Maïs, pyrale et DON six ans d'études

Effet de la lutte contre O. nubilalis sur la teneur du maïs en déoxynivalénol (DON) : six ans d'essais en Alsace et approche par modélisation statistique

Avec 133 500 ha de maïs grain (Agreste, 2010), dont près de 80 % destinés à l'alimentation humaine, l'Alsace est un acteur majeur de la filière française du maïs. La pyrale du maïs est le principal ravageur aérien dans cette région (Agusti et al., 2005). On connaît bien les pertes de rendement notables voire inacceptables qu'elle occasionne, mais qu'en est-il de son effet sur la qualité sanitaire ? Que dire notamment de la contamination du maïs par des champignons du genre Fusarium producteurs de toxines ? Et de ces dernières, en particulier le déoxynivalénol (DON) ? Six ans de travail de terrain permettent de répondre à ces questions.

En Alsace, la pyrale du maïs Ostrinia nubilalis (Hübner) [Lepidoptera: Crambidae] est univoltine stricte : elle réalise une seule génération par an contrairement aux zones sud de la France où elle est plurivoltine. Même si les niveaux d'infestations sont plus faibles que dans le sud du pays, on estime que 0,5 larve par plante en moyenne suffit à causer des pertes de rendements significatives inacceptables pour l'agriculteur (Weissenberger, com. pers.). De plus, ce lépidoptère foreur constitue un facteur aggravant des contaminations par des micro-organismes fongiques du genre Fusarium en transmettant des spores et en créant des portes d'entrées aux agents pathogènes de par les blessures causées à la plante (Munkvold et al., 1999).

En Alsace, les paramètres climatiques (température, hygrométrie et humidité relative) favorisent davantage le développement de Fusarium graminearum, espèce biosynthétisant des mycotoxines de la famille des trichothécènes et particulièrement le déoxynivalénol (DON), plutôt que des espèces productrices de fumonisines. Le DON fait l'objet d'une réglementation fixant un seuil maximal autorisé de 1 750 ppb (J.O., 2007) dans les grains de maïs brut.

De 2004 à 2009 inclus

Six années de partenariat

Dans ce contexte où la pyrale n'est plus seulement un facteur limitant du rendement mais aussi un facteur de risque sanitaire, le contrôle de ses populations est une nécessité. Ce travail se propose donc d'étudier les effets de la lutte contre la pyrale sur les teneurs en DON.

Une approche par modélisation statistique a par ailleurs été développée afin de préciser les liens entre les niveaux de populations d'O. nubilalis, leurs dégâts et les teneurs en DON.

Des essais au champ ont été menés en conditions naturelles au cours des étés 2004, 2005, 2006, 2007, 2008 et 2009. Ils ont été suivis par le Service régional de la protection des végétaux (SRPV) d'Alsace, la Chambre d'agriculture du Bas-Rhin, la Coopérative de Colmar et Syngenta Agro. Les différentes variétés de maïs mises en culture sont représentatives et adaptées au contexte pédo-climatique de la région. La date pivot des semis avoisine le 15 avril.

Les semis s'échelonnaient, pour chaque situation expérimentale de chaque année, sur une période de 20 jours à partir de cette date.

Traitements réalisés

Les essais ont été conduits en couple de parcelles, chaque couple incluant la variété de maïs traité par un insecticide (pyréthrinoïde de synthèse) et sa contrepartie non traitée (témoin). La pyrale étant univoltine stricte en Alsace, son contrôle est assuré par traitement unique, au pic de vol, selon les préconisations délivrées par les Avertissements Agricoles®.

À noter que la différence entre la pyrale univoltine stricte (génétiquement contrainte) et la pyrale plurivoltine est d'ordre génétique et se situe au niveau du chromosome sexuel Z, traduisant ainsi un polymorphisme monogénique (Bourguet, com. pers.).

Échantillonnage

Au moment des récoltes, pour chaque couple de parcelles, un échantillon est constitué par 4 placettes de 5 pieds de maïs consécutifs (20 plants). À partir de ces échantillons, une notation des lépidoptères foreurs et de leurs dégâts ainsi qu'un prélèvement sont réalisés pour chaque parcelle de chaque couple.

