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La stimulation des défenses
   naturelles des plantes
  Une alternative bio en
      phytoprotection ?

           Pierre Van Cutsem
      Université de Namur, Belgique

             13 janvier 2010
              Montpellier




                                      1
Plan de l’exposé


        • Réglementation européenne

        • Les pesticides

        • L’immunité innée chez les plantes

        • Les éliciteurs

        • Des résultats 

        • Les perspectives


                                              2
Les pesticides


      Plusieurs millions de tonnes de substances actives 
   sont utilisées chaque année avec un marché mondial des 
         pesticides supérieur à 30 milliards de $ par an




                        Bakersfield California

                                                             3
L’utilisation des pesticides


 Par hectare par an :
 • Japon 12 kg
 • Europe 3 kg 
 • Etats‐Unis 2,5 kg 

 • En 2004, 47% des fruits, légumes et céréales consommés en 
   Europe contenaient des résidus de pesticides
 • En France en 2004, des pesticides ont été détectés dans 96% des 
   stations de contrôle d’eaux de surface et 61% des stations de 
   mesure des eaux souterraines.

                                                               4
Législation Européenne



  • Objectifs de la Directive Européenne 91/414/UE

     – Harmonisation de la réglementation sur l’utilisation des 
       produits de protection des plantes (PPP) en vue de 
       protéger la santé humaine et l’environnement

     – Liste des substances autorisées sur base du danger (études 
       tox) et de l’exposition (application, doses,…)  risque
       acceptable pour les organismes non‐cibles, homme, eau, 
       sol)


                                                                   5
Beaucoup de substances actives ont été abandonnées



    –   1000 substances actives sur le marché européen en 1993
    –   418 non notifiées dans le cadre de la Directive
    –   Parmi les 566 restantes, 250 ont été acceptées
    –   80 nouvelles se sont ajoutées

    – Au total, 330 s.a. acceptées comprenant des fongicides, 
      herbicides, insecticides, regulateurs de croissance, 
      nématicides, molluscicides, rodenticides, …



                                                                 6
La nouvelle directive européenne


  Remplacement de Dir 91/414/UE par une nouvelle :

     – Adoptée par le parlement européen en janvier 2009

     – Entrée en application début 2011

     – Nouveaux critères d’évaluation  exclusion de substances 
       sur base de leur danger et non plus de l’exposition




                                                              7
Impact de la nouvelle directive européenne


   Interdiction probable des 

      • triazoles (fongicides céréales )

      • dithiocarmates (fongicides pommes de terre) 

      • pyréthrinoides (insecticides)




                                                       8
2007 - Grenelle de l’environnement




 • Interdiction des substances potentiellement dangereuses


 • Triplement de la part du Bio pour atteindre 20% en 2020


 • Réduction de 50% l’utilisation de pesticides pour 2020




                                                             9
Un défi pour l’agriculture


     Moins de produits chimiques signifie aussi :

        Rendements plus faibles

        Émergence de pathogènes résistants 

        Coûts accrus

                        Une solution ?

                                                    10
Les plantes se défendent elles-mêmes



 En mobilisant une série de défenses : 

    – Production de phytoalexines, ROS, callose …
    – Synthèse de protéines « Pathogenesis Related »
      (PR)
    – Hypersensibilité (mort cellulaire programmée)
    – Résistance Systémique Acquise (SAR)
    – …

                                                   11
Le système immunitaire inné


  • Chez les végétaux comme chez les animaux

  • Défense immédiate contre l’infection 

  • Réponse générique contre les pathogènes 

  • Non spécifique

  • Protection à court terme 

                                               12
Dans la cellule végétale



                           Paroi



                           Membrane
                           plasmique




                                   13
L’immunité innée et les récepteurs membranaires

Les végétaux utilisent des Pattern Recognition Receptors
  (PRR)

   – Pour détecter la présence de pathogènes (non soi)

   – Pour déclencher une réponse basale 




                                                         14
Les récepteurs membranaires détectent des ligands


                          Ligand


     Pas de ligand




                                                         Membrane




                                    Réponse

                                    Boller & Felix Ann. Rev. Plant Biol. 2009
                                                                        15
Plusieurs ligands sont connus


     Pathogen Associated Molecular Patterns (PAMP) :

