Faculté des sciences

Enhancing the use of entomopathogenic nematodes for biological control of root pests : from field persistence to improved shelf-life

Jaffuel, Geoffrey ; Turlings, Ted (Dir.)

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2016.

L’agriculture évolue vers des stratégies plus durables car l’application de produits agrochimiques et la lourde gestion des sols ont un impact sur l’environnement et réduisent la qualité des sols. La possibilité d’utiliser des agents biologiques, pour remplacer ou en combinaison avec les pesticides, est une solution envisagée depuis plusieurs dizaines d’années. Les nématodes... Plus

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    Résumé
    L’agriculture évolue vers des stratégies plus durables car l’application de produits agrochimiques et la lourde gestion des sols ont un impact sur l’environnement et réduisent la qualité des sols. La possibilité d’utiliser des agents biologiques, pour remplacer ou en combinaison avec les pesticides, est une solution envisagée depuis plusieurs dizaines d’années. Les nématodes entomopathogènes (NEP) sont très prometteurs à cet égard. Les NEP sont des parasites obligatoires d’insectes. Les NEP, combinés à leurs bactéries symbiontes, sont capables de tuer leurs hôtes très rapidement.
    Les NEP peuvent, dès maintenant, être produits en masse, et de nombreux efforts sont mis en œuvre pour développer de nouvelles méthodes de formulations et d’applications afin de réduire leur coût et de les rendre compétitifs comparés aux pesticides. De plus, Il est important de connaître les caractéristiques et les effets des sols sur les micro-organismes pour développer des stratégies de gestions et d’applications qui permettent aux NEP, présents naturellement ou introduits, d’être dans de bonnes conditions pour jouer leurs rôles d’agents biologiques.
    Comprendre les conditions nécessaires aux NEP pour survivre et rester infectieux dans un certain type de sol est un point clé pour le succès de leurs établissements. Nous avons utilisé une méthode commune qui consiste à utiliser une larve comme appât, ainsi que la technique de la réaction en chaine polymérase quantitative (RCPq) pour mesurer les effets de différents systèmes agricoles (conventionnel, organique, biodynamique) ainsi que du type de culture (blé d’hiver, maïs, fourrages graminée-trèfle) sur les NEP, mais aussi sur d’autres membres de leur chaîne alimentaire. Dans tous les champs que nous avons investigués à travers la Suisse, les NEP étaient peu abondant, et nous n’avons détecté aucune différence entre les différents systèmes agricoles inclus dans cette étude. Cependant, le type de culture a influencé la distribution des NEP et des membres de leurs chaînes alimentaires qui étaient plus abondants dans les parcelles de blés d’hiver.
    Dans cette thèse, nous avons aussi investigué des exsudats et des extraits de plantes contenant un ou des composés qui déclenchent un état réversible de dormance (ou quiescence) chez les NEP. Le but éventuel étant d’intégrer ces « facteurs de quiescence » (FQ) dans les formulations de NEP pour augmenter leur durée de vie. Nous avons montré que les exsudats de l’apex racinaire de germinât de petit pois (Pisum sativum) déclenchent un état de quiescence chez plusieurs espèces de NEP. Puis nous avons développé une méthode d’extraction, à partir de racine gelée dans l’azote liquide, pour augmenter la concentration du ou des facteur(s) de quiescence, et montré que ces extraits sont très puissants. Ils peuvent également être obtenus à partir de l’intégralité de racines de maïs (Zea maize). Les NEP sont capables de se réveiller et d’infecter une larve malgré une exposition à une forte dose de FQ. Les efforts produis pour identifier le ou les composés actifs sont toujours en cours.
    Finalement, les NEP, naturellement présents dans le sol ou introduits, ont besoin de rester infectieux pour une période de temps suffisante, leur permettant de jouer leurs rôles d’agents biologiques. Le sort et la persistance des NEP dans un milieu dépendent en grande partie de la composition du sol et des stress biotiques et abiotiques qu’ils peuvent y rencontrer. Nous avons testé la possibilité d’utiliser des parcelles sous couvert végétaux au cours de l’hiver pour augmenter la survie des NEP pendant la période froide. De nouveau nous avons utilisé la méthode d’appât et de qPCR et montré que le couvert végétal avait un effet marginal sur la survie et l’infectivité hivernale des NEP. L’abondance des NEP naturellement présents dans le sol était très basse comme dans nos précédents résultats, mais celle des NEP introduits étaient plus satisfaisante même après l’hiver. Leurs abondances ont décru au fil du temps, mais ils étaient plus infectieux après l’hiver (Mars) que seulement un mois après les avoir introduits (Novembre).
