Module 11

Question 1

Assignations populationnelles et parentales

Answer 1

Objectif: identifier l’origine d’individus spécifiques
> Méthode: assignation populationnelle

Objectif: identifier les parents biologiques
> Méthode: assignation parentale

Question 2

Assignation populationnelle: principes de base

Answer 2

• Méthodes d’assignation: méthodes statistiques qui utilisent de l’information génétique afin d’établir l’appartenance d’un individu (ou d’un groupe d’individus) à une population

• Information génétique:
– Marqueurs polymorphes (microsatellites, SNP, AFLP)
– Génotype multilocus de l’individu inconnu
– Fréquences alléliques des populations candidates

• Principes généraux
– Les individus appartenant à une même population ont des génotypes plus similaires
– Assigne l’individu inconnu à sa population d’origine en utilisant son génotype et les probabilités d’occurrence de ce génotype dans des populations candidates

Question 3

Méthodes d’assignation: Statistiques classiques (fréquentistes)

Answer 3

– Testent des hypothèses
• H0: l’individu 1 appartient à la population A
– La probabilité d’appartenance de l’individu à une population est évaluée selon une distribution de fréquences
• À partir des fréquences alléliques de la population A, on obtient une distribution des fréquences génotypiques possibles
– Conclusions avec un p-value ou un intervalle de confiance
• Selon la distribution des fréquences génotypiques de la population A, l’individu 1 provient probablement de la population A selon un p-value de 0.001
– Répond à la question: si l’individu 1 provenait de la population A, à quel point les résultats obtenus sont-ils probables ?
• Ici rejet de H0 par le p-value de 0.001, l’individu 1 n’appartient probablement PAS à la population A. Plus le p-value est faible, plus on a confiance dans le rejet de H0

Question 4

Comment assigner un individu à sa population d’origine?

Answer 4

Test d’assignation – méthode classique

1. Génotyper l’individu inconnu pour tous les loci
2. Génotyper un échantillon représentatif de toutes les populations candidates et calculer les fréquences alléliques
3. Calculer la probabilité d’occurrence (vraisemblance) du génotype de l’individu inconnu pour toutes les populations candidates et transformation logarithmique
4. Rapport de vraisemblance et assignation de l’individu à la population avec laquelle son génotype a la plus haute probabilité d’occurrence (maximum likelihood)

Attention!
– Calculs de fréquences génotypiques:
• Les populations sont à l’équilibre Hardy-Weinberg
• Les marqueurs utilisés ne sont pas en déséquilibre de liaison (sinon, calculs erronés)
– Loci polymorphiques (6 à 10 allèles/locus) en nombre suffisant ou un très grand nombre de SNP (sinon, manque de résolution)
– Toutes les populations candidates ont été échantillonnées (sinon, assignation par défaut)
– Bonne représentativité allélique des populations candidates (N élevé) (sinon, manque de résolution)

Question 5

À quel point peut-on avoir confiance dans notre assignation?

Answer 5

Par l’utilisation d’analyses de puissance
> Calcule le niveau de confiance de l’assignation

Méthode empirique:
• Réassigne des individus d’origine connue
• Vérifie le nombre d’assignation correcte

Méthode par simulations:
• Simule des génotypes (individus) à partir des fréquences alléliques des populations candidates
• Assigne ces génotypes d’origine connue et vérifie le nombre d’assignation correcte

Question 6

Analyse de puissance: utilités

Answer 6

– Définir le potentiel d’assignations correctes
– Indicateur du nombre de loci nécessaires pour obtenir une bonne résolution
– Permet de définir un critère de stringence
• Seuil d’assignation selon le rapport de vraisemblance
• Ex: en dessous d’un rapport de vraisemblance de log2 (100x plus probable), l’individu ne sera pas assigné

Question 7

Exemple d’assignation populationnelle

Answer 7

Objectif: préserver la population de l’Est de la Baie d’Hudson

Sous-objectifs:
• 1. Vérifier si des bélugas de l’EHB sont prélevés hors de leur zone d’estivage (corridors migratoires)
• 2. Si tel est le cas, quantifier les prélèvements

