Présentation

Sélection génétique/génomique
des animaux d'élevage
Pascal Croiseau
MA-BLUP Genomic evaluation in France
Pourquoi sélectionner les animaux
reproducteurs ?
• Pourquoi ? : mettre à disposition
des animaux adaptés aux besoins
des éleveurs
• Objectif global
Améliorer le revenu des éleveurs,
diminuer la pénibilité du travail, …
• Objectifs opérationnels
Augmenter la production laitière, diminuer la fréquence de
mammites,…
H. Leclerc
2
Principe de la sélection
Evolution de la population
Sans sélection
Avec sélection
La sélection modifie le niveau moyen de la population
H. Leclerc
3
La sélection génétique
• La sélection génétique est rendue possible car il
existe une variabilité des caractères et qu’une partie
de cette variabilité est d’origine génétique :
C’est l’héritabilité.
• La fraction d’origine génétique se transmet à la
génération suivante ainsi:
La sélection sur le phénotype induit une réponse
génétique à la génération suivante.
Vg
h² =
Vg + Vr
(D. Boichard)
4
Des héritabilités très variables suivant
les caractères
Ex: bovins laitier
Résistance
aux
mammites
Comptage
cellulaire
Fertilité
0%
IVV
10%
20%
Longévité
Conditions
de vêlage
Morpho
capacité
30%
40%
TP
TB
50%
60%
70%
80%
90%
100%
Lait
Morpho
mamelle
Si h² faible:
• on a besoin de beaucoup d’informations pour connaître les
différences génétiques
• Les effets de la sélection seront moins visibles
H. Leclerc
5
La variabilité génétique
Y a-t-il beaucoup d’écart entre les extrêmes?
Variabilité génétique = amplitude des
différences d’origine génétique
Candidats
Valeur génétique
Valeur génétique
31g/kg
40g/kg
TB
49g/kg
27g/kg 32g/kg 37g/kg
TP
Dans une même population :
un même effort de sélection aboutit à un progrès
(en g/kg) 2 fois plus élevé pour le TB par rapport au TP
H. Leclerc
Crédits photos : Brune Génétique Service
Exemple de 2 caractères de même héritabilité:
TB : 3 g/kg, soit environ 8%
TP : 1,5 g/kg, soit environ 5%
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Les briques nécessaires à la sélection
• Définir un objectif de sélection : quels caractères
sélectionner ? (production, reproduction, résistance aux
maladies, robustesse, qualité des produits…)
• Identifier les animaux, pour les suivre
dans leur carrière, les associer à leurs
performances
• Mesurer les performances des
caractères à sélectionner
• Connaitre les généalogies
(D. Boichard)
(D. Boichard)
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Les briques nécessaires à la sélection
• Classer les candidats à la sélection = estimer leur
valeur génétique transmissible à leurs descendants,
à partir de leurs performances et celles de leurs
apparentés
P=G+E
• Sélectionner = ne retenir que la fraction la meilleure
sur la base de l’objectif défini
• Diffuser ces reproducteurs sélectionnés
(D. Boichard)
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Extrait du catalogue de l’entreprise Evolution en race Normande
La sélection génétique
• Parallèlement à la sélection génétique: le testage sur
descendance
• Pour tester un mâle:
• Un certain nombre d’inséminations artificielles sont réalisés
afin d’obtenir un nombre suffisamment important de filles de
testage
• Une partie de ces filles entreront en contrôle de
performance
• Ce sont ces filles qui définiront la valeur génétique estimée
de l’animal testé.
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L’exemple des bovins laitier
Accouplement raisonné
Station de contrôle individuel
X
Père à taureaux
Mère à taureaux
Croissance
11 mois Fonction 15 mois
conformation
sexuelle
efficacité alimentaire
15 jours 5 mois
testage
année n+2
Jeune taureau
année n
X
service
année n+5/6
année n+5
Analyse lait,
Agrément
du taureau
morpho, cell, fert,
lgf, facilités de
naissance
50 à 120 filles en
première lactation
120 à 150 filles de testage nées
11
Les limites de la sélection génétique
« classique »
• Elle est compliquée quand le caractère n’est pas
mesurable chez le candidat
Production laitière non mesurable chez le taureau…
Longévité inconnue chez l’animal jeune…
Qualité de la viande chez l’animal vivant…
• Elle est peu efficace pour les caractères à héritabilité
faible
Car les différences de performances reflètent alors surtout le
milieu
• En fonction de l’espèce, il y a une grande variabilité de
cout lié au testage sur descendance dû essentiellement :
À la prolificité
À l’intervalle de génération
Chez les bovins, cela représentait 40K€ par taureau testé!