Le prélèvement se fait au champ, peu avant la récolte : on prélève tous les épis des quatre placettes et on égrène les épis du moins infesté au plus infesté. Les grains sont ensuite stockés à 4 °C le plus rapidement possible à l'issue de la notation.

La quantité totale prélevée, d'un peu plus de 1 kg de grains, est ensuite répartie pour les différentes analyses comme suit : un échantillon de 500 g destiné au Laboratoire Syngenta (analyses des mycotoxines) et un échantillon de 500 g, « de sauvegarde », conservé par congélation le temps que toutes les analyses soient effectuées.

Pour l'ensemble des 45 couples suivis entre 2004 et 2009, 90 prélèvements d'épis ont été effectués (autour de 30 % d'humidité). Les épis ont été égrenés, pesés puis conditionnés pour envois. Dans un souci d'éviter un éventuel effet date de récolte, les échantillons ont été prélevés à maturité du maïs.

Dosage des mycotoxines

Les teneurs en déoxynivalénol ont été dosées par HPLC (chromatographie liquide haute performance) par le Laboratoire de développement et d'analyses de Syngenta Cetapp (Saint-Pierre-la-Garenne, 27). La limite de quantification atteinte par cette technique analytique permet de détecter des contaminations supérieures à 30 ppb.

Analyses statistiques et calculs d'efficacité

Les variables soumises aux analyses statistiques sont les suivantes : « Parcells » (localisation des sites expérimentaux), « LTige » (populations de larves d'O. nubilalis dénombrées dans les tiges), LEpi (populations de larves d'O. nubilalis présentes dans les épis), DON (teneurs en déoxynivalénol) et Injury (ensemble des dégâts provoqués par O. nubilalis sur épis et tiges). L'unité statistique correspond à un couple de parcelles de maïs traité/maïs témoin.

L'analyse des données a impliqué l'utilisation de l'analyse de la variance (ANOVA), soit paramétrique (pour les variables gaussiennes), soit non paramétrique de Kruskal & Wallis (dans les autres cas), et des outils statistiques de type modèles linéaires généralisés (GLM, Nelder et Wedderburn, 1972) pour la construction du modèle. Ces GLM ont été associés au critère d'information Akaike (AIC) (Venable et Ripley, 2002) pour la discrimination et la hiérarchisation des variables explicatives des teneurs en DON.

Nous avons axé notre recherche du choix du modèle DON final en privilégiant la qualité des résidus rendus. Afin de linéariser ces derniers, nous avons appliqué aux variables étudiées (teneurs en DON) la transformation Ln (x+1). Les variables explicatives prennent en compte les sites, les attaques et les dégâts liés aux insectes. Les sites suivis ont été intégrés au modèle afin de détecter un éventuel effet de la localisation géographique.

Par ailleurs, une fois la significativité de la variable explicative « traitement » constatée, cette dernière a été retirée du système car son effet risquait de masquer l'effet des bioagresseurs (Folcher et al., 2009b).

Ces analyses ont impliqué l'utilisation du logiciel libre de droits « R » (version 2.10.1 en ligne http://www.r-project.org, décembre 2009).

Toutes les différences significatives sont retenues à P < 0,05.

Les efficacités sont calculées vis-à-vis de :

– la pyrale avec E1 (%) = [Niveaux de populations d'O. nubilalis dans la modalité témoin -Niveaux de populations d'O. nubilalis dans la modalité traitée)/Niveaux de population d'O. nubilalis dans la modalité témoin] X 100

– le DON avec E2 (%) = [Teneurs en DON dans la modalité témoin-Teneurs en DON dans la modalité traitée)/Teneurs en DON dans la modalité témoin] X 100

Résultats significatifs

Les traitements contrôlent la pyrale...

Les résultats présentés dans le tableau 1A montrent que l'effet des traitements, par ailleurs très hautement significatif, permet un contrôle efficace d'O. nubilalis sur la plante entière (F = 17.933 ; ddl = 1,88 ; P < 10-4). La puissance estimée du test s'élève à plus de 98 % (Tableau 1A).

En terme d'efficacité E1 on note donc une réduction significative de l'ordre de 78 % des niveaux de populations d'O. nubilalis (en nombre moyen de larves par pieds à l'automne) avec une pyréthrinoïde de synthèse.