Planification expérimentale:
• Identification de marqueurs génétiques
– Utilisation de 15 marqueurs microsatellites polymorphes (moyenne de 12 allèles/locus)
• Échantillonnage des bélugas (n=739)
– Bélugas chassés dans le corridor migratoire (individus d’origine inconnue) et génotypage
– Bélugas de toutes les populations candidates, génotypage, calcule des fréquences alléliques
• Tests d’assignation (méthode classique)
• Calcule de la proportion de bélugas l’EHB récoltés dans les corridors migratoires

Conclusions de l’étude
• Soupçons confirmés: des bélugas du stock de l’EHB sont capturés dans les corridors de migration
• Les communautés inuites situées à l’est de la Baie d’Hudson et au nord du Québec chassent une proportion non négligeable de béluga provenant de ce stock

Implications
• Les prélèvements actuellement effectués par les Inuits sont suffisants pour précipiter la disparition du stock de l’EHB en moins de 10 ans
• Prélèvements à considérer dans les plans de gestion: doivent absolument diminuer

Question 8

Assignation populationnelle: applications

Answer 8

• Identification de la population d’origine d’un individu
• Criminalistique, identification de captures illégales
• Mesure du taux de dispersion en temps réel
• Mesure du patron de dispersion (♀ vs ♂; jeunes vs vieux)

Question 9

Populations non-définies, que faire?

Answer 9

• Il arrive souvent que la structure génétique des espèces soit inconnue
• Pourtant essentiel pour comprendre la dynamique de l’espèce ainsi que permettre la mise en place de plan de gestion et de conservation

Méthodes utilisées
• Méthodes dites de groupement (clustering)
 1- Méthodes fondées sur la distance (distance-based method)
 2- Méthodes fondées sur un modèle (model-based method)

Utilités
• Définir des groupes génétiques homogènes (cluster)
• Comprendre la dynamique de l’espèce
• Effectuer des analyses d’assignation + évaluer la composition de mélanges génétiques individuels et populationnels

Question 10

Méthodes fondées sur la distance

Answer 10

1- Méthodes fondées sur la distance
• Utilisent une matrice de distance génétique entre les paires d’individus
• Représentation graphique de ces distances (ex: arbres)
• Les groupes sont identifiés à la main

Positif/négatif
• + Faciles à appliquer et visuellement intéressant
• + Bonnes pour des études exploratoires
• - Les groupes dépendent de la représentation graphique choisie
• - Difficile d’évaluer un niveau de confiance

Question 11

Ce qu’est le logiciel “Structure”

Answer 11

Méthode
• Utilise une méthode fondée sur un modèle avec des statistiques bayésiennes
• Assigne les individus et en même temps effectue les regroupements

Modèle et paramètres
• Identification de groupes où le déséquilibre de liaison est minimisé ET où l’équilibre de Hardy-Weinberg est respecté
• Utilisation des génotypes de tous les individus d’un échantillonnage global pour identifier les groupes
• Utilisation des fréquences alléliques des groupes pour assigner les individus

Utilités
• Définir des groupes génétiques homogènes (cluster)
• Assignations individuelles
• Vérifie la présence ou l’absence de migrants entre ces groupes et d’hybrides

Question 12

Exemple d’assignation populationnelle 2

Answer 12

Objectif: étudier la structure génétique de l’épaulard dans le Nord-Est de l’océan Atlantique

Sous-objectifs:

1. Estimer le nombre de populations dans le Nord-Est de l’océan Atlantique
2. Assigner les individus échantillonnés aux différentes populations identifiées

Planification expérimentale:
• Identification de marqueurs génétiques
– Utilisation de 17 marqueurs microsatellites polymorphes (moyenne de 7,5 allèles/locus)
• Échantillonnage d’épaulards (n=85)
– Norvège (40), Royaume-Uni (10), Islande (8), détroit de Gibraltar (11), îles Canaries (9), captifs (n=5) et Atlantique Ouest (2)
– Pour tous les épaulards échantillonnées: génotypage
• Inférence de la structure de population et assignations individuelles avec le logiciel Structure