       Flagelline
       Lipopolysaccharides de bactéries Gram ‐
       Chitine, ergostérol, transglutaminase fongique
       Hepta‐β‐glucoside (oomycètes)
       Facteur bactérien d’élongation EF‐Tu
       Oligosaccharides végétaux (pectine …)

                                                        16
La flagelline est un PAMP bien connu




                                       flg22




                                               17
Résistance horizontale : liaison éliciteurs - récepteurs

 Pathogènes :
      Oomycètes


Champignons
                       MAMP : Microbe Associated Molecular Pattern

Bactéries                          DAMP : Damage Associated Molecular Pattern

                                                                     Paroi
                                                                     Membrane

                                                                     Cytoplasme
                    MAMP                 DAMP
                  Récepteurs    DANGER Récepteurs


                               Résistance horizontale                    18
Les pathogènes dégradent la pectine




                                      19
Les pathogènes dégradent la pectine



                                      Ca2+




                                             20
La structure de la pectine




                      Pectin is a complex polymer


                                                    21
La pectine lie le calcium

         COO-
     O
                O
    HO
              HO
                 O                         2+
               OH
    HO
          O         COO-               -
                                                    +
                                                -
     O
         COO-                      +       2+
                O
    HO                                 -
              HO                                -
               OH
                 O          Ca2+           2+
    HO
          O         COO-
                                       -        -
     O
         COO-
                O                          2+
    HO                                              +
              HO
                 O                     -        -
               OH
    HO                                     2+
          O         COO-
     O
         COO-
                                                +
                O
                                  Egg box dimer
    HO
              HO
                              Dimère en boîte à œufs
                    O


                                                        22
Les chitosans fongiques : un autre éliciteur



                                                   Ca2+




                                               Signal




                                  Defense
                                  enzyme


                                                          23
Paroi fongique
Pathogène fongique
                                                   Infection




                                   mannoproteins                mannoproteins

                                      Chitin                      Chitosan


                                      Glucan                       Glucan




                            NHAc                   NHAc                         NHAc
Chitine
 neutre              NHAc                NHAc                  NHAc




                            NH3+                   NH3+                         NH3+
Chitosan                                 polycation
polycation           NH3+                NH3+                  NH3+

                                                                                  24
Comment interagissent oligochitosans et oligopectines ?




                                                          25
Structure en 3D de la pectine
                      Vue latérale
   Ions
   Calcium




Angle entre chaînes   Vue dessus




                        Braccini & Perez, 2001   26
Le dimère en boîte à oeufs n’est pas coplanaire

   Ions
   Calcium




Angle entre chaînes
                                               Vue du dessus




                      Braccini & Perez, 2001                   27
Les oligochitosans lient les faces externes des dimères




                                                          28
Régulation transcriptionnelle de l’élicitation


        Gènes surexprimés                           Gènes réprimés


       OGA                                       OGA
         7                                          3
                     3        COS                               0        COS
                 2             221                                       120
                                                            2
             1                                          0
                         33
                                                                    52

             COS+OGA                                 COS+OGA
                 93                                         77




             Distribution des transcrits significativement régulés
                (p<0.05, at least 3.0-fold expression cut-off)
                                                                               29
Tests en serres avec l’éliciteur COS - OGA



   Des tests ont été effectués en serres: des feuilles, des plantules ou des
   plantes ont d’abord été pulvérisées avec l’éliciteur COS – OGA et puis
   inoculées :


   Des vignes ont été inoculées par Plasmopara viticola (mildiou)
                                    Erysiphe necator (oïdium)


   Des plantules de pommiers par Venturia inaequalis (tavelure)


   Des feuilles de pomme de terre par Phytophthora infestans (mildiou)


                                                                         30
Protection COS-OGA contre le mildiou de la vigne

  INRA – Dijon
                               CTRL     10 ppm    20 ppm
  Tests en serre         100


  Plasmopara viticola     80


  Inoculation 5 jours     60

  après élicitation
                          40


                          20


                           0
                               Leaf 1    Leaf 2     Leaf 3




                                                             31
Protection COS-OGA contre le mildiou – en vignoble

  Chambre d’agriculture                  Protection - % of control

  Macon                           100


  Test en vignoble (200 L.Ha-1)   80

                                  60
  Plasmopara viticola
                                  40


                                  20

                                   0
                                        20 ppm     40 ppm      Copper




                                                                        32
Dans le futur…



• La protection des végétaux pourrait connaître une 
  révolution
• Des éliciteurs seront disponibles
• On sélectionnera les végétaux pour leur réponse aux 
  éliciteurs

⇒ Réduction des pesticides conventionnels


                                                     33
Remerciements


• Université Namur            INRA Dijon 
  –   Juan‐Carlos Cabrera       − Xavier Daire
  –   Pierre Cambier
  –   Aurélien Boland
  –   Raffael Buonatesta
  –   Annabelle Decreux
  –   Marc Dieu
  –   Patrick Frettinger
  –   Françoise Liners
  –   Johan Messiaen

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Merci de votre attention !