Une autre approche considère l'effet des traitements sur les fréquences d'attaque de la pyrale sur épis. Les résultats vont dans le même sens (Tableau 1B) avec un effet hautement significatif des traitements sur la fréquence d'attaque (x2KW = 27.290 ; ddl = 1 ; P < 10-4).

Les populations de pyrales présentes dans les épis sont donc efficacement contrôlés.

Les teneurs en DON sont réduites

Le tableau 2 donne les teneurs en DON dosées à la récolte. Au plan statistique, on note un effet très hautement significatif des traitements sur ces teneurs (F = 35.925 ; df = 1,88 ; P < 10-4). La puissance du test est par ailleurs estimée à 99.996 (Tableau 2). Cet effet de réduction peut être exprimé sous forme d'efficacité (E2) calculée, qui est de l'ordre de 82 %.

Pyrale, dégâts et teneurs en DON : une relation, mais non linéaire

La figure 1 (page 28), à vocation purement descriptive, donne une idée rapide de la relation entre les niveaux de populations de pyrales, mesurés pour chacun des 45 sites témoins, et les teneurs en DON enregistrées à la récolte.

De même, la figure 2 décrit cette relation mais en considérant cette fois les sites où a été appliqué un traitement insecticide dirigé contre O. nubilalis.

L'interprétation de ces deux représentations graphiques permet d'établir un premier constat : l'effet du traitement insecticide permet bien le contrôle des populations de pyrales, avec pour conséquence indirecte de limiter les niveaux de contaminations en DON.

La description du nuage de points et les faibles R2, observés lors de la mise en relation des niveaux de populations de lépidoptères (R2 = 0,35), ou de leurs dégâts (R2 = 0,44), avec les teneurs en DON, suggère l'existence d'une relation non linéaire.

L'ajustement le plus adapté au nuage de points est au final une courbe dont on modélise l'existence d'un phénomène de saturation par des termes quadratiques (Figures 3 et 4). On constate, en effet, que passé un certain seuil d'infestation relativement élevé (de plus de 1,5 larve par plante en moyenne), les teneurs en DON n'augmentent plus (Figure 3).

Ce constat est également fait pour la mise en relation des teneurs en DON et des dégâts causés par la pyrale avec une saturation des contaminations amorcée à partir de 4 blessures (morsures ou galeries) par épi (Figure 4).

L'étude des liens entre les lépidoptères, leurs dégâts et les teneurs en DON a impliqué le développement d'un modèle dont les termes quadratiques ainsi que les autres variables explicatives sont présentés sous sa forme saturée (ou modèle complet), ainsi défini comme suit :

LNDON ~ Parcell+LTige+I(LTige^2)+LEpi+I(LEpi ^2)+Injury+I(Injury^2) (1)

La mise en œuvre du processus de hiérarchisation des variables d'Akaike ou AIC nous a permis d'ordonner et de retenir, à partir du modèle saturé (1), les variables significativement contributives au modèle final (2). Le tableau 3 donne les coefficients et les probabilités associées des variables retenues pour le modèle final correspondant aux teneurs en DON :

LNDON ~ LTige + LEpi + I(LEpi^2) (2)

Le modèle « déoxynivalénol » [Ln (DON+1)] prend ainsi en compte les variables suivantes : les populations de pyrales présentes dans les tiges et les épis ainsi que les termes quadratiques associés (Tableau 3).

Sélection des modèles par le processus AIC (Akaike's Information Criterion) (Venables et Ripley, 2002).

Model final avec coefficients: nLNDON ~ 4.159 LTige + 19.944 LEpi – 70.806 I(LEpi^2) (2)

Ce qui donne à réfléchir

Ces résultats obtenus sur les teneurs en DON, notamment via le contrôle insecticide des insectes foreurs avec une pyréthrinoïde de synthèse, avaient pu être observés lors de travaux précédents (Folcher et al., 2009a).

Ailleurs, les fumonisines

Dans le même esprit, d'autres travaux avaient permis de montrer un impact positif du contrôle génétique opéré par un maïs génétiquement modifié pour résister aux lépidoptères, sur les teneurs en fumonisines B1/B2. Dans ce cas, le maïs Bt permettait de réduire de plus de 90 % les teneurs en fumonisines des récoltes. Dans le respect du seuil maximal fixé pour les fumonisines (4 000 ppb) par l'Union Européenne, seuls 45 % des lots issus des modalités témoins non Bt étaient commercialisables, contre 97,5 % des lots issus de maïs Bt (Folcher et al., 2010).

