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Zoologie générale et appliquée. Biotechnologie appliquée à la lutte contre les ravageurs Unit é de Zoologie g é n é rale et appliqu é e, Facult é universitaire des Sciences agronomiques (FUSAGx). Résistance de la plante. Antixénose - PowerPoint PPT Presentation
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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.