    Globalement, nos données montrent que les NEP étaient peu abondants dans les sols agricoles Suisse et leurs nombres ne semblaient pas être affectés par les différents systèmes agricoles mis en place. Cela voudrait dire que les NEP pourraient être utilisés dans des programmes de lutte intégrés dans des sols dont la gestion est lourde. De plus, nous avons mis en évidence le grand potentiel d’un composé naturellement produit par les plantes pour augmenter la durée de vie des NEP et donc d’être inclus dans les formulations de NEP. Finalement la survie après l’hiver des NEP appliqués était satisfaisante mais n’était que marginalement améliorée par la présence d’un couvert végétal. Nous faisons l’hypothèse que le manque d’hôtes adaptés, surtout dans les cultures, peut expliquer la faible présence des NEP. En Suisse, le sol n’est pas sujet à une invasion massive d’une peste, et le rôle des NEP est pour le moment optionnel. Cependant, en cas d’invasion, la faible abondance que nous avons enregistrée pourrait ne pas être suffisante pour contrôler une population de peste qui se répandrait. C’est pour cela que nous suggérons de contrôler la population de NEP à nouveau, et si leur abondance est toujours aussi faible, nous conseillons d’introduire des NEP.
    Summary
    Agriculture is evolving towards more sustainable strategies since the application of agrochemicals and physical management of the soil have severe environmental impact and deplete soil quality. The potential of using biocontrol agents to replace or in combination with pesticides has been investigated for several decades. Entomopathogenic nematodes (EPN) are very promising in this respect. EPN are obligatory parasites of insects and together with symbiotic bacteria kill their host very rapidly. EPN can be mass-produced and efforts to develop novel formulation and application methods are ongoing to reduce the cost and increase their biocontrol efficacy as compared to pesticides. Moreover, it is recognized that investigations into how soil characteristics affect naturally occurring and the released EPN are needed to develop management and application strategies that provide favorable conditions for EPN.
    Understanding the conditions that are necessary for nematodes to survive and to remain active in the soil is a key aspect for the successful application of EPN. We used traditional insect baiting methods and quantitative polymerase chain reaction (qPCR) measurements to investigate the effect of different farming systems (conventional, bio-organic, and biodynamic) and crop type (winter wheat, maize, grass-clover ley) on EPN, as well as on other members of the associated food web. The abundance of EPN was very low in the numerous field sites that were investigated throughout Switzerland, and no difference was detected between the different farming management practices that were included in the studies. However, the crop type influenced the distribution of the investigated microorganisms that were found to be more abundant in winter wheat plots.
    In this thesis I also investigated plant root exudates and extracts containing a compound or compounds that trigger a reversible state of quiescence in EPN. The eventual aim is to incorporate such “quiescence factors” (QF) in EPN formulations in order to increase the shelf-life of such formulations. We found that pea (Pisum sativum) root-cap exudate triggered quiescence in several species of EPN. We develop a method to extract the active compound(s) from deep-frozen roots to increase the concentration of the sought-after compound(s), and we showed that this extract was highly potent and could also be readily obtained from maize (Zea maize) roots. EPN were able to recover and infect insect larvae even after exposure to very high doses of QF. Efforts to identify the active compound(s) are still ongoing.
    Finally, naturally occurring or applied EPN need to remain active in the soil for a sufficient time period for them to be able to play their biocontrol role. The fate and persistence of EPN depend greatly on the composition of the soil and its protection against biotic and abiotic stresses. We investigated the use of winter cover crops that may enhance the survival of EPN throughout the winter. Again using insect baiting and qPCR methods we showed that cover crops have minimal positive effects on the overwintering survival and activity of EPN. The abundance of naturally occurring EPN was confirmed to be very low, but applied EPN were able to survive the winter. Their abundance decreased over time, but they were found to be as infectious after the winter (March) than just one month after application during the preceding fall (November).
    Together, our data show that EPN in Swiss agricultural soil are scarce and their numbers do not seems to be affected by the different farming practices and they could be used in program involving heavily managed soils. Moreover, we bring strong support for the potential of a naturally plant-produced QF to be included in EPN formulation to increase their shelf-life. Finally, applied EPN persisted through the winter, but was moderately enhanced by the presence of a cover crop. We hypothesize that the low prevalence of EPN is due to a lack of suitable hosts, especially in agricultural fields. As yet, most Swiss crops have not suffered from extensive soil pest invasions and therefore EPN scarcity may not be relevant in these systems. This will change in case of pest outbreaks. The current EPN numbers in the soil may not be able to stop a spreading pest population and under those circumstances, an augmentation approach is advisable.