biotechnologie appliquée à la lutte contre les ravageurs

Biotechnologie appliquée à la lutte contre les ravageurs

 Unité de Zoologie générale et appliquée,Faculté universitaire des Sciences agronomiques (FUSAGx)

Zoologie générale et appliquée

Résistance de la planteAntixénose 

Phénomène où insectes ne consomment pas la plante mais vont infester d’autre hôtes

(répulsifs)Facteurs physiquesTrichomes : sur feuilles (pénétration stylet

pucerons, dépôt œufs)Cires : niveau épicuticule Protection dessication, insectes et maladiesDureté tissus : feuilles, graines comme protection attaques des ravageurs

Facteurs chimiques

Répulsifs : émission par plante (ex : terpènes) Départ insecte avant consommation Substances volatilesPhagodétérrents : présents dans les tissus (végétal testé par ravageur)

Alcaloïdes, phénols, saponines, lactones Ex : grains maïs et acides phénoliques Céréales et DIMBOA

Nécessité d’analyser les volatiles (CPG, GC-MS)Prise d’essai air sur le terrain

Résistance de la plante

Antibiose 

Phénomène où les insectes consomment la plante, impliquant des modifications de la biologie du phytophage (développement, reproduction)

Effet sur mortalité larvaires, adultes, viabilité des œufs, durées de

développement

Facteurs physiques Libération de molécules (aldéhydes, alcanes, esters)

quand dégradation trichomes

Facteurs chimiques Toxines (cétones, furanocoumarines, acides organiques,

isothiocyanates, …) Inhibiteurs de croissance (enzyme digestifs : amylases, protéases, …) Inhibition activité enzymatique Bloquage de la digestion

Comment évaluer résistance plante ?

Mesures dégâts plante au champ (manchon toile, tube en verre) et au laboratoire (1 plante / cage)

Mesures sur l’insecte Comportement (olfactométrie, EAG) Application : électrode sur puceron et sur plante

(à chaque piqûre : impulsion électrique)Biologie (développement et reproduction)

Isolation substance active

Répulsif : piégeage et test olfactifPhagodétérrents & toxines : extraction et test

biologique

Isolation molécule utilisation divers solvants (ethanol, eau, ether, …)

Test biologique : papiers filtres traités avec substance Injection dans plante témoin

Comment observer résistance des plantes ?

Olfactométrie

Type tunnel : +sieurs mètres de long en Zn

(car n’absorbe pas odeurs)

Olfactomètre de labo (1, 2, 4 voies les plus

courant)

Système à large diffusion (1 source odeur)

Electroanténnographie (EAG)

Prélèvement antenne insecte, branche électrodes de chaque côté (fils de cuivre)

Relié à amplificateur et oscilloscope

Passage air + substance (extrait de plante, molécule pure)

Mesure de l’influx nerveux (électrique) dans antenne

Utilisation des moyens de défense des Plantes

et

organismes génétiquement modifiés

Plantes et Schéma de l’écosystème

• Dans l’utilisation des plantes transgéniques, aucune recherche ne porte sur la relation de l’insecte et de la plante ni son importance comme agent de l’écosystème

Animaux(Humains)

Plantes(Plantes transgéniques)

Sol

Climat

Quels sont les types de plantes transgéniques?

• Vis-à-vis de la résistance aux nématodes– inhibiteur de protéases (plantes)

• Vis-à-vis de la résistance aux maladies– malades virales

– protéine constituant la capside  (manteau), immunité spécifique à une espèce (virus)

– protéine de mouvement, moins spécifique, en développement (virus)

– maladies bactériennes et fongiques– protéine antibactérienne (insectes)

– phytoalexine (plante)

– chitinase (plante)

– glucanase (plante)

Quels sont les types de plantes transgéniques?

• La résistance aux herbicides– glutathion S-transférase dégradant les herbicides (plantes)

– glyphosate réductase (bactéries)

• La résistance aux insecticides– protéine insecticide Bt (bactéries)

– inhibiteur de protéases (plantes/insectes)

– lectine (plante)

– Chitinase (champignon/ insecte)

Le développement des plantes transgéniques

• Le développement fulgurant des cultures transgéniques

Evolution du nombre d’autorisations annuelles octroyées sur le territoire des Etats-Unis pour la réalisation de tests de terrain visant à déterminer

l’efficacité des plantes transgéniques résistantes aux insectes.

