Biotechnologie appliquée à la lutte contre les ravageurs

1. Zoologie générale et appliquée Biotechnologie appliquée à la lutte contre les ravageurs Unité de Zoologie générale et appliquée, Faculté universitaire des Sciences agronomiques (FUSAGx)

2. Résistance de la plante Antixénose Phénomène où insectes ne consomment pas la plante mais vont infester d’autre hôtes (répulsifs) Facteurs physiques Trichomes : sur feuilles (pénétration stylet pucerons, dépôt œufs) Cires : niveau épicuticule Protection dessication, insectes et maladies Dureté tissus : feuilles, graines comme protection attaques des ravageurs

3. Facteurs chimiques Répulsifs : émission par plante (ex : terpènes) Départ insecte avant consommation Substances volatiles Phagodétérrents : 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

4. 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

5. 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

6. 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)

7. Isolation substance active Répulsif : piégeage et test olfactif Phagodétérrents & toxines : extraction et test biologique Isolation molécule  utilisation divers solvants (ethanol, eau, ether, …) Test biologique : papiers filtres traités avec substance Injection dans plante témoin

8. 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)

9. 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

10. Utilisation des moyens de défense des Plantes et organismes génétiquement modifiés

11. 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) Climat Plantes (Plantes transgéniques) Sol

12. 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)

13. 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)

14. 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.

15. 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)

16. Des protéines d’origine microbienne pour résister aux insectes • Bacillus thuringiensis S C Bacillus thuringiensis: S (spore), C (crystal de protoxine)

17. Des protéines d’origine microbienne pour résister aux insectes • Bacillus thuringiensis Chou non transgénique Chou transgénique

18. 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

21. Mécanismes de défense de la plante Ehrlich et Raven (1964) Harborne (1993) Diversité de métabolites secondaires Et protéines à propriété insecticide

22. « Diversité métabolites secondaires »

23. 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 : • sérine protéinases avec sérine et histidine, • cystéine protéinases, • (3) aspartic protéinases avec un groupe aspartate, (4) metalloprotéinases avec un ion Zn, Ca ou Mn

24. Rôles des Inhibiteurs de protéinases : Action sur stockage des protéines, régulateurs de l’activité protéolitique endogène, participation à certains processus du développement

25. 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

26. Inhibiteurs enzymes

28. 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,

29. 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

30. Lectines

31. 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) :

32. Estimation des risques agri-environnementaux • Risques liés à l’utilisation à grande échelle de plantes transgéniques Risques agronomiques Risques écologiques • Effets négatifs sur les organismes non-cibles • Perte de biodiversité • Dysfonctionnement des écosystèmes • Chute du rendement de la culture • Baisse de l’efficacité de certaines techniques culturales

33. Estimation des risques agri-environnementaux • Risques liés à l’utilisation à grande échelle de plantes transgéniques Peut-on avoir l’assurance que l’événement ne se produira pas? Quel est l’impact que celui-ci peut produire sur l’environnement ? 3 questions Existe-t-il des solutions pour réduire la probabilité d’occurrence et l‘impact du risque envisagé?

34. 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

35. 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)

36. 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

37. 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

38. Les risques agri-environnementaux: Résistance aux insecticides • 1. Possibilité d’apparition de souches d’insectes résistants DDT

39. Organismes floricoles Prédateurs et parasitoïdes Phytophages cibles Prédateurs et parasitoïdes Phytophages secondaires Prédateurs et parasitoïdes Prédateurs et parasitoïdes Décomposeurs Les risques agri-environnementaux:Résistance aux insecticides • 2. Effets secondaires sur les organismes non-cibles Schéma illustrant les différents modes d’exposition possibles entre une culture transgénique et les organismes de différents niveaux trophiques

40. Les risques agri-environnementaux:Résistance aux insecticides • 2. Effets secondaires sur les organismes non-cibles A. Les phytophages secondaires 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

41. Les risques agri-environnementaux:Résistance aux insecticides • 2. Effets secondaires sur les organismes non-cibles B. Les insectes floricoles • Attention aux insectes pollinisateurs Sans eux, l’espèce humaine ne survivrait que pendant 4 années (Einstein)

42. 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

43. Les risques agri-environnementaux:Résistance aux insecticides • 2. Effets secondaires sur les organismes non-cibles C. 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

44. 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

45. Les risques agri-environnementaux:Résistance aux insecticides • 2. Effets secondaires sur les organismes non-cibles D. La faune auxiliaire

46. 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

47. Les risques agri-environnementaux:Résistance aux herbicides • 1. Les flux de gènes et leur impact sur l’environnement B. Instabilité des transgènes dans les plantes hybrides au cours des générations

48. 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!

49. 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

50. 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