Lutter contre les nuisibles grâce à la biodiversité plutôt qu'aux insecticides

Les plantes interagissent avec les individus qui les entourent — tout comme les êtres humains.

Si, par exemple, les personnes de l'entourage sont vulnérables aux infections, le risque de contagion augmente. En revanche, si elles sont résistantes, ce risque diminue. Il en va de même pour les plantes : lorsque différents types génétiques d'une même espèce sont cultivés ensemble, certaines combinaisons se révèlent plus résistantes aux nuisibles et aux maladies. Cet effet positif sur la diversité biologique est appelé résistance associative.

Sécurité alimentaire et protection de la biodiversité

L'un des défis des sociétés modernes est de concilier la sécurité alimentaire avec la protection de l'environnement et la diversité biologique. Les nuisibles et les maladies menacent les récoltes, ce qui conduit à l'utilisation de produits phytosanitaires chimiques dans l'agriculture. Or, les pesticides peuvent réduire la diversité des espèces d'insectes. «La résistance associative pourrait ici constituer une solution, en tant que méthode de culture permettant de garantir la production alimentaire tout en préservant la biodiversité», déclare Kentaro Shimizu, directeur de l'Institut de biologie évolutive et des sciences de l'environnement de l'Université de Zurich (UZH).

Mais quelles combinaisons de plantes aux génotypes différents — les équipements génétiques individuels — devraient être plantées en peuplements mélangés pour repousser les ravageurs et les maladies ? Si l'on souhaite par exemple en sélectionner deux parmi 199 génotypes au total, il existe 19'701 combinaisons possibles. Des chercheurs de l'UZH ont désormais développé, à l'aide d'un modèle physique, une nouvelle méthode permettant de prédire les interactions possibles entre individus au niveau génétique.

Un travail de terrain étendu sur le campus Irchel

Les chercheurs ont mené des expériences à grande échelle pendant deux ans sur le campus Irchel de l'UZH ainsi qu'au Japon. Les séquences génomiques des 199 génotypes de la plante Arabidopsis thaliana, collectés dans le monde entier, étaient déjà disponibles. Les chercheurs ont mélangé de manière aléatoire plus de 30 individus de chacun des 199 génotypes et ont planté au total 6'400 individus. «Pour compter 52'707 insectes sur 6'400 plantes, le chercheur principal Yasuhiro Sato a passé les mois d'été dans le jardin de recherche sur l'Irchel. Son immense jeu de données, qui a pu être collecté grâce au jardin de recherche de l'université sur le campus Irchel, a été la clé de cette étude», déclare le professeur Shimizu de l'UZH.

Jusqu'à présent, il n'existait pas de méthodes d'analyse permettant d'étudier les interactions au niveau du génome — l'ensemble de l'information héréditaire — entre des individus végétaux voisins. L'équipe du Dr Sato a donc développé une nouvelle procédure informatique : une étude d'association pangénomique appelée «Neighbor GWAS». Celle-ci repose sur un modèle de physique utilisé pour analyser les interactions entre aimants. L'équipe a ainsi analysé comment l'infestation par les ravageurs est influencée par la combinaison d'individus voisins aux génotypes différents. Parallèlement, les chercheurs ont pris en compte les résultats des essais en plein champ.

Réduction des ravageurs jusqu'à 25 pourcent

L'analyse a montré que de nombreux gènes sont impliqués dans les interactions avec les individus environnants. Grâce à l'apprentissage automatique, les scientifiques spécialisés dans les plantes ont pu utiliser le modèle pour prédire les dommages causés par les herbivores et identifier des combinaisons avantageuses de paires de génotypes disposant d'une résistance associée.

Pendant deux ans, un autre essai de terrain à grande échelle a été mené, avec environ 2'000 individus végétaux plantés par paires avec les génotypes pour lesquels trois niveaux de résistance associative avaient été prédits. Les résultats de l'essai de terrain ont montré que – par rapport à la plantation d'un seul génotype – le mélange de deux génotypes réduisait les dommages causés par les herbivores de 24,8 pourcent au niveau de résistance associative le plus élevé, et de 22,7 pourcent au deuxième niveau le plus élevé.

Développements futurs

«Cette étude est une étape décisive dans la recherche sur les interactions entre individus végétaux. Elle montre l'importance de la biodiversité : premièrement, la diversité génétique des plantes cultivées peut elle-même réduire les attaques de ravageurs. Deuxièmement, une moindre utilisation de pesticides en agriculture contribue à préserver la diversité biologique, y compris celle des insectes», résume Kentaro Shimizu.

Des méta-études auxquelles Bernhard Schmid a participé montrent que des rendements supérieurs de 4 à 16 pourcent environ sont obtenus pour le blé et le riz lorsque les génotypes sont mélangés de manière aléatoire. Selon Shimizu, la nouvelle méthode pourrait, grâce aux informations génomiques disponibles pour ces espèces cultivées, optimiser la sélection des mélanges de génotypes en prédisant les résistances associées, et ainsi augmenter encore davantage les rendements de ces espèces végétales agricoles importantes, tout en réduisant simultanément l'utilisation de pesticides.