Ecologie chimique appliquee a la lutte contre delia

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Ecologie chimique appliquee a la lutte contre delia
N° Ordre : 3679
de la thèse
THESE
Présentée
DEVANT L’UNIVESITE DE RENNES 1
pour obtenir
Le grade de : DOCTEUR DE L’UNIVERSITE DE RENNES 1
Mention : Biologie
PAR
Antonin FERRY
Equipe d’accueil : UPRES EA 3193 Laboratoire d’Ecobiologie des Insectes Parasitoïdes
Campus de Beaulieu
Ecole Doctorale : Vie-Agro-Santé
Composante universitaire : Sciences de la Vie et de l’Environnement
ECOLOGIE CHIMIQUE APPLIQUEE A LA LUTTE CONTRE
DELIA RADICUM, LA MOUCHE DU CHOU
SOUTENUE LE 7 décembre 2007 devant la commission d’Examen
COMPOSITION DU JURY
R.H. COLLIER
B. FREROT
J. AUGER
A.M. CORTESERO
B. SCHATZ
J.C. SIMON
N.M. VAN DAM
Rapporteur
Rapporteur
Examinateur
Examinateur
Examinateur
Examinateur
Examinateur
Senior Research Scientist, Université de Warwick (RU)
Ingénieur de recherche, Université de Paris VI
Professeur, Université François-Rabelais, Tours
Professeure, Université de Rennes 1
Chargé de Recherche, CNRS, Montpellier
Directeur de Recherche, INRA, Rennes
Senior Research Scientist, NIOO-KNAW (Pays Bas)
A Margot et Camille … REMERCIEMENTS
Je remercie chaleureusement toutes les personnes qui auront contribué à la finalisation de ce
travail de thèse :
Je remercie Rosemary Collier et Brigitte Frérot pour avoir accepté d’être les rapporteurs de
cette thèse. Je remercie aussi Jacques Auger, Anne-Marie Cortesero, Bertrand Schatz, JeanChristophe Simon et Nicole Van Dam de leur présence en tant que membres du jury le jour de
ma soutenance.
Anne-Marie, je te remercie du fond du cœur pour ces trois années. Merci pour ta disponibilité,
tes conseils avisés, tes encouragements, ta confiance et sans doute des fois ta patience aussi.
Merci aussi pour ta bonne humeur et ton optimisme contagieux. Ca a été un réel plaisir de
travailler avec toi.
Un grand merci à toutes les personnes de l’équipe ‘écobiologie des insectes parasitoïdes’.
Vous permettez l’existence de ce doux climat que l’on apprécie plus que tout dans le travail:
sérieux et disponibilité, toujours dans la bonne humeur.
Merci Sébastien : Ta présence dans cette dernière année a été une aide formidable.
Merci Denis : Tes relectures poinsotilleuses, tes connaissances en statistiques et en
tellement d’autres choses me font t’apprécier en grand homme de science que tu es !
Merci Sonia : Pour ton aide précieuse au labo, tes figures de dernière minute, et
surtout tes photos magnifiques qui continueront d’égayer pas mal de documents pendant
longtemps encore !
Merci Anne : pour avoir partagé ton bureau, tes staphs, tes publis, tes crayons,
pinceaux et pinces pendant ces trois années. Merci surtout pour tous les bons moments passés
ensemble.
Merci Chrystelle : Pour ton sérieux dans tout ce que tu entreprends et ta motivation au
travail, ton aide est vraiment précieuse.
Merci Madame Rault : vous êtes de celles qui permettent le bon avancement des
choses, ça a été un grand plaisir de travailler avec vous.
Merci Valérie : Pour ton aide si précieuse et ta gentillesse.
Merci Maryline : Pour avoir refait tant de fois ce que je j’avais défait et avoir offert ton
aide quand c’était nécessaire.
Thanks Denis : pour ta bonne humeur et tes « eurêka ! » qui ponctuent la vie du labo !
Merci aux personnes des différentes équipes avec qui j’ai eu l’occasion de collaborer au cours
de cette thèse :
La station expérimentale de La Rimbaudais (Saint-Méloir-Des-Ondes, France): Merci
à Bertrand et Emilie de nous avoir accueilli, d’avoir fourni les parcelles expérimentales pour
nos essais en champs ainsi que le logement et le matériel nécessaires au cours de ces trois
saisons ; Stéphane : pour l’intérêt que tu as toujours porté à notre ‘petite cuisine’ d’apprentischercheurs ; merci aussi à Clarisse, Michel, et les autres. J’espère que le futur sourira à votre
structure dont la présence et le maintien me semblent indispensables.
L’IRBI (Tours, France): Merci Jean-Philippe : on réessaie notre mise au point d’un
piégeage à froid sur SPME quand tu veux ! ; Merci Jacques : finalement qu’est-ce qu’il
resterait dans cette thèse si tu n’avais pas pressenti dès le début le rôle du DMDS dans notre
système ? ; Anne-Geneviève : merci pour votre accueil et votre contribution à mes travaux ;
Simon et les autres : vous m’avez laissé de très bons souvenirs de mes séjours à Tours.
Le NIOO-KNAW (Heteren, Pays-Bas): Nicole: it is a great pleasure to work with you,
tank you for your welcome during my stays! Roxina: ¿Cuantos larvas me procurabas?
¡Millares lo creo!, espero que continuaramos encontrarnos en el futuro.
Le laboratoire de physique moléculaire de l’université de Radboud (Nijmegen, PaysBas) : Simona and Hellena : it was really nice to meet you. I really enjoyed my stay in your
lab. I hope the future will give us opportunity to finish the work we started together.
Je remercie tous les stagiaires qui m’ont aidé au cours de la thèse. Merci pour votre travail, et
votre motivation, rarement déraisonable, toujour appréciable. Merci aussi aux derniers venus
d’avoir permis de ne plus avoir à ressortir, une énième fois, la blague trop entendu ‘on a fait
chou blanc’ ou ‘on est dans les choux’, merci aux précédents d’avoir compris qu’elle n’était
pas drôle, et merci aux pionniers de de l’avoir tenté (…). Merci Yann, Solen, Stephane,
Isabelle, Romain, Virginie, Corentin, Alexandre, Florent, Adrien, Florian, Thomas (…et retenté !).
Je tiens aussi à remercier ici ces quelques enseignants qui savent transmettre leur passion et
qui nous ont font dire : « Je veux faire ça ». Je remercie particulièrement Bruno Gugi qui m’a
aidé et poussé, il y a bien longtemps, dans les tous débuts de ce périple.
Je remercie les amis : les ‘foireux’ (bises à luz) et ceux de ‘little face’ (spéciale dédicace à
Dan <’O’>) pour tous ces bons moments passés, indispensables à la décompression. Un petit
clin d’œil à Stup et Flip pour leur présence sonore les jours de grand craquage (merci aux
voisins d’avoir supporté ça !).
Un grand merci à toute ma famille. Merci Mamie et Catherine pour votre aide, cette thèse est
un peu votre cadeau. Merci Mathilde pour m’avoir offert ce superbe destrier blanc qui n’a
jamais faibli tout du long de mes expéditions sur le terrain.
Merci papa, merci maman, frérot et soeurette, voyez où il en est aujourd’hui ! C’est grâce à
vous aussi ! Vous serez toujours pour quelque chose dans mes plus belles réussites.
Merci les artistes (ceux-là et leurs compagnons). Vous, qui n’avez pas besoin de disséquer
pour comprendre et de comprendre pour transmettre, je vous envie.
Enfin, merci Marina parce que tout.
Ce travail a bénéficié du soutien financier de la région Bretagne, du GDR d’écologie
chimique (merci Martine), et de l’Europe.
SOMMAIRE
INTRODUCTION GENERALE
1
OBJECTIFS
15
CHAPITRE 1 : MODELES BIOLOGIQUES
16
Les Brassicaceae, chimie, composés volatils
La mouche du chou : Biologie, écologie, écologie chimique
Les auxiliaires : Biologie, écologie chimique
CHAPITRE 2 : IDENTIFICATION D’UN MESSAGE GENERAL ISSU DE
L’INTERACTION PLANTE-PHYTOPHAGE ET ATTRACTION DE
DIFFERENTS PREDATEURS PLUS OU MOINS GENERALISTES
17
20
26
35
Article 1 : Identification of a widespread monomolecular odor differentially
attractive to several Delia radicum ground dwelling predators in the field. Article
sous presse dans Journal of Chemical Ecology
CHAPITRE 3 : UTILISATION PAR UN PHYTOPHAGE D’UN MESSAGE
PEU SPECIFIQUE EMIS LORS DE L’ATTAQUE D’UNE PLANTE HOTE
51
Article 2 : DMDS : a strong oviposition deterrent for Delia radicum. Article en
préparation pour Journal of Applied Ecology
CHAPITRE 4 : MANIPULATION DU COMPORTEMENT D'UN RAVAGEUR
ET DE SES ENNEMIS NATURELS A L’ECHELLE D’UNE CULTURE AVEC
UN MESSAGE OLFACTIF UNIQUE
69
Article 3 : Potential use of DMDS in the field in a stimulo-deterrent diversionary
strategy against the cabbage root-fly. Article en préparation pour Basic and Applied
Ecology
CHAPITRE 5 : MODIFICATION DES MESSAGES ISSUS DE
L’INTERACTION PLANTE-PHYTOPHAGE EN PRESENCE D’UN SECOND
HERBIVORE
88
Article 4 : Multiple herbivory affects indirect defenses in cabbage plants: laboratory
and field evidence. Article soumis à Oecologia
DISCUSSION ET PERSPECTIVES
104
BIBLIOGRAPHIE
118
ANNEXES
137
INTRODUCTION GENERALE
1
Comportement optimal : le choix du bon message
Optimal foraging
Les pressions évolutives qui s'exercent sur chaque organisme vivant vont entraîner la
sélection des caractères les mieux adaptés (Darwin, 1859). Parmi ces caractères, l'optimisation
de la stratégie comportementale d'exploitation des ressources est connue sous le terme anglais
d' "optimal foraging". La théorie de l'approvisionnement optimal prédit la façon dont doit se
comporter un individu dans un environnement donné pour tirer le meilleur profit des
ressources à sa disposition (Charnov, 1976). Cette théorie repose sur le principe du meilleur
gain en ressource par unité de temps. Le schéma de base permettant d’expliquer cette théorie
est lié à la disposition, dans l’environnent dans lequel un individu évolue, de ressources en
agrégats (patchs) dont la qualité varie. Le
temps passé entre deux patchs ("travel
gain
time") ainsi que le temps nécessaire à
exploiter la ressource au sein d’un patch
("handling time") vont conditionner le
temps optimal à passer sur un patch de
qualité définie (Figure 1). De façon
simplifiée, un individu a tout intérêt à
temps de voyage
entre patchs
rester sur un patch tant que sa qualité est
supérieure à la qualité moyenne de
l’environnement. La qualité moyenne de
l’environnement dépend de la qualité des
patchs qui le composent ainsi que de leur
temps passé
sur le patch
Figure 1 : Théorie de l’approvisionnement optimal (Charnov,
1976). La courbe en trait plein représente le gain (énergie,
nombre d’hôtes parasités,…) obtenu au cours de l’exploitation
d’un patch de ressource. Afin de maximiser le gain en
ressource par unité de temps (pente des droites en pointillé),
plus le temps de voyage entre patchs est long (A>B), plus il est
nécessaire d’exploiter longtemps le même patch (a>b).
distance à l’individu (Charnov, 1976).
La théorie de l’approvisionnent optimal qui prédit qu’un individu adoptera le meilleur
comportement possible dans un environnement donné nécessite deux pré-requis
fondamentaux (Pyke, 1984). Tout d’abord, l’existence même d’une différence entre deux
stratégies d’utilisation de la ressource, se traduisant par une valeur sélective différente des
individus qui utilisent telle ou telle stratégie. Ensuite, l'existence d'une composante héritable
2
du comportement sur laquelle la sélection naturelle ait prise, un élément indispensable pour
aboutir à la propagation du meilleur comportement au sein de la population.
Les prédictions de cette théorie sont le plus souvent vérifiées (Pyke et al., 1977), les
individus étant alors capables d'estimer la qualité moyenne de l’environnement par rapport à
celle du patch dans lequel ils se trouvent. La perception de la ressource et l’estimation de sa
qualité passent par l’utilisation de différents types de messages (exemple : Bernstein &
Driessen, 1996; Dicke & Grostal, 2001; Olson et al., 2003). Ces messages sont perçus et
intégrés grâce au système sensoriel et nerveux des individus en présence. Ces deux systèmes
peuvent avoir une base génétique et donc être soumis à la sélection naturelle. Ainsi, au cours
de l’évolution, différentes espèces ont vu leur système sensoriel se spécialiser et leur système
neural se complexifier pour toujours mieux utiliser les messages à leur disposition.
L’apparition de récepteurs spécifiques d’une molécule est un exemple de spécialisation du
système sensoriel des individus. Chez les lépidoptères par exemple, ce type de spécialisation
se retrouve dans la perception de phéromones sexuelles très spécifiques (e.g. Ando et al.,
2004). Toujours chez les insectes, l’apprentissage est une forme de complexification du
traitement neural de l’information, qui permet une meilleure appréciation de la qualité de
l’environnement (exemple : Lewis & Tumlinson, 1988; Vet & Groenewold, 1990 ; Turlings et
al., 1989).
Les différents types de messages utilisés
Les messages ont une place importante dans la façon dont un individu va se représenter son
environnement et donc sur la façon dont il va exploiter les ressources à sa disposition.
Cependant un individu ne peut pas utiliser TOUS les messages existants à un moment donné,
ce qui lui permettrait pourtant de se rapprocher d'un état d'omniscience permettant à coup sûr
de faire le meilleur choix au meilleur moment. En effet, la perception de l'individu est
contrainte par son système de perception (système sensoriel) mais aussi et surtout par son
système d'intégration (système nerveux). Il existe en effet un large fossé entre la capacité des
organes sensoriels à capter une information et la capacité du système nerveux à l'analyser
rapidement et à la retenir (Dusenbery, 1992 in Bernays, 1996). La structure même du système
nerveux va aussi limiter le nombre d'informations qui peuvent être traitées simultanément
(Bernays, 2001). Selon Laberge (1995, in Bernays, 1996), tenir compte d'un nombre limité
3
d'informations offre trois avantages majeurs pour un individu: la précision, la rapidité de prise
de décision, et le maintien d'un traitement neuronal spécifique.
Pour optimiser son comportement, un individu devra donc optimiser sa manière
d'utiliser les messages de l'environnement (van Alphen et al., 2003; Dall et al., 2005). La
façon dont l'utilisation de ces messages est optimisée est décrite par l'approche de la
"statistical decision theory" (Dall et. al 2005). Cette théorie prédit de façon simple qu'une
nouvelle information doit être utilisée si la valeur de l'action optimale après l'avoir prise en
compte est supérieure à la valeur de l'action optimale sans cette information malgré le coût de
la prise en compte de cette information.
Très tôt, l'idée de cette optimisation de l'utilisation de l'information a donné lieu à des
prédictions sur la nature des messages utilisés par un individu. Les systèmes tritrophiques
plantes-phytophages-entomophages sont notamment à la base d’une importante littérature sur
ce sujet. Vet et Dicke (1992) ont défini le problème de fiabilité - détectabilité (reliability detectability), posant les contraintes d’un message utilisable par un prédateur ou un
parasitoïde pour localiser un hôte phytophage. Un message doit être suffisamment fiable pour
assurer la présence de la ressource et suffisamment détectable pour permettre de le trouver
sans trop de difficulté. Une dichotomie est souvent faite entre ‘messages généraux’, peu
fiables mais facilement détectables et ‘messages spécifiques’, fiables mais plus difficilement
détectables. La fiabilité d’un message dépend notamment de la spécificité de la ressource
recherchée. Ainsi les stratégies généralistes/spécialistes de l'utilisation de la ressource ont été
associées à des stratégies "type" d'exploitation de l'information (Vet & Dicke, 1992; Dicke &
van Loon 2000; Bernays, 2001).
Aux spécialistes est souvent associée l'idée d'une utilisation de messages spécifiques :
suivre des messages très spécifiques : augmente le temps nécessaire pour trouver le message,
nécessite un solide bagage génétique pour distinguer un message particulier pas forcément
très différent d'un autre MAIS en retour permet de diminuer le nombre de messages auxquels
répondre (et donc de simplifier l'intégration de ceux-ci), offre une certaine assurance sur la
présence de la ressource et permet, une fois que le message est perçu, une prise de décision
rapide.
4
Les généralistes utiliseraient des signaux moins spécifiques :
suivre des messages peu spécifiques : n'assure pas la présence de la ressource, ce qui entraîne
un temps de prise de décision plus long, nécessite la possibilité de répondre à une large
gamme de molécules et complique donc le processus d'intégration, MAIS permet une
localisation rapide du message qui est souvent plus répandu qu'un message spécifique et ne
demande pas de spécialisation du système sensoriel. Cette stratégie est donc associée à une
certaine flexibilité du système sensoriel, et notamment à l’apprentissage.
Bernays (2001) suppose l'existence d'un trade-off entre ces deux stratégies.
Utilisation des messages généraux
Du fait de leur manque de spécificité, les messages généraux ne permettent pas de trouver à
coup sûr la ressource recherchée. Ce problème pourrait être à la base d’une moins bonne
efficacité des généralistes face aux spécialistes (Bernays, 2001). Il existe cependant
différentes stratégies permettant d’améliorer l’utilisation de tels messages. La rapidité de la
prise de décision est un élément important dans les modèles d'approvisionnement optimal où
le temps joue un rôle central (Bernays, 2001). Plusieurs mécanismes sont proposés pour
expliquer comment des individus peuvent accélérer leur prise de décision face à des messages
peu spécifiques:
L'utilisation d'un message dans son contexte. Un message peu spécifique peut devenir
aussi informatif qu'un message spécifique s'il est pris dans un contexte particulier. Ainsi,
même des spécialistes semblent utiliser ce type de stratégie : par exemple, Chrysonotomyia
ruforum, parasitoïde spécialiste des oeufs de Diprion pini (phytophage du pin sylvestre)
répond au (E)-β-farnesene (molécule volatile très largement répandue - Tableau 1 - dont la
concentration parmi les composés volatils du pin augmente suite à une ponte de D. pini), s'il
est mis en présence d'odeur de pin sain. Sans cet environnement odorant, la molécule n'est pas
attractive (Mumm et Hilker, 2005).
5
Tableau 1: Exemples de sources naturelles de E-β-farnesene
phéromone d’alarme
du puceron
J. A. Pickett and D. C. Griffiths. 1980; “Composition of aphid
alarm pheromones.”, Journal of Chemical Ecology, 6(2).
phéromone sexuelle
de la souris mâle
B. Jemiolo, T. M. Xie, M. Novotny. 1991; “Socio-sexual olfactory
preference in female mice: attractiveness of synthetic
chemosignals.”, Physiol Behav. 50(6).
pommier
A. C. Bäckman, M. Bengtsson, A. K. Borg-Karlsson, I. Liblikas
and P. Witzgall. 2000; “Volatiles from Apple (Malus domestica)
Eliciting Antennal Responses in Female Codling Moth Cydia
pomonella (L.) (Lepidoptera: Tortricidae): Effect of Plant Injury
and Sampling Technique.”, Z. Naturforsch. 56(c).
pin maritime
F. Salin, G. Pauly, J. Charon, M. Gleizes. 1995; “Purification and
characterization of trans-β-farnesene synthase from maritime pine
(Pinus pinaster ait) needles.” Journal of plant physiology 146(3).
De la même façon, le methyl salicylate (autre molécule très répandue dans le monde végétal ;
Tableau 2) devient attractif à faible concentration pour un prédateur spécialiste de
Tetranychus urticae (phytophage du haricot) à la condition qu'il soit présenté avec une odeur
de haricot sain en arrière plan (de Boer et Dicke, 2004).
Tableau 2 : Exemples de plantes émettant du methyl salycilate
tabac
M. Seskar, V. Shulaev and I. Raskin. 1998; “Endogenous Methyl
Salicylate in Pathogen-Inoculated Tobacco Plants.” Plant Physiol.
116.
chêne vert
I. Filella, J. Penuelas, and J. Llusia. 2006; “Dynamics of the
enhanced emissions of monoterpenes and methyl salicylate, and
decreased uptake of formaldehyde, by Quercus ilex leaves after
application of jasmonic acid.” New Phytol. 169(1).
soja
J. Zhu and K. C. Park. 2005; “Methyl salicylate, a soybean aphidinduced plant volatile attractive to the predator Coccinella
septempunctata.” J Chem Ecol. 31(8).
thé
B. Han and C. Zhou. 2004; “Attraction effect of main volatile
components from tea shoots and flowers on Sphaerophoria
menthastri (Diptera: Syrphidae) and Chrysopa septempunctata
(Neuroptera: Chrysopidae).” 15(4).
tomate
C. Deng, J. Qian, W. Zhu, X. Yang, X. Zhang. 2005; “Rapid
determination of methyl salicylate, a plant-signaling compound, in
tomato leaves by direct sample introduction and thermal
desorption followed by GC-MS.” J Sep Sci. 28(11).
Cet exemple permet de faire le rapprochement entre l'utilisation d'un message "dans son
contexte" et la stratégie de "recherche emboîtée" proposée par Bell (1990): les insectes
restreignent leur zone de recherche par étapes successives (localisation d'un habitat, d'une
6
plante dans cet habitat, d'une ressource sur cette plante). Chaque étape de recherche peut faire
intervenir des messages différents. Dans le cas de C. ruforum la nécessité d'avoir une odeur
environnante de pin sain pour répondre au β-farnesene peut s'interpréter de la sorte: le
parasitoïde localise un pin, puis localise la présence d'un dommage sur le pin (β -farnesene).