Le développement des plantes transgéniques

• En 1999:– 39,9 millions d ’ha– rendement supérieur mais dégâts plus importants– après trois années d ’utilisation, obtention des

premiers bénéfices (119 millions de $ pour le maïs en intégrant les économies sur les pesticides utilisés, le coût de la main d ’œuvre, le prix des semences et les frais de technologies associés à celles-ci)

Des protéines d’origine microbienne pour résister aux insectes

• Bacillus thuringiensis

Bacillus thuringiensis: S (spore), C (crystal de protoxine)

S

C

Des protéines d’origine microbienne pour résister aux insectes

• Bacillus thuringiensis

Chou non transgénique Chou transgénique

Des protéines d’origine microbienne pour résister aux insectes

• Bacillus thuringiensis • Gènes codants pour des protéines:

– Cry 1 et 2 toxiques pour les Lépidoptères– Cry 3 toxique pour les larves de Coléoptères– Cry 4 toxique pour les larves de Diptères

Les principales cultures Bt actuellement sur le marché

Mécanismes de défense de la plante

Ehrlich et Raven (1964)

Harborne (1993)

Diversité de métabolites secondaires

Et protéines à propriété insecticide

« Diversité métabolites secondaires »

Inhibiteurs d’enzymes (protéinases) Enzymes protéolitiques catalysent la coupure de ponts

peptides dans protéines

Classification suivant mécanisme catalyse et présence

d’acides aminés dans le centre actif :

(1) sérine protéinases avec sérine et histidine,

(2)cystéine protéinases,

(3) aspartic protéinases avec un groupe aspartate,

(4) metalloprotéinases avec un ion Zn, Ca ou Mn

Rôles des Inhibiteurs de protéinases :

Action sur stockage des protéines,

régulateurs de l’activité protéolitique endogène,

participation à certains processus du développement

Inhibiteurs -amylases

 -amylases catalysent hydrolyses initiales de polymères sucrés comme l’amidon et le glycogène en

oligosaccharides plus courts

Quand amylases inhibées, nutrition impossible par manque d’énergie disponible

 Inhibiteurs amylases surtout chez céréales et nombreux légumes comme moyen de défense

Ex AI-1, AI-2, AI-3 avec AI-1 qui inhibe activité -amylases d’insectes

Inhibiteurs enzymes

Lectines

Protéines présentant affinité envers mono- et oligo-saccharaides

Spécificité de liaison au sucres avec sites multiples de liaison

Capable d’agglutiner les cellules vu glyco-conjugés à la surface cellulaire

Plusieurs 100aines de molécules identifiées (champignons, plantes, virus, bactéries,

Lectines

Ex : Agaricus bisporus et Xerocomus chrysenteron

1. Toxicité sur insectes

2. Test au niveau cellulaire : antiprolifération, adhérence, mécanisme d’endocytose

(vers Golgi, lysosomes …)

3. Test au niveau tissus – organes Alimentation insectes avec diètes artificielles

Immuno-histologie

Lectines

Autres stratégies plantes OGM

• Enzymes hydrolytiques (chitinases)

• Enzymes peroxydase et poloyphénol oxydase (oxydation et toxicité certaines molécules, diminuton qualité protéines)

• Oxydases de lipides (lipoxygénase et cholestérol oxydase) :

Estimation des risques agri-environnementaux

• Risques liés à l’utilisation à grande échelle de plantes transgéniques

Chute du rendement de la culture

Baisse de l’efficacité de certaines techniques culturales

Effets négatifs sur les organismes non-cibles

Perte de biodiversité

Dysfonctionnement des écosystèmes

Risques agronomiques Risques écologiques

Estimation des risques agri-environnementaux

• Risques liés à l’utilisation à grande échelle de plantes transgéniques

3 questions Quel est l’impact que celui-ci peut produire sur l’environnement ?

Peut-on avoir l’assurance quel’événement ne se produira pas?

Existe-t-il des solutions pour réduirela probabilité d’occurrence et l‘impact du risque envisagé?