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  • 1. La stimulation des défenses naturelles des plantes Une alternative bio en phytoprotection ? Pierre Van Cutsem Université de Namur, Belgique 13 janvier 2010 Montpellier 1
  • 2. Plan de l’exposé • Réglementation européenne • Les pesticides • L’immunité innée chez les plantes • Les éliciteurs • Des résultats  • Les perspectives 2
  • 3. Les pesticides Plusieurs millions de tonnes de substances actives  sont utilisées chaque année avec un marché mondial des  pesticides supérieur à 30 milliards de $ par an Bakersfield California 3
  • 4. L’utilisation des pesticides Par hectare par an : • Japon 12 kg • Europe 3 kg  • Etats‐Unis 2,5 kg  • En 2004, 47% des fruits, légumes et céréales consommés en  Europe contenaient des résidus de pesticides • En France en 2004, des pesticides ont été détectés dans 96% des  stations de contrôle d’eaux de surface et 61% des stations de  mesure des eaux souterraines. 4
  • 5. Législation Européenne • Objectifs de la Directive Européenne 91/414/UE – Harmonisation de la réglementation sur l’utilisation des  produits de protection des plantes (PPP) en vue de  protéger la santé humaine et l’environnement – Liste des substances autorisées sur base du danger (études  tox) et de l’exposition (application, doses,…)  risque acceptable pour les organismes non‐cibles, homme, eau,  sol) 5
  • 6. Beaucoup de substances actives ont été abandonnées – 1000 substances actives sur le marché européen en 1993 – 418 non notifiées dans le cadre de la Directive – Parmi les 566 restantes, 250 ont été acceptées – 80 nouvelles se sont ajoutées – Au total, 330 s.a. acceptées comprenant des fongicides,  herbicides, insecticides, regulateurs de croissance,  nématicides, molluscicides, rodenticides, … 6
  • 7. La nouvelle directive européenne Remplacement de Dir 91/414/UE par une nouvelle : – Adoptée par le parlement européen en janvier 2009 – Entrée en application début 2011 – Nouveaux critères d’évaluation  exclusion de substances  sur base de leur danger et non plus de l’exposition 7
  • 8. Impact de la nouvelle directive européenne Interdiction probable des  • triazoles (fongicides céréales ) • dithiocarmates (fongicides pommes de terre)  • pyréthrinoides (insecticides) 8
  • 9. 2007 - Grenelle de l’environnement • Interdiction des substances potentiellement dangereuses • Triplement de la part du Bio pour atteindre 20% en 2020 • Réduction de 50% l’utilisation de pesticides pour 2020 9
  • 10. Un défi pour l’agriculture Moins de produits chimiques signifie aussi : Rendements plus faibles Émergence de pathogènes résistants  Coûts accrus Une solution ? 10
  • 11. Les plantes se défendent elles-mêmes En mobilisant une série de défenses :  – Production de phytoalexines, ROS, callose … – Synthèse de protéines « Pathogenesis Related » (PR) – Hypersensibilité (mort cellulaire programmée) – Résistance Systémique Acquise (SAR) – … 11
  • 12. Le système immunitaire inné • Chez les végétaux comme chez les animaux • Défense immédiate contre l’infection  • Réponse générique contre les pathogènes  • Non spécifique • Protection à court terme  12
  • 13. Dans la cellule végétale Paroi Membrane plasmique 13
  • 14. L’immunité innée et les récepteurs membranaires Les végétaux utilisent des Pattern Recognition Receptors (PRR) – Pour détecter la présence de pathogènes (non soi) – Pour déclencher une réponse basale  14