L'interaction entre stimuli positifs et négatifs. L'influence de l’environnement olfactif
sur la perception d'une odeur peut s'apparenter
1
à une interaction entre signaux positifs et
négatifs.
Cette
utilisation
simultanée
d'attractants et de répulsifs peut modifier la
forme de la courbe dose-réponse d'un individu
à un message de telle sorte qu'un changement
de réponse graduel sans interaction devienne
beaucoup
plus
tranché
en
présence
d'interaction (Figure 2, d’après Bernays, 1996),
ce qui facilitera la prise de décision.
0
Figure 2: Courbe dose réponse d'un individu à un
attractant avec (pointillés) et sans (trait continu)
présence d'un répulsif en odeur de fond. D'après
Bernays (1996). abscisse: concentration de l'attractant,
ordonnée: pourcentage de réponses
positives
(attraction).
L'apprentissage. L'apprentissage fait partie des mécanismes répandus chez les insectes
pour utiliser l'information de l'environnement. Souvent rapproché d’une stratégie
d'exploitation des ressources "généraliste", l'apprentissage permet d'associer une ressource
précise à un message peu spécifique ou variable (e.g. Dicke et al., 1990a, Takabayashi et al.,
2005). Cette association permet dans un environnement donné de focaliser l'insecte sur une
information particulière associée à la ressource, simplifiant ainsi la rise de décision (Bernays,
2001).
Ces trois stratégies d’utilisation des messages généraux permettent de cumuler
différents avantages : Une localisation et une prise de décision rapide, ainsi qu’un système
sensoriel simple. Au cours de l’évolution, l’utilisation de ce type de message a donc toutes les
chances de s’être répandu chez de nombreuses espèces. Certains messages généraux
pourraient ainsi avoir un rôle clé dans la structuration de communautés d’espèces
interagissant les unes avec les autres.
7
Messages impliqués dans la relation plante-insecte
Les interactions existantes entre insectes ou entre insectes et plantes sont le plus souvent liées
à une utilisation de signaux chimiques. Ces interactions et le rôle des signaux chimiques qui y
sont liés sont à la base d’une importante littérature. Les avancées effectuées dans la mise au
point des outils d’analyses chimiques, biochimiques, électrophysiologiques, histologiques et
génétiques, permettent une description fine des mécanismes de synthèse et d’intégration de
ces messages (D’Alessandro & Turlings, 2006). Ces études, couplées à une multiplication des
études du comportement et au développement de leurs techniques d’étude (matériel d'analyse,
outils statistiques), font du système plante - insecte l'un des plus étudiés en écologie chimique.
Les connaissances sur l’origine et la nature des signaux émis par la plante, ainsi que la
connaissance de leur impact sur le comportement des insectes permettent de mieux
comprendre comment se structurent les communautés d’espèces.
Messages issus des plantes
Les signaux chimiques utilisés par les insectes peuvent être de différente nature et origine. Il
en existe une incroyable diversité. Dans les interactions plantes-insectes, les messages issus
des plantes ont souvent un rôle important. De par leur biomasse, les plantes sont capables
d’émettre de grandes quantités de composés volatils (Vet & Dicke, 1992). Leur biochimie
souvent complexe, et notamment leur métabolisme secondaire, permettent aussi la synthèse
d’une grande diversité de molécules. Des organes spécialisés permettent ainsi l’émission de
certains composés volatils à des moments précis de la phénologie des plantes. Au moment de
la floraison par exemple, la production de composés volatils attractifs pour les pollinisateurs
peut être augmentée. L’élévation de température de la spathe des Arum (famille des Araceae),
est un exemple parfait d’un tel « diffuseur d’odeur » (Meeuse & Raskin, 1988). En dehors de
ces spécialisations, les plantes émettent aussi de façon constitutive certains composés volatils.
Ces composés, souvent présents à l’état individuel mais dans des concentrations différentes
dans différents taxons, peuvent notamment servir à la localisation d’une plante hôte pour des
insectes phytophages (Visser, 1986). Les composés volatils résultant d’une blessure
mécanique de la plante, contiennent un groupe d’odeurs appelées « odeurs vertes », qui sont
aussi reconnues pour avoir un effet important sur certains phytophages ou ennemis naturels de
8
ces phytophages (Müller & Hilker, 2000 ; Whitman & Eller, 1990). Essentiellement des
alcools et des esters, ces molécules peu spécifiques sont impliquées dans de nombreuses
interactions, on les trouve aussi dans différents taxons. Certaines des odeurs constitutives ou
des odeurs émises lors d’une blessure mécanique sont plus spécifiques d’un taxon en
particulier et peuvent dans ce cas être utilisées par des insectes spécialistes de ce taxon.
Messages issus de l’interaction plante – phytophage
Les composés volatils issus de l’interaction entre plantes et phytophages représentent
également une source importante de messages pour les insectes. Lors de l’attaque par un
phytophage, les quantités de composés volatils émises par la plante vont souvent augmenter et
se diversifier (De Bruxelles & Robert, 2001).
En plus des composés volatils liés à la blessure mécanique des tissus, des changements
dans le métabolisme secondaire de la plante vont entraîner la production de nouveaux
composés. Depuis une vingtaine d’années, de nombreuses plantes sont ainsi reconnues pour
émettre de façon systémique, suite à l’attaque d’un herbivore, des composés volatils induits
(CVI), différents des composés émis par une plante saine. Ces CVI peuvent être très
spécifiques d’une interaction plante - insecte. Ils peuvent ainsi être de bons indicateurs de la
présence d’un phytophage particulier. Les parasitoïdes de cette espèce peuvent s’en servir
pour localiser leur hôte (Dicke, 1999 ; Dicke & van Loon, 2000), tandis que des herbivores
agrégatifs peuvent les utiliser pour localiser leurs conspécifiques (e.g. Loughrin et al., 1995 ;
Pallini et al., 1997). Il existe cependant de grandes sources de variabilité dans l’émission de
ces CVI. Les espèces en présence, plante et phytophage ont évidemment un rôle important,
mais de nombreux autres facteurs, biotiques et abiotiques peuvent influencer ces émissions.
Ainsi, le génotype individuel des plantes, les conditions environnementales, la présence
simultanée de plusieurs herbivores peuvent affecter la nature des messages émis (Takabayashi
et al., 1994a,b ; Scutareanu et al ., 1997 ; Loughrin et al., 1994). Cette variabilité rend les CVI
moins fiables que d’autres composés (Vet & Dicke, 1992).
Les produits finaux de dégradation des tissus végétaux peuvent être une autre source
importante de messages. Lorsque la présence de phytophages ou de pathogènes entraîne une
nécrose des tissus, les composés volatils qui en résultent peuvent en effet être utilisés par
certains insectes. Cosmopolites sordidus, un phytophage du bananier est par exemple plus
9
attiré par des fruits en décomposition que par des fruits sains (Budenberg et al., 1993).
Messages issus des phytophages
Enfin, les phytophages eux-mêmes peuvent émettre des odeurs utilisées par d’autres insectes.
Outre les phéromones souvent impliquées dans la communication intraspécifique
(phéromones sexuelles, phéromones d’alarme), des odeurs plus directement liées à
l’herbivorie peuvent être produites par ces espèces. Le miellat émis par les pucerons pendant
leur alimentation, ou les fèces de différentes espèces phytophages sont ainsi connues pour agir
sur le comportement d’autres insectes satellites comme les prédateurs ou les parasitoïdes (e.g.
Budenberg, 1990 ; Meiners & Hilker, 1997).
Des odeurs pour protéger les cultures ?
Protection des cultures contre les herbivores
La protection des cultures est un enjeu majeur pour l’humanité. Selon une étude de 1997
publiée par Oerke & Dehne, dans le même temps que la population mondiale devrait
augmenter de 60% entre 1990 et 2025, la surface cultivée par habitant diminuerait de près de
25%. Ce décalage va par exemple demander en Inde une augmentation de rendement de la
production de riz supérieure à 90%. Cet état de fait pose de graves problèmes pour la santé
humaine à deux niveaux : directement au niveau nutritionnel si les rendements ne peuvent être
améliorés de façon à ce que la production satisfasse à la demande, et indirectement, par une
dégradation environnementale telle que la pollution des eaux (Tilman et al., 2002).
La protection des cultures contre les ravageurs représente une part importante de notre
potentiel à augmenter les rendements. Entre 1991 et 1993, la perte de rendement potentiel
moyenne des cultures due aux ravageurs était de 23%. L’efficacité de la protection contre ce
facteur n’était que de 31%. C'est-à-dire qu’avec les techniques de protection utilisées contre
les ravageurs, seules 31% des quantités qui auraient pu être perdues ont été ‘sauvées’ (Oerke
& Dehne, 1997). Les deux principales techniques de protection utilisées contre les ravageurs
sont i) la sélection de génotypes résistants et ii) l’utilisation de pesticides. Malheureusement
10
ces techniques ont un effet transitoire du fait d’une constante adaptation des ravageurs. Ainsi,
les nouvelles lignées de maïs hybrides aux Etats-Unis étaient en moyenne efficaces pendant
quatre ans il y a une trentaine d’années, cette persistance de la résistance a été divisée par
deux. De la même façon, les insectes deviennent souvent résistants à un nouveau pesticide
dans les dix ans qui suivent sa mise sur le marché (Tilman et al., 2002). Les insecticides ont
par ailleurs un fort impact négatif sur l’environnement et la santé humaine (Grue et al., 1983 ;
Cooper, 1991 ; Penrose et al, 1994 ; Edwards & Tchounwou, 2005). La nécessité de réfléchir
à une protection des cultures plus efficace contre les ravageurs, plus durable et plus
respectueuse de l’environnement est donc un enjeu majeur de la science dans les décennies à
venir.
Parmi diverses stratégies, une meilleure utilisation des ennemis naturels des insectes
ravageurs (auxiliaires) est envisagée. Les auxiliaires sont utilisés depuis de nombreuses
années dans la lutte contre les ravageurs. Ainsi, déjà au 3ème siècle de notre ère, des nids de
fourmis étaient vendus près de Canton (Chine) pour lutter contre un lépidoptère ravageur des
citronniers (Doutt, 1964). En France, dès 1840, Boisgiraud recommandait la récolte de
Carabes et de Staphylins pour limiter les pullulations du Bombyx disparate (Lymantria
dispar) (Jourdheuil et al., 2003). Cependant, durant la seconde guerre mondiale, l'apparition
d'insecticides de synthèse puissants, faciles d'emploi et bon marché, a relégué la lutte
biologique à l'arrière plan. Mais du fait d’ “effets secondaires indésirables” comme
l'apparition de populations résistantes ou la manifestation de résurgences (pullulations
brusques après une période de faibles effectifs du ravageur), l'extraordinaire développement
de la lutte chimique a paradoxalement ranimé les efforts de recherche et de mise en œuvre de
moyens de lutte biologiques (Jourdheuil et al., 2003).
Lien entre optimal foraging, écologie chimique, et protection des
cultures
Dans le contexte de la protection des cultures contre les phytophages, la théorie de
l'approvisionnement optimal est importante parce qu'elle nous renseigne sur la façon naturelle
dont i) les herbivores vont exploiter la ressource à leur disposition (i.e. la culture) et ii) la
façon dont les auxiliaires vont "lutter" contre ces ravageurs (prédation, parasitisme). Ainsi, si
on accepte l’idée d’un comportement optimal des individus, y compris au sein d’un agroécosystème, la théorie de l’optimal foraging est un bon outil pour décrire l’ensemble des
11
choix des herbivores et des auxiliaires qui conduisent à l’équilibre naturel des espèces dans
une culture et donc, à l’impact de ces espèces sur le rendement agronomique de cette culture.
Cet équilibre naturel ne convient généralement pas aux besoins de la production. Ainsi, même
sans utilisation de pesticides, l’agriculture biologique a nécessairement recours à diverses
techniques qui permettent de modifier l’équilibre naturel des populations en faveur d’une
meilleure productivité. Ces techniques peuvent par exemple être l’utilisation de barrières
physiques contre les phytophages, l’augmentation artificielle des populations de prédateurs,
etc … .
Les connaissances acquises sur la place importante qu'occupent les messages
chimiques dans la prise de décision des insectes sont à l’origine de diverses stratégies de lutte.
Connaître l’écologie chimique des espèces d’un agrosystème permet de modifier les messages
présents dans l’environnement et donc d’agir sur le comportement de ces espèces en faveur
d’une meilleure protection des cultures.
Les espèces phytophages sont depuis de nombreuses années la cible directe de ce type
de stratégie. Ainsi, à l'heure actuelle, l'écologie chimique est essentiellement mise à profit
dans des programmes de lutte par piégeage de masse, notamment avec l'utilisation de pièges à
phéromones. Cependant, depuis les années 80 et la découverte de l’émission par les plantes
attaquées de molécules attractives pour les prédateurs ou parasitoïdes des phytophages, une
autre stratégie est envisagée. Le but est cette fois-ci de modifier le comportement des
auxiliaires par la manipulation des messages de l’environnement, en faveur d’un plus fort
parasitisme ou d’une plus grande prédation de la population du ravageur (Powell, 1986 ;
Pickett et al., 1997 ; Cortesero et al., 2000). Pour déplacer l’équilibre naturel des populations
en faveur des auxiliaires, il est notamment envisagé d’augmenter leur densité sur les parcelles
en utilisant des molécules attractives ou stimulantes. Quelques études présentent ainsi la
possibilité d’utiliser des signaux chimiques pour attirer des auxiliaires (parasitoïdes et
prédateurs) et augmenter leur efficacité contre un ravageur. La première étude, présente
l'utilisation de kairomones de Pectinophora gossypiella, un Lépidoptère ravageur du coton,
pour augmenter son parasitisme par Chelonus sp. nr. curvimaculatus (Chiri & Legner, 1983).
Malgré la très bonne réponse en laboratoire de l'auxiliaire aux extraits testés, aucun effet n'a
pu être mis en évidence dans les essais de plein champ. Les auteurs attribuent cet échec soit à
un effet de dispersion des parasitoïdes dû à l'omniprésence des molécules stimulantes, soit à
une habituation à la présence de ces composés en absence de découverte d'hôtes et donc à un
12
départ précoce des auxiliaires hors des parcelles traitées. La deuxième étude a été réalisée par
Kessler et Baldwin en 2001. Ces auteurs ont utilisé avec succès diverses molécules peu
spécifiques, habituellement émises par le coton lors d'une attaque par un herbivore (i.e.
linalol, cis-3-hexen-1-ol), pour augmenter la prédation d'œufs et de larves du ravageur
Manduca sexta par le prédateur généraliste Geocoris pallens. De même, les essais menés par
James et Price (2004) et James (2005) prouvent la possibilité d’attirer et de maintenir dans les
vignobles différents auxiliaires (prédateurs généralistes et parasitoïdes) à l’aide de composés
volatils de synthèse (i.e. methyl salicylate, cis-3-hexen-1-ol, farnésène). Dans ces expériences,
l’augmentation des prédateurs généralistes est corrélée avec une forte diminution des
populations d'acariens (James, 2005). Il existe enfin des stratégies mixtes de type "pull-push"
ou "SDDS" (Stimulo-Deterrent-Diversionnary-Strategy) qui se proposent d’agir à la fois sur
la population du ravageur et sur celle de ses ennemis naturels (Miller & Cowles, 1990 ; Cook
et al., 2007). Le principe de ce type d’approche est de coupler une action attractive et une
action répulsive pour déplacer la population du ravageur sur une culture sacrifiée, tout en
augmentant les populations d’auxiliaires. Ceci permettrait de limiter encore plus les dégâts
possibles dans la culture à protéger et de contrôler la population du ravageur dans les cultures
sur lesquelles il aura été attiré.
13
PROBLEMATIQUE DE LA THESE
(Problématique appliquée)
La mouche du chou, Delia radicum (L. 1758 ; Diptera : Anthomyiidae) est le principal
ravageur des cultures de chou en Bretagne. Les larves, qui se développent dans les racines de
crucifères, rendent les légumes-racines (navets, radis) impropres à la consommation et
entraînent d'importantes baisses de production pour les légumes-feuilles (choux).
L’interdiction du principal pesticide utilisé pour contrôler ce ravageur (le Chlorfenvinphos)
étant prévue pour décembre 2007, les possibilités d’utilisation de la lutte biologique sont
actuellement à l’étude.
Plusieurs espèces d’auxiliaires sont spontanément présentes dans les cultures de chou
en Bretagne (l’hyménoptère Trybliographa rapae -Westwood 1835- les coléoptères
Staphylinidae Aleochara bilineata -Gyllenhal 1810- et A. bipustulata -L. 1761- et différentes
espèces de coléoptères Carabidae) mais leur action est largement insuffisante (Prasad &
Henderson, 2002). En effet, les essais menés dans ce cadre ont montré qu'en conditions de
cultures normales, la densité des populations d'auxiliaires (Fournet, 2000) et la prédation des
œufs (Hughes, 1959; Wishart et al., 1956) ne permettent pas un contrôle efficace de D.
radicum.
Afin de proposer des alternatives à la lutte chimique contre D. radicum, nous
proposons au cours de ce travail, d'approfondir les connaissances sur l’écologie chimique des
insectes du système Brassicaceae – mouche du chou – auxiliaires et de les utiliser, afin de
modifier le comportement de ces espèces à l’aide d’odeurs de synthèse. L'utilisation des
odeurs en tant que messages est très répandue et a largement été étudiée chez les insectes
(voir synthèses dans : van Alphen et al., 2003; Vet & Dicke, 1992; Dicke et al., 1990b ; Lewis
& Martin., 1990). Les odeurs sont par ailleurs souvent impliquées dans l’orientation des
insectes et permettent donc d’envisager une action à moyenne ou longue distance. D’autre
part, comme nous l’avons vu, certains messages généraux outre l’avantage d’être souvent plus
abondants (donc plus facilement détectables) que les messages spécifiques, ont de fortes
chances d’être utilisés par l’une ou l’autre des espèces du système, voire par plusieurs espèces
à la fois. La manipulation artificielle de ce type de message serait donc le plus court chemin
pour aboutir à la modification du comportement d’une ou plusieurs des espèces en présence,
et donc d’avoir un impact sensible sur l’équilibre des populations et sur la qualité finale de la
production.
14
OBJECTIFS
L’objectif de la thèse est d’identifier une molécule volatile (odeur) qui permette d’agir sur les
insectes des cultures de brassicaceae pour limiter les dégâts causés par D. radicum sur ces
cultures.
-
-
-
-
-
Dans une première partie, les différentes espèces du modèle Brassicaceae - D.
radicum - auxiliaires seront présentées, en insistant plus particulièrement sur
leur écologie chimique (chapitre 1).
A partir de ces connaissances nous rechercherons dans une deuxième partie
une odeur permettant d’attirer les ennemis naturels de la mouche : nous
identifierons à partir d’une source odorante naturelle attractive, une molécule
utilisable qui permette d’agir sur ces auxiliaires (chapitre 2).
Dans une troisième partie, l’effet de cette molécule sera testé sur la mouche
elle-même afin de s’assurer qu’elle n’est pas attractive ou stimulante pour le
phytophage. En parallèle, l’étude des conditions d’émission de cette odeur
sera approfondie pour mieux comprendre ses caractéristiques en tant que
message (chapitre 3).
Dans une quatrième partie, un essai d’application en champ sera mené afin
d'étudier le potentiel de cette odeur à agir simultanément sur les différents
insectes du système en faveur d’une diminution des dégâts causés par D.
radicum (chapitre 4).
Enfin dans une cinquième partie, l’étude des signaux volatils impliqués dans
l’orientation des auxiliaires vers D. radicum sera élargie à un système plus
complexe. La réponse du parasitoïde spécialiste T. rapae aux composés
volatils induits émis par les plantes attaquées sera étudiée, en présence ou
absence d’un second phytophage non hôte (chapitre 5).
Au cours de ces différentes étapes, nous essaierons constamment de faire le lien entre la
nature des messages utilisés et leur rôle dans le comportement des insectes. Nous observerons
quelles modifications de comportement le message entraîne et si ces modifications sont
cohérentes avec un comportement optimal. Nous essaierons notamment de comprendre quels
éléments permettent d’expliquer une différence de réponse entre deux espèces qui utilisent le
même message. Enfin, nous verrons si les modifications comportementales observées au
niveau de différentes espèces prises individuellement permettent de prédire la conséquence de
l’utilisation de ce message au niveau de la communauté d’espèces et, le cas échéant, quels
facteurs peuvent être mis en cause.
15
CHAPITRE 1 :
MODELES BIOLOGIQUES
16
LES BRASSICACEES, CHIMIE, COMPOSES VOLATILS
Taxinomie et répartition
Appartenant à l’ordre des Capérales, la famille des Brassicaceae est essentiellement présente
dans les zones tempérées. Elle se compose d’environ 340 genres pour 3350 espèces. Le
maximum de biodiversité de cette famille se trouve dans le bassin méditerranéen. Au sein des
Capérales la famille des Brassicaceae est bien caractérisée par son architecture florale (Figure
3). Au sein de la famille, le genre Brassica, connu pour son grand nombre d’espèces cultivées,
se serait séparé du taxon des Arabidobsis il y a près de 20 millions d’années (Koch et al.,
2003). Comme dans d’autres exemples de plantes cultivées (e.g. blé, maïs) l’origine de la
biodiversité du genre Brassica est
essentiellement
due
à
la
polyploïdisation. Ces espèces sont dans
de nombreux cas inter-fertiles et
continuent de s’hybrider avec certaines
espèces proches appartenant aux genres
Sinapis, ou Raphanus. On peut ainsi
parler d’un complexe d’espèces, tel que
défini par Pernès (1984) : deux plantes
appartiennent
au
même
complexe
d’espèces, si elles peuvent continuer
d’échanger des gènes en conditions
Figure 3 : Arch itecture florale type des espèces
appartenant à la famille des Brassicaceae (Source:
http://montana.plant-life.org/families/Brassicaceae.htm)
naturelles.