Résultats
Nombre de populations retrouvées? → 3 couleurs = 3 populations distinctes
• La population A suit les bancs de hareng dont elle se nourrit
• La population B suit les bancs de maquereau dont elle se nourrit
• La population C suit les bancs de thon rouge dont elle se nourrit
• Les populations A et B se retrouvent partiellement en sympatrie lorsque les bancs de hareng et de maquereau se rencontrent
• Les populations B et C se retrouvent partiellement en sympatrie à certains points de contact
• Les populations A et C ne se rencontrent pas et sont considérées être en allopatrie totale
• Impact sur le niveau de connectivité entre les 3 populations?
> Les populations A et C sont génétiquement éloignées l’une de l’autre
> La population B qui chevauche l’aire de répartition des populations A ET C est moins différenciée de ces deux populations que la A vs la C

Conclusions de l’étude
• Dans le Nord-Est de l’océan Atlantique, 3 populations distinctes ont été identifiées
• L’élément structurant majeur semble être le type de proie et leur répartition géographique
• La structure observée s’explique aussi par la répartition géographique des épaulards eux-mêmes
– Les populations qui se retrouvent à l’occasion en sympatrie sont génétiquement plus semblables (flux de gènes entre celles-ci) alors que celles qui sont en allopatrie sont plus différenciées (absence de flux de gènes)

Question 13

Assignation parentale: principes de base

Answer 13

• Méthodes d’assignation: méthodes statistiques qui utilisent de l’information génétique afin d’établir l’appartenance d’un individu (ou d’un groupe d’individus) à une population

• Information génétique:
– Marqueurs très polymorphes (microsatellites)
– Génotype multilocus du rejeton inconnu
– Génotypes multilocus des parents candidats

• Principes généraux:
– Les rejetons partagent des allèles communs avec leurs parents (diploïdes : à chaque locus, un allèle est partagé avec la mère et un allèle avec le père)
– Assigne le rejeton inconnu à ses parents en utilisant les génotypes et les probabilités de production du génotype de ce rejeton par les parents candidats

• Méthodes utilisées :

1. Méthode d’exclusion
2. Méthode d’allocation
   a) Catégorique
   b) Fractionnelle

Question 14

Méthode d’exclusion

Answer 14

• À utiliser lorsque : on connait un des 2 parents
• Principe : Un parent et son jeune partagent au moins un allèle par locus. Un parent candidat qui ne partage pas au moins un allèle à chaque locus avec le rejeton est éliminé.
• Avantages:
  o Simple d’utilisation
• Inconvénients :
  o L’exclusion complète peut être difficile dans de grosses populations (beaucoup de parents potentiels et de progénitures)
  o Si mutation germinale chez le parent, fausse exclusion

Exemple : la mère est connue
o Chercher les allèles communs entre la mère et le rejeton
o Exclure les pères potentiels qui ne possèdent pas l’autre allèle à chaque locus du rejeton

Voir diapo 49

Question 15

Méthode d’allocation

a) Catégorique

Answer 15

Exemple : la mère est connue
o Chercher les allèles communs entre la mère et le rejeton
o Choisir le père potentiel qui possède le génotype le plus probable

Voir diapo 51

Question 16

Méthode d’allocation

b) Fractionnelle

Answer 16

• À utiliser lorsque : les deux parents ne sont pas connus
• Principe : Assigner la probabilité de parenté de chaque parent d’un groupe de parents potentiels, en considérant que les différents génotypes des parents potentiels peuvent avoir une probabilité différente d’avoir engendré le génotype du rejeton
• Avantages :
  o Erreurs de génotypage et mutations prises en compte dans l’assignation
  o Nécessite moins d’informations au préalable
• Inconvénients :
  o Pas d’assignation définitive à un seul couple de parents

Exemple : les parents sont inconnus
o Chercher les allèles communs entre les parents potentiels et le rejeton
o Assigner les probabilité de paternité à chaque parent potentiel

Voir diapo 53

Question 17

Assignation parentale: prémisses et limitations

Answer 17

– Loci polymorphiques en nombre suffisant
(sinon, manque de résolution)

– Bonne couverture d’échantillonnage des parents candidats (si possible…)
(sinon, assignation par défaut)

– Erreurs à considérer dans l’analyse :
• Erreurs de génotypage
• Présence d’allèles nuls
• Occurrence de mutations

– Génotypage d’un nombre élevé de rejetons pour analyses de succès reproducteur
(sinon, mauvaise représentativité)

Question 18

Analyse de puissance (allocation catégorique): calcule le niveau de confiance de l’assignation

