Lutte biologique contre une plante parasite en Afrique

Parasiter le parasite, c'est le principe de la lutte contre les redoutables mauvaises herbes du genre Striga. La technique, originale, allie la science et les... cure-dents.

Une méthode originale

Agent pathogène et acides aminés

Les échanges sur le parasite Striga avaient pour objectif de donner à chaque chercheur les moyens de développer la nouvelle méthode de lutte biologique dans son propre pays. Outre les exposés en salle, les principales techniques à mettre en oeuvre ont été montrées au laboratoire et en serre.

L'originalité de cette méthode consiste à utiliser, d'une part, un agent pathogène spécifique de la plante parasite pour la détruire, agent nommé Fusarium oxysporum f.sp. strigae et, d'autre part, des acides aminés toxiques pour la plante parasite. Cette originalité justifie, à nos yeux, de faire connaître cette approche.

Contexte

100 millions d'hectares infestés

Le genre Striga compte une quarantaine d'espèces dont onze parasites des plantes cultivées. Parmi ces dernières, S. hermonthica est celle qui provoque les dégâts les plus importants. Elle parasite en effet de nombreuses plantes cultivées telles que le maïs, le sorgho, le millet et le niébé (Vigna unguiculata), cultures vivrières essentielles dans de nombreux pays africains.

On estime à plus de 100 millions d'hectares les zones infectées et ce sont plus de 300 millions de personnes qui subissent les pertes engendrées par cette plante. Les pertes de rendement sont de l'ordre de 50 %, mais elles sont extrêmement variables selon le niveau d'infestation du sol, la culture considérée et les conditions environnementales. Le parasite Striga représente le principal agent limitant la production d'aliments en Afrique. Il est présent sur quasiment tout le continent (voir Figure 1).

Biologie de Striga sp : développement aux dépens des racines de l'hôte

Striga produit de très nombreuses graines qui restent dormantes dans le sol jusqu'au moment où les conditions pédo-climatiques (température et humidité) les conditionnent à la germination. Mais la germination des graines préconditionnées nécessite la présence d'une racine d'une plante-hôte.

Ce sont en effet les exsudats racinaires de la plante-hôte qui induisent la germination de la plante parasite. Très rapidement, l'extrémité de la radicule de Striga se transforme en haustorium, qui va assurer l'adhésion puis la pénétration de la racine de Striga dans la racine de la plante où elle va créer une connexion avec les vaisseaux.

Dès lors, Striga va se développer aux dépens de son hôte, puisant l'eau et les éléments nutritifs dans les vaisseaux de cet hôte. La plante parasite se développe rapidement, fleurit et produit de très nombreuses graines. Celles-ci tombent ensuite au sol où elles entrent en dormance et peuvent se conserver pendant de nombreuses années. Le stock semencier devient vite très important.

Lutte biologique anti-Striga : identification d'un candidat

Méthode inspirée de la lutte contre les cultures illicites

Diverses méthodes de lutte ont été proposées, mais elles sont inefficaces ou beaucoup trop onéreuses pour le paysan africain. En pratique, c'est le désherbage manuel qui est le plus fréquemment employé ; il est principalement effectué par les femmes qui y consacrent énormément de temps.

C'est dans ce contexte particulier que la lutte biologique est envisagée en utilisant un agent pathogène spécifique de Striga. D. Sands, spécialiste des bio-herbicides, a travaillé sur la lutte contre des cultures illicites (coca, pavot, cannabis). Cette lutte fait appel à la fois à des acides aminés toxiques pour les plantes et à des agents pathogènes spécifiques de ces cultures. C'est cette double approche qui a été suivie pour proposer une méthode de lutte contre Striga.

identification d'un potentiel bio-herbicide

Fusarium oxysporum f.sp. strigae est un pathogène qui attaque Striga et provoque le dépérissement des plantes. À partir de plantes dépérissantes observées dans les cultures, il a été possible d'isoler des souches de Fusarium oxysporum et de démontrer leur virulence sur Striga.

La spécificité parasitaire étroite qui caractérise les formes spéciales de F. oxysporum permet d'envisager d'utiliser l'agent pathogène F.o. f.sp. strigae pour détruire la plante parasite sans affecter la plante-hôte. Ayant vérifié la validité de ce concept, il fallait, d'une part, améliorer l'efficacité de la méthode en augmentant l'agressivité des souches pathogènes de Striga et, d'autre part, mettre au point un système de production, distribution et application du bio-herbicide, aussi simple et peu onéreux que possible.

Sélection de souches hyper-productrices d'acides aminés

Identifier au laboratoire les acides aminés intéressants

Pour améliorer l'agressivité des souches sauvages de F.o. f.sp. strigae, il est proposé d'utiliser des variants hyperproducteurs de certains acides aminés. La stratégie originale proposée consiste à identifier des acides aminés qui, apportés en concentration suffisante dans la rhizosphère des plantes, vont perturber le fonctionnement des enzymes de biosynthèse des acides aminés appartenant à la même voie métabolique.