Chimie des Brassicaceae : Particularités du métabolisme secondaire des
Brassicaceae
Comme les différents taxons appartenant aux Capérales, les Brassicaceae ont la particularité
de synthétiser des glucosinolates (glucosides d’huile de moutarde) et de posséder l’enzyme
hydrolytique myrosinase (β-thioglucosidase). Le système myrosinase-glucosinolate est sans
doute l’un des systèmes de défense des plantes les mieux étudiés à ce jour. Dans les tissus,
l’enzyme myrosinase est essentiellement séquestrée dans les grains de myrosine, au sein de
cellules spécifiques (Luthy & Matile 1984). Les glucosinolates, substrat de cette enzyme, sont
eux-mêmes stockés dans des vacuoles au sein de cellules non spécifiques (Grob & Matile
17
1979). Lorsque les tissus sont endommagés, substrat et enzyme sont mis en contact, créant
une grande diversité d’huiles de moutarde aux multiples activités biologiques. Les produits
synthétisés lors de cette hydrolyse, connue sous le nom de « bombe moutarde », sont actifs
contre les pathogènes, herbivores, champignons, nématodes mais aussi contre d’autres plantes
(allopathie). La saveur particulière des différentes Brassicaceae consommées (comme le
piquant du radis par exemple) est en grande partie due aux concentrations relatives de ces
différents produits de dégradation. Les glucosinolates et leurs dérivés volatils, les
isothiocyanates (ITC) sont impliqués dans de nombreuses interactions positives ou négatives
entre plantes et insectes. Les ITC peuvent être toxiques pour les espèces généralistes comme
pour les espèces spécialistes (Agrawal & Kurashige, 2003). Les ITC sont aussi utilisés en tant
que messages. Souvent répulsifs pour les généralistes, ils peuvent au contraire servir de
stimulants ou d’attractants pour des insectes spécialisés (Blau et al., 1978). Outre leur rôle
dans les interactions plante - insecte, les glucosinolates ont aussi une place importante dans le
métabolisme soufré des Brassicaceae (Zukalova & Vasak, 2002).
Le système de la cystéine sulfoxide lyase est un autre système enzymatique servant de
défense aux Brassicaceae et reposant sur le métabolisme du soufre (Mae et al., 1971). Comme
pour le système myrosynase-glucosinolate, ce système est basé sur la séparation physique
d’une enzyme et de son substrat et de leur entrée en réaction lors d’une blessure des tissus. Le
substrat en question se compose d’alkyl cystéine sulfoxides (L-3-alkylsulphinylalanines),
composants majoritaires du pool d’acides aminés libres chez de nombreuses Brassicaceae
ainsi que chez de nombreuses Alliaceae (Mazelis, 1963). Chez les Brassicacae la cystéine
sulfoxide lyase hydrolyse le S-methyl-cystéine sulfoxide (MCSO) en acide sulfénique. Cet
intermédiaire instable se dégrade, via la formation de methyl méthane thiosulfinate en
oligosulfides volatils du type dimethyl disulfide, dimethyl trisulfide, trithiahexane, …). Chez
les Aliaceae, un système similaire permet essentiellement la formation d’oligosulfides de type
propyl sulfide à partir de propyl-cysteine sulfoxide (PCSO). Ces oligosulfides ont une action
directe sur les pathogènes ou les herbivores, en tant que toxiques ou anti-appétents (Dugravot
et al., 2004). Dans le cas d’interactions spécifiques comme celles impliquant la mouche de
l’oignon, Delia antiqua et les Alliaceae, ces volatils soufrés peuvent aussi avoir un rôle
attractif (Judd & Borden, 1988). Le rôle biologique des oligosulfides, produits par cette voie
enzymatique ou en tant que produits finaux de dégradation de composés soufrés (notamment
produits par voie bactérienne), a largement été étudié chez les Alliaceae comme le poireau ou
l’oignon. Il existe en revanche peu de travaux sur le rôle de ces oligosulfides chez les
18
membres de la famille des Brassicacae et notamment pour les espèces du genre Brassica chez
lesquelles la présence de la cystéine sulfoxide lyase a été démontrée.
Composés volatils émis par les Brassicaceae
Parmi les volatils émis par les Brassicaceae on retrouve des composés communs à de
nombreuses espèces végétales comme des alcools, des esters, des composés aromatiques ou
des terpènes. A l’état brut, les Brassicaceae saines émettent essentiellement des terpènes
comme l’alpha-farnésène, le limonène, l’alpha-pinène, le caryophyllène, le sabinène, le
myrcène, …, certains alcools tels que le (Z)-3-hexen-l-ol, ainsi que l’ester (Z)-3-Hexenyl
acétate (Mattiacci et al., 2001 ; Walbank & wheatley, 1975 ; Soler et al, 2007b ; Tollsten &
Bergström, 1988 ; Agelopoulos & Keller, 1994 ; Bukovinszky et al. 2005 et références
internes).
Les blessures mécaniques permettent, quant à elles, en plus des isothiocyanates
particuliers au taxon, la production de larges quantités d’odeures vertes retrouvées chez de
nombreuses autres espèces, comme le 3-hexen-ol et le cis-hexenyl acetate (Wallbank &
Wheatley, 1976 ; Blaakmeer et al., 1994; Mattiacci et al., 1994; Geervliet et al., 1997). Les
bouquets olfactifs spécifiques des interactions Brassicaceae – phytophage(s) comprennent eux
aussi différents volatils qui se retrouvent, à l’état individuel ou dans d’autres proportions, dans
les bouquets odorants de plantes saines ou d’autres espèces (e.g. Bukovinszky et al., 2005).
Les isothiocyanates sont cependant restés longtemps les volatils les plus étudiés des
Brassicaceae. Liés au métabolisme particulier des glucosinolates, ils se retrouvent chez toutes
les espèces de ce taxon. Les ITC sont peu présents dans le bouquet des plantes saines mais
sont émis en abondance lors de blessures mécaniques ou lors de l’attaque d’un phytophage. Il
existe une grande diversité d’ITC mais certains, comme l’allyl-ITC, se retrouvent chez de
nombreuses Brassicaceae. L’allyl-ITC est par exemple émis lors de blessures mécaniques par
B. carinata (Tollsten & Bergstrom, 1988), B. oleracea (Wallbank & Wheatley, 1975), B. rapa
et Sinapis alba (Finch, 1978). On retrouve ce même composé émis lors de l’attaque de B.
oleracea par Plutella xylostella ou par Pieris rapae (Agelopoulos & Keller, 1994).
En tant que message, les isothiocyanates sont utilisés par de nombreux insectes.
Souvent répulsifs pour les phytophages généralistes (Louda & Mole, 1991 ; Bones &
19
Rossiter, 1996), ils sont au contraire utilisés au profit de nombreuses espèces spécialisées sur
les Brassicaceae. Ainsi, les phytophages spécialistes comme Pieris spp, Putella xylostella ou
Delia radicum, utilisent ces volatils pendant la recherche de leur plantes hôtes (Pivnick et al.,
1994 ; Reed et al., 1989 ; Hawkes & Coaker, 1976). Les ITC peuvent aussi servir à la
localisation d’un hôte par les parasitoïdes de ces phytophages comme c’est le cas pour
Cotesia glomerata, parasitoïde de P. xylostella (Agelopoulos & Keller, 1994).
En comparaison, les composés volatils reposant sur le système enzymatique de la
cystéine sulfoxide lyase, ont encore reçu peu d’attention. Bien qu’ils aient été identifiés
depuis longtemps (e.g. Walbank & Wheatley, 1976), les recherches effectuées sur le mode
d’émission de ces composés ou sur leur impact pour la communauté d’espèces sont quasiinexistantes.
LA MOUCHE DU CHOU Delia radicum (L. 1758) : BIOLOGIE,
ECOLOGIE, ECOLOGIE CHIMIQUE
Taxinomie et répartition
La mouche du chou appartient à l’ordre des Diptères et à la famille des Anthomyiidae. Il
existe plusieurs synonymes dans la littérature : Phorbia brassicae Bouché, Hylemya brassicae
Bouché et Erioischia brassicae Bouché. Cette mouche est originaire de la zone paléarctique et
s’est répandue dans toute la zone holarctique. On la trouve ainsi en Europe, en Afrique, en
Amérique du Nord ainsi qu’en Asie (CAB 1989).
20
Biologie
Imago
Les imagos, gris sombre, mesurent environ 6 mm de long et ressemblent à la mouche
domestique (Figure 4). Les yeux des mâles sont rapprochés alors qu’ils sont bien séparés chez
la femelle. Les adultes peuvent se nourrir des glucides présents dans le pollen et le nectar des
fleurs (Finch, 1974). L’accouplement a lieu dans les trois premiers jours suivant l’émergence.
Figure 4 : Delia radicum ; fe melle (gauche) et mâle (droite). (Photographies : Sonia Dourlot)
Les oeufs
La femelle pond ses oeufs en agrégats au collet des plantes ou dans les anfractuosités du sol à
proximité du système racinaire (Hughes & Salter, 1959). La longueur moyenne de l’oeuf est
comprise entre 0,93 et 1,02 mm (Coaker & Finch, 1971). La période d’incubation de l’oeuf
varie de 2 à 14 jours et dépend de la température ainsi que de l’humidité (De Wilde, 1947 ;
Neveu et al., 1997). Lorsque les températures sont comprises entre 15 et 20°C, l’éclosion de
la larve de premier stade a lieu 4 à 6 jours après la ponte. La ponte moyenne de femelles
maintenues au laboratoire entre 15 et 20°C, peut atteindre 375 oeufs (Finch & Coaker, 1969).
Ce nombre se situerait entre 60 et 80 œufs par femelle sur le terrain (Swailes, 1961 ; Coaker et
Finch, 1971).
Les stades larvaires et nymphal
La larve mesure 1 mm à l’éclosion et 2 mm à l’issue du premier stade (Smith, 1927). A
l’éclosion, la larve de premier stade rejoint le système racinaire d’une Brassicaceae. Elle y
21
creuse des galeries dans les parties les plus tendres. La larve grossit et poursuit son
développement, passant par un deuxième stade où elle mesure 4 mm puis un troisième stade
où elle atteint 8 mm de long et 1 à 2 mm de diamètre (Smith, 1927). La durée totale de
développement des différents stades larvaires est de 4 jours pour le premier stade, 6 jours pour
le deuxième et de 10 à 20 jours pour le troisième stade à une température de 20°C (Coaker &
Finch, 1971). En s’attaquant aux racines, les stades larvaires occasionnent d’importants
dégâts. Les plantes les plus attaquées peuvent être touchées par un manque d’eau, dû à la
consommation par les larves des « petites racines ».
Une fois le troisième stade larvaire
terminé, la larve migre dans le sol pour s’y
nymphoser (à 8 à 12 cm de profondeur)
(Figure 5). La pupe de forme sub-elliptique
est d’abord blanche, puis brunit au bout de
quelques jours, au fur et à mesure que le
puparium s’épaissit. La taille des pupes est
comprise entre 5-6 mm et 8 mm (De Wilde,
1947). Le stade nymphal dure de 12 à 18
jours à 15-20°C. Le poids et la taille des
Figure 5 : Cycle de vie de Delia radicum.
(Illustrations : Sonia Dourlot)
pupes dépendent de la quantité (Hopkins et
al., 1999) et de la qualité (Soler et al., 2007)
de la nourriture disponible durant le développement larvaire.
Ecologie et phénologie
La mouche du chou, Delia radicum, se développe aux dépens des Brassicaceae. L’ensemble
des espèces cultivées telles que le radis, le navet, le rutabaga, le chou, le brocoli ou encore le
colza peut donc être attaqué par cette mouche (Nair et al., 1974 ; Finch & Ackley, 1977 ;
Dosdall et al. 1996). La mouche du chou, est par conséquent, une espèce spécialiste
oligophage des Brassicaceae. Le genre Delia comprend différentes autres espèces,
phytophages racinaires, problématiques pour l’agriculture : D. floralis (Fallen), la mouche du
navet, s’attaquant comme D. radicum à divers Brassicaceae. D. antiqua, la mouche de
l’oignon, spécialiste de l’oignon et de quelques autres plantes de la famille des Allium
produisant du propyl sulfide (Ellis & Eckenrode, 1979 ; Miller & Cowles, 1990). Enfin, D.
22
platura (Meigen), la mouche des semis, très polyphage et s’attaquant aux racines de jeunes
plantes telles que le blé, la tomate, le melon, le tabac, … .
La mouche du chou présente trois générations chevauchantes par an, la première
émergence s’effectuant au printemps entre les mois de mars, avril et mai selon les conditions
climatiques (Missonier, 1960 ; Lahmar, 1982). Les populations de D. radicum comprennent
deux biotypes, l’un hâtif et l’autre tardif (Finch & Collier, 1983 ; Walgenbach et al., 1993).
Le biotype tardif émerge à la même période que les premiers descendants du biotype hâtif (de
mi-juillet à fin août ; Lahmar, 1982) et s’ajoute à cette population, pouvant ainsi former un
important deuxième pic d’émergence (Figure 6). Le troisième pic, plus rare et moins
important apparaît à partir de septembre.
30
25
2002
2003
2004
20
15
10
5
0
avril
avril
mai
mai
juin
juin
juillet
juillet
aout
août
Figure 6 : Moyenne hebdomadaire des pontes de D. radicum relevées dans des pièges
à feutrines sur trois années. Données issues de 4 sites situés dans la région de Saint
Malo (Bretagne, France). (Source : centre expérimental de La Rimbaudais, SaintMéloir-des-Ondes, France)
Le premier pic d’émergence est sans doute le plus problématique pour la production
agricole. Il correspond à la plantation des légumes primeurs (mi-mars - fin avril). Les larves
issues de ce premier pic s’attaquent donc souvent à des plantes jeunes, qui ont plus de mal à
survivre aux dégâts racinaires occasionnés. Sur les jeunes pousses, 2 à 5 larves suffisent pour
causer des dommages irréversibles (Bliggard, 1999).
23
Ennemis naturels
Les stades pré-imaginaux de la mouche du chou subissent une forte pression de prédation.
Différents coléoptères comme des carabes du genre Bembidion ou des staphylins du genre
Aleochara sont le plus souvent cités comme d’importants prédateurs d’œufs et larves
(Hughes, 1959 ; Lahmar, 1982). En utilisant un système de barrière d’exclusion, Wright et al.
(1960) ont montré que les dégâts dus à la mouche du chou étaient plus importants dans les
parcelles où les densités des coléoptères Bembidion lampros, Tetracolum quadristriatus et
Aleochara bipustulata étaient plus faibles. Selon ces auteurs, la prédation sur les oeufs joue
un rôle majeur dans le contrôle des populations de D. radicum.
Les populations de mouches sont aussi limitées par la présence de parasitoïdes comme
l’hymenoptère Trybliographa rapae, parasitoïde des larves et les coléoptères Aleochara
bilineata et A. bipustulata parasitoïdes des pupes (Figure 7).
Figure 7 : Action des auxiliaires Aleochara bilineata et Tribliographa rapae contre
Delia radicum au cours de ses différentes phases de développement. (Illustration : Sonia
dourlot)
Rôle des microorganismes
Les microorganismes semblent jouer un rôle important dans la biologie de D. radicum. La
présence de microorganismes du sol à proximité des plantes est un facteur déterminant de la
quantité d’œufs déposés par D. radicum au pied de radis (Ellis et al., 1982). Différentes
communautés de microorganismes sont associées aux différents stades de développement de
24
la mouche (Lukwinski et al., 2006). Certaines de ces bactéries induisent la production de
composés stimulants par la plante-hôte (e.g. Baur et al., 1998). Lors de l’alimentation des
larves, certaines bactéries associées (i.e. Erwinia sp.) permettent une nécrose particulière des
tissus, connue sous le terme de ‘pourriture molle’ (‘soft-rot’ en anglais). Cette pourriture
brune et très odorante, à la consistance d’une pommade, est très caractéristique des racines
fortement infestées par la mouche. Bien que non obligatoire, la présence de ces bactéries
pourrait permettre une meilleure mise à disposition des nutriments pour les larves (Doane &
Chapman, 1964a).
Ecologie chimique
Du fait de son statut de ravageur, l’écologie chimique de D. radicum a été abondamment
étudiée. Les mécanismes et messages impliqués dans le choix d’une plante-hôte et le
comportement agrégatif des mouches sont bien connus.
Le pattern de localisation d'un site de ponte par D. radicum tel que proposé par Finch
et Collier (2000) est le suivant : en vol, la présence d'une surface verte entraîne l'atterrissage si
elle est associée à la présence d'odeurs de chou. Différents isothiocyanates tel que l’allyl-ITC
seraient les principaux signaux volatils impliqués dans la localisation distante d’une plante
hôte (Hawkes & Coaker, 1979 ; Finch & Skinner, 1982) Sur une plante, la présence de
kairomones de contact, appelés ‘Cabbage Identification Factors’ (CIF), stimule la mouche
pendant sa descente le long de la plante et si la stimulation est suffisante la mouche pond. Ces
signaux sont détectés à une concentration de 10-11M par des récepteurs très spécifiques, leur
présence permet à elle seule de déclencher l'oviposition au pied de "faux" choux (Roessingh
et al., 1997). Certaines odeurs émises par des racines de Brassicaceae, probablement des
isothiocyanates, semblent agir en synergie avec ces signaux de contact pour stimuler la
descente de la mouche et sa ponte (De Jong & Städler, 1999).
Le comportement agrégatif de l’espèce se retrouve aussi bien au niveau du choix d’un
site de ponte par les femelles qu’au niveau de l’orientation des larves et fait intervenir
différents signaux. L’oviposition est notamment stimulée par la présence de larves
conspécifiques se nourrissant sur une plante (Baur et al., 1996a,b). Ces signaux, non
identifiés, pourraient provenir des racines et du substrat dans lequel se trouvent les plantes.
25
Une phéromone agrégative, le thia-triaza-fluorène (précédemment identifié comme CIF), a
aussi été récemment isolée dans les œufs de la mouche (Gouinguené et al, 2006). Cependant,
lors de la ponte, les femelles semblent aussi déposer certaines substances répulsives encore
non identifiées avec leurs oeufs (De Jong & Stadler, 2001).
Les larves de premier stade sont elles-mêmes attirées par différents stimuli volatils
issus de leur plante-hôte. Ces signaux peuvent être non spécifiques, comme le CO2 (Jones &
James -non publié-, cité dans Jones & Coaker, 1978) ou des odeurs vertes telles que
l’hexanol, l’hexanal, le cis-3-hexen-1-ol ou le linalool (Kostal, 1992). Ils peuvent aussi être
spécifiques des Brassicaceae comme l’allyl- et l’ethyl-ITC (Kostal, 1992; Ross & Anderson,
1992).
LES AUXILIAIRES, BIOLOGIE, ECOLOGIE CHIMIQUE
Les espèces les plus souvent citées pour leur potentiel de lutte contre D. radicum en Bretagne
sont : i) des carabes, prédateurs généralistes ; ii) les staphylins Aleochara bilineata et A.
bipustulata, prédateurs généralistes et parasitoïdes des pupes de la mouche ; iii)
l’hyménoptère Trybliographa rapae, parasitoïde spécialiste des larves.
Carabidae prédateurs
La famille des Carabidae comprend plus de 1500
genres et 28000 espèces à travers le monde. En
Europe, plus de 2000 espèces sont représentées. Un
grand nombre de ces espèces sont, au stade larvaire et
adulte, des carnivores généralistes présents dans
différents agro-écosystèmes. Leur utilisation pour
limiter les populations de ravageurs a notamment été
envisagée contre les limaces (Symondson, 1994), les
Figure 8 : Bembidion properans
(photographie : Sonia Dourlot)
chenilles de papillon du cotonnier (Deguine, 1991), différentes espèces de pucerons (Hance,
1986), mais aussi contre certaines mouches phytophages du genre Delia (Hughes, 1959 ;
26
Lahmar, 1982 ; Wright et al., 1960). Certains carabes polyphages pourraient cependant être un
problème pour les auxiliaires des cultures à cause de la pression de prédation qu’ils exercent
sur ces derniers (Prasad & Snyder, 2004 -et références internes-).
Différents carabes, appartenant notamment au genre Bembidion sont souvent cités
comme prédateurs potentiels des jeunes stades de D. radicum (Hughes, 1959; Wright et al.,
1960 ; Lahmar, 1982 ; Wishart et al., 1956, Hughes & Mitchell 1960 ). Parmi ces espèces, B.
lampros (Herbst, 1784) et B. tetracolum (Say, 1823) ont été majoritaires en champ lors des
expériences menées pendant cette thèse. Les Bembidions sont des prédateurs généralistes
mesurant de 3 à 5 mm (Figure 8).
Les études d’écologie chimique sur les Carabidae sont encore rares. Il semble
cependant que différentes espèces puissent utiliser des odeurs pour localiser leur habitat ou
leur micro-habitat, voire leurs proies (Kielty, 1995 ; Evans, 1981,1988).
