Un point sur la résistance des insectes à la confusion sexuelle

Après vingt à trente années de confusion au sein de mêmes parcelles, il est légitime de se poser la question d'un possible contournement de la solution par les lépidoptères.

Une grande partie des ravageurs en arboriculture et en viticulture sont les lépidoptères nocturnes dont la rencontre des sexes et la reproduction sont conditionnées par une médiation chimique : les femelles émettent une phéromone qui est perçue à distance par les mâles de la même espèce, au niveau des antennes (organes de l'olfaction chez les insectes). La perception de ce parfum volatil induit chez le mâle un déplacement à longue distance, orienté vers la femelle qu'il doit localiser pour s'accoupler. Les identifications des phéromones sexuelles ont permis le développement de la confusion sexuelle pour contrôler les lépidoptères ravageurs. Cette solution de lutte développée depuis plus de quarante ans peut-elle être contournée par des populations de papillons devenues résistantes ?

Petit rappel pour éviter toute confusion

Historique

L'idée de rompre la communication chimique entre les mâles et les femelles de lépidoptères en appliquant une forte quantité de phéromone a germé dès les années 1960 dans l'esprit des scientifiques. Dès les premières identifications de phéromones et les premières synthèses, qui rendaient les molécules phéromonales disponibles, des essais ont été menés en champ. Après un premier essai infructueux de Burgess en 1964, en partie lié à la qualité de la matière active, Gaston et al. (1967) ont démontré sur une petite échelle, avec peu de matière active et sur une durée courte que la saturation de l'atmosphère avec de la phéromone de l'insecte diminuait significativement la rencontre des sexes et les pontes, donc les dégâts.

Depuis, les recherches sur la communication chimique chez les insectes et plus particulièrement par phéromone ont connu un essor impressionnant, en partie lié aux avancées technologiques et à l'intérêt de ces médiateurs chimiques dans le cadre du biocontrôle. Les phéromones de beaucoup d'espèces ont été identifiées(1) et la méthode de lutte par confusion a été développée par les industriels du phytosanitaire.

L'expérience acquise au cours de ces sept décennies porte essentiellement sur les lépidoptères parmi lesquels le carpocapse des pommes Cydia pomonella, l'eudémis de la vigne Lobesia botrana et la tordeuse orientale du pêcher Grapholita (Cydia) molesta : en fait peu d'espèces par rapport au nombre de phéromones identifiées.

Rompre la communication

Le principe de la confusion sexuelle est le suivant : des quantités importantes de phéromone sont répandues sur les parcelles cultivées. Quelques chiffres : une femelle émet en une nuit et selon les espèces des quantités de l'ordre du nanogramme (ng = 10-9 g) à la centaine de nanogrammes. Les quantités appliquées en confusion sont de l'ordre de la centaine de grammes avec une diffusion idéale de 15 mg/ha/h, soit 15 millions de ng, l'équivalent de 1 500 000 femelles de carpocapse/ha/h (si on considère une production de 10 ng/femelle). Dans ces conditions, les mâles ont les récepteurs olfactifs saturés par la phéromone et leur comportement est perturbé, notamment le déplacement orienté vers la femelle.

Les conditions pour un possible contournement

Pression de sélection et résistance

Après cinquante années d'expérience et souvent vingt à trente années de traitements au sein des mêmes parcelles, dans la même région, il est légitime de se poser la question de l'apparition de phénomène de résistance ou du moins de la possible apparition d'un contournement de la confusion sexuelle par l'insecte ciblé.

Dès 1995, Cardé et Minks posaient la question en constatant que les ravageurs soumis à cette technique de lutte sont défavorisés et que la pression de sélection pourrait induire l'apparition de résistance ou une altération du système de communication chimique.

Des assemblages complexes de molécules

Les phéromones sexuelles des lépidoptères sont bien connues et, hors des cas rares où un seul composé constitue la phéromone sexuelle, la majorité des phéromones est constituée d'un assemblage de plusieurs composés dans des ratios précis. Les études comportementales et le piégeage sur le terrain ont montré que les composés minoritaires pouvaient avoir une importance majeure, leur absence aboutissant à l'absence de réactivité de l'insecte récepteur.

Pour l'attraction, la phéromone est une matière complexe, qui doit être reproduite le plus exactement possible en qualité avec la présence de toutes les molécules, en respectant les proportions naturelles des composés mais aussi les quantités optimales. Les mâles ne répondent qu'à des quantités bien définies, souvent spécifiques. Suivant les espèces, les mâles sont plus ou moins tolérants aux variations des ratios des molécules. On parle de fenêtres de réponse des mâles.