Ceci se traduit concrètement par un effet toxique pour la plante (voir Encadré 2).

Il convient donc, d'une part, d'identifier des acides aminés à effets néfastes contre Striga mais sans effet pour la plante cultivée et, d'autre part, de sélectionner des mutants de F. oxysporum hyper-producteurs des acides aminés ainsi identifiés.

Pour détecter les effets (bénéfiques ou néfastes) des acides aminés sur les plantes, un protocole est disponible. Il consiste à placer les graines dans un papier-filtre imbibé d'un analogue de chaque acide aminé sélectionné et à observer la vitesse de germination et la croissance des plantules. Si un analogue d'acide aminé entrant dans la voie de biosynthèse des protéines rend celles-ci non fonctionnelles, il en résulte des effets délétères sur le développement de la plante.

Tester les acides aminés dans un sol

Ce premier screening effectué in vitro, il faut vérifier les effets observés en répétant l'expérience dans un sol. En effet, les acides aminés peuvent être adsorbés sur les argiles ou la matière organique du sol et/ou rapidement métabolisés par les micro-organismes. Les effets observés in vitro ne le sont donc pas nécessairement in situ.

Sélectionner des souches naturelles hyperproductrices

La production de variants de F.o. f.sp. strigae hyper-producteurs d'un acide aminé précédemment choisi pour sa toxicité vis-à-vis de Striga se fait sans recours à une molécule mutagène. Il suffit d'étaler des conidies de Fusarium à la surface d'une boîte de Petri au centre de laquelle est placé, dans une cavité, un analogue d'acide aminé. Seuls les mutants hyper-producteurs de cet aminé vont former de petites colonies à la surface de la gélose, car même en présence de l'analogue, ils produisent suffisamment d'acide aminé pour assurer la production de protéines fonctionnelles.

Il faudra les repiquer et vérifier leur caractère hyper-producteur d'acide aminé. L'opération peut être répétée plusieurs fois pour sélectionner des variants de plus en plus hyper-producteurs de l'acide aminé.

Production et distribution de l'inoculum pathogène

Le projet « cure-dent »

Dans un premier temps, pour conduire une campagne d'expérimentation au champ, au Kenya, sur maïs, trois variants d'une souche de F.o. f.sp. strigae, hyperproducteurs de tyrosine, leucine et/ou methionine ont été sélectionnés et proposés aux agriculteurs sous le nom de Foxy T14.

L'objectif étant de mettre cette méthode de lutte à disposition des petits paysans africains, il est exclu de produire cet inoculum industriellement dans des fermenteurs de grande capacité puis de le formuler de telle sorte qu'il soit distribué comme cela se fait en Europe pour les produits de biocontrôle à base de micro-organismes.

Un schéma original de production et distribution de l'inoculum est proposé sous l'appellation « The Toothpick Project » ou « projet cure-dent »(1). L'idée consiste à utiliser un cure-dent pour distribuer aux agriculteurs l'inoculum « primaire » produit au laboratoire, la production de l'inoculum « final » étant réalisée directement par l'utilisateur final, c'est-à-dire le petit paysan.

Processus de culture des souches

Les souches de F.o. strigae sélectionnées sont cultivées, au laboratoire, en boîte de Petri sur un milieu de culture gélosé classique, type PDA. Lorsque le développement est suffisant, une cinquantaine de cure-dents en bois, précédemment stérilisés, sont déposés à la surface de la culture fongique.

Après trois à quatre jours, ils sont colonisés par le Fusarium. Ils sont alors retirés de la boîte de Petri et mis à sécher lentement en conditions aseptiques. Puis ils sont introduits individuellement dans des « pailles », normalement utilisées pour la boisson, qui sont scellées à leurs extrémités.

Cet inoculum est alors facilement transporté et distribué aux paysans qui produiront eux-mêmes l'inoculum « final ». Ce champignon du genre Fusarium est facile à cultiver sur des grains de riz ou de millet préalablement cuits.

Essai au Kenya

Lors d'une première campagne d'expérimentation à grande échelle au Kenya, F.o. strigae a été cultivé sur des grains de riz cuit placés dans des boîtes en matière plastique, désinfectée à l'éthanol. Trois cure-dents colonisés par trois variants différents de F.o. strigae sont introduits dans le riz et servent à l'inoculation de ce dernier. Après trois jours à température ambiante avec brassages réguliers, le riz est suffisamment colonisé. La méthode permet d'apporter au sol dans le trou de plantation un inoculum en phase de croissance et multiplication assurant une efficacité maximale.