Staphylinidae prédateurs et parasitoïdes du genre Aleochara
Taxinomie et répartition
Aleochara bilineata (Gyllenhal 1810) et A. bipustulata (L., 1761) appartiennent à la famille
des Staphylinidae, genre Aleochara (Gravenhorst, 1802) et au sous genre Coprochara. Le
genre Aleochara regroupe environ 400 espèces, réparties dans le monde entier (Klimaszewski,
1984 ; Maus 1998). A. bilineata et A. bipustulata sont présents sur l’ensemble de la zone
paléarctique. A. bipustulata serait éventuellement présent au nord de l’Inde. Sa présence dans
les zones néarctique et éthiopienne est difficilement vérifiable du fait d’une possible
confusion avec A. verna (Maus, 1998). A. bilineata est présent en Amérique du Nord,
principalement au Canada et dans quelques états des Etats-Unis d’Amérique (Klimaszewski,
1984).
27
Description
Les imagos sont noir brillant et présentent des
élytres courtes, caractéristiques de la famille des
Staphylinidae. Chez A. bipustulata les élytres
présentent une pigmentation brune plus ou moins
prononcée formant une tâche sur le bord postérieur
qui permet de le différencier à l’œil nu de A.
bilineata (Figure 9). Leur corps est fusiforme, les
Figure 9 : Aleochara bilineata (haut)
et Aleochara bipustulata (bas)
(Photographies : Sonia Dourlot)
pattes sont marron foncé et l’abdomen se termine en
pointe (Fuldner 1960). La taille des adultes est
variable (de 3 à 6,2 mm) et corrélée avec la taille de l’hôte dans lequel ils ont effectué leur
développement (De Wilde, 1947 ; Fuldner, 1960 ; Langlet, 1997 ; Langlet et al., 1998). Le
dimorphisme sexuel est peu marqué chez cette espèce puisqu’il se résume à la présence de
poils courts en forme de dard chez le mâle tandis que la femelle présente des poils deux fois
plus longs, à l’extrémité postérieure du sixième tergite et sternite abdominal. Bien qu’aucune
différence de taille n’existe entre les sexes à l’émergence, le poids des femelles devient
rapidement plus important que celui des mâles dès le début de la période d’oviposition
(Fuldner 1960, Langlet et al. 1998).
Biologie
Spectre d’hôte et cycle parasitaire
A. bilineata et A. bipustulata se développent
au stade larvaire en parasitoïde solitaire de
pupes de Diptères (Figure 10). Pour ces
espèces, la recherche de l’hôte est en partie
dévolue à la larve de premier stade. Après
l’éclosion de l’œuf, la larve, très mobile,
s’enfonce dans le sol à la recherche d’une
pupe à parasiter. Le spectre d’hôte de ces
deux espèces n’est pas limité à D. radicum.
Figure 10 : Cycle de v ie d’Aleochara bilineata.
(Illustration : Sonia Dourlot)
A. bilineata est inféodé à des espèces
28
phytophages de la famille des Anthomyiidae, tandis qu’A. bipustulata a un spectre plus large,
acceptant notamment de parasiter certaines espèces coprophages ou nécrophages appartenant
à d’autres taxons.
Le premier stade larvaire est donc libre et mobile. La larve se déplace dans le sol à la
recherche d’un hôte à parasiter. Elle s’introduit dans le puparium et y poursuit son
développement (De Wilde, 1947 ; Colhoun, 1953 ; Fuldner, 1960). Les deux stades larvaires
suivants, de type éruciforme, sont caractéristiques du mode de vie parasitaire et se déroulent
entre la nymphe et le puparium de l’hôte. Le corps ne présente aucune sclérification, les pattes
et les antennes sont réduites, et les mandibules sont modifiées en forme d’entonnoir,
permettant ainsi à la larve d’aspirer l’hémolymphe de l’hôte. Les larves de stade 2 et 3
mesurent respectivement de 2,8 à 3,6 mm et de 7 à 7,6 mm et se développent en
ectoparasitoïdes de la nymphe de mouche (Colhoun, 1953).
La nymphose s’effectue à l’intérieur du puparium de mouche vidé de son contenu. La
nymphe, de couleur blanche juste après la métamorphose se pigmente progressivement et
mesure de 4,25 à 4,66 mm de long et 1,85 mm de large selon la taille de la pupe hôte
(Colhoun, 1953).
Adultes
Les premiers accouplements ont lieu sur les sites d’émergence, avant même la recherche de
nourriture (Fuldner, 1960). Le mâle poursuit la femelle, tout en relevant son abdomen au
dessus de sa tête. Il l’agrippe ensuite à l’aide de ses paramères avant d’insérer son pénis dans
les voies génitales de la femelle. Une fois l’accouplement réalisé, l’ovogénèse se déclenche,
ce qui stimule la ponte qui débute deux jours après l’accouplement (Langlet, 1997).
Aleochara bilineata peut vivre plus de deux mois et s’accouple fréquemment durant sa vie
(Colhoun, 1953 ; Bromand, 1980).
Le taux de reproduction et la longévité des adultes ont été étudiés chez des femelles
accouplées puis isolées ainsi que chez des femelles laissées continuellement avec des mâles
(Langlet, 1997). Les femelles isolées commencent à pondre plus tôt après l’émergence, elles
ont une plus forte fécondité au début de la période de ponte et vivent plus longtemps que les
femelles laissées en présence d’un mâle (Langlet, 1997). La présence du mâle permet à la
29
femelle de garder un taux d’oviposition constant durant 60 jours malgré les coûts subis par la
femelle en termes de longévité (Langlet, 1997). Le taux d’oviposition est donc directement
corrélé avec la longévité des femelles.
Ecologie et lutte contre D. radicum
Les adultes émergent des pupes hivernantes au printemps, généralement quelques jours après
l’apparition des premiers adultes de D. radicum (Fuldner, 1960 ; Bromand, 1980). Au cours
des expérimentations en champ, nous avons pu vérifier les observations de Fournet (2000)
indiquant que dans les conditions de l’ouest de la Bretagne, la première émergence de A .
bipustulata semblait plus précoce que celle de A. bilineata. Ces deux espèces présentent deux
générations par an, la seconde débutant en août-septembre (Fuldner, 1960 ; Bromand, 1980).
Les adultes Aleochara sont des prédateurs généralistes. La capacité de A. bilineata à
prédater les œufs de D. radicum (Figure 11) a été estimée par différents auteurs. En condition
de laboratoire, Langlet (1997) a estimé qu’un adulte mangeait une soixantaine d’œufs par
jour. Un couple pourrait manger jusqu’à 1210 œufs
au cours de sa vie (Read, 1962). Dans les deux
espèces, les femelles semblent pouvoir manger
jusqu’à deux fois plus d’œufs que les mâles (Fournet,
2000). Il semblerait cependant qu’en conditions
naturelles seul un faible pourcentage des œufs pondus
par D. radicum soient accessibles à la prédation
(Finch et al., 1999).
Outre leur action prédatrice, A. bilineata et A.
bipustulata peuvent exercer une importante pression
parasitaire sur les populations de D. radicum (Figure
11). Sur une étude de 18 ans, Bonsall et al. (2004)
montrent que les taux de parasitisme par A. bilineata
sont très variables selon les années (allant de 4 à
40%). Le taux de parasitisme moyen sur la période
était d’environ 20%.
30
Figure 11 : Aleochara bilineata : larve
parasitant une pupe de D. radicum et adulte
dévorant des œufs. (Photographies : Sonia
Dourlot)
Selon Fuldner (1960) les espèces choisissent un habitat unique pour se nourrir et se
reproduire. Dans une culture de Brassicaceae A. bilineata et A. bipustulata présentent donc le
double intérêt de prédater et de parasiter la mouche du chou. L’utilisation de ces espèces a
aussi été envisagée contre d’autres mouches phytophages appartenant au genre Delia (Finch,
1989), et notamment D. antiqua.
Ecologie chimique
Les deux espèces semblent avoir une bonne capacité de dispersion, estimée à plusieurs
kilomètres dans un environnement urbain (Tomlin et al., 1992). L’utilisation d’odeurs pour
l’orientation à longue distance n’a pas été clairement démontrée. Cependant divers bouquets
odorants ont été identifiés comme attractifs pour A. billineata. Royer et Boivin (1999) ont
ainsi mis en évidence une attraction de cette espèce pour des plantes saines ou infestées, avec
une préférence pour le complexe plante-phytophage. Deux autres études révèlent le potentiel
des tourteaux de graines de colza pour attirer A. bipustulata (Ahlström-Olsson & Jonasson,
1992; Riley, 2007). Cependant, parmi les 14 composés identifiés dans l’odeur naturelle, les
auteurs n’ont pas déterminé lesquels étaient réellement actifs dans le comportement de
l’auxiliaire. Enfin, la culture mixte de choux et d’oignons semble être plus attractive pour les
deux espèces que la culture de chou seul (Uvah & Coaker, 1984).
L’étude de Fournet et al. (2001), révèle aussi la capacité des femelles A. bilineata à
modifier la taille de leurs pontes en fonction de la présence de signaux liés au complexe hôte
– plante. Ainsi, la présence de racines endommagées et de pupes semble stimuler la ponte. La
nature exacte des signaux responsables de cette stimulation est encore inconnue.
Hymenoptère parasitoide Trybliographa rapae
Taxinomie et répartition
Trybliographa rapae (Westwood, 1835) appartient à l’ordre des Hyménoptères, sous ordre
des Cynipoidea, famille des Figitidae et sous famille des Eucoilinae (Ronquist, 1995). Cette
espèce est très répandue en Europe et en Amérique du nord (Wishart et Monteith, 1954).
31
Description
Le genre Trybliographa se caractérise par une
cellule radiale ouverte, un scutellum marqué
d’une cupule dentée et des antennes de plus de 6
articles pour les femelles (Nordlander, 1981).
L’adulte est noir avec des pattes brunes, il mesure
entre 2 et 3 mm (Figure 12). La morphologie
générale est caractéristique des espèces adaptées à
Figure 12 : Trybliographa rapae : femelle en
train de pondre. (Photographie : Sonia Dourlot)
un habitat souterrain : thorax peu développé, yeux
de petite taille, pattes courtes et fortes et abdomen
comprimé latéralement. Mâles et femelles se distinguent à l’œil nu par la longueur de leurs
antennes (13 articles pour les femelles contre 15 pour les mâles).
Biologie
Spectre d’hôte et cycle parasitaire
T. rapae est un endoparasitoïde solitaire spécialiste des larves de Diptères Anthomyiidés du
genre Delia. Ses hôtes les plus fréquents sont D. radicum, D. floralis et D. platura (Wishart &
Montheith, 1954 ; Wihart, 1957 ; Wishart et al., 1957). Les femelles se faufilent dans le sol et
parasitent les larves hôtes à travers les tissus racinaires (Wishart & Montheith, 1954). Dans
certains cas elles peuvent aussi emprunter les galeries creusées par les phytophages (Jones,
1986).
T. rapae préfère parasiter les larves
de 3ème stade de D. radicum (Neveu et al.,
2000). L’œuf est pondu directement dans
l’hôte (Figure 13) et éclot de 4 à 5 jours
après la ponte à 20°C. Les deux premiers
stades
larvaires
sont
strictement
endophages. Le premier stade larvaire, de
type eucoiliforme, peut durer de quelques
Figure 13 : Cycle de v ie de Trybliographa rape.
(Illustration : Sonia Dourlot)
jours à plusieurs semaines, il se termine au
32
moment de la nymphose de l’hôte. A partir du troisième stade la larve devient ectophage mais
reste protégée à l’intérieur du puparium. Les deuxième et troisième stades larvaire ne durent
que quelques jours (5-6 jours chacun). Le quatrième et dernier stade larvaire peut entrer en
hibernation à l’intérieur du puparium, il dure de deux semaines à plusieurs mois en
hibernation (Wishart & Montheith, 1954). Le stade nymphal dure environ 25 jours si l’hôte
parasité est au premier stade larvaire (Kacem et al., 1996). Les mâles émergent environ deux
jours avant les femelles (Jones, 1986).
Adultes
T. rapae se reproduit par parthénogénèse arrhénotoque facultative. L’accouplement, s’il a
lieu, peut intervenir immédiatement après l’émergence. La ponte est elle aussi possible dès les
premières heures suivant l’émergence (Wishart et Montheith, 1954). Les femelles sont
proovogéniques avec une fécondité potentielle d’une centaine d’œufs. Elles vivent une
vingtaine de jours en condition de laboratoire à 20°C (Duthilleul, 2000).
Ecologie et lutte contre D. radicum
T. rapae présente deux générations chevauchantes par an (Smith, 1927 ; James, 1928 ;
Makarenko, 1968 ; Hertveldt, 1970). En Bretagne la première génération d’adultes est issue
des pupes hibernantes et émerge au printemps (avril-mai), quelques semaines après les
premières mouches. La deuxième génération, issue des hôtes parasités par la première
génération, émerge à la fin de l’été (aôut-septembre) (Lahmar, 1982).
En champ les taux de parasitisme sont très variables. Ils ont été estimés entre 1 et 45%
selon les localités et les périodes (Jones, 1986). En Bretagne, le taux de parasitisme moyen se
situerait autour de 40% (Lahmar, 1982) mais des taux montant jusqu’à 86% ont été observés
dans certaines parcelles sur des mouches de première génération (Langlet & Brunel, 1996).
Ecologie chimique
Les mécanismes de sélection de l’hôte par T. rapae pourraient faire intervenir différents
signaux visuels (Brown et al., 1998) mais surtout différents signaux chimiques volatils. Les
femelles sont notamment attirées par l’odeur de racine infestée ou en décomposition (Vet,
1985), et savent différencier ces deux sources odorantes (Jones, 1986). Les racines de navet
33
infestées par D. radicum sont particulièrement attractives (Neveu, 1998). Les odeurs émises
de façon systémique par les plantes attaquées ont aussi un rôle important dans l’attraction à
distance des femelles (Neveu et al., 2002). Les éliciteurs responsables de cette émission de
volatils attractifs se retrouvent dans les broyats larvaires et pourraient avoir pour origine les
bactéries associées au tube digestif de D. radicum (Neveu et al., 2002). Les plantes attaquées
sont attractives après 24H d’infestation, et l’attraction est croissante avec l’augmentation du
nombre de larves présentes (entre 1 et 10 larves) (Grandgirard, 2003).
34
CHAPITRE 2:
IDENTIFICATION D’UN MESSAGE GENERAL ISSU DE
L’INTERACTION PLANTE-PHYTOPHAGE ET ATTRACTION
DE DIFFERENTS PREDATEURS PLUS OU MOINS
GENERALISTES
35
Chapitre 2: Identification d’un message général issu de l’interaction plantephytophage et attraction de différents prédateurs plus ou moins généralistes
Article 1 : Identification of a widespread monomolecular odor differentially attractive to
several Delia radicum ground dwelling predators in the field.
Article sous presse dans Journal Of Chemical Ecology
Auteurs: Antonin Ferry; Sébastien Dugravot; Thomas Delattre; Jean-Philippe Christides;
Jacques Auger; Anne-Geneviève Bagnères; Denis Poinsot; Anne-Marie Cortesero.
Objectifs : identifier, à partir d’une source naturelle d’odeur issue de l’interaction chou –
mouche du chou, une molécule volatile qui permettrait d’attirer les prédateurs de D. radicum.
Tester l’attractivité de cette molécule en champ sur les différents prédateurs de la mouche.
Résumé et intérêt de l’étude : Les racines fortement infestées par D. radicum émettent un
bouquet odorant essentiellement composé de sulfides. Parmi ces volatils, le DMDS est
majoritaire. Testé en champ à différentes concentrations face au bouquet naturellement émis
par des racines infestées, le DMDS s’est révélé être attractif pour les principaux prédateurs de
D. radicum : les carabes du genre Bembidion et les staphylins A. bilineata et A. bipustulata.
Cependant toutes les espèces n’ont pas répondu de façon identique. Alors qu’A. bilineata et A.
bipustulata ont exhibé une courbe dose-réponse d’attractivité centrée sur une quantité nette
de DMDS correspondant à la quantité émise par une racine infestée, les carabes ont répondu à
une plus large gamme de concentration, centrée cette fois-ci sur des quantités plus faibles. A.
bilineata, qui ne parasite que des espèces de mouches Anthomiideae phytophages et qui est
donc plus spécialiste que A. bipustulata s’est toujours révélé plus attiré par le bouquet odorant
naturel que par la molécule seule. Au contraire, A. bipustulata qui parasite en plus certaines
mouches nécrophages a été autant attiré par la molécule seule que par le bouquet complet. Les
carabes quant à eux n’ont pas répondu à l’odeur émise par les racines infestées.
Ces résultats sont intéressants à plusieurs niveaux. Premièrement, ils confirment
l’importance des messages peu spécifiques dans le comportement des insectes. Le DMDS, en
tant que produit de dégradation final, est à même d’être produit par toutes les Brassicaceae
attaquées par D. radicum. Il est par ailleurs émis lors de l’attaque d’Alliaceae par D. antiqua,
une mouche phytophage qui est aussi proie et hôte des espèces attirées. Le DMDS est
probablement également émis par les proies en décomposition dont peuvent se nourrir les
carabes ou les mouches nécrophages hôtes de A. bipustulata. Ce message ‘général’ offre donc
l’avantage de pouvoir permettre la localisation de différentes ressources susceptibles
d’intéresser les auxiliaires étudiés. Ceci pourrait expliquer qu’il soit justement utilisé par
autant d’espèces différentes.
Les profils de réponse obtenus nous renseignent par ailleurs sur la possibilité qu’ont
les insectes d’utiliser la concentration d’une molécule dans l’environnement en tant
qu’information en soit. Ce n’est en effet probablement pas un hasard si les espèces les plus
spécialisées envers D. radicum ont préférentiellement été attirées par des concentrations
proches de ce qu’émettent les racines attaquées par cette espèce. L’attraction des carabes pour
les faibles concentrations de DMDS (alors qu’ils ne sont pas attirés par l’odeur de racine
infestée) appuie cette hypothèse.
D’un point de vu appliqué, la possibilité de pouvoir attirer les différents prédateurs de
la mouche du chou grâce au DMDS offre des perspectives intéressantes. Le DMDS est facile
à produire et peu cher (c’est notamment un co-produit lié à l’exploitation du gaz naturel). Son
utilisation à une échelle agronomique est donc envisageable.
36
J Chem Ecol
DOI 10.1007/s10886-007-9373-3
Identification of a Widespread Monomolecular Odor
Differentially Attractive to Several Delia Radicum
Ground-dwelling Predators in the Field
Antonin Ferry & Sebastien Dugravot & Thomas Delattre &
Jean-Philippe Christides & Jacques Auger &
Anne-Geneviève Bagnères & Denis Poinsot &
Anne-Marie Cortesero
Received: 10 April 2007 / Revised: 11 July 2007 / Accepted: 15 September 2007
# Springer Science + Business Media, LLC 2007
Abstract Dimethyl disulfide (DMDS) was identified as a major volatile constituent of
Brassica napus roots heavily infested by Delia radicum, the cabbage root fly.
Attractiveness of this widespread compound was tested in the field in a naturally complex
odorous environment. By using an original setup especially designed for ground dwelling
beetles, different concentrations of the pure molecule as well as attractiveness of the natural
blend emitted by the rotten part of infested roots were tested simultaneously. The use of
general linear model (GLM) statistics permitted us to finely discriminate the responses
among the different treatments. The main predators of D. radicum (i.e., two staphylinids
Aleochara bilineata and Aleochara bipustulata and carabid beetles of the genus Bembidion)
were significantly attracted by DMDS, but responded in different ways to the natural blend
and to the different concentrations tested. The dose–response curves were similar for the
two staphylinids. However, whereas A. bilineata was more attracted by the natural volatile
blend than by its preferred DMDS concentration, A. bipustulata was attracted as much by
the natural blend as by its preferred DMDS concentration. Carabid beetles exhibited a
different response. They were not attracted by the natural blend, but responded to a wider
range of DMDS concentrations that included low concentrations that did not attract the
staphylinid beetles. These results are discussed according to the potential resources
searched by each taxon studied and their specificity for the resources. The possible use of
DMDS for enhancing biological control of D. radicum is mentioned.
Keywords Plant–predator interactions . VOC . Tritrophic interactions .
Ground-dwelling beetles . Attractivity . Intra-guild variation . Field bioassay .
GLM statistics . Dimethyl disulfide
A. Ferry (*) : S. Dugravot : T. Delattre : D. Poinsot : A.-M. Cortesero
Laboratoire d’Ecobiologie des Insectes Parasitoïdes, EA3193, Université de Rennes 1, Rennes, France
e-mail: [email protected]
J.-P. Christides : J. Auger : A.-G. Bagnères
Institut de Recherche sur la Biologie de l’Insecte, UMR 6035, Université de Tours/CNRS,
Tours, France
37
J Chem Ecol
Introduction
Volatile organic compounds (VOCs) emitted by plant–herbivore interactions are of
importance for host or prey location by parasitoids and predators of phytophagous insects
(e.g., Vinson et al. 1987; Dicke et al. 1990a, b; Turlings et al. 1995; Karban and Baldwin
1997). More than 1,000 VOCs are involved in such interactions (D’Alessandro and Turlings
2006), and in a single plant–herbivore complex 30–50 VOCs are frequently detected by
chromatographic analysis. Some entomophagous arthropods are able to discriminate between
minor qualitative or quantitative differences among this vast number of compounds, and use
these differences as reliable cues to find hosts or prey. For example, sprouts infested by Plutella
xylostella emit 10 additional VOCs compared to uninfested sprouts that emit 49 compounds.