Le potentiel de résistance à la confusion dépendra des capacités de variations de la qualité et de la quantité de la phéromone, mais aussi de la fenêtre de réponse des mâles à la phéromone. Par exemple, on pourrait penser que la sélection favoriserait la femelle la plus distincte avec le mélange le plus optimisé pour que le mâle la localise dans un milieu saturé en phéromone. Mais dans la nature, cette déviation serait contre sélectionnée (la communication chimique est considérée comme stabilisée). Et la sélection se serait surtout exercée au niveau interspécifique pour maintenir la spécificité de la rencontre des sexes.

Des gènes indépendants

La rencontre des sexes par phéromone sexuelle implique plusieurs niveaux sur lesquels la sélection devra s'exercer : chez la femelle au niveau de la biosynthèse des constituants de la phéromone, et chez le mâle au niveau des récepteurs olfactifs et des comportements. Lo<0308_7>fstedt et ses collègues (Lo<0308_8>fstedt et al., 1989 ; Lo<0308_9>fstedt, 1993) ont éclairci la part de chacun des gènes. Ils ont démontré que la production de la phéromone chez la femelle, et la réception et les comportements chez le mâle sont contrôlés par des gènes indépendants. Cette absence de lien entre les gènes rend donc difficile la sélection positive d'un nouveau caractère.

Appréciation des risques de souches résistantes

Une hypothèse

La confusion pourrait causer chez les femelles un changement du mélange phéromonal naturel avec soit une modification des ratios des composés, de la quantité émise, de la composition de la phéromone avec ajout ou disparition de composé. Chez les mâles, les modifications porteraient soit sur la détection des composés, soit sur la fenêtre de réponse ou sur l'intégration du mélange phéromonal au niveau du système nerveux central.

Les progrès technologiques ont permis de caractériser les phéromones, non plus à partir d'extrait de centaines de glandes, mais à partir d'une seule glande. La connaissance de la variabilité de l'émission permet d'évaluer les possibilités de changement du mélange phéromonal ou de la quantité de phéromone et donc d'apprécier les risques de la sélection de nouvelle souche.

Polymorphisme phéromonal intraspécifique

Bien que les phéromones des lépidoptères soient considérées comme répondant à une sélection stabilisée, plusieurs exemples rapportent des variations de la composition phéromonale au sein de populations caractérisées par une origine géographique différente ou par une plante hôte différente (Frérot et Foster, 1991 ; Pelozuelo et Frérot, 2004). Dans ces exemples, les différences sont très marquées, avec d'une part l'absence d'un composé et d'autre part des ratios des deux constituants opposés. L'isolement reproducteur est complet dans la nature mais l'hybridation entre les phérotypes est possible au laboratoire où elle donne une descendance viable. Le polymorphisme phéromonal intraspécifique existe entre des populations différentes et est lié à des modifications importantes de la composition de la phéromone.

Au sein d'une même population, il a été démontré, sur plusieurs espèces de lépidoptères, que l'émission de phéromone était constante pendant la période d'appel(2) (Pope et al., 1982 ; Witzgall et Frérot, 1989) et que les ratios des composés majoritaires étaient bien conservés alors que de faibles variations pouvaient exister pour les composés minoritaires.

Cas du carpocapse des pommes : étude des variations phéromonales

Le carpocapse est une des premières espèces traitées par confusion sexuelle. La première identification de la phéromone par Roelofs et al. (1971) n'a détecté qu'un seul composé : la codlémone, qui était de plus nécessaire et suffisante pour attirer les mâles. Par la suite, la phéromone s'est avérée être plus complexe et contenir plusieurs autres molécules (Arn et al., 1985 ; Witzgall et al., 2003). Les ratios de ces composés minoritaires peuvent varier au cours de la période d'appel ainsi que la quantité totale émise, qui décroît au cours du temps (Bäckman et al., 1997). Dumenil et al. (2014) ont fait une étude très complète sur la variation individuelle de la production de phéromone :

- en fonction de l'origine géographique des insectes ;

- sur des insectes sauvages et d'élevage ;

- sur des insectes provenant de parcelle en confusion.

Les quantités de phéromones varient à l'intérieur de chaque population. Par exemple, pour la population canadienne, la quantité de phéromone par femelle varie de 0,62 ng à 8,27 ng. Les ratios des différents composés de la phéromone ne varient qu'en fonction de l'origine géographique. Les femelles d'élevage produisent plus de phéromone que les femelles sauvages. En situation de confusion sexuelle, la production de la phéromone est sensiblement augmentée, les femelles produisant surtout plus de codlémone. Les variations de ratios entre les composés restent mineures, de l'ordre de 5 %. Elles portent de plus sur des composés minoritaires dont le rôle comportemental n'est pas toujours clair.