Ces travaux corroborent ceux réalisés dans d'autres pays, notamment des essais conduits au champ aux états-Unis de 2000 à 2002 où Hammond et al. (2004) avaient trouvé des teneurs en fumonisines plus faibles dans les hybrides Bt que leurs contreparties isogéniques.

Même en Alsace, où la pyrale attaque moins les épis...

L'impact des foreurs demeure donc un facteur à ne pas sous-estimer. Cependant, les résultats observés sur fumonisines ont été obtenus à partir d'expérimentations implantées dans d'autres contextes spatiaux et donc climatiques. Dans notre travail, le contexte spatial et le déterminisme génétique d'O. nubilalis se traduisent par le développement d'une seule génération (zone univoltine stricte) avec des pontes sur épi plus limitées qu'en zones plurivoltines. Les attaques, bien que moins nombreuses et moins fréquentes, constituent pourtant un facteur aggravant des contaminations par les communautés microbiennes fongiques toxinogènes du genre Fusarium spp et du risque mycotoxines. Ces résultats innovants en termes de niveaux d'attaques mettent en évidence, en Alsace, le lien entre « l'attaque foreur » et teneurs en DON, même si ces dernières restent bien inférieures en moyenne (849 ppb, tableau 2) au seuil de 1 750 ppb fixé par l'Union Européenne.

Limites climatiques et statistiques

Un certains nombre de limites peuvent cependant être proposées. Les paramètres climatiques, non pris en compte, en sont une première.

Néanmoins, la zone d'implantation des essais est globalement homogène au plan climatique. L'effet année n'a par ailleurs pas été pris en compte. Ainsi en 2009, année sans stress pour le maïs, ce dernier n'a pas ou peu été contaminé par les mycotoxines malgré une infestation moyenne des pyrales. 2006 en revanche, à niveaux de populations de pyrales équivalents à 2009, a été marquée par un stress hydrique à la floraison puis une arrière saison plus favorable aux contaminations.

D'autres limites imputables à l'usage des modèles statistiques peuvent être avancées. Si la normalité des résidus des modèles d'analyses de la variance appliqués à l'étude du contrôle des lépidoptères foreurs et à son effet sur les mycotoxines est respectée, certains résidus du modèle final s'écartent du bruit de fond.

En conséquence, ce modèle explicatif des variations des teneurs en déoxynivalénol reste à affiner, notamment par l'intégration des paramètres climatiques et de l'effet année.

Conclusion

Les résultats obtenus au cours de ce travail ont permis de montrer qu'un contrôle efficace des populations de pyrales avec une pyréthrinoïde de synthèse, évalué ici à 78 %, se traduit par une nette réduction des teneurs en déoxynivalénol. Ce nouvel aspect dans la finalité de la protection des plantes, ayant trait à la sécurité sanitaire, dépasse largement le simple gain de rendement et dénote l'intérêt d'aborder la protection des cultures sous divers angles.

Si la méthode de contrôle des foreurs testée ici est l'agrochimie, d'autres méthodes prophylactiques ou génétiques ont également démontré leurs qualités pour limiter les populations de lépidoptères foreurs en lien avec les Fusarium spp. et les mycotoxines associées.

Toutes ces méthodes présentent leurs propres intérêts ; une seule d'entre elles ne suffira probablement pas et leur combinaison est donc à envisager.

<p><b>Photo en médaillon : larve de pyrale sur épi de maïs et <i>Fusarium.</i> Des relations à l'étude.</b></p> <p>* Syngenta Agro - 1, avenue des Près. CS 10537. 78286 Guyancourt.</p> <p>** Chambre d'agriculture du Bas-Rhin - 2, route de Rôme. BP 30022, Schiltigheim, 67013 Strasbourg.</p> <p>*** Applied Statistics - 2, rue Pons-Capdenier. 31500 Toulouse.</p> <p>**** Coopérative agricole de céréales, 10, rue Lavoisier, BP 91207, 68012 Colmar Cedex.</p>