• Les résultats ne s’observent qu’à moyen-long terme
(D. Boichard) 12
Les limites de la sélection génétique
« classique »
• Sélectionner un noyau de sélection est difficile
Dans un modèle polygénique, on explique le phénotype par un
effet de l’individu auteur des performances
L’effet génétique individuel est la somme d’effets faibles d’allèles à
une infinité de gènes
Ces gènes sont transmis pour moitié à leur descendance, donc,
en espérance, on estime que la valeur génétique se transmet pour
moitié à la descendance.
Ainsi, les pleins frères ont tous, en espérance, la même valeur
génétique
Impossible de prendre en compte l’aléa de méiose
(F. Guillaume)
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Comment faire mieux?
• QTL
Une région chromosomique dont les variations ont un effet sur un
phénotype, expliquant donc potentiellement des différences!
• Valeur additionnelle de la Sélection Assistée par
Marqueurs
La SAM tient compte de la transmission aléatoire des allèles aux
QTL au sein de la descendance
(F. Guillaume)
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La sélection génomique: une
extension de la SAM
• Les candidats sont évalués à partir de la lecture
de leur génome
A partir d’un échantillon de l’individu (sang,
cartilage, sperme, poil…)
• Typage de plusieurs dizaines/centaines
de milliers de sites variables
du génome
1
2
..GAATCTTATGCTATACATAATTATATACTAATCGGGTATTGTTCTTAT..
..GAATCTTATGCTATACATAATTATATACTAATAGGGTATTGTTCTTAT..
polymorphisme
(D. Boichard)
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Principe d’une évaluation génomique
Etape 1 : Faire le lien entre génotypes et performances en élevage
Population de référence
performances
(index)
• Les calculs s’appuient sur une
population de référence,
représentative de l’ensemble
de la population = ensemble
d’animaux génotypés avec
performances, pour établir
une équation de prédiction.
génotypes
équation de prédiction
H. Leclerc
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Principe d’une évaluation génomique
Etape 2 : Appliquer sur les jeunes animaux sans performance
candidats
Prélèvement
sang ou poils
Population de référence
équation de prédiction
Index génomiques
Génotypes
• On applique l’équation de prédiction aux génotypes des candidats pour calculer
leurs index (potentiel génétique).
H. Leclerc
Dès la naissance
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Les méthodes d’évaluation génomique
MA-BLUP Genomic evaluation in France
Le GBLUP
• C’est le modèle de sélection génomique le plus simple.
• Le modèle est le suivant:
= +
+
=1
+
yi= performance de l’animal
µ= moyenne
ui= effet polygénique (optionnel)
SNPij= genotype du SNP j pour l’animal i
βj= effet du SNP j
ei= résiduelle
• Ce modèle assume que la variance due aux marqueurs est la même
pour tous les marqueurs.
• Cette approximation se rapproche plus de la réalité dans le cas d’un
caractère très polygénique que pour un caractère à gène(s)
majeur(s).
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Les méthodes Bayesiennes
• L’idée est de complexifier le GBLUP en proposant une estimation
des composantes de la variances (au moins VARA).
• VARA (variance due au SNP)
• VARG (variance génétique restante)
• VARE (variance résiduelle)
• L’alphabet Bayesien s’est ensuite enrichie en proposant des modèles
plus ou moins complexes et plus ou moins chronophage.
• Bayes A
• Bayes B
• Bayes C
• Bayes Cπ
• Bayes R
• …
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Bayes A
• Il s’agit du modèle le plus complexe car dans ce modèle
Tous les SNP ont un effet estimé (comme pour le GBLUP)
Chaque SNP à une variance qui lui est propre
• Le problème p>>>n est encore accentué
• Pour limiter l’impact du p>>>n le Bayes B a été proposé
Bayes B
• A chaque itération, ce modèle considère qu’une proportion π des
SNP n’a pas d’effet sur le caractère d’intérêt, leur effet peut donc être
mis à 0.
Pour chaque SNP retenu dans le modèle, une variance propre est
estimée.
On rend le ration p/n plus acceptable.
Cela se paye en temps de calcul (méthode la plus couteuse).
La proportion π est fixée par l’utilisateur.
• Les résultats sont plutôt bons.
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Le Bayes C
• Si on part du modèle Bayes B et qu’on veut limiter le temps de
calcul, il faut accepter de simplifier le modèle.
Une possibilité est de ne plus estimer une variance par SNP. C’est ce que
propose le Bayes C.
une même variance pour tous les SNP retenus.
temps de calcul beaucoup plus raisonnable que le Bayes B.
Le Bayes C est une des méthodes de référence aujourd’hui.
Le Bayes Cπ
• La difficulté du Bayes C est de bien définir la valeur du π.
• L’idée du Bayes Cπ est de proposer une estimation du π optimal.
Cette méthode est également très utilisée mais il peut y avoir des problèmes de
convergence liés au trop grand nombre de paramètre à estimer.
Cela à un coût en temps de calcul.
