum de cinq ou six générations de rétrocroisement est nécessaire pour transférer un gène d'intérêt d'un donneur (peut ne pas être adapté) à un receveur (récurrent – ​​cultivar adapté). La récupération du génotype récurrent peut être accélérée grâce à l'utilisation de marqueurs moléculaires. Si le F1 est hétérozygote pour le locus marqueur , les individus avec le (s) allèle(s) parent (s) récurrent (s) au locus marqueur dans la première génération de rétrocroisement ou les générations suivantes porteront également un chromosome marqué par le marqueur.

Pyramide génétique assistée par marqueurs

La pyramide génétique a été proposée et appliquée pour améliorer la résistance aux maladies et aux insectes en sélectionnant deux ou plus de deux gènes à la fois. Par exemple, dans le riz, de telles pyramides ont été développées contre la brûlure bactérienne et la pyriculariose. L'avantage de l'utilisation de marqueurs dans ce cas permet de sélectionner des marqueurs liés aux allèles QTL qui ont le même effet phénotypique.

Le MAS s'est également avéré utile pour l' amélioration du bétail .

Un effort coordonné pour mettre en œuvre la sélection assistée par marqueur du blé ( Triticum turgidum et Triticum aestivum ) aux États-Unis ainsi qu'une ressource pour la sélection assistée par marqueur existe sur le site Web Wheat CAP (Coordinated Agricultural Project) .

Voir également

Les références

Lectures complémentaires