These qualitative differences are perceived by the parasitoid wasp Diadegma semiclausum that
prefer the odor of infested plants (Bukovinszky et al. 2005). Among the myriad of VOCs
identified, some are common and emitted in many plant arthropod interactions, whereas others
are highly specific to a particular interaction. It is generally admitted that in tritrophic
interactions that involve a carnivorous species specialized toward a particular phytophagous
insect, the VOCs used by foragers are highly specific (Vet and Dicke 1992; Steidle and Van
Loon 2003). Nevertheless, there is growing evidence that some specialist insects also use
general cues such as β-farnesene (Mumm and Hilker 2005), methyl salicylate (de Boer and
Dicke 2004), or green leaf volatiles (Whitman and Eller 1992). To understand how individuals
use the cues of their environment in a way that can lead to an optimized foraging strategy
(Bernays 1996), it is crucial to unravel how predators and parasitoids are able to use more or
less specific compounds as reliable foraging cues. However, most studies that examine the
effects of VOCs on the behavior of parasitoids or predators have been carried out in laboratory
conditions (e.g., Vinson et al. 1987; Dicke et al. 1990a; Turlings et al. 1995; Sabelis et al.
2001; de Boer and Dicke 2004). Field studies are scarce (but see De Moraes et al. 1998 or
Kessler and Baldwin 2001), and direct evidence for the potential of synthetic VOCs as field
attractants for beneficial insects has only recently been obtained (James 2003, 2005).
Delia radicum, the cabbage root fly, is an economically important pest of cabbage crops
(Finch 1989). Females lay their eggs in small clusters in the immediate vicinity of stems of
Brassicaceae plants. Larval development takes place inside the roots, where larvae dig
galleries while feeding, leading to root decay when infestation is heavy. A large part of egg
and larval mortality in D. radicum is caused by predation by several species of carabidae
and staphylinidae (Wishart et al. 1956; Hugues 1959; Coaker and Williams 1963; Luff
1987; Wright et al. 1960; Mowat and Martin 1981).
In this study, we investigated VOCs used in the field by the main natural enemies of D.
radicum that are naturally found in cole crops (Finch 1989): small carabid beetles
belonging to the genus Bembidion and the rove beetles Aleochara bilineata and A.
bipustulata (Coleoptera : Staphilinidae). In both cases, adults are predators of D. radicum
eggs and larvae, but the staphilinid larvae also develop as parasitoids of D. radicum pupae
(Fuldner 1960). The two Aleochara species have been suggested previously as potential
biological control agents against Delia antiqua, a pest of Alliaceae plants (Tomlin et al.
1985; Finch 1989). Whereas carabid beetles are generalist predators, A. bilineata and A.
bipustulata, because they are also parasitoids of D. radicum, are more specialized.
However, despite their close morphology and biology, the two staphilinids differ in host
ranges. Whereas A. bilineata is a specialist of phytophagous and saprophagous
Anthomyiidae dipterans, A. bipustulata has a wider host range, parasitizing not only
Anthomyiidae species but also coprophagous and necrophagous non-Anthomyiidae
dipterans. This difference in specificity should translate into a different use of volatile cues.
38
J Chem Ecol
Only a few studies have examined the role of VOCs in host-finding behavior of D.
radicum predators. In laboratory conditions, by using a Y-tube olfactometer, Royer and
Boivin (1999) showed that volatiles coming from host-infested plants, as well as odors from
larval frass and hydrosoluble volatiles coming from the larval tegument, were attractive to
A. bilineata adults. However, the volatiles involved were not precisely identified. Another
study highlighted the role of onion in mixed-crop strategies to improve the presence of D.
radicum natural enemies, A. bilineata, A. bipustulata, and carabid beetles (Uvah and
Coaker 1984). Nevertheless, it was unclear whether the observed effects were caused by
onion volatiles or by confounding effects like the presence of additional resources. Finally,
two field studies have revealed the ability to increase A. bipustulata catches in brassica
plots that contain mustard seed meal (Ahlström-Olsson and Jonasson 1992; Riley et al.
2007). Which compounds, among the 14 identified in the natural odor source, could be
responsible for this attraction was not specified.
To unravel the foraging cues used by A. bilineata, A. bipustulata and carabid beetles, to
locate D. radicum, we first analyzed in the laboratory the VOCs emitted by the rotten part
of Brassica napus roots that were heavily infested by D. radicum larvae. Then, by using an
original bioassay designed for ground-dwelling beetles, we analyzed in the field the
attractive effect on D. radicum natural enemies of various concentrations of the main VOC
found compared to the odor emitted by naturally infested roots.
Methods and Materials
Natural Odor Source Infested roots used for the chemical analysis of volatiles and for the
bioassays were obtained from our D. radicum rearing facility at the University of Rennes
(France). Infestations were carried out in a controlled room (21±1°C, 60% RH, 16L:8D
photoperiod). To obtain heavily infested material, swede roots (Brassica napus var.
napobrassica) were placed on a bed of oven-dried sand in a glass plate and then put in 1×
1×1 m Plexiglas™ cages that contained a few hundred D. radicum adults. After 3 d, the
plates containing the roots harboring many eggs were removed and placed into an insectproof empty cage. D. radicum larvae were left to develop in the roots for 3 wk before the
material was used in the experiments. The high level of infestation chosen corresponds to
what can be found in the field after the first emergence peak of the flies.
Identification of Major Compounds Emitted by Heavily Infested Roots Three grams of the
rotten part of heavily infested roots were put into a 30-ml glass vial closed with aluminum
foil. Five repetitions of samples taken from different roots were carried out. Volatile
sampling was obtained by inserting a solid-phase micro-extraction (SPME) fiber (1 cm
long, 100 μm polydimethylsiloxane coating, SUPELCO 57300-U) through the aluminum
sheet into the free space of the vial, where it was maintained for 15 min. Qualitative
analysis was carried out with a Perkin–Elmer GC AutoSystem gas chromatograph (GC)
coupled to a Perkin–Elmer Turbomass quadrupole mass spectrometer (MS). The GC
column was a SGE BP1 capillary column (length 25 m, inner diameter 0.32 mm, film
thickness 0.5 μm). The SPME fiber was inserted into the GC injector for thermal desorption
in splitless mode for 2 min, and the split flow was adjusted to 30 ml/min. The injector was
maintained at 250°C. The GC oven remained at 50°C for 2 min, then raised to 300°C at 5°C/
min; helium was used as a carrier gas at a constant flow rate of 1 ml/min; the transfer line to
the MS was thermostatted at 280°C, and the ion source at 180°C. MS spectra were recorded
from 30 to 500 amu per 0.6 sec in the electron ionization mode at an electron energy of 70 eV
39
J Chem Ecol
and a filament emission of 200 μA. Identification of molecules was carried out by using the
internal NIST library, our personal library, and was confirmed by using pure standards when
possible.
Quantitative Measurement of Dimethyl Disulfide (DMDS) All volatiles were collected by
using a static headspace method. Headspace consisted of a 1-l airtight closed glass jar. A
hole in the middle top of the jar permitted us to insert a SPME fiber for volatile sampling
and the pure molecule dilutions for calibration. To allow odor concentration into the
headspace, this hole was filled up with patafix™. Odors were sampled during 10 min, with
the SPME fiber (same reference as above) at room temperature (24±1°C).
Quantitative measurements were carried out with a Perkin–Elmer GC-FID AutoSystem gas
chromatograph (GC) equipped with a flame ionization detector (FID). The GC column was
a Perkin–Elmer PE-5ms (5% diphenyl dimethylpolysiloxane) capillary column, (length
20 m, inner diameter 0.18 mm, film thickness 0.18 μm). SPME injection and oven program
were the same as described for the GC-MS used in the qualitative analysis.
For calibration, a constant quantity of 1 μl of solution that contained DMDS diluted in
paraffin oil was inserted with a Pipetman™ through the hole of the jar, and deposited on a
small piece of filter paper maintained inside the jar with Patafix™. As soon as the droplet
was deposited, the hole was closed for 5 min, permitting the volatile to evaporate before
SPME sampling. The net quantities of DMDS used for calibration were: 1, 0.5, 0.1, 0.05,
0.03, and 0.01 μl. For each of these volumes, the measurement was repeated three times
with new prepared solutions. Calibration measurements were conducted over the whole
period of chemical analysis. The results showed a strong correlation between the FID peak
area and the volume of DMDS used (peak area=8×10E-07 μl DMDS; R2 =0.9726).
Quantity of DMDS Emitted by Heavily Infested Roots Infested roots were weighted and
placed in the jar 1 hr before volatile sampling to allow odor concentration to build up. After
this period, the quantity of DMDS emitted was measured as described above. Quantities
emitted were expressed in nanoliters of DMDS produced per gram of fresh product per hour
(nl g−1 hr−1). Measures were repeated on five different roots.
Quantity of DMDS Emitted by Field Traps Two microliters of DMDS diluted in 18 μl of
paraffin oil were deposited on a 1-cm2 piece of filter paper inside the trap (see trap
description below). Traps were opened in the same way as in the field bioassay and kept 1,
5, or 24 hr on a work surface under an extractor at room temperature (24±1°C). After this
period, traps were placed into the 1-l jar and left to emit for 1 hr before SPME sampling.
Measures were repeated on three different traps.
Field Bioassays Bioassays were conducted on a 20×40 m broccoli plot in the experimental
field station of La Rimbaudais in Saint Meloir des Ondes (48.65°N, 1.9°W), Brittany,
France, in the heart of an important zone of cabbage production. Broccoli plants (Brassica
oleracea Italica var. monopoly) were 8 wk old at the time of the experiment. Experiments
were carried out on June 28 and 29 and July 4, 2006 under sunny weather (mean
temperatures of 18.5, 18.3, and 22.5°C).
Setup The setup consisted of a rectangular grid of 90 equally spaced mini-pitfall traps
arranged over nine rows of culture with 10 traps per row (spacing between and among rows
was 80 cm, Fig. 1). Accordingly, the position of each trap in the setup could be identified
40
J Chem Ecol
Fig. 1 Diagram showing the traps used to catch Aleochara bilineata, A. bipustulata, and carabid beetles of
the genus Bembidion and their disposition in the field bioassays. A rectangular grid of 90 equally spaced
traps was arranged over nine rows of broccoli plants with 10 traps per row (spacing between and among rows
was 80 cm)
by its row number (1–9) and its column number (1–10). The location of the setup in the
parcel was changed for each date the experiment was carried out.
Traps were made of 35-ml plastic cups (33 mm high, 40 mm upper diameter, P100
Solocup™). They were filled with odor sources in the field station’s lab as follow: 1 g of
the rotten part of an infested rutabaga root (R) or 20 μl of DMDS diluted in paraffin oil at
the concentrations of 0% (C), 0.1% (D002), 1% (D02), 10% (D2), and 100% (D20),
corresponding to a net quantity of 0, 0.02, 0.2, 2, and 20 μl of DMDS. As soon as an odor
source was added, the cup was hermetically sealed with a piece of parafilm™. The 15 traps
per treatment were randomly spatially distributed on the grid by using the internal function
“sample” of R. Traps were placed in the field between 12:00 A.M. and 1:00 P.M. so that the
upper part of the cup would be flush with the soil surface. After 1 hr, traps were carefully
opened by piercing the piece of Parafilm™ in the middle with a precision forceps. Holes
made this way were about 2 mm in diameter and permitted both odor diffusion and insect
trapping. To limit variations caused by diel activity cycles, trapping was allowed for a 24-hr
period without any perturbation in the field plot.
In parallel to the setup described above, a transect of 10 pitfalls (10 cm diameter) filled
up with 50% alcohol and water, placed perpendicular to rows inside the parcel, was used to
41
J Chem Ecol
monitor sex ratios of A. bilineata and A. bipustulata in the field. These pitfalls will be
referred to as “control pitfalls” in the “Results” section.
Recovery of Trapped Insects Traps were brought to the lab for insect recovery. For each trap,
we noted the treatment and position of the trap (row, column) as well as the number, species,
and sex (determined with the presence of the male parameres, i.e., male genital apparatus) of A.
bilineata and A. bipustulata, the number of other staphylinids, carabids, other coleopterans,
dipterans, arachnids, and extra information such as dead individuals. All collected insects
were grouped by date and treatment and conserved in alcohol for further investigation.
Statistical Analysis Statistical analyses were done with R software (R Development Core
Team 2006). The numbers of trapped insects were analyzed with general linear model
(GLM) statistic using the numbers of individuals caught in each trap. The distribution of the
data was consistent with a Poisson distribution, and the linking function “log” was chosen
for these GLMs. Factor effects were analyzed with the function “anova.glm” of R, using a
chi-squared test, on a complete model that contained the following effects: treatment (i.e.,
the five concentrations of DMDS: C, D002, D02, D2, and D20, and R), date, treatment ×
date interaction, row, column. Numbers of individuals belonging to the same taxon trapped
in different odors were compared with an analysis of contrast, using the function “esticon”
of the package “doBy” (Højsgaard 2004).
The goodness-of-fit of each model was assessed by a graphical observation of the
quantile randomized residuals (Dunn and Smyth 1996), plotted against the normal
distribution quantiles (normal probability plot) by using the function “qqnorm” (Becker
et al. 1988). Quantile randomized residuals were calculated using the function “qresiduals”
from the R package “statmod” (Smyth 2005). The use of randomized quantile residuals
instead of residuals per se was more appropriate because of: (1) the use of a Poisson family
for the GLM fit, and (2) the fact that there were only a few possible values for the response
(typically 0, 1, 2, 3) (Dunn and Smyth 1996). For all the GLMs used, graphical
representations revealed a good fit between the randomized quantile residuals and the
normal probability plot. Furthering the analysis of the residuals, we made for each response
at each date a spatial representation of the simplest model residuals over the set up. This
representation permitted us to locate any spatial structuration of the residuals that would
have revealed a non-independence of the number of insects caught in traps located close
together.
Finally, to avoid all possible bias caused by interference inside a taxon (like aggregation
behavior), all GLM analyses were carried out again in the presence/absence of analyzed
taxa in each trap by using a binomial link function. The results (not shown) are similar to
those obtained when using insect counts, thus supporting the conclusions presented herein.
Results
Identification and Quantification of Volatiles The gas chromatograpy–mass spectrometry
(GC-MS) analysis of volatiles trapped with SPME revealed a relatively simple profile
essentially composed of sulfides (Fig. 2). The main volatile compound identified was
dimethyl disulfide (DMDS). Other compounds such as dimethyl trisulfide, dimethyl
tetrasulfide, 2-4-5-trithiahexane, and 2-4-dithiapentane were found in smaller amounts,
sometimes as traces, or not at all, depending on the sample.
42
J Chem Ecol
Fig. 2 Typical chromatogram of odors emitted by the rotten part of Brassica napus roots heavily infested by
Delia radicum larvae. 1: SPME injection artifact; 2: DMDS; 3: 2-4-dihiapentane; 4: 2-4-5-trithiahexane; 5:
unknown compound; 6: dimethyl tetrasulfide. Refer to the text for details
Among these volatiles, we chose to work with DMDS for several reasons: (1) In all cases,
DMDS appeared to be one of the major compounds; (2) As an end product of tissue
degradation and because of the high content of sulfur-containing compounds in this genus
(notably all glucosinolates), DMDS is likely to be emitted by all attacked Brassicacae roots,
regardless of the species infested. Thus, it could be a reliable marker of the presence of D.
radicum.; (3) DMDS is known as an end product of Alliaceae tissue degradation (Auger et
al. 1989b) and could be emitted by these plants also when attacked by D. antiqua, a host
and prey of both staphilinids studied in this paper.
The quantitative measure of DMDS in infested roots revealed a highly variable
concentration. The quantity of DMDS emitted per gram of fresh product in 1 hr, measured
on six samples ranged from 0.5 to 38.2 nl, with a mean of 11.2 nl g−1 hr−1.
Quantity of DMDS Emitted by the Traps The quantity of DMDS emitted by the traps we
used decreased with time. With an initial volume of 2 μl pure DMDS inside the trap, the
quantity emitted during the first 6 hr after opening was in the same range as what was
emitted by 1 g of infested roots: 38.5±13.2 nl/hr (±SE) between the first hour and the
second hour, down to 8.0±0.86 nl/hr (±SE) between the fifth hour and the sixth hour. After
24 hr, only traces were recovered.
Insects Caught in the Traps The 270 traps caught a total of 473 arthropods distributed as
follows: 123 A. bipustulata, 83 A. bilineata, 68 other staphylinids, 155 carabid beetles, 26
other coleopterans (essentially Halticinae), 11 dipterans (all belonging to the genus Delia),
43
J Chem Ecol
one ant, six Arachnids, plus hundreds of springtails (Hexapoda: Collembola) that were not
taken into account. Of these arthropods, 32.8% were caught in the traps that contained
infested roots, whereas only 6.6% were caught in control traps. The remaining 60.6% of
individuals trapped were divided among the traps that contained one of the four DMDS
concentrations. For each treatment, a certain number of traps did not catch any of the
species we were interested in (N=33, 26, 15, 11, 24, and 12 for T, D002, D02, D2, D20,
and P, respectively).
A. bilineata A total of 83 A. bilineata adults were caught (0.31±0.06 per trap). The
treatment effect was highly significant (Table 1, Fig. 3). Traps containing 0.02 or 0.2 μl of
DMDS did not catch more A. bilineata than control traps. Traps containing 2 or 20 μl of
DMDS caught a higher number of A. bilineata than control traps and were not significantly
different from each other. Traps that contained infested root caught more A. bilineata than
all the other treatments (Fig. 3).
The row and column effects were both significant, but without any obvious general
pattern (none of the internal or the external rows or columns was responsible for this effect).
This observation was consistent with the spatial representation of residuals that did not
reveal any structuration.
Although odorous traps captured more females (N=48) than males (N=33), the sex ratio
was not biased (binomial test, P=0.120), and did not differ from that obtained from control
pitfalls for the same week (58 females and 44 males, Chi-square test between attractive
traps and control pitfalls: χ2 =0.030; 1 df, P=0.861).
A. bipustulata A total of 123 A. bipustulata adults were caught (0.46±0.05 per trap). The
treatment effect was highly significant (Table 1, Fig. 4). Traps that contained only 0.02 μl
of DMDS did not catch more insects than control traps, whereas traps that contained 0.2, 2,
and 20 μl of DMDS or traps that contained infested roots did. Traps with 2 μl of DMDS
caught a higher number of insects than other DMDS concentrations and were not
significantly different from traps that contained infested roots.
The influence of the date was significant for A. bipustulata (43 individuals caught
between June 28 and 29, 52 between June 29 and 30, and 38 between July 4 and 5). As for
A. bilineata, there was no effect of the interaction between the date and the treatment.
Table 1 General linear model (treatment + date + row + column + treatment × date) results summarizing the
effect of the different factors on the number of Aleochara bilineata, A. bipustulata, and carabid beetles
caught per trap
A. bilineata
Treatment
Date
Row
Column
Treatment × Date
A. bipustulata
Carabid beetles
df
Deviance
P(>|Chi|)
Deviance
P(>|Chi|)
Deviance
P(>|Chi|)
5
2
24
27
10
80.47
5.72
64.54
57.80
9.56
< 0.001
0.06
< 0.001
< 0.001
0.48
44.16
7.46
32.05
31.50
17.36
< 0.001
0.024
0.126
0.251
0.067
40.77
20.04
28.08
55.88
14.38
< 0.001
< 0.001
0.26
< 0.001
0.16
44
J Chem Ecol
1,4
D
1,2
1
0,8
C
0,6
BC
AB
0,4
A
A
C
D002
0,2
0
D02
D2
D20
R
Fig. 3 Mean number of Aleochara bilineata caught per trap for each treatment ± SE. (C: control; D002:
0.02 μl DMDS; D02: 0.2 μl DMDS; D2: 2 μl DMDS; D20: 20 μl DMDS; R: rotten part of infested root).
Different letters indicate a significant difference between treatments. α=0.05
The row and column position of the traps had no effect (Table 1), in agreement with the
spatial representation of residuals.
Sex ratios in the odorous traps were biased toward females (74 females and 49 males,
binomial test, P=0.030), but this was not caused by odors as a similar bias was observed in
control pitfalls for the same week (control pitfall: 81 females and 56 males, Chi-square test
between attractive traps and control pitfalls, χ2 =0.002; 1 df, P=0.965).
1,4
E
1,2
DE
1
CD
0,8
BC
0,6
0,4
AB
A
0,2
0
C
D002
D02
D2
D20
R
Fig. 4 Mean number of Aleochara bipustulata caught per trap for each treatment ± SE. (C: control; D002:
0.02 μl DMDS; D02: 0.2 μl DMDS; D2: 2 μl DMDS; D20: 20 μl DMDS; R: rotten part of infested root).
Different letters indicate a significant difference between treatments. α=0.05
45
J Chem Ecol
1,4
B
1,2
B
B
1
0,8
0,6
A
A
A
D20
R
0,4
0,2
0
C
D002
D02
D2
Fig. 5 Mean number of carabid beetles caught per trap for each treatment ± SE. (C: control; D002: 0.02 μl
DMDS; D02: 0.2 μl DMDS; D2: 2 μl DMDS; D20: 20 μl DMDS; R: rotten part of infested root). Different
letters indicate a significant difference between treatments. α=0.05
Carabid beetles A total of 155 carabid adults was caught (0.57±0.06 per trap). All were
identified a posteriori as Bembidion tetracolum (N=91) or Bembidion lampros (N=62) with
the exception of one B. quadrimaculatum and one Microlestes minutulus. The treatment
effect was highly significant (Table 1, Fig. 5). Surprisingly, the traps with the highest
concentration of DMDS (20 μl) or naturally infested root odor had no significant effect on
carabids, whereas traps with lower concentrations (2, 0.2 or even 0.02 μl of DMDS) caught
more carabid beetles than control traps.