Cas d'une noctuelle : femelles mutantes d'élevage

Liu et Haynes (1994) ont mis en évidence chez une noctuelle Trichoplusia ni des mutants phéromonaux à la suite de successions de générations en conditions d'élevage. Les femelles mutantes produisent un mélange qui contient les mêmes composés que les femelles normales mais avec des ratios très différents. Les mâles mutants restent capables de s'accoupler avec les femelles non mutantes aussi bien qu'avec les mutantes. Les mâles normaux préfèrent toujours les femelles normales. En conséquence, dans un système ouvert où les flux de gènes(3) existent, le caractère mutant lié à la production d'une phéromone différente ne serait pas sélectionné. Cet exemple confirme l'indépendance entre la production de la phéromone et la réponse des mâles. Evenden et Haynes (2001) ont aussi étudié les effets de la confusion sexuelle sur ces souches mutantes et normales. Ils concluent que la confusion préserve le caractère mutant des femelles et ils émettent l'hypothèse que ces dernières seraient plus visibles olfactivement que les femelles normales dans une situation de confusion. Bien que cette expérience ne tienne pas compte des flux de gènes liés aux conditions naturelles, et que les mutants soient apparus en élevage, elle démontre la possibilité qu'une phéromone mutante soit favorisée en condition de confusion sexuelle.

Fenêtre de réponses des mâles

Un des facteurs importants pour la sélection d'un caractère nouveau qui apparaîtrait chez les femelles est la fenêtre de réponse des mâles, c'est-à-dire la tolérance olfactive chez les mâles aux écarts de ratio des constituants d'une phéromone. Dans l'exemple ci-dessus, les mâles sont très tolérants et s'accouplent aussi bien avec les femelles mutantes que les normales. Si la fenêtre est étroite et que l'accouplement est asymétrique, les caractères mutants des femelles ne seront pas sélectionnés et la mutation disparaîtra. Pour beaucoup d'espèces, cette fenêtre de réponse n'est pas connue.

Un cas de résistance avérée : une histoire complexe

Japon : résistance d'un papillon tortricidé

Le premier cas de résistance à la confusion sexuelle est signalé au Japon à la fin des années 1990 après seize ans de confusion sexuelle contre deux ravageurs du thé (Mochizuki et al., 2002). Le terme de résistance caractérise une forte réduction de l'efficacité de la confusion enregistrée par piégeage. L'insecte présentant cette résistance est un des deux ravageurs, Adoxophyes honmai (Yasuda), dont la phéromone est un mélange de quatre composés dont deux majoritaires : le Z9-14:Ac et le Z11-14:Ac (63 %/31 %). Le dernier composé est aussi le composé majoritaire de l'autre ravageur du thé : Homana magnanima (Diakonoff). Le Z11-14:Ac a été utilisé seul comme agent de confusion contre les deux espèces. L'insecte devenu résistant a donc été soumis à un seul composé de sa phéromone et, qui plus est, à un composé uniquement présent à hauteur de 30 % dans la phéromone. Nous sommes donc face à un cas très atypique où la confusion repose sur l'émission d'un composé unique qui n'est pas le composé majoritaire de la phéromone.

Une fenêtre de réponse très large des mâles résistants

La fenêtre de réponse de la souche naturelle a été étudiée. La majorité des mâles répondent au mélange phéromonal émis par les femelles normales, mais 50 % des mâles testés peuvent répondre positivement à des mélanges complètement différents dans lesquels les ratios des deux composés majoritaires vont de 98 %/2 % à 2 %/98 %. Cependant, ils ne répondent pas aux mélanges où un de ces composés est absent et, en cela, ils diffèrent de la souche résistante. Environ 50 % des mâles résistants sont attirés par des mélanges où un des deux composés majoritaires manque. Les mâles résistants ont une fenêtre de réponse très large, une capacité à répondre à des mélanges très différents et peuvent même se passer d'un des deux composés majoritaires (Tabata et al., 2007 b).

Le mélange phéromonal émis par les femelles est légèrement différent chez les femelles résistantes qui présentent un ratio 50/50 de Z9-14:Ac/Z11-14:Ac alors que les femelles sensibles ont un ratio des deux composés de 63/31 (Tabata et al., 2007 a). Les quantités de phéromone produites par les femelles des deux souches sont du même ordre : un peu moins de 100 ng.

La part de la résistance dans cet exemple revient aux mâles qui présentent de façon naturelle une fenêtre de réponse large et chez qui la réalisation du comportement d'attraction s'est affranchie d'un mélange phéromonal complet. L'insecte est naturellement peu exigeant quant à la qualité du message chimique.

