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Fréquence allélique & pool génétique

Comment trouver la fréquence allélique ? En quoi est-elle différente de la fréquence du génotype ? Définition d'un pool génétique.

Les points clés :

  • La microévolution est un changement dans la fréquence des variants d'un gène, c'est-à-dire dans la fréquence des allèles, au sein d'une population. Elle se produit généralement sur une période relativement courte.
  • La génétique des populations est le domaine de la biologie qui étudie les fréquences alléliques dans les populations ainsi que leur évolution dans le temps.
  • La fréquence allélique indique dans quelle mesure un allèle est présent dans une population. Elle est déterminée en comptant combien de fois l'allèle apparaît dans la population, puis en divisant ce nombre par le nombre total de copies du gène.
    Fréquence de l’allèle A = Nombre de copies de l’allèle Adans la populationNombre total de copies du gène dans la population
  • Le pool génétique d'une population regroupe toutes les copies de tous les gènes de cette population.

Quand Darwin rencontre Mendel (pas littéralement !)

Quand Darwin élabore ses théories sur l'évolution et la sélection naturelle, il sait que les processus qu'il décrit dépendent de variations héréditaires dans les populations. Cela signifie que ces processus s'appuient sur les différences dans les caractères des organismes d'une population et sur la capacité de ces différents traits à être transmis à la descendance.
Toutefois, Darwin ne sait pas comment les traits sont hérités. Comme d'autres scientifiques de son temps, il pense que les traits se transmettent selon un modèle d'hérédité par mélange, où les traits parentaux se mélangent systématiquement dans leur progéniture. Le modèle d'hérédité par mélange sera réfuté par le moine autrichien Gregor Mendel, qui découvre que les traits sont définis par des unités héréditaires, appelées gènes, qui ne se mélangent pas.
Bien que Mendel publie ses travaux sur la génétique quelques années seulement après les théories de Darwin sur l’évolution, Darwin n’a probablement jamais lu le travail de son confrère. Aujourd’hui, on combine les idées de Darwin et de Mendel afin de mieux comprendre ce qu’est l’évolution et comment elle se produit.

Microévolution et génétique des populations

La microévolution, ou évolution à petite échelle, est définie comme un changement dans la fréquence des variants d'un gène, ou allèles, au sein d'une population au fil des générations. Le domaine de la biologie qui étudie les fréquences alléliques au sein des populations et la façon dont elles évoluent est appelé la génétique des populations.
La microévolution est parfois opposée à la macroévolution, une évolution qui implique de grands changements, comme la formation de nouveaux groupes ou espèces, et qui se produit sur de longues périodes. Cependant, la plupart des biologistes considèrent la microévolution et la macroévolution comme le même processus se déroulant sur des échelles de temps différentes. La microévolution s'additionne progressivement, sur de longues périodes, pour produire des changements macroévolutifs.
Examinons trois concepts qui sont au cœur de la définition de la microévolution : les populations, les allèles et la fréquence des allèles.

Les populations

Une population est un groupe d'organismes de la même espèce qui se trouvent dans la même région et peuvent se reproduire. Une population est la plus petite unité qui puisse évoluer. En d’autres termes, un individu isolé ne peut pas évoluer.

Les allèles

Un allèle est une version d'un gène, une unité héréditaire qui contrôle un caractère particulier d'un organisme.
Par exemple, Mendel étudie un gène qui contrôle la couleur des fleurs de pois. Ce gène présente un allèle blanc w et un allèle violet W. Chaque plante possède deux copies du gène, qui peuvent être les mêmes ou des allèles différents. Lorsque les allèles sont différents, l'allèle dominant W peut masquer l'autre copie, l'allèle récessif w. L'ensemble des allèles d'une plante, appelé génotype, détermine son phénotype, ou ses caractéristiques observables, ici la couleur de la fleur.
Phénotype : couleur de la fleur ; Génotype : paire d'allèles
W : allèle violet dominant ; w : allèle blanc récessif
WW : fleur violette ; Ww : fleur violette ; ww : fleur blanche

La fréquence allélique

La fréquence allélique indique la fréquence à laquelle un allèle donné apparaît dans une population. Par exemple, si tous les allèles d'une population de pois sont des allèles violets W, la fréquence de l'allèle W est égale à 100 %, ou 1. Cependant, si la moitié des allèles est W et l'autre moitié est w, chaque allèle présente une fréquence allélique de 50 %, ou 0,5.
En général, on peut déterminer la fréquence allélique comme suit :
Fréquence de l’allèle A = Nombre de copies de l’allèle Adans la populationNombre total de copies du gèneA/a dans la population
Parfois, il y a plus de deux allèles dans une population (par exemple, il peut y avoir des allèles A, a et Ai pour un gène). Dans ce cas, il faut ajouter tous les différents allèles pour obtenir le dénominateur.
Il est également possible de calculer la fréquence des génotypes — la fraction d'individus avec un génotype donné — et la fréquence des phénotypes — la fraction d'individus avec un phénotype donné. Attention, ces concepts diffèrent de la fréquence allélique. On va voir un exemple qui illustre cette différence.