The influence of the date was highly significant, particularly because of the twice lower
number of insects caught on July 4–5 (N=27, compared to N=67 and N=61 captured on
June 28–29 and 29–30, respectively). Nevertheless, there was no effect of the interaction
between the date and the treatment.
The column effect was significant, although the row effect was not. As in the case of A.
bilineata, however, no obvious pattern appeared. Furthermore, the observation of the spatial
representation of residuals revealed no structuration.
Discussion
Field bioassays revealed the ecological importance of DMDS in the orientation behavior of
the main predators of D. radicum eggs and larvae. This compound, frequent in sulfurcontaining plants, was emitted in large amounts by brassica roots heavily infested by D.
radicum. Our results show that DMDS attracts the staphylinids A. bilineata, A. bipustulata,
and the carabids Bembidion tetracolum and B. lampros. Concentration of the pure molecule
seems to play a role, influencing the response of the different predators. To our knowledge,
this is the first field study that demonstrates that the concentration of one monomolecular
odor influences the orientation behavior of different arthropod predators that belong to the
same guild. These results shed new light on the use of general cues by foraging insects, and
46
J Chem Ecol
could also be helpful for enhancing biological control of D. radicum, which feeds on open
field crops.
To date, the role of DMDS as a carnivorous insect attractant has been shown only in two
tritrophic complexes. The first involves cabbage plants (Brassica oleracea spp. capitata),
the phytophagous lepidoptera Plutella xylostella, its specialist parasitoid wasp Cotesia
plutellae, and a generalist predator, the lacewing Chrysoperla carnea (Neuroptera) (Reddy
et al. 2002). The second involves leek (Allium porum), the phytophagous specialist
microlepidoptera Acrolepiopsis assectella, and its parasitoid wasp Diadromus pulchellus
(Dugravot and Thibout 2006). In the first study, Reddy et al. (2002) found DMDS in the
frass of P. xylostella that was attractive to C. plutellae and C. carnea in a Y-tube
olfactometer setup. In the second, the parasitoid wasp D. pulchellus was attracted by a
blend of odors coming from attacked leeks (that emit thiosulfinates) and odors of A.
assectella larval frass (Dugravot et al. 2005; Dugravot and Thibout 2006), the latter
material being known to emit a high concentration of DMDS (Auger et al. 1989a).
Although DMDS appears to be present in interactions that involve sulfur-containing plants
and their associate herbivorous species, little is known about its importance as a cue at the
third trophic level (i.e., predators and parasitoids). This study is the first carried out in field
conditions that demonstrates such a role for this molecule.
As an end product of sulfur-containing tissues, DMDS is likely emitted by all
Brassicaceae infested by D. radicum, regardless of plant species. Interestingly, it is also
an end product of Alliaceae (Auger et al. 1989b), which are frequently grown in the same
geographical zones as cole crops and are attacked by D. antiqua, another important host
(and prey) of both staphylinids studied here. Accordingly, the positive response of A.
bilineata and A. bipustulata toward DMDS could allow them to locate two of their major
preys and hosts (i.e., D. radicum and D. antiqua) regardless of the infested plant involved.
Assessing attractiveness of DMDS in Allium crops would confirm this hypothesis.
The main difference we found between the two staphylinid species was their reaction
toward the full blend of volatiles emitted by Brassica napus-infested roots. Whereas A.
bilineata showed a preference for this more natural and complete odor, A. bipustulata was
as much attracted by 2 μl of DMDS as by the natural odor source. One hypothesis is that
the more specific the resource, the more specific the cues used to locate this resource should
be (Vet and Dicke 1992; reformulated by Steidle and Van Loon 2003). Because A.
bipustulata is more generalist than A. bilineata, notably in that its larvae can parasitize
pupae of coprophagous and necrophagous flies, it could benefit from using a general cue
like DMDS. Indeed, DMDS is not only emitted by decaying plant tissues that contain
sulfur, but also by any decaying tissue that contains sulfur. Therefore, DMDS is most likely
present in the microhabitat of the coprophagous and necrophagous hosts of A. bipustulata,
thus making it a good general indicator of prey for this Aleochara species. It is notable that
the “carrion” smell emitted by the inflorescence of some Araceae, which rely on
necrophagous insects for pollination, consists mainly of dimethyloligosulfides (i.e., DMDS
or dimethyl trisulfide) (Kite and Hetterschieid 1997). The presence of DMDS in decaying
carrion could also explain why pure DMDS attracted carabid beetles (which, as generalists,
are also necrophagous), while DMDS-containing odors of naturally infested roots did not.
The difference of attractivity of DMDS found between staphylinids and carabids could
highlight the importance of the concentration of a cue in the environment for its use by
foraging insects. Indeed, widespread volatile cues apparently lacking specificity could have
informative properties that guide specialists to their specific resource based on the
concentration of the volatile. In our experiments, the responsiveness of the different taxa
toward the nonspecific cue DMDS went from a response to a wide range of concentrations
47
J Chem Ecol
for the generalist carabid beetles to a response to a narrower range of concentrations (close
from what is emitted by the natural odor source) for the more specialist A. bilineata.
Whereas carabid beetles responded to three of the four concentrations tested, A. bilineata
responded to only two. The dose–response curve of the two staphylinid beetles shows the
strongest response centered around what we found to be the natural quantity of DMDS
emitted by an infested root, whereas the dose–response curve for carabid beetles seems
wider and centered on the lowest concentration of the molecule. These findings are in
accordance with the higher specialization of A. bilineata and A. bipustulata toward D.
radicum, in comparison with the carabid beetles.
Associative learning (Vet and Dicke 1992; Dicke et al. 1990a; Takabayashi et al. 2006)
or the presence/absence of a particular background odor (Bell 1990; Mumm and Hilker
2005; De Boer and Dicke 2006) could also play a role in attraction toward a nonspecific
chemical cue like DMDS. Indeed, predators in a cabbage field could learn by experience
that DMDS is often associated with sites where prey can be found. Also, DMDS could only
be used when it is part of a full blend of decaying root odor. The extent to which learning or
background odors may influence the response of the predators studied herein to different
concentrations of DMDS remains to be investigated.
Because of the decreasing rate of volatile emission in our traps, and because of possible
differences in the diel activity rhythms of the different predators, it remains possible that the
different species caught in the same treatment were faced with different DMDS
concentrations when trapped. To avoid this potential bias, future experiments should use
a method that ensures the regular diffusion of odors, or work on a shorter time period.
Another potential bias that could have influenced the distribution of the different species
among the treatments is interference between these species. It is notable that carabid and
staphylinid beetles were found in different traps most of the time. However, even if such
avoidance occurred, the number of traps was high enough to allow the species to avoid each
other without limiting their choice for their preferred treatment. In fact, for each treatment
an important number of traps did not catch any insect.
In spite of the potential bias, the setup gave precise and reproducible results. GLM
statistics permitted a clear discrimination between the different treatments, even with a low
number of insects caught per trap. Furthermore, spatial analysis of residuals allowed
checking the validity of assumptions, like the local character of attraction and the
independence of data between two adjacent traps. Indeed, neither the effects of the row and
columns where the traps were placed nor the spatial representation of residuals revealed any
differentiation between the margins and the center of the setup (which could have been the
case if individuals had been attracted from outside the setup). Likewise, there was no spatial
structure of the residuals (i.e., spatial aggregation of smallest or highest residuals near a
particular treatment) as would have been found if traps had influenced each other. Because of
its high selectivity, the number of simultaneous comparisons allowed, and the power of the
statistical analysis that can be conducted, this setup seems effective in testing local attraction
for small ground-dwelling beetles (smaller than 3 mm) in realistic field conditions.
The use of our understanding of the chemical ecology of tritrophic interactions to
enhance biological control practices is a motivating approach. To date, only the studies of
James (2003, 2005) have shown the possibility of using synthetic VOCs for this purpose.
By adding general cues such as methyl salicylate or cis-3-hexen-1-ol in plots, the number of
flying beneficial arthropods caught in sticky traps increased. The results presented in this
paper are the first that show attractivity of beneficial ground-dwelling beetles toward a
synthetic odor in the field. Attractiveness of DMDS toward the main natural enemies of D.
radicum could be useful for biological control. However, before DMDS can be used in the
48
J Chem Ecol
field, we need to define precisely the conditions under which it is attractive to predators and
how it will influence their efficiency to control D. radicum populations. Ongoing lab and
field experiments should give us such information.
Acknowledgments The authors thank the staff of the experimental station of La Rimbaudais, Saint-Méloir-desOndes, France, for providing experimental fields; Romain Rouchet for help on the field experiment; Yannick
Outreman and Manuel Plantegenest, Agrocampus, Rennes, France, for advice on statistical analysis; Roxina
Soler, NIOO-KNAW, Heteren, The Netherlands, for useful comments on a previous version of the manuscript.
This work was supported by a PhD grant to A. Ferry from the Region Bretagne and benefited from the financial
help of the GDR d’écologie chimique CNRS no. G2827 for the chemical analysis.
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50
CHAPITRE 3:
UTILISATION PAR UN PHYTOPHAGE D’UN MESSAGE
PEU SPECIFIQUE EMIS LORS DE L’ATTAQUE D’UNE
PLANTE HOTE
51
Chapitre 3: Utilisation par un phytophage d’un message peu spécifique
émis lors de l’attaque d’une plante hôte
Article 2 : DMDS: a strong oviposition deterrent for Delia radicum
Article en préparation pour Journal of Applied Ecology
Auteurs: Ferry Antonin; Dugravot Sébastien; van Dam Nicole; Cortesero Anne Marie.
Objectifs : Les sulfides issus de l’interaction entre D. radicum et sa plante hôte ont été
identifiés comme les composés majoritaires émis par les racines fortement infestées. Le rôle
de ces sulfides sur le comportement de la mouche n’a cependant encore jamais été étudié.
Parmi ces volatils, le DMDS semble être un composé important. Emis en grande quantité,
cette molécule s’est aussi révélée être attractive pour les principaux prédateurs de la mouche,
(chapitre 2). Nous souhaitons ici préciser les conditions d’émission de ce composé et tester
son effet sur le phytophage.
Résumé et intérêt de l’étude : Différents sulfides volatils émis par le complexe chou –
mouche du chou ont été identifiés. Parmi ces composés, le DMDS présente un pattern
d’émission lié à la durée d’infestation. Les navets attaqués par D. radicum émettent après
plusieurs semaines d’infestation une quantité élevée de cette molécule. A l’opposé, les plantes
attaquées depuis quelques jours seulement n’émettent pas plus de DMDS que des plantes
saines. En laboratoire comme en champ, l’ajout de DMDS à proximité d’un site de ponte
permet de diminuer de moitié le nombre d’œufs pondus par la mouche du chou. D. radicum
semble donc utiliser cette odeur comme un marqueur de site de faible qualité.
Concernant le comportement de ponte de D. radicum, notre étude appuie la théorie
selon laquelle l’estimation de la qualité d’un site de ponte par cette espèce est le résultat d’une
balance entre signaux positifs (stimulant) et négatifs (inhibant). En signalant la présence de
plantes infestées depuis un certain temps, le DMDS pourrait permettre à la mouche d’éviter
un risque élevé de compétition, de manque de ressource ou encore de prédation. Son
utilisation serait donc liée à un comportement optimal pour le phytophage.
Ce résultat confirme aussi le rôle important des messages ‘généraux’ dans les
mécanismes de prise de décision des insectes. Parce qu’ils peuvent être des marqueurs stables
et généraux de l’état qualitatif d’un patch de ressource, ces messages sont utilisés par
différentes espèces appartenant à différents niveaux trophiques (prédateurs et phytophages).
Le DMDS pourrait ainsi avoir un rôle ‘clé’ dans la structuration de la communauté d’insectes
présente autour du système Brassicaceae – D. radicum.
L’utilisation du DMDS en tant que message pour D. radicum appuie aussi l’idée d’un
rôle important des microorganismes dans la biologie de cette espèce. En effet, ces
microorganismes, en dégradant les tissus des racines infestées pourraient être à l’origine
d’une part importante de la production de DMDS.
Le double rôle du DMDS en tant qu’inhibiteur des pontes et attracteur des prédateurs
de la mouche du chou fait de cette molécule un candidat idéal à la manipulation des insectes
des cultures en vue d’une meilleure protection contre le ravageur D. radicum.
52
DMDS: a strong oviposition deterrent for Delia radicum
Ferry, A.; Dugravot, S.; van Dam, N. and Cortesero A.M.
ABSTRACT
Insects extensively use chemical cues in their foraging activities. Infochemicals emitting from
plants and plant-herbivore interactions are of major importance for phytophagous species.
Delia radicum, the cabbage root fly, is a major pest of cabbage crops (Brassicaceae) in many
countries of northern Europe. However in most of these countries, the main insecticide
currently used against D. radicum (i.e. Chlorfenvinphos), will be banned starting December
2007. New strategies for controlling this pest are urgently needed. Dimethyl disulfide
(DMDS) has recently been identified as the main volatile emitted by Brassicaceae roots
heavily infested by Delia radicum. The attractiveness of this compound toward the main
predators of D. radicum could be used to protect crops against the fly. However, the role of
oligosulfides as infochemicals is still quite unknown in this system and assessing the potential
impact of DMDS on D. radicum behaviour is necessary. The aims of this study were 1/ to
study differences in emissions of sulfides by early and late D. radicum infested turnips and 2/
to assess, both under controlled laboratory and field settings, the influence of DMDS on D.
radicum oviposition. While different oligosulfides are emitted by Brassica rapa rapa plants,
DMDS is the only one affected by D. radicum presence in roots. Some delay after infestation
is needed before DMDS level emission significantly increases. Lab and field experiments
show a strong deterrent activity of DMDS on D. radicum egg laying behaviour. Chemical
analyses and behavioural bioassays together indicate that this molecule may be used by the fly
as a marker of low quality site, presumably due to high competition level or low food
availability. These findings have important consequences for our understanding of the
interactions between D. radicum and its host plants. They confirm a previous hypothesis
about the use of a stimulant-deterrent balance during egg laying by this fly. They also
highlight the role of oligosulfides as essential infochemicals in this system. Finally, the strong
decrease in D. radicum egg numbers in the field consequent to DMDS applications opens new
perspectives for designing new control strategies against this pest.
53
INTRODUCTION
Volatile chemicals play an important role in resource foraging by insects; they can be
involved in orientation processes (i.e. Visser, 1986; Murlis et al., 1992), oviposition or
feeding site acceptance or patch quality estimation (Bernstein and Driessen, 1996; Geervliet
et al., 1998; van Alphen et al., 2003, Tentelier et al., 2005). Odors resulting from plant –
herbivore interactions are often used by predators or parasitoids as reliable cues to find their
host or prey but can also be detected by phytophagous insects and lead to behavioral
modifications. Herbivore-induced plant volatiles can make infested plants more apparent than
uninfested ones, (Dicke, 2000). In addition the blend of volatiles can be highly specific to a
particular interaction and can provide reliable indications about the identity of the plant
feeder. Consequently these volatiles may be attractive and used to locate host plants (Bolter et
al., 1997, Pallini et al., 1997, Dicke and Vet, 1999) or serve as aggregative cues for
conspecific herbivores (Loughrin et al., 1995; Baur, 1996). On the other hand, such volatiles
may reflect a competition risk and an enemy-dense space and therefore repel herbivores (De
Moraes et al., 2001, Kessler and Baldwin, 2001, Meiners et al., 2005; Dicke, 1986, Pallini et
al., 1997).
Delia radicum, the cabbage root fly, is a major pest of cabbage crops (Brassicaceae) in
countries of the northern latitude of the Holarctic region. Females aggregatively lay their eggs
near brassicaceae stems, and the larvae crawl in the soil to feed on the plant roots. D.
radicum- associated microorganisms that enhance larval development cause soft rot during
infestation (Doane and Chapman, 1964). All cultivated Brassicaceae are potential hosts for
the fly. Damage can result in important crop losses if pesticides are not used (e.g. KleinGebbinck and Woods, 2002). In northern Europe, the main insecticide currently used against
D.
radicum,
(the
organophosphorous
Chlorfenvinphos,
i.e.
2-chloro-1-(2,4-
dichlorophenyl)vinyl diethyl phosphate), will be banned starting December 2007 due to
human health concerns (e.g. Heudorf et al., 2004). New strategies for controlling this severe
cabbage pest thus are urgently needed.
The benefits of larval aggregation in D. radicum are still unclear. Aggregation can
benefit herbivores by improving plant suitability (e.g. Fordyce and Nice, 2004) or by diluting
predation risk (Aukema and Raffa, 2004). Larval survival of the onion fly, D. antiqua was
shown to be improved after previous feeding of conspecifics, which was attributed to the
activity of their associated microorganisms (Hausmann and Miller, 1989, Zurlini and
54
Robinson, 1978). Previous infestations are also known to stimulate D. radicum to deposit
eggs (Baur et al., 1996). However, even aggregative herbivores can suffer from intraspecific
competition when the density of conspecifics on a host-plant is too high (e.g. Aukema and
Raffa, 2004). In such cases, avoidance of highly infested plants is likely to occur. D. radicum
was shown to no longer be stimulated for oviposition by plants infested for a long time,
indicating the possible emission of deterrent compounds (Baur et al., 1996).
While isothiocyanates and terpenes have long been studied in interactions between
Brassicaceae and herbivores (e.g.: Pivnick et al., 1994), sulfides have received much less
attention. However, dimethyl disulfide (DMDS) has recently been identified as a major
volatile compound emitted by heavily infested brassicaceae roots (Ferry et al., 2007). DMDS
was specifically shown to be the main molecule emitted by the soft rot that develops
gradually after D. radicum infestations. As an end-product of sulfur compound degradation,
DMDS is likely to be emitted by all Brassicaceae and thus, be an important cue for the insect
community living on these plants. This molecule is a strong attractant for D. radicum's main
predators (Ferry et al., 2007) and its use in a biocontrol strategy against D. radicum is under
consideration. However, DMDS could also play a role in resource location and exploitation
by D. radicum itself. In the light of integrated pest management, the risk of DMDS serving as
an oviposition stimulant for the fly needs to be further investigated before using it to improve
predator recruitment. The purpose of this study was 1/ to study differences in emissions of
sulfides by early and late D. radicum infested turnips and 2/ to assess, both under controlled
laboratory and field settings, the influence of DMDS on D. radicum oviposition.
MATERIAL AND METHOD
Plants used to analyse sulphide emission during D. radicum larval feeding were commercial
turnip roots (B. rapa rapa) regrown in sand previously heated at 200°C during 48H as
described in Neveu et al. (2001). At the moment of volatile sampling, plants used were the
same size and had at least five fully developed leaves. Infestations were carried out with ten
first instar larvae, placed at the shoot basis with a fine brush. Volatile sampling was carried
out in the morning on two days, using the method described in Soler et al. (2007). Entire
plants with pots and substrate were put under 17 l bell-shaped glass chambers inside a
controlled climate cabinet (21°C, 70% RH). Chambers were constantly supplied with 300ml
55
of pressurized air (Hoekloos, NL) cleaned over a Zero Air generator to remove hydrocarbons
(Parker Hannifin Corp, Tewksbury, MA, USA). Volatiles were collected in a steel trap filled
with 150mg Tenax TA and 150mg Carbopack B at a 100ml.min-1 flow rate. Sampling was
allowed for one hour, after which traps were removed from the pump, capped and stored at
4°C until analysis. The first day, five plants infested three days prior to analysis (D03) were
sampled together with three uninfested control plants of the same age (C03). On the second
day of volatile collection, seven plants infested for 21 days (D21) were sampled in parallel
with five uninfested control plants of the same age (C21). One background volatile profile
from glass chamber containing only pot and substrate was done on each of the two days.
Volatiles were desorbed from the traps using an automated thermodesorption unit
(model Unity, Markes, Pontyclun, United Kingdom) at 210°C for 12 min (He flow 30 ml min1
) and focused on an cold trap (-10°C). After 1 min of dry purging, trapped volatiles were
introduced into the GC-MS (model Trace, ThermoFinnigan, Austin, Texas, USA) by heating
the cold trap for 3 min to 260°C. The split rate was set to 1:4 and the column used was a 30 m
× 0.32 mm ID RTX-5 Silms, film thickness 0.33 mm. Temperature program: from 40°C to
95°C at 3.5°C min-1, then to 165°C at 4°C min-1, and finally to 250°C at 15°C min-1. The
volatiles were detected by the MS operating at 70 eV in EI mode. Mass spectra were acquired
in full scan mode (33-300 AMU, 2.5 scans s-1). Compounds were identified by their mass
spectra using deconvolution software (AMDIS) in combination with Nist 98 and Wiley 7th
edition spectral libraries and by comparing their linear retention indices. Additionally, mass
spectra and/or linear retention indices were compared with values reported in the literature,
obtained by interpolating homologous series, or by analyzing reference substances. Identified
peaks in the chromatogram were integrated using AMDIS and obtained peak areas were used
for comparison between the treatments. Peak areas in each sample were divided by the total
volume in ml that was sampled over the trap, to correct for small differences in flow rates
over individual traps. The integrated absolute signal of the quantifier ion(s) were used for
comparison between the treatments. Peak areas in each sample were divided by the total
volume in ml that was sampled in the trap, to correct for small differences in sampling time
and flow rates over individual traps.
Effect of treatment on identified sulphides was assessed using non-parametric
statistics. Global effect of treatments on peak area was tested using a Kruskall-Wallis test and
comparisons between treatments were done with Wilcoxon tests. For each test series, alpha
was corrected according to the Bonferroni method (dividinig alpha by the number of
comparisons made).