Estimation des risques agri-environnementaux:

• Les flux de gènes et leur impact sur l’environnement

– Probabilité de transfert du transgène vers un environnement autre que celui de la culture

– Impact de l’expression du transgène sur ce nouvel environnement

– Devenir du transgène dans son nouvel

environnement

Estimation des risques agri-environnementaux

• Les flux de gènes et leur impact sur l’environnement

– Dissémination de parties de plantes (hybridation pas nécessaire)

• par bouturage (peuplier)

• présence de semences dans la terre commercialisée avec les plantes

• par les oiseaux (semences)

Estimation des risques agri-environnementaux

• Les flux de gènes et leur impact sur l’environnement

– Dissémination du pollen (hybridation)• par le vent (1,5 km de distance)

• par les insectes pollinisateurs (plusieurs km) 35 à 95 % d ’hyménoptères

Les risques agri-environnementaux: Résistance aux insecticides

• Risques liés à l’utilisation à grande échelle de plantes transgéniques résistantes aux insectes

– 1. Développement de souches d’insectes résistants

– 2. Effets secondaires sur les organismes non-cibles

– 3. Impact sur l’environnement

Les risques agri-environnementaux: Résistance aux insecticides

1. Possibilité d’apparition de souches d’insectes résistants

0

100

200

300

400

500

600

1908 1956 1965 1977 2000

Number ofresistant species

DDT

Les risques agri-environnementaux: Résistance aux insecticides

• 2. Effets secondaires sur les organismes non-ciblesOrganismes

floricolesPrédateurs

et parasitoïdes

Phytophagescibles

Prédateurs et parasitoïdes

Phytophagessecondaires

Prédateurs et parasitoïdes

Décomposeurs Prédateurs et parasitoïdes

Schéma illustrant les différents modes d’exposition possibles entre une culture transgénique et les organismes de différents niveaux trophiques

Les risques agri-environnementaux: Résistance aux insecticides

• 2. Effets secondaires sur les organismes non-cibles

Attention aux insectes forestiers et à l’écosystème forestier

Exemple: peupliers: 500 espèces d’insectes phytophages en Europe dont 200 Lépidoptères, et parmi ceux-ci 5% sont nuisibles

A. Les phytophages secondaires

Les risques agri-environnementaux: Résistance aux insecticides

• 2. Effets secondaires sur les organismes non-cibles

Attention aux insectes pollinisateursSans eux, l’espèce humaine ne survivrait que pendant 4 années (Einstein)

B. Les insectes floricoles

Les risques agri-environnementaux: Résistance aux insecticides

• 2. Effets secondaires sur les organismes non-cibles

– En Europe, on étudie l ’expression dans les colzas transgéniques d ’inhibiteurs de protéases contre les coléoptères (retard de développement et mortalité larvaire)• effets des inhibiteurs de protéases sur les abeilles observés en laboratoire• pas d ’effets aux champs (car cela dépend du promoteur qui permet l ’expression dans le pollen et le nectar)

B. Les insectes floricoles

Les risques agri-environnementaux: Résistance aux insecticides

• 2. Effets secondaires sur les organismes non-ciblesC. Les organismes saprophages et la microflore

Difficilement mis en évidence

Nécessité de mise au point de tests fiables en vue

d’estimer la vitesse de dégradation des OGM

Geotrupes

Wolbachia

Les risques agri-environnementaux: Résistance aux insecticides

• 2. Effets secondaires sur les organismes non-cibles

D. La faune auxiliaire

Prédateurs et parasites

Diminution drastique des proies et nourriture

Effets des OGM sur la survie, la fécondité et la fertilité des prédateurs

Les risques agri-environnementaux: Résistance aux insecticides

• 2. Effets secondaires sur les organismes non-ciblesD. La faune auxiliaire

Les risques agri-environnementaux: Résistance aux herbicides

• 1. Les flux de gènes et leur impact sur l’environnement– Introgression dans le génome d ’adventices

• possibilité d ’hybridation interspécifique en laboratoire et en champ

• instabilité des transgènes dans les plantes hybrides en cours des générations

Les risques agri-environnementaux: Résistance aux herbicides

• 1. Les flux de gènes et leur impact sur l’environnementB. Instabilité des transgènes dans les plantes

hybrides au cours des générations

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

G0 G1 G2 G3 G4

Générations

Nombre de graines/100 fleurs

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100 plantes résistantes (%)