Exemple : déterminer la fréquence allélique

Examinons l'exemple d'une très petite population de neuf pois représentée ci-dessous. Chaque plante possède deux copies du gène qui détermine la couleur des fleurs.
6 WW, plantes violettes ; 1 Ww, plante violette ; 2 ww, plantes blanches
Si on regarde les deux copies du gène dans chaque plante et que l’on compte le nombre d'allèles W présents, on en trouve 13. Si on compte le nombre de copies w présentes, on en trouve cinq. Le nombre total de copies du gène dans toute la population est 13+5=18.
On peut diviser le nombre de copies de chaque allèle par le nombre total de copies pour obtenir la fréquence allélique. Par convention, quand il n'y a que deux allèles pour un gène dans une population, leurs fréquences sont notées p et q :
p=fréquence deW = 13/18 = 0,72 ou 72 %
q=fréquence dew = 5/18 = 0,28 ou 28 %
La somme des fréquences de tous les allèles d'un gène doit être égale à un, soit 100 %.
La fréquence allélique est différente de la fréquence du génotype ou du phénotype. Les fréquences du génotype et du phénotype peuvent également être calculées et sont importantes pour comprendre l'évolution des populations, mais elles diffèrent de la fréquence allélique. Le schéma ci-dessous illustre cette différence :
6 WW, plantes violettes ; 1 Ww, plante violette ; 2 ww, plantes blanches
Fréquence du génotype : fréquence à laquelle apparaît chaque paire d'allèles Ww, WW ou ww.
Fréq. de WW = 6/9 = 0,67 ; Fréq. de Ww = 1/9 = 0,11 ; Fréq. de ww = 2/9 = 0,22
Fréquence du phénotype : fréquence à laquelle on observe une coloration blanche ou violette.
Fréq. du violet = 7/9 = 0,78 ;  Fréq. du blanc = 2/9 = 0,22
Fréquence allélique : fréquence à laquelle chaque allèle est présent
p = Fréq. de W = 13/18 = 0,72 ; q = Fréq. de w = 5/18 = 0,28
Supposons maintenant que l'on revienne une génération plus tard pour vérifier les génotypes des nouveaux plants de pois qui constituent désormais la population. Pour trouver les fréquences alléliques, on examine à nouveau le génotype de chaque individu, on compte le nombre de copies de chaque allèle et on divise par le nombre total de copies du gène. On constate maintenant que la fréquence de W a chuté à 8/18=0,44, soit 44 % et que la fréquence de w a augmenté à 10/18, soit 56 %.
Génération d'origine :
6 WW, plantes violettes ; 1 Ww, plante violette ; 2 ww, plantes blanches
p = Fréq. de W = 13/18 = 0,72 ; q = Fréq. de w = 5/18 = 0,28
Les anciennes plantes meurent et leurs progénitures grandissent.
Nouvelle génération :
p = Fréq. de W = 8/18 = 0,44 ; q = Fréq. de w = 10/18 = 0,56
Les fréquences alléliques changent, ce qui signifie que la population évolue.
Les fréquences alléliques de la population ont changé au fil des générations. D'après la définition de la microévolution, on peut dire que la population a donc évolué. Si on travaillait dans la recherche, on pourrait utiliser un test statistique pour confirmer que ces proportions sont vraiment différentes.
On va examiner les facteurs qui font évoluer une population, comme la sélection naturelle, la dérive génétique (changements aléatoires), et d’autres facteurs, dans le reste de cet article.

Le pool génétique

L'ensemble des copies d'un gène pour tous les gènes d'une population constitue son pool génétique. Imaginez que l'on rassemble au même endroit toutes les copies de tous les gènes de tous les individus d'une population.
À quoi cela ressemblerait-il ? Dans l'exemple ci-dessus, on passe en revue les neuf individus de la population et on examine les copies du gène de la couleur des fleurs. Il y a 18 copies individuelles du gène, chacune étant un allèle W ou w. Imaginez maintenant que l'on procède de la même manière pour chaque gène de la plante, y compris les gènes qui contrôlent la taille, la couleur et la forme des graines, le métabolisme, etc. Il y aura donc 18 copies de chaque gène isolées et rassemblées dans un pool commun. En définitive, le pool commun de copies génétiques constitue le pool génétique de notre population.
En examinant toutes les copies de tous les gènes d'une population, on peut évaluer globalement le degré de diversité génétique dans la population. Plus il y a de variations, plus la population est capable de s'adapter aux changements de son environnement par le biais de la sélection naturelle. Si la variation est plus importante, il y a plus de chances que certains allèles déjà présents permettent aux organismes de survivre et de se reproduire efficacement dans de nouvelles conditions.

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