Answer 18

1° Piger une paire de parents
2° Simulation d’un rejeton
3° Réassigner le rejeton connu à la paire de parents la plus vraisemblable
4° Répéter les tests d’assignation ≈10 000 fois
5° Calculer la fréquence d’assignation correcte !
> Déterminer si on a un nombre suffisant de marqueurs…

Question 19

Assignation parentale: exemple de la méthode d’allocation catégorique

Answer 19

• Objectifs
- Identifier et dénombrer les couples F/F
> Sexage génétique
- Vérifier si les femelles à l’intérieur des couples
F/F ont des liens de parenté
> Analyse d’apparentement
- Identifier le père et la mère de chaque rejeton des couples F/F
> Assignation parentale
- Comparer le succès reproducteur des femelles de couples F/M et des femelles de couples F/F

• Échantillonnage

• Suivi de la population sur 4 saisons de reproduction (125 couples)
• Marquage des adultes
• Prise de sang sur chaque adulte et chaque rejeton

• En laboratoire
- Génotypage à 5 marqueurs microsatellites
➢ Sexage
➢ Génotypes individuels

• Analyses statistiques
➢ Taux d’éclosion
➢ Taux d’envol
➢ Succès reproducteur

• Analyse d’apparentement
- Vérifier la présence de liens de parenté entre les femelles à l’intérieur des couples F/F
• Analyse d’assignation parentale
- Assignations des rejetons de couples F/F à la paire de parents la plus probable parmi les candidats
- Mères candidates : les deux femelles du nid
- Pères candidats : tous les mâles de la colonie (70)
- Paires de parents candidats : toutes les combinaisons possibles (140)

Question 20

Résultats de l’exemple de la méthode d’allocation catégorique

Answer 20

Démographie et structure sociale:

• 2 oeufs dans les nids, mais un seul incubé
• Analyses d’apparentement : Femelles non apparentées

Analyse de paternité et de maternité des rejetons de couples F/F:
• Analyse de paternité
- Accouplements extraconjugaux !
• Analyse de maternité
- Partage du rôle de mère biologique
> Coopération
- Stabilité des couples : 50% des
couples F/F sont demeurés ensemble
> Maintien de la stratégie de reproduction

Succès reproducteur:

• Taux d’éclosion plus faible chez femelles de couples F/F
• Taux d’envol similaire
• Succès reproducteur total plus faible à cause du différentiel de taux d’éclosion
• -> Plus élevé que pour les femelles qui ne tentent pas de se reproduire…

Question 21

Conclusion de l’exemple de la méthode d’allocation catégorique

Answer 21

• Cause de la formation des couples F/F = sexe-ratio biaisé en faveur des femelles (59%)
• L’établissement de la colonie de Ohau est récent
• L’immigration est biaisée en faveur des femelles
• Le recrutement des jeunes ne se fait pas encore sentir au niveau démographique

“The best of the bad job” → mieux que rien !!!

• Les couples F/F produisent moins de rejetons que les couples F/M
• Les femelles s’assurent d’un fitness minimum (compromis)
• Cette alternative de reproduction permet un meilleur succès reproducteur que de ne pas tenter de se reproduire

Question 22

Autres applications possibles de l’assignation parentale

Answer 22

• Identification des parents de rejetons (analyses de paternité/maternité)
• Étude de la structure sociale
• Étude des stratégies de reproduction (monogamie ou polygamie, sélection sexuelle)
• Variance du succès reproducteur (mesure du fitness, effet de Vk sur Ne)

Question 23

Méthodes fondées sur un modèle

Answer 23

2- Méthodes fondées sur un modèle
• Utilisent des modèles paramétriques (avec paramètres)
• Il faut spécifier le modèle et ses paramètres
o Ex. de paramètres: génotypes
• Les paramètres interagissent les uns avec les autres
• L’inférence des paramètres des groupes se fait conjointement avec l’inférence del’appartenance de chaque individu à un groupe à l’aide d’une méthode statistique (souvent statistiques bayésiennes)

Positif/négatif
• + Critères d’identification liés à la théorie sous-jacent à la définition de population
• + Identifient facilement des populations distinctes (grandes et fines échelles)
• + Permettent d’effectuer des assignations individuelles
• - Sensibilité influencée par la différenciation entre les populations
• - Besoin d’une grande puissance de calculs (ordinateurs)