22
Le single step
• Pour toutes les méthodes qui estiment à la fois une composante
polygénique et une composante génomique (GBLUP, BAYESA,B,C),
ces deux effets sont estimés successivement.
• L’objectif du single-step est d’utiliser une matrice de parenté qui
combine l’information pedigree et l’information génomique pour
estimer l’impact de ces deux sources d’informations sur le phénotype
en une seule étape
Permet d’intégrer toutes les performances disponibles (femelles, …)
Se rapproche du BLUP classique
• Cette méthode a déjà été testée chez les petits ruminants
Evaluation génomique officielle en ovin laitier basée sur le Single Step.
• Difficile à mettre en place en bovin laitier
Population de référence trop importante
En cours de tests
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La SAMg
• Chez les bovins laitiers, une extension de la SAM à une liste
considérablement élargie de QTL est proposée:
Les QTL sont identifiés par sélection génomique (BayesCπ)
Les SNP sont regroupés en haplotypes puis introduit dans un BLUP-QTL
Les SNP de la puce 10K sont utilisés pour construire la matrice de parenté
génomique
• Cette SAMg a quelques avantages intéressants pour la routine:
Temps de calcul moins long (10 fois moins long qu’un BayesCπ)
L’évaluation génomique d’un animal est relativement stable dans le
temps tant que la liste de QTL ne change pas
modèle relativement souple qui nous permet d’inclure d’autres effets
dans le modèle tels que
des mutations causales
un effet race
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Précision de la sélection génomique
• Dépend du nombre d’animaux phénotypés et génotypés
(D. Boichard)
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Proprieté de la sélection génomique
• Prédiction directe de la valeur génétique des animaux
Evaluation précoce (T)
•
Précision (R) potentiellement élevée
Si la population de référence est de taille suffisante!
• Intensité de sélection (i)
Forte si typage peu coûteux
∆G =
i.R.σ g
T
(D. Boichard)
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Les avantages de la sélection
génomique
• Un progrès génétique élevé
X2 pour les bovins laitier
• Une meilleure gestion des ressources génétiques
(-20% de consanguinité)
Si on y prend garde!
Arrêt complet du testage et du star système
•
•
•
•
Possibilité de sélectionner des caractères difficiles
Un objectif de sélection plus équilibré
Vers la prise en compte de nouveaux caractères
Une moindre dépendance vis-à-vis des phénotypes
Ce qui ne veut pas dire arrêt du contrôle de performance!
(D. Boichard)
27
Intérêt du contrôle de performances
• L’évaluation génomique n’est possible que sur des caractères
mesurés sur la population de référence.
• Facteurs clés de la réussite :
–
–
–
–
–
La taille de la population de référence
Le nombre de performances collectées
La qualité des performances collectées
La qualité des génotypes collectés
La représentativité de la population de
référence par rapport à l’ensemble de la
population
Le contrôle de performance restera
toujours d’actualité, notamment
pour MAJ des équations de
prédictions
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Un contexte taillé sur mesure pour
les bovins!
• d’un coté:
• Intervalle de génération élevé
• Faible prolificité
• Cout du testage très important
• D’autre part:
• Volume de génotypage important prix des puces
relativement faible
• Mutualisation des données (consortium
eurogenomics pour la Holstein ; Intergenomics
pour la Brune)
Toutes les conditions étaient réunies pour une mise
en place dès 2010 de la sélection génomique
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Conséquence sur la précision (CD)
des index des taureaux
Sélection
classique
CD lait
30
(h²=0,30)
CD fert. 20
(h²=0,02)
Testage
75
Service
45
95
95
âge du
2ans
0an
Sélection CD lait
génomique
CD fert.
60
50
1ère diffusion
5ans
95
95
8ans
taureau
Service
Génotypage
NB: la valeur génomique initiale est complétée par la connaissance
des performances, au fur et à mesure qu’elles sont connues
H. Leclerc
30
En pratique, est ce que ça marche?
Evolution des index morpho en Holstein
Evolution des ISU de 277 taureaux Holstein sans fille en juin 2011 et avec plus de 20 filles en juin 2013
S Fritz, 2013
31
Conséquences et utilisation
• Si on diffuse/utilise trop largement un jeune taureau à ISU=170 pts :
– L’arrivée des filles du taureau va permettre à son indexation de gagner
en précision, le CD va évoluer vers 0.95.
– L’index du taureau va donc évoluer vers le niveau génétique vrai du
taureau pour chaque caractère et pour l’ISU
• 5% de chances >190 pts
• 45% de chances entre 170 et 190 pts
• 45% de chances entre 150 et 170 pts
• 5% de chances <170 pts
• Miser uniquement sur un jeune taureau correspond à une prise de risque
élevée !
– L’utilisation de lot de taureaux est conseillée
• Tenir compte des CD pour diffuser/utiliser les jeunes taureaux est
indispensable !