Nombre de graines/100 fleursPlantes tolérantes au Basta (%)

Les risques agri-environnementaux: Résistance aux herbicides

• 1. Les flux de gènes et leur impact sur l’environnement– Le devenir des plantes transgéniques dans

l’environnement• Dépend de l’aptitude colonisatrice propre à l’espèce• Gain de fitness correspondant à l’expression du trangène• La plupart des plantes cultivées: pouvoir invasif faible sauf

la chicorée, la luzerne, le ray-grass et le colza• Les plantes adventices: potentiel de multiplication et de

compétition très important. Attention donc au croisement avec les OGM!

Les risques agri-environnementaux: Résistance aux herbicides

• 1. Les flux de gènes et leur impact sur l’environnement– Impact des plantes modifiées sur leur nouvel

environnement• Apparition de nouvelles adventices prolifiques• Dysfonctionnement des écosystèmes• Perte de la biodiversité• Espèces végétales rares peuvent perdre leur identité,

ex.: les Beta vulgaris et Brassica oleracea

Remèdes aux risques agri-environnementaux

• 1. Résistance au sein des populations d’insectes ravageurs

– Remèdes:• l ’utilisation de variétés « haute dose »

– quantité de toxine assez élevée pour tuer les hétérozygotes résistants (par ex. maïs Bt = 99% d ’efficacité vis-à-vis de la pyrale)

• la mise en place de zone refuge– diluer les gènes de résistance en maintenant en vie les individus sensibles– 20% de la superficie; à coté ou au sein du champ de maïs Bt; même

période pour les semis, pas de mélange de graines

• la mise en place d ’un réseau de surveillance• l ’utilisation de variétés exprimant deux transgènes

Remèdes aux risques agri-environnementaux

• 2. Effets secondaires sur les organismes non-cibles– Remèdes:

• Utilisation de toxines à spectre d’action étroit et à faible rémanence dans l’environnement (ex.: les protéines Cry);

• Utilisation de promoteurs spécifiques permettant de cibler les tissus et la période durant laquelle les transgènes sont exprimés (surtout au sein des organes floraux);

• Dispersion des cultures transgéniques dans le paysage agricole et aménagement de zones refuges où la faune auxiliaire pourra se développer

• Interdiction de l’usage de plantes transgéniques en milieu forestier et dans les habitats qui sont le siège d’une forte biodiversité

Remèdes aux risques agri-environnementaux

• 3. Flux des gènes et impact sur l’environnement

– Les remèdes:• exploiter la variabilité génétique des plantes cultivées

permettant de modifier sa biologie pour limiter la dissémination du pollen

• identifier des itinéraires techniques permettant de limiter les croisements

Remèdes aux risques agri-environnementaux

• 3. Flux des gènes et impact sur l’environnement– Les remèdes:

• utiliser du gène « Exorcist »• étudier la place du transgène dans le génome de la

plante cultivée

Conclusions

• Le développement durable invite à voir à long terme, alors que suite au développement contemporain du savoir, la gestion privée – et non publique – ne parvient plus à gérer un tant soit peu le futur.

• Quoique les plantes transgéniques représentent une alternative intéressante à l’utilisation des pesticides, nous ne devons pas négliger d’autres facettes de la lutte intégrée, comme par exemple l’aspect comportemental des stratégies reproductives chez les insectes. Cette approche peut mener à la conception de méthodes de lutte efficaces par augmentation de la compatibilité sexuelle des individus chez les insectes auxiliaires ou par la diminution de celle-ci chez les insectes ravageurs.

Conclusions

• Ce n’est donc pas la science qui doit être remise en cause, mais le fait que la plus grande partie du savoir est entre les mains de sociétés à vocation économique. Il est temps que la Société contrôle le savoir qui se développe actuellement, en insistant auprès des pouvoirs politiques pour qu’ils dégagent de nouveaux moyens pour permettre aux chercheurs universitaires de rester compétitifs, ceci n’est pas une autre histoire mais une nécessité morale face aux générations futures.