La solution : la phéromone complète

La solution apportée au problème a été d'utiliser la phéromone complète. L'efficacité a été retrouvée. Cet unique exemple de résistance pose la question de l'usage de formulation générique pour plusieurs espèces et une nouvelle fois la question des mécanismes de la confusion sexuelle : l'attraction compétitive et la fausse piste versus la non-compétition et le camouflage du signal (Miller et al., 2006 ; Miller et Gut, 2015).

Biologie et lieux d'accouplement

La confusion appliquée sur une unité culturale n'est valable que si l'on est certain que les insectes adultes s'accouplent dans les parcelles cultivées. Contrairement à ce qui est admis, le fait est loin d'être constant et mérite d'être vérifié. Quelques exemples et l'absence générale de littérature sur ce point de biologie donnent à cette remarque toute sa valeur.

Des études dans des champs de choux avec des insectes lâchés dans la partie centrale ont montré que les mâles et les femelles de Mamestra brassicae L. ne restaient pas dans la parcelle cultivée. Aucun insecte n'était retrouvé ni de jour, ni de nuit, hors des femelles fécondées qui revenaient pondre sur la plante-hôte (Frérot, résultats non publiés). L'usage de pièges à phéromone a confirmé ces observations avec très peu de recapture des mâles au sein de la parcelle par rapport aux recaptures dans les zones boisées. Ces observations démontrent que la confusion contre la noctuelle du chou dans la parcelle cultivée ne servira pas à grand-chose et que l'intérêt doit être porté sur le comportement des femelles gravides qui doivent localiser la plante-hôte pour la ponte.

La pyrale du maïs, Ostrinia nubilalis, fournit un autre exemple chez les lépidoptères : les mâles et les femelles qui émergent ne restent pas dans le champ de maïs, mais se regroupent dans des zones herbacées où ils s'accouplent. Seules les femelles fécondées reviennent dans la parcelle pour y pondre. La confusion n'aurait pas d'effet sur les populations de pyrale du maïs et n'a d'ailleurs pas été envisagée dans les parcelles cultivées mais dans les zones où se retrouvent les adultes mâles et femelles (Fadamiro et al., 1999).

Une vigilance nécessaire

L'apparition de résistance chez l'insecte soumis à la lutte répétée par confusion sexuelle n'est pas une hypothèse à rejeter. Les risques seront liés à une modification de la phéromone chez une espèce où la fenêtre de réponse des mâles et la plasticité olfactive est importante. Le seul cas connu reste marginal. Il concernait un usage rare où un seul composé de la phéromone est utilisé pour la confusion et, qui plus est, n'est pas le composé majoritaire. Ce fait est cependant un enseignement intéressant pour l'usage des formulations approximatives et génériques destinées à plusieurs espèces.

Dans les cas où la fenêtre de réponse des mâles est étroite, une mutation modifiant la phéromone chez la femelle doit correspondre à des modifications de l'olfaction et du comportement chez les mâles.

Le polymorphisme phéromonal au sein d'une même espèce existe et constitue un risque de sélection d'un caractère nouveau si celui-ci est compatible avec la perception et l'intégration de ce nouveau signal par les mâles. En condition de confusion, le système de reconnaissance spécifique pourrait favoriser des individus singuliers, qui en conditions naturelles ne seraient jamais sélectionnés.

La plasticité de la réponse des mâles ne fait plus de doute chez certaines espèces et reste une des composantes importantes du possible contournement de la réponse des mâles en situation de confusion sexuelle. L'apparition de mutants existe aussi mais dans des conditions d'élevage qui sélectionnent déjà des insectes très particuliers et où il n'existe pas de flux de gènes. La variabilité du système montre qu'il faut être vigilant.

Il sera toujours judicieux, pour les espèces contrôlées par la confusion sexuelle, de connaître le rôle des composés minoritaires sur le comportement et de mieux comprendre, en fonction des espèces et des méthodes, les mécanismes mis en jeu dans la confusion.

Face à l'arrivée de nouveaux ravageurs, le développement de la lutte par confusion sexuelle est une alternative de lutte intéressante, mais qui nécessite avant d'être déployée de s'assurer que la culture est bien le lieu de reproduction. Le polymorphisme intrapopulationnel ainsi que la connaissance des fenêtres de réponse des mâles restent aussi un préalable pour gérer les risques de résistance.

(1) https://www.pherobase.com(2) Période de production de la phéromone qui est aussi la période des accouplements.(3) Le flux de gènes est l'échange de gènes ou de leurs allèles entre différentes populations apparentées en raison des déplacements d'individus fertiles. Il permet le brassage génétique qui n'existe pas en conditions d'élevage.