Application de l'inoculum et évaluation de la méthode

Des résultats très positifs

La première application à grande échelle a concerné 500 fermes. Le maïs étant semé manuellement, 2 g de riz inoculé ont été apportés dans chaque trou de plantation. Les notations ont porté sur l'émergence et le développement de Striga, sur la croissance et le rendement du maïs lors des deux périodes de culture réalisées pendant la longue et la courte saison des pluies. Le résultat est très intéressant : la quasi-totalité des paysans (99,6 %) ont enregistré, dans la parcelle traitée par F.o. strigae, un rendement équivalent ou meilleur que dans la parcelle témoin (conduite identique, à l'exception de l'apport de Fusarium) (Figure 2).

Le rendement enregistré pendant la saison des pluies de mars à juin a été supérieur de 56,5 % dans les parcelles traitées et 30 % des paysans ont doublé leur rendement par rapport au témoin. Pendant la seconde période de culture, climatiquement moins favorable, les rendements sont plus faibles, mais 42 % plus élevés dans les parcelles traitées par rapport aux parcelles témoin.

L'émergence de Striga a été réduite de 80 % sur la première saison de culture du maïs et de 92 % sur la seconde période de culture. Cette première application de Foxy T14 a donc permis de valider cette méthode de lutte à l'échelle de 500 fermes au Kenya.

Sécurité : pas de toxine détectée

Vu les manipulations nécessitées par cette méthode et effectuées manuellement par les paysans, essentiellement des femmes, il est important de s'assurer que les souches de F.o. strigae sélectionnées ne produisent pas de toxine. Aucune trace des cinq toxines les plus communément produites par Fusarium n'a été détectée. Il s'agit de : deoxynivalenol, 3-acetyldeoxynivalenol, 15-acetyldeoxynivalenol, nivalenol et zearalenone. De même, aucune trace de fumonisine n'a été détectée.

Perspectives

Adapter la méthode à d'autres pays et d'autres cultures

Il convient maintenant d'assurer le développement de cette méthode de lutte dans différents pays africains dans lesquels sévit Striga et élargir cette lutte à d'autres cultures que le maïs. En effet, comme nous l'avons précisé, il convient d'identifier des acides aminés toxiques pour Striga mais qui n'affectent pas la plante-hôte.

Or Striga affecte de nombreuses cultures vivrières autres que le maïs (sorgho, millet, niébé, pois chiche, arachide, etc.) Il convient donc d'éprouver l'effet des acides aminés sur toutes ces espèces végétales, puis de sélectionner des variants de F.o. f.sp. strigae hyper-agressifs car hyper-producteurs des acides aminés sélectionnés.

D'autre part, pour des raisons réglementaires mais aussi scientifiques (adaptation des souches de F.o. f.sp. strigae aux conditions pédo-climatiques locales), il est indispensable de sélectionner des souches de F.o. f.sp. strigae isolées des différents pays dans lesquels la lutte sera appliquée.

Créer un réseau de chercheurs

Ainsi s'ouvre un vaste champ de recherche/développement dans chacun des pays susceptibles de développer cette lutte biologique contre Striga.

Un des principaux objectifs de cette session de formation à l'université de l'État du Montana (Montana State University) était de fournir les bases indispensables à la mise en route de cet ambitieux programme dans différents pays africains et de créer un réseau de chercheurs prêts à collaborer au développement de cette méthode de lutte.

Perspectives en Europe

L'orobanche et le trèfle rouge

Il faut savoir que des essais de lutte biologique contre l'orobanche ont déjà eu lieu en Europe. Un article récent rend compte des résultats d'une expérimentation réalisée au champ, à Dijon. Après avoir sélectionné les acides aminés potentiellement toxiques pour l'orobanche, l'essai visait à utiliser ces acides aminés pour diminuer l'incidence de l'orobanche en culture de trèfle rouge (Fernández-Aparicio, 2017).

Longtemps négligée en Europe et particulièrement en France, la lutte biologique contre les adventices mérite d'être prise en considération si l'on souhaite réellement diminuer l'utilisation des pesticides de synthèse et en particulier des herbicides.

Faciliter l'usage du biocontrôle

Cet exemple africain appelle à réfléchir sur l'approche européenne du biocontrôle. En Europe, cette approche passe nécessairement par une autorisation contraignante d'autorisation de mise sur le marché qui conduit à une production centralisée des agents de lutte.

N'y aurait-il pas, en regard de cette approche industrielle, de la place pour une production décentralisée d'agents de lutte directement au niveau des exploitations qui vont les mettre en oeuvre ? Il n'est pas question d'autoriser tout et n'importe quoi, mais de faciliter l'usage de produits de biocontrôle qui auraient satisfait des exigences minimales d'innocuité pour l'homme et l'environnement.