56
Lab bioassays
D. radicum females used in lab experiments originated from our rearing, started in 2002 from
field collected flies (St Méloir des Ondes, 001°54 W / 48°39 N) and refreshed yearly. Females
were 4-7 days old and were kept with males since emergence. For the first experiment,
approximately two hundred adult flies (males and females) were placed in a screened box (1.2
× 0.6 × 0.6 m) with food, water, and two oviposition sites. The egg laying sites consisted of
half a turnip root (using the same root for the two sites of one experiment), placed on a filter
paper inside a glass Petri dish (10cm diameter). The filter paper was impregnated with 20µl of
a paraffin oil solution. In one site the solution used was pure paraffin oil (Control), in the
second, a 1:10 DMDS dilution (DMDS). The two paired sites were placed in the same box,
each at 20 cm from a side. The experiment started around 11:00 am and was stopped three
hours later. Eggs were then removed with a fine brush and counted under the binocular.
Choice tests were repeated 13 times, inverting treatment place and using new flies at each
repetition. Differences between the numbers of eggs laid in the two treatments (control and
DMDS) were assessed using a Wilcoxon test for paired data.
For the second experiment 4-7 days old D. radicum females were placed individually
in a glass tube (2.5 cm diameter, 10 cm high) with an egg laying site. Egg laying sites
consisted of ≈ 3g of turnip root placed on a 2cm² piece of filter paper with either 20µl of pure
paraffin oil (control) or a 1:100 diluted solution of DMDS (DMDS). The tubes were closed
with cotton plugs and flies were maintained inside for 3h. In this setup, DMDS concentration
was divided by 10, due to the small and closed space were testing the flies. The experiments
were repeated on three different days with 30 tubes of each treatment each day. Comparisons
between the mean numbers of eggs laid in each treatment were carried out using a t test,
removing all 0 data (that could have external causes like unmated females, damaged
individuals). Differences in site acceptance according to the treatment were assessed using a
Chi squared test on the number of flies that laid at least one egg.
Field experiment
The field experiment took place in the experimental station of La Rimbaudais, Saint Méloir
des Ondes, France, in the heart of an important zone of cabbage production. The field
consisted of a broccoli plot (Brassica oleracea, var. Monopoly) cultivated in a traditional
way. One month old seedlings were planted in the field the 12th of April at a density of 4.3
57
plants per m² on a 20×40m field. One week after plantation, the plot was treated at 2L/Ha
with the herbicide Butisan® (matazachlore) to limit further machine intervention in the
experimental plot. No insecticide was used, neither as the seed coating frequently used by
non-organic farmers nor as sprays in the field. The crop was maintained until the 1st of June,
at a date corresponding to the end of the first peak of D. radicum egg laying.
We used a randomized block design consisting of four blocks with two treatments in
each block. Blocks were separated from each other by 5m of a non cropped band. Elementary
plots in the blocks were also separated by 3m bands of bare soil. Elementary plots consisted
of a 14×15m surface (16 rows, approx. 18 plants per row). Treatments were applied in the 10
middle rows and the 12 middle plants of each row of these plots, leading to an extra buffer
zone of untreated plants around the treated ones (three rows and 2.5m at the end of the rows)
(fig.1). The first rows and the first plants in rows at the boundary of the treated zone were
counted as ‘margin’ and where not taken into account for the measurements.
1 Block
Legend
Trees
Treated broccolis with margin
Untreated broccolis
Uncropped area
Felt rolls traps
rows
Detail of an
elementary plot
5m
N
Figure 1: Diagram of the experimental field. It consists of four blocks, each
containing a control plot and a DMDS treated plot. Each block and each elementary
plot inside blocks is separated by a non cropped zone. Elementary plots consist of a
treated zone surrounded by non-treated plants (referred to in text as 'buffer zone'). One
felt roll trap was randomly placed on one plant of each rows of the treated area,
avoiding plants on the margin of the treated zone.
58
Treatments consisted of adding, at a distance of 2cm of each plant of the treated areas,
an open Eppendorf tube filled with 0.5mL of DMDS diluted in paraffin oil (1:250). Pure
paraffin oil was placed in the same way on control plants. Eppendorf tubes were changed on
Mondays, Wednesdays and Fridays to ensure a constant emission of DMDS.
Egg laying by D. radicum was monitored using felt roll traps, positioned around the
stem of the plants, where flies deposit their eggs (Bligaard et al., 1999). These traps are used
by farmers as an indicator of pest prevalence. Each Friday, traps were gently collected and the
eggs found inside removed and counted. Emptied traps were then replaced on another plant
for the next week. We placed eight felt traps in each elementary plot, on one plant of each
central row of the treated area. The traps were placed both around the stem plant and the
Eppendorf containing the paraffin solution.
The effects of the different factors potentially influencing the number of eggs laid was
tested by GLM analysis (function ‘glm.nb’ of R). Explanatory factors used were treatment
(DMDS and control), block (four modalities), date (8 modalities corresponding to the 8 weeks
of measurement), and all interactions between these factors. A negative binomial family
distribution of the analyzed data was specified to take into account the aggregative egg counts
(Bliss and Fisher, 1953). This distribution yielded the best residuals (checked with a normal
quantile-quantile plot). The significance of factor effects was assessed by analysis of deviance
(function ‘anova.glm’) using a chi-squared test. Comparisons between treatments for each
date were carried out using an analysis of contrast, (function ‘esticon’ of the package ‘doBy’
(Højsgaard, 2004)).
RESULTS
Sulfide emission analysis
Five sulphide compounds were identified: carbon sulfide, sulphur dioxide, dimethyl disulfide,
dimethyl trisulfide and 2-4 dithiapentane. According to peak area, DMDS was the only
sulphide significantly affected by treatment (Kruskal-Wallis, p= 0.0058). While DMDS levels
after three days of D. radicum feeding were not significantly different from control, after 21
days, they were clearly increased (Wilcoxon, p=0.0025).
59
250000
NS
200000
*
150000
B
100000
50000
A
A
NS
A
NS
NS
0
C03 C21 D03 D21 C03 C21 D03 D21 C03 C21 D03 D21 C03 C21 D03 D21 C03 C21 D03 D21
2-4
dithiapentane
Moyenne
de 2,4dithiapentane
carbondisulfide
Moyenne de
carbondisulfide ?
dimethyl
disulfide
dimethyl
trisulfide
sulfur dioxyde
Moyenne
de
Moyenne
de
Moyenne
de sulfur
dimethyl disulfide dimethyl-trisulfide ?
dioxide?
Figure 2 : Mean sulfides peak area (± s.e.) per ml sampled according to treatment
and day of sampling. C03: uninfested control with plants from the same batch as
D03 sampled on day1 (N=3), C21: uninfested control with plants from the same
batch as D21 sampled on day2 (N=5), D03 three days infested turnips (sampled on
day1) (N=5), D21 twenty-one day infested turnips (sampled on day2) (N=7). Stars
indicate a significant treatment effect (Bonferroni corrected Kruskall-Wallis ranksum tests at α = 0.05). Different letters indicate difference between treatments
inside the compound (Bonferroni corrected Wilcoxon rank-sum tests at α = 0.05).
Lab bioassays
The choice experiment revealed a strong effect of DMDS. Mean numbers of eggs laid in
DMDS treated patches were about 25% lower than in control patches (446 versus 585 in
control; Fig. 3), this difference being significant (Mann and Whitney: V = 88, p= 0.0245). In
the no-choice test, the percentage of flies laying eggs was not significant different between
control and DMDS (χ² = 0.3669, df = 1, p = 0.5447; Fig. 4A). However, the mean number of
eggs laid per female (only taking into account the ones that laid eggs), was almost halved
when DMDS was present (mean of 16.5 eggs in control versus 9.5 in DMDS; Fig. 4B), this
difference being highly significant (t = -2.7621, df = 68.996, p = 0.0073).
60
mean nb eggs layed per patch
700
*
600
500
400
300
200
100
0
Control
DMDS
Figure 3 : Results of the lab choice experiment.
Mean number (± s.e.) of eggs laid in each
oviposition site by around 200 D. radicum (Control
= 20µL pure paraffin oil; DMDS = 20µL paraffin oil
with 10% DMDS). The star indicates a significant
difference at α = 0.05. N=13.
A
B
NS
mean nb eggs per laying
0,5
% laying flies
0,4
0,3
0,2
0,1
0
**
20
15
10
5
0
Control
DMDS
Control
DMDS
Figure 4 : Oviposition by isolated D. radicum females on sites with or without
DMDS (Control = 20µL pure paraffin oil; DMDS = 20µL paraffin oil with 1%
DMDS). A: percentage of females that laid eggs (± s.e.). NS indicates a non
significant difference. N=92 for each treatment. B: mean number of eggs laid (± s.e.)
(only for females that effectively oviposited). **: significant difference at α = 0.01.
N= 38 for Control; N= 33 for DMDS.
Field experiment
With a total of 2384 eggs found in control plots versus only 940 in DMDS-treated plots, the
mean number of eggs per plant was more than halved when DMDS was present (respectively
10.84 and 4.23 eggs per plant). Furthermore, except in the 4th week, the mean number of eggs
in DMDS-treated plots always remained under the reaction threshold of seven eggs per plant
that is usually used by farmers to decide whether or not to apply a pesticide. GLM analyses
unravel this strong effect of DMDS (p <0.001). Other effects affecting the mean number of
eggs per plant found in plots were the date, the treatment×date interaction (p = 0.04) and the
61
block×date interaction (p < 0.001). Despite the significant treatment×date interaction, the
number of eggs found in control plots remained significantly higher during the whole
experiment (Fig. 5), indicating no negative interaction between treatment and date but only a
variation in the strength of the DMDS effect as a limiting factor for egg laying. The
block×date interaction indicated a spatiotemporal variation in fly oviposition, but the spatial
distribution was quite uniform for any given date since there was no significant block effect
in the number of eggs laid (p = 0.70).
35
***
30
DMDS
Control
25
***
20
***
***
15
10
***
01
/0
6/
20
07
25
/0
5/
20
07
16
/0
5/
20
07
11
/0
5/
20
07
04
/0
5/
20
07
20
/0
4/
20
07
0
*
27
/0
4/
20
07
5
***
Figure 5: Mean nu mber (± standard error) of D. radicum eggs found per
plant at each date in the two treatments of the field experiment. The
dashed line corresponds to the threshold of seven eggs found per felt trap
used by farmers to decide whether or not to use pesticides against D.
radicum. Stars indicate a significant difference at: * α = 0.05, ** α =
0.01, *** α = 0.001.
DISCUSSION
Our study demonstrates that DMDS can have a strong influence on D. radicum oviposition
activity. Both lab and field results indicate a strong limiting effect of the molecule on the
number of eggs laid. DMDS was emitted in large amounts by roots infested for a long time
(i.e. 21 days), which corresponds to the end of larval development in this species. At that
time, DMDS was also the major sulfide emitted. Already known as an important local
attractor of D. radicum predators (Ferry et al., 2007), DMDS could also act as an important
cue in the interaction between D. radicum and its host plant. The role of DMDS in limiting
oviposition brings about interesting developments for our understanding of the herbivore
behavior but also for the discovery of applied solutions to control the pest in the field.
62
Our study first reveals that emission levels of DMDS by D. radicum infested roots are
not constant over time. Plants infested for a few days exhibit low DMDS emission levels
(comparable to controls) while plants that were fed upon for several weeks have significantly
increased DMDS levels. Other sulfides identified did not show such a clear profile of
emission related to time of infestation. These results support the idea that DMDS emissions
may be linked to the soft-rot appearing during larval feeding, and thus presumably originates
from the interactions between D. radicum-associated microorganisms and Brassica plants
(Ferry et al., in prep). They also confirm the potential usefulness of DMDS as a cue indicating
the presence of D. radicum larvae.
In the D. radicum – Brassicaceae system, volatile cues such as allyl-isothiocyanate are
used for host-plant location (Finch and Skinner, 1982). Odors perceived after landing can also
motivate more flies to move down a plant and lay eggs on it (DeJong et Stadler, 1999).
However, in this system, the role of volatile cues for host-plant acceptance or patch quality
estimation was thought to be limited (Finch and Collier, 2000). Our no-choice experiment
shows that DMDS did not significantly affect the number of flies that laid eggs, thus
eliminating a potential role for this compound in patch acceptance by the fly. However, this
experiment clearly shows that the molecule reduced the number of eggs laid per plant. This
result reveals that DMDS plays a major role in patch quality assessment by the fly. In the
interaction between D. radicum and Brassicaceous plants, females were already known to
change the number of eggs they lay depending on the presence of contact cues like CIF
(Cabbage Indentification Factor) present on the plant surface (Hurter et al., 1999). Our results
provide the first evidence of the potential role of volatile cues (odors) in oviposition site
quality assessment by D. radicum.
The limited numbers of eggs laid in presence of DMDS indicate that this cue is used as
a marker of low quality hosts by D. radicum. This result could seem surprising for a herbivore
displaying an aggregative behaviour. However, even aggregative herbivores can suffer from
previous conspecific infestation. For example, changes in plant metabolites were shown to
negatively affect survival of D. floralis in plants already attacked by conspecifics (Birch et al.,
1992). Intraspecific competition for food was also observed in various aggregative specialist
herbivores like Cameraria sp.,a Lepidopteran leafminer, ( Faeth, 1990) or Altica tombacina, a
Coleopteran chewer (Morris et al., 1992). In Drosophila melanogaster, positive and negative
aspects of aggregation together lead to a hump-shaped relationship between body size of
emerging flies and larval density, the largest body size corresponding to intermediate larval
densities (Wertheim et al., 2006). Such a fitness relationship with the number of competing
63
larvae developing in a root is likely to occur in D. radicum. Because DMDS emission
increases with time since infestation, reducing clutch sizes on plants emitting a relatively high
amount of DMDS may be adaptive for D. radicum. It may permit the fly to avoid intraspecific
competition or plants with limited food resource. DMDS may also indicate some predation
risk, since it attracts the main predators of the fly (Ferry et al 2007).
Baur et al., (1996) showed that in D. radicum, oviposition is increased during feeding
by conspecific larvae until plants have been infested for too long. After 18 days of infestation,
plants are no longer stimulant for oviposition when compared to control plants. These authors
argued that a balance in stimulant and deterrent compounds may be involved in this switch,
and that some of these compounds may directly originate from root and soil substrate and/or
be produced through microorganism activity. While they focused only on glucosinolate
breakdown volatiles (i.e. isothiocyanates), our present results indicate that DMDS could act as
such a deterrent. Increasing DMDS levels in the vicinity of uninfested plants (that
consequently did not emit stimulant compounds) may have modified the stimulant-deterrent
balance in favor of its deterrent component. According to this hypothesis, low DMDS
amounts (relatively to other stimulant cues) should not reduce ovipostion by D. radicum.
DMDS concentration was already shown to play an important role in D. radicum predator
attraction (Ferry et al., 2007), while D. antiqua response to a quite similar oligosulfide
(dipropyl disulfide) also followed a dose-dependent shape (Harris et al., 1987; Romeis et al.,
2003). Preliminary results indicate that D. radicum response to DMDS also varies according
to its concentration. Further investigations on the fly response to a balance of stimulating cues
associated with DMDS should be carried-out to confirm this role.
Various studies have assessed the importance for D. radicum of associated
microorganisms. Microorganisms are notably responsible for the soft-rot formation coming
with root larval feeding. Their presence improves larval survival, presumably through
increased nutriment availability (Doane and Chapman, 1964), and it also influences
oviposition behaviour (Ellis et al., 1982; Baur et al., 1998). The involvement of
microorganism activity in DMDS production (Kadota and Ishida, 1972) may constitute new
evidence of their prime role in the biology of D. radicum. Studies assessing the influence of
the microbial community associated with the flies, on the production of DMDS and the
consequences of their occurrence and activity should lead to a better understanding of their
role in this particular plant-insect interaction.
Whatever the causes and mechanisms involved in D. radicum egg laying reduction on
plants treated with DMDS, our results have promising implications for enhancing the control
64
of the pest. Under cropping conditions, DMDS added close to broccoli stems halved the
number of eggs laid by D. radicum. It permitted, during all weeks but one, to remain under a
mean number of seven eggs per plant in treated plots. This threshold actually corresponds to a
pest prevalence above which farmers are advised to apply a pesticide on their crops. The
positive effect of DMDS in limiting oviposition by D. radicum was constant over dates and
blocks, demonstrating the strong effect of this treatment. A net quantity of 2µL of DMDS
used in traps was previously shown to be the most efficient in attracting D. radicum predators
in the field (Ferry et al., 2007). Here, the same net quantity significantly lowers egg-laying by
the pest. Artificially increasing DMDS emission to this level in Brassicaceae crops should
therefore limit D. radicum damages on plants, and thus pesticide application, both by
reducing oviposition and by attracting predators. This potential synergistic effect is currently
investigated. However, confirming our findings at larger time and space scales will be needed
before implementing volatiles such as DMDS to protect crops against D. radicum.
ACKNOWLEDGMENTS
The authors thank the staff of the experimental station of La Rimbaudais, Saint-Méloir-desOndes, France, for providing experimental fields and C. Hordijk, NIOO-KNAW Centre of
Limnology Nieuwersluis, for GCMS analyses of the samples; NM van Dam was supported by
a VIDI grant, no. 864.02.001, of the Netherlands Organisation for Scientific Research
(NWO). A. Ferry was supported by a PhD grant to from the Region Bretagne.
65
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68
CHAPITRE 4:
MANIPULATION DU COMPORTEMENT D'UN RAVAGEUR ET
DE SES ENNEMIS NATURELS A L’ECHELLE D’UNE
CULTURE AVEC UN MESSAGE OLFACTIF UNIQUE
69
Chapitre 4: Manipulation du comportement d'un ravageur et de ses ennemis
naturels à l’échelle d’une culture avec un message olfactif unique
Article 3 : Potential use of DMDS in the field in a stimulo-deterrent diversionary strategy
against the cabbage root-fly
Article en préparation pour Basic and Applied Ecology
Auteurs: Ferry Antonin; Le Tron Solen; Poinsot Denis, Dugravot Sébastien; Cortesero Anne
Marie.
Objectifs : Nous avons identifié dans les chapitres 2 et 3 un message général susceptible
d’influencer, en faveur de la plante, le comportement d’un phytophage et de ses prédateurs.
L’utilisation du DMDS, émis à l’état naturel par les Brassicaceae attaquées, a permis
individuellement i) de diminuer les pontes D. radicum (chapitre 3) et ii) d’attirer les
prédateurs de ce phytophage (chapitre 2). Il est maintenant nécessaire de s’assurer que
l’utilisation de ce message en champ peut globalement avoir un effet positif sur la protection
des plantes contre D. radicum.
Résumé et intérêt de l’étude : En augmentant artificiellement la quantité de DMDS émise au
pied de brocolis d’une parcelle cultivée, nous avons pu, malgré une forte diminution des
pontes et donc de ressource alimentaire potentielle pour les auxiliaires, augmenter très
significativement la présence d’A. bilineata sur les parcelles traitées. Malgré cela, la qualité
finale des choux ainsi que le nombre de pupes et larves de D. radicum retrouvées à la fin de
l’expérience ont été identiques entre les parcelles témoins et les parcelles traitées. Il apparaît
de plus que le nombre d’œufs prédatés sur des patchs artificiels placés à proximité des plantes
a été plus faible sur les parcelles traitées au DMDS. Malgré la possibilité d’un problème
inhérent au protocole, il semble vraisemblable que l’augmentation artificielle de DMDS ait
perturbé les prédateurs dans leur activité prédatrice. Il est fort possible que le ‘signal’ lié à une
ressource abondante qui était physiquement absente ait eu pour impact de diminuer
l’efficacité de recherche des prédateurs.
Ce résultat souligne encore une fois l’importance de messages généraux comme le
DMDS pour une communauté d’insectes. En manipulant la quantité de ce message dans
l’environnement nous avons pu modifier le comportement d’un phytophage et de ses
prédateurs de manière durable et à l’échelle d’une parcelle cultivée. Ce résultat confirme le
rôle ‘clé’ de certains signaux généraux dans la structuration d’une communauté d’insectes.
Cependant, cette étude confirme aussi la difficulté d’utiliser ces signaux ‘clés’ au
profit d’une meilleure protection des cultures. Bien que le résultat obtenu ne remette pas
totalement en cause les possibilités d’employer le DMDS pour lutter contre D. radicum, la
difficulté de prévoir l’issue de l’utilisation de ce type de message à l’échelle de la
communauté souligne un risque inhérent à cette stratégie.
70
Potential use of DMDS in the field in a stimulo-deterrent diversionary strategy against the
cabbage root-fly
Ferry A., Le Tron S., Dugravot S., and A.M. Cortesero
ABSTRACT
D. radicum is a major pest of cabbage crops in northern Europe. Due to more constraining
laws in insecticide use, new strategies to control this pest are urgently needed. Manipulating
insects’ behaviour through infochemicals is a promising approach. The recent identification of
a volatile compound that both attracts the main predators of D. radicum and inhibits the fly
oviposition gives a chalenging opportunity to concretize such strategy. The stimulo deterrent
diversionary strategy (SDDS) aims at protecting a culture by using infochemicals to, deter a
pest and attract its natural enemies. In the present study we tested the potential use of DMDS
for this purpose. Through the eight weeks of the first egg laying pick of the fly we assessed, in
the field, the potential of artificially increasing the levels of this molecule in the close vicinity
of broccoli plants to 1/ attract predators, 2/ stimulate predatory activity, and 3/ limit damages
done by the fly. Despite a lower number of D. radicum eggs as food resource, DMDS
effectively increased predator catches in treated plots. However, damages done by the fly
were of the same magnitude order in treated plots than in control ones. Number of D. radicum
larvae and pupae recovered in plant roots were similar, despite the important decrease in eggs
laid. This result, together with the observation that the number of eggs predated in artificial
patches were lowered in the presence of the molecule, seems to indicate that increasing
DMDS amounts disturbed the foraging activity of the fly predators. Consequences of these
findings for the future of DMDS use in crop protection against D. radicum are discussed.