  • 15. Les récepteurs membranaires détectent des ligands Ligand Pas de ligand Membrane Réponse Boller & Felix Ann. Rev. Plant Biol. 2009 15
  • 16. Plusieurs ligands sont connus Pathogen Associated Molecular Patterns (PAMP) : Flagelline Lipopolysaccharides de bactéries Gram ‐ Chitine, ergostérol, transglutaminase fongique Hepta‐β‐glucoside (oomycètes) Facteur bactérien d’élongation EF‐Tu Oligosaccharides végétaux (pectine …) 16
  • 17. La flagelline est un PAMP bien connu flg22 17
  • 18. Résistance horizontale : liaison éliciteurs - récepteurs Pathogènes : Oomycètes Champignons MAMP : Microbe Associated Molecular Pattern Bactéries DAMP : Damage Associated Molecular Pattern Paroi Membrane Cytoplasme MAMP DAMP Récepteurs DANGER Récepteurs Résistance horizontale 18
  • 19. Les pathogènes dégradent la pectine 19
  • 20. Les pathogènes dégradent la pectine Ca2+ 20
  • 21. La structure de la pectine Pectin is a complex polymer 21
  • 22. La pectine lie le calcium COO- O O HO HO O 2+ OH HO O COO- - + - O COO- + 2+ O HO - HO - OH O Ca2+ 2+ HO O COO- - - O COO- O 2+ HO + HO O - - OH HO 2+ O COO- O COO- + O Egg box dimer HO HO Dimère en boîte à œufs O 22
  • 23. Les chitosans fongiques : un autre éliciteur Ca2+ Signal Defense enzyme 23
  • 24. Paroi fongique Pathogène fongique Infection mannoproteins mannoproteins Chitin Chitosan Glucan Glucan NHAc NHAc NHAc Chitine neutre NHAc NHAc NHAc NH3+ NH3+ NH3+ Chitosan polycation polycation NH3+ NH3+ NH3+ 24
  • 25. Comment interagissent oligochitosans et oligopectines ? 25
  • 26. Structure en 3D de la pectine Vue latérale Ions Calcium Angle entre chaînes Vue dessus Braccini & Perez, 2001 26
  • 27. Le dimère en boîte à oeufs n’est pas coplanaire Ions Calcium Angle entre chaînes Vue du dessus Braccini & Perez, 2001 27
  • 28. Les oligochitosans lient les faces externes des dimères 28
  • 29. Régulation transcriptionnelle de l’élicitation Gènes surexprimés Gènes réprimés OGA OGA 7 3 3 COS 0 COS 2 221 120 2 1 0 33 52 COS+OGA COS+OGA 93 77 Distribution des transcrits significativement régulés (p<0.05, at least 3.0-fold expression cut-off) 29
  • 30. Tests en serres avec l’éliciteur COS - OGA Des tests ont été effectués en serres: des feuilles, des plantules ou des plantes ont d’abord été pulvérisées avec l’éliciteur COS – OGA et puis inoculées : Des vignes ont été inoculées par Plasmopara viticola (mildiou) Erysiphe necator (oïdium) Des plantules de pommiers par Venturia inaequalis (tavelure) Des feuilles de pomme de terre par Phytophthora infestans (mildiou) 30
  • 31. Protection COS-OGA contre le mildiou de la vigne INRA – Dijon CTRL 10 ppm 20 ppm Tests en serre 100 Plasmopara viticola 80 Inoculation 5 jours 60 après élicitation 40 20 0 Leaf 1 Leaf 2 Leaf 3 31
  • 32. Protection COS-OGA contre le mildiou – en vignoble Chambre d’agriculture Protection - % of control Macon 100 Test en vignoble (200 L.Ha-1) 80 60 Plasmopara viticola 40 20 0 20 ppm 40 ppm Copper 32
  • 33. Dans le futur… • La protection des végétaux pourrait connaître une  révolution • Des éliciteurs seront disponibles • On sélectionnera les végétaux pour leur réponse aux  éliciteurs ⇒ Réduction des pesticides conventionnels 33
  • 34. Remerciements • Université Namur INRA Dijon  – Juan‐Carlos Cabrera − Xavier Daire – Pierre Cambier – Aurélien Boland – Raffael Buonatesta – Annabelle Decreux – Marc Dieu – Patrick Frettinger – Françoise Liners – Johan Messiaen 34
  • 35. Merci de votre attention ! www.fytofend.com 35
  • 36. 36