Conséquences et utilisation
• Le niveau génétique moyen d’un lot est d’autant plus fiable (CD ↑)
que le nombre de jeunes taureaux du lot est élevé.
– Il est impossible de dire quel est finalement le meilleur taureau
du lot…
– On ne peut pas prédire les évolutions d’index à venir…
– Mais en utilisant ces 5 taureaux de façon homogène, on peut
génèrer un progrès génétique conséquent !
Conséquences et utilisation
• Fin du « Star System » :
– La « star », c’est le lot de taureaux diffusés !
– Aucun des jeunes taureaux ne doit être élevé au rang de star !!!
– Il est préférable d’utiliser 5 taureaux différents au sein d’un
élevage, plutôt que 5 fois le même.
• En acceptant de mettre fin au « star system » et donc d’utiliser un
grand nombre de jeunes taureaux de façon relativement
homogène, il est possible de se passer du testage sur descendance
et de doubler le progrès génétique annuel du schéma ou de son
élevage.
et sur la précision (CD) des index
femelles
Sélection
classique
CD lait
30
génisse
CD fert. 20
35
vache
-
45
âge de la
2ans
0an
Sélection CD lait
60
génomique
CD fert. 50
Génotypage
génisse
65
55
3ans
vache
femelle
70
56
Précisions équivalentes entre génisses, vaches et …
jeunes taureaux!
Précisions non négligeables sur les fonctionnels
Pas de traitement préférentiel !
H. Leclerc
35
Evolution du nombre d’animaux
génotypés
>100 000
en 2015
(D. Boichard)
36
Application dans 12 races
Holstein
Montbéliarde
Normande
Brune
Abondance
Tarentaise
Charolaise
Limousine
Blonde d’Aquitaine
Pie Rouge
Vosgienne
Simmental
(D. Boichard)
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Et pour les autres espèces?
• L’intérêt est plus difficile à évaluer car
• Prolificité plus importante
Ovins/caprins/porc/poule
• Intervalle de génération plus faible qu’en bovin
Poule: 1 an
Porc: 2-3 ans
Ovin/Caprin: 4-5 ans
Augmentation du progrès génétique
potentiellement trop faible au regard du
coût de la mise en place de la Sélection
Génomique
∆G =
i.R.σ g
T
38
Les puces
• Les espèces d’élevage disposent aujourd’hui d’un bon
nombre de puces à ADN
• La puce moyenne densité (50-60K) est clairement la
plus répandue :
bovin/ovin/caprin/porc/poule/cheval
• La puce haute densité est présente en
Porc, poule et cheval (600K)
Bovin (777K)
Ovins (800K)
• Les puces basse densité sont essentiellement bovines :
Bovin: 3K, 7K, 10K
Ovin: 12K
• Données de séquence:
Bovin (>1700 séquences pour 27 races bovines)
Poule (environ 150 séquences ; différentes races/lignées)
39
Le cas des petits ruminants laitier
• Sélection Génomique mise en place et officielle depuis
2015 en ovin laitier, race lacaune
40
Le cas des petits ruminants laitier
• Sélection Génomique mise en place et officielle depuis
2015 en ovin laitier, race lacaune
Ovin laitier: Lacaune
Pop apprentissage : 1593
Pop validation : 600
0,6
0,5
0,4
BLUP polygénique
GBLUP
0,3
BCPi (estimated)
sPLS
0,2
0,1
Gain modéré de la sélection
génomique : de 5 à 7 % en
Lacaune
0
Lait
TB
TP
CCS
41
Le cas des petits ruminants laitier
• Sélection Génomique en test pour les caprins laitier
(mise en place prévue en 2018)
42
Le cas des petits ruminants laitier
• Sélection Génomique en test pour les caprins laitier
(mise en place prévue en 2018)
Caprin laitier: Alpine +
Saanen
Pop apprentissage : 430
Pop validation : 247
0,6
0,5
0,4
BLUP Polygénique
GBLUP
0,3
BCPi (estimated)
Bayesian Lasso
0,2
Gain modéré de la sélection
génomique : de 2 à 7 %
0,1
0
Lait
TB
TP
CCS
PLA
ORT
43
Pour les autres espèces
• Rien d’officiel prévu pour le moment
• Porc et poule :
Pas de source d’économie importante identifiée dans les
programmes d’amélioration porcins actuels (cf arrêt du
testage sur descendance chez les bovins)
la mise en place d’évaluations génomiques génèrera
nécessairement un surcoût par rapport aux programmes
de sélection actuels
44
Avec la génomique, une sélection
plus efficace
Plus
rapide
Tous les index dès
la naissance
Mâle et femelle
même précision
Plus
précis
Plus de
caractères
Index fertilité,
longévité sur
les femelles
L’éleveur peut faire des choix
« éclairés »!
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