INTRODUCTION
Interactions among organisms are under the strong influence of chemical compounds. In
insect-plant interactions, volatile chemicals play a key role in foraging activities. These
volatiles, originating either from conspecifics, preys or their habitat, are often used by
foragers to make useful decisions for finding resources or avoiding danger (e.g., Bell and
Cardé, 1984; Vet and Dicke, 1992; Dicke and van Loon, 2000). The importance of these
71
infochemicals in insect-insect and plant-insect interactions led to the emergence of new pest
management practices (e.g. Lewis and Martin, 1990; Nordlund et al., 1981; Foster and Harris,
1997). In particular, artificially added infochemicals were used with success as pest attractants
in mass trapping strategies involving Lepidopteran sex pheromones and Coleopteran
aggregation pheromones (e.g. Howse et al., 1996). Using the deterrent activity of some
synthetic volatiles like alarm pheromones (E-β-farnesene) also gave successes in crop
protection against aphids (Griffiths et al., 1989; Pickett et al., 1997). Another strategy often
considered is the use of volatiles which are attractive for natural ennemies of the pest
(parasitoids and/or predators) to enhance their colonisation of crops and their natural limiting
effect on pest populations (e.g. Dicke et al., 1990; Degenhardt et al., 2003; Turlings and Ton,
2006). Although this strategy was used early to manipulate parasitoids (Lewis and Nordlund,
1984), it was only recently used with success to attract predators by James and co-authors
(2005) in hop yards.
Coupling different strategies using infochemicals is another possibility. This is the
purpose of the stimulo-deterrent diversionary strategy (SDDS) (Miller and Cowles, 1990;
Cook et al., 2006), a strategy using semiochemicals to ‘push’ pests away from harvestable
crops but also to ‘pull’ predators or parasitoids into the area. In this strategy, pests can also be
aggregated on a trap crop where their populations are reduced using a selective control agent,
e.g. a fungal pathogen. The potential use of this strategy was principally investigated against
aphids and different trials were conducted (reviewed in Pickett et al., 1997). Except for the
case of mass trapping strategies, using infochemicals generally lacked efficiency when
compared to conventional crop protection with insecticides. However, there is growing
evidence of adverse effects of the intensive use of insecticides (Cooper, 1991 ; Edwards and
Tchounwou, 2005), leading to more and more constraining laws. New solutions based on our
increasing knowledge of pest biology and ecology need to be found. Strategies such as SDDS
involving infochemicals is one of those.
Delia radicum, the cabbage root fly, is an economically important pest of brassicaceae
crops in northern countries of the Holarctic region. The fly lays its eggs on the soil in the
vicinity of brassicaceae stems. Larval development takes place inside the plant roots and can
lead to important yield losses. As soon as Decembre 2007 a new law will prohibit the use of
the main active molecule (the organophosphorous Chlorfenvinphos, i.e. 2-chloro-1-(2,4dichlorophenyl)vinyl diethyl phosphate) against this pest in all the European Union. Recent
studies have showed the potential use of dimethyl disulfide (DMDS) in a biocontrol strategy
against D. radicum (Ferry et al. in press; Ferry et al in prep.). This compound is emitted in
72
large amounts by roots heavily infested by the cabbage root fly. In the field, we found that
DMDS is attractive for the main natural ennemies of the fly (Ferry et al. in press), i.e
carabidae belonging to the genus Bembidion acting as generalist predators of eggs and larvae,
and Aleochara bilineata and A. bibustulata, two staphilinids that are both generalist predators
and parasitoids of the fly pupae. We also found that DMDS is an oviposition repellent for the
fly (Ferry et al, in prep). The present study investigates the potential for using DMDS as an
infochemical in a SDDS strategy against D. radicum. A field trial was conducted to
investigate under cropping conditions the potential of DMDS for both limiting oviposition by
the fly and improving predator occurrence and activity. The effect of DMDS use on crop
quality was also assessed.
MATERIAL AND METHOD
Plot description
The field experiment was the same as described in Ferry et al. (in preparation). It took place
in the experimental station of La Rimbaudais, Saint Méloir des Ondes, France, in the heart of
an important zone of cabbage production (001°54 W / 48°39 N). The field consisted of a
broccoli (Brassica oleracea, var. Monopoly) plot cultivated in a traditional way. One month
old seedlings were planted in the field the 12th of April at a density of 4.3 plants per m² on a
20×40m field. One week after plantation, the plot was treated at 2L/Ha with the herbicide
Butisan® (active compound: matazachlore) to limit further machine intervention in the
experimental plot. No insecticide was used, neither as seed coating (frequently used by nonorganic farmers) nor as sprays in the field. The crop was maintained until the 1st of June, at a
date corresponding to the end of the first peak of D. radicum egg laying.
We used a randomized block design consisting of four blocks with two treatments in
each block. Blocks were separated from each other by 5m of bare soil. Elementary plots in the
blocks were also separated by a non cropped band of 3m. Elementary plots consisted of a
14×15m cultivated surface (16 rows with around 18 plants per row). Treatments were applied
in the 10 middle rows and the 12 middle plants of each row of these plots, leading to an extra
buffer zone of untreated plants around the treated ones (three rows and 2.5m at the end of the
rows) (fig.1). The firsts rows and the firsts plants in rows at the boundary of the treated zone
were counted as ‘margin’ and where not taken into account for the measurements.
73
Treatments consisted of adding an open Eppendorf filled with 0.5mL of DMDS
diluted in paraffin oil (1:250), at a distance of 2cm from each plant of the treated areas. Pure
paraffin oil was placed in the same way on control plants. Eppendorf tubes were changed 3
times per week, on Monday, Wednesday and Friday to ensure a constant emission of DMDS.
1 Block
Legend
Trees
Treated broccolis with margin
Untreated broccolis
Uncropped area
1
Pitfall traps and pitfall number
rows
Detail of an
elementary plot
4
2
3
1
5m
N
Figure 1: Diagram of the experimental field. It consists of four blocks, each
containing a control plot and a DMDS treated plot. Each block and each elementary
plot inside blocks are separated by a non cultivated zone. Elementary plots consist of
a treated zone surrounded by non-treated plants (referred to in text as 'buffer zone').
The edge of the treated area was considered as margin and was not taken into
account for measurements.
Measurements
•
Presence of predators
The presence and abundance of fly predators in the elementary plots was monitored using
pitfall traps (10cm diameter) filled with 50% alcohol. A diagonal of four pitfalls was placed in
each elementary plot (fig. 1). They were placed on rows and spaced from each other by two
empty rows and 3-4 plants. Pitfall n°1 was placed at a corner of the elementary plot, on the
untreated buffer zone, spaced by one row and 2-3 plants from the uncropped band. Pitfall n°2
was placed in a corner of the treated zone, spaced by one row and 1-2 plants from the
74
untreated buffer zone. Pitfalls n°3 and n°4 were respectively on the 5th and 8th row of the
treated zone, spaced by 5-6 and 2-3 plants from the untreated buffer zone.
Alcohol vials where insects are trapped were changed once a week on Friday.
Removed vials were brought back to the lab for analyses. We essentially focussed on A.
bilineata and A. bipustulata, that were counted and sexed (using the presence of parameres in
the male genital apparatus), and on carabidae belonging to the genus Bembidion. For these
three taxa, the treatment effect was assessed using the mean number of individuals caught by
each of the three pitfalls placed in the treated areas (n°2, 3 and 4) and looking at the spatial
repartition of the catches along the whole transect of each elementary plot (including pitfall
n°1 placed in the untreated buffer zone).
•
Oviposition by D. radicum
Egg laying by D. radicum was monitored as described in Ferry et al. (in preparation) using
felt bands traps (Bligaard et al., 1999). Each Friday, traps were gently removed and the eggs
found inside were counted and removed. Traps were then replaced on another plant for a
week. The usual threshold of a mean number of seven eggs per trap (above which farmers are
advised to apply a pesticide) was used to assess the ending of the first peak of egg laying by
D. radicum. Eight felt traps were used in each elementary plot, on one plant of each central
row of the treated area. The traps were placed both around the stem of the plant and the
Eppendorf containing the paraffin solution. Analyses were carried out on the number of eggs
found in each trap.
•
Egg predation
Egg predation on the plots was assessed using artificial patches of eggs. These patches
consisted of a 1×3cm piece of black paperfolded in the middle and pinned down to the soil
surface. Five D. radicum eggs collected in our rearing facility were deposited in the horizontal
V made by the folded paper. Sixteen patches were placed on each elementary plot, in the
immediate vicinity of two plants of each of the eight central rows of the treated area (avoiding
the ‘margin’ plants and rows of the treated area). Patches were maintained in the plots for 48h
before egg predation was checked. We measured the percentage of patches where predation
occurred (at least one egg predated per patch) and the mean number of predated egg when
predation occurred. This experiment was repeated three consecutive weeks (the 19th and 27th
of April and the 4th of May).
75
•
Crop damage by D. radicum
Sixteen plants of each elementary plot (two plants in each of the eight central rows of the
treated areas) were randomly assigned to be noted on their appearance and were checked for
D. radicum larvae and pupae. Plant condition was scored according to the above ground
appearance only between 1 and 4: 1=good, 2=medium, 3=bad, 4=dead or dying,. Roots and
surrounding soil (in a 10cm radius around the plant) were sampled and brought back to the lab
to count the number of larvae and pupae present. We measured the mean number of D.
radicum larvae and pupae found per root and the percentage of medium to good quality plant
(i.e. plants scored 1 or 2).
The operation was repeated twice, the two last weeks of the experiment (the 25th of
May and the 1st of July). A total of 32 plants by elementary plots (128 plants by treatment)
were scored for plant quality and D. radicum infestation. The data obtained on the two dates
of sampling were pooled for analysis.
Statistical analysis
All statistical analyses were carried out with R software (R Development Core Team, 2007).
GLM analyses (function ‘glm’) used the following factors : treatment (two modalities:
DMDS and control), block (four modalities), date (eight modalities corresponding to the eight
weeks of measurement for egg count and predator catches, and three modalities for the data
on predation), and all interactions between these factors. The family distribution of the
analysed data, used to define the link function in GLM analyses, was chosen to give the best
residuals. These family distributions were: Poisson for the predator catches, and the number
of D. radicum larvae and pupae per root, negative binomial for the number of D. radicum
eggs per plant (function ‘glm.nb’ instead of ‘glm’), Gaussian for the mean number of predated
eggs per patch and binomial for the percentage of predated patches and the percentage of
good quality plants. For all GLM analysis, the normality of residuals was checked using a
normal quantile-quantile plot. This plot used the residuals for data following a normal
distribution, and the randomized quantile residuals for data following a Poisson or a binomial
distribution (function ‘qresiduals’, following Dunn and Smyth, 1996). The significance of
factor effects was assessed by analysis of deviance (function ‘anova.glm’) using a chi-squared
test.
76
Predator catches were compared between treatments for each date or according to the
position of the pitfalls by an analysis of contrast (function 'esticon' of package 'doBy',
following Højsgaard, 2004). Sex-ratio bias on A. bilineata and A. bipustulata were tested
using a chi-squared test.
RESULTS
Presence of predators
•
bilineata
A total of 164 A. bilineata were caught in pitfall traps. Sex ratio was slightly but not
significantly biased toward males (93 males, 71 females, χ2 = 2.689, df = 1, P = 0.1010). With
almost six times more individuals caught on DMDS treated plots (119 versus 21 in control
plots), a GLM analysis of the insects caught in the pitfalls inside the treated areas (pitfalls n°2,
3 and 4) reveals a clear effect of the presence of DMDS (Table 1 1 ). Other significant effects
on the mean number of A. bilineata caught per trap are block, date, and their interaction,
indicating a strong spatio-temporal variation at our experimental scale. Non-significant effects
of interactions involving the treatment as a factor (e.g. treatment×block, treatment×date and
treatment×block×date) were found. It emphasizes the role of DMDS as the main explanatory
factor for explaining A. bilineata catches repartition. Mean numbers of individuals caught per
date revealed a late colonization of the plot, starting in DMDS-treated plots the third week
after crop plantation (fig. 2A). A maximum number of insects were trapped on the 6th week
after crop plantation, at the end of the D. radicum egg laying peak.
Table 1: Result of GLM analyses. Values in bold correspond to significant effects of the tested factors (P < 0.05). See
material and method section for more details on the factors tested and the link function used in GLM analyses.
Predators in pitfall traps
D. radicum
Mean number of
eggs per plant
treatment
block
date
treatment ×bloc
treatment ×date
date×block
treatment ×date×block
residual
1
Mean number of
larvae and pupae in
roots
Mean number of A.
bilineata
Predation
Mean number of
A. bipustulata
Mean number of
Bembidion spp
% of predated
patches
Plant quality
Mean number of
predated eggs per
patch
% of medium and
good quality
plants
df
P
df
P
df
P
df
P
df
P
Df
P
Df
P
Df
P
1
3
6
3
6
18
18
386
<0.001
0.70
<0.001
0.13
0.04
<0.001
0.11
1
3
0.10
<0.001
1
3
6
3
6
18
18
101
<0.001
<0.001
<0.001
0.01
0.01
0.32
0.04
1
3
6
3
6
18
18
101
0.002
0.01
<0.001
0.01
<0.001
<0.001
0.03
1
3
2
3
2
6
6
350
0.87
<0.001
<0.001
0.07
0.08
<0.001
0.49
1
3
2
3
2
6
6
86
0.03
0.23
0.01
0.91
0.84
0.01
0.35
0.12
0.005
0.05
<0.001
<0.001
<0.001
0.67
0.52
<0.001
0.80
1
3
3
1
3
6
3
6
18
18
101
3
0.08
247
This table is given in a larger form in Annexe 1.
77
247
Numbers of A. bilineata caught per trap along the pitfall transects made in elementary
plots revealed that DMDS was attractive at this scale. While there was no difference between
the centre and the margin in control plots, DMDS-treated plots showed a spatial structuration
of the catches with a higher number of insects trapped in the centre of the treated area (fig.
2B).
A
***
10
9
B
DMDS
Control
8
4
7
6
5
3
4
2
DMDS
E
Control
D
3
2
NS
1
***
NS
*
NS
*
0
CD
BC
1
AB
A
AB
A
07
07
07
07
07
07
1
2
3
4
01
/0
6/
20
25
/0
5/
20
16
/0
5/
20
11
/0
5/
20
04
/0
5/
20
27
/0
4/
20
20
/0
4/
20
07
0
Figure 2: Mean number of A. bilineata caught per pitfall trap ± standard error. A) Mean number of individuals caught
in pitfalls 2, 3 and 4 on each date. Stars indicate a significant difference at: * α = 0.05, ** α = 0.01, *** α = 0.001. B)
Mean number of individuals caught in each pitfall according to their position on the transect (1= untreated buffer zone;
2= next to the margin of the treated zone; 3-4= in the centre of the treated zone). Different letters indicate a significant
difference at α = 0.05.
•
bipustulata
A total of 209 A. bipustulata were caught during the experiment. Sex ratio for this species
appeared balanced (106 males, 103 females, χ2 = 0.0191, df = 1, P = 0.89 <NB bien que
techniquement correct, ce test est parfaitement superflu…>). Inside of the treated areas
(pitfalls n°2, 3 and 4), 50% more individuals were caught in DMDS-treated plots (107 versus
69 in control plots), leading to a significant global effect of the treatment in the GLM analysis
(table 1). For A. bipustulata all tested factors but the date×block interaction had a significant
effect. It indicates a spatio-temporal variation of the catches, and a variability of the DMDS
action among blocks and among dates. This variability is notably highlighted by the large
unexpected increase of catches in DMDS plots the 6th week of the experiment (fig. 3A).
Except for this date, the number of A. bipustulata seemed to gently decrease over all the
experiment period, with a maximum of catches the first week after crop plantation.
78
DMDS attractivity at the plot scale was revealed by observing the catches of A.
bipustulata along the pitfall transects (fig. 3B). In the control plots, the mean number of
individuals caught in the untreated buffer zone (e.g. pitfall n°1) did not differ from the mean
number of individuals caught in the central area. On the contrary, pitfalls placed in the central
area of DMDS-treated plots caught significantly more A. bipustulata than those in the
untreated buffer zone (whichdid not catch more individuals than similarly placed traps of
control plots).
A
7
NS
DMDS
Control
6
5
B
D
3
DMDS
Control
***
4
2
3
A
NS
2
NS
NS
1
BC
BCD
AB
AC
AC
A
1
NS
NS
0
07
1
3
4
/2
0
2
01
/0
6
/2
0
/0
5
25
/0
5
16
/0
5
11
07
07
/2
0
07
/2
0
07
/2
0
/0
5
04
/0
4
27
20
/0
4
/2
0
/2
0
07
07
0
Figure 3: Mean number of A. bipustulata caught per pitfall trap ± standard error. A) Mean number of
individuals caught in pitfalls 2, 3 and 4 on each date. Stars indicate a significant difference at: * α = 0.05, **
α = 0.01, *** α = 0.001. B) Mean number of individuals caught in each pitfall trap according to they position
on the transect (1= untreated buffer zone; 2= next to the margin of the treated zone; 3-4= in the centre of the
treated zone). Different letters indicate a significant difference at α = 0.05.
•
Bembidion spp.
Overall, 1289 carabid beetles belonging to the genus Bembidion were caught. Inside of the
treated zones (pitfalls n°2, 3 and 4), catches were slightly higher in DMDS plots (539 versus
462 in control plots) but differences between treatments varied widely from date to
date/during the experiment. All tested effects significantly influenced the number of
individuals caught inside the treated zones (table 1). Accordingly, despite of a treatment effect
detected by the GLM analysis, interaction effects among date and treatment seemed even
more important, leading to changes between the preferred treatment among dates (see for
example the two last weeks of the experiment; fig. 4A).
The unclear effect of DMDS in explaining the number of Bembidion spp. caught was
even more striking when looking at the number of individuals caught along the transect
79
pitfalls (fig. 4B). Indeed, there was no evident spatial pattern distinguishing control plots from
DMDS-treated ones. There was no significant difference between the buffer zone and the
treated zone, or between the DMDS and the control plots. Only pitfall n°4 in DMDS-treated
plots caught a significantly higher number of Bembidion spp. than all other pitfalls, but this
was mainly due to two data points, the 25th of May, in block A and D (mean number of insect
caught in these two points = 26.5 while mean number of individuals per pitfall = 6.48
overall).
A
***
14
NS
12
*
10
***
NS
8
DMDS
Control
NS
**
6
4
2
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
DMDS
B
AB
1
07
C
Control
AB AB
A
3
AB
4
/2
0
2
A
/0
6
01
25
/0
5
/2
0
/2
0
/0
5
16
/0
5
11
07
07
07
/2
0
07
/2
0
04
/0
5
/2
0
/0
4
27
20
/0
4
/2
0
07
07
0
B
Figure 4 : Mean number of Bembidion spp. caught per pitfall trap ± standard error. A) Mean number of
individuals caught in pitfalls 2, 3 and 4 on each date. Stars indicate a significant difference at: * α = 0.05, ** α
= 0.01, *** α = 0.001. B) Mean number of individuals caught in each pitfall according to they position on the
transect (1= untreated buffer zone; 2= next to the margin of the treated zone; 3-4= in the centre of the treated
zone). Different letters indicate a significant difference at α = 0.05.
Effect of DMDS on D. radicum
•
Oviposition
Over all the experiment period mean number eggs laid per plant in DMDS plots was lowered
by 60% compared to control plot (respectively 4.23 and 10.84 eggs per plant) (fig.5) Main
results of GLM analysis are given in table 1.
•
Larvae and pupae
D. radicum larvae and pupae found in plant roots at the end of the experiment was not
negatively affected by DMDS (fig. 5). Total number of larvae or pupae found in DMDS plots
was even higher than in control plots, although this difference was not significant (161 versus
80
136 respectively). Furthermore GLM analysis revealed a strong spatial effect (block) that was
absent for the number of eggs recovered (table 1).
14
12
DMDS
***
Control
10
8
6
4
NS
2
0
eggs
larvae
pupae
Figure 5: Mean number of D. radicum found per plant
according to the treatment ± standard error. Numbers of
eggs come from the felt roll survey, numbers of larvae
and pupae come from the end analysis of sampled roots.
*** significant difference at α = 0.001.
Egg predation
Among the 374 egg patches deposited over the three series of predation experiments, only one
third were visited and predated, with no difference between treatments (56 patches in DMDS
versus 54 in control plots; fig. 6A). According to GLM analysis, the only factors affecting
patch discovery by predators were spatiotemporal (e.g.: block, date and block×date
interaction; table 1).
At the opposite, the mean number of eggs predated per patches that were discovered
(i.e. when at least one egg was predated) revealed an effect of the presence of DMDS in the
plots. Interestingly, with 2.07±0.18 eggs predated per patch in DMDS plots versus 2.61±0.19
in control plots, presence of DMDS negatively affected the number of eggs predated (fig. 6B).
No interaction involving the treatment as a factor significantly affected the result (table 1),
indicating a quite stable spatiotemporal effect of DMDS on this result. Other factors affecting
the number of predated eggs per patches were the date and the block×date interaction.
81
A
B
40%
3
NS
*
2,5
30%
2
20%
1,5
1
10%
0,5
0%
0
DMDS
Control
DMDS
Control
Figure 6: Patch predation results. A) Mean percentage of patches predated in each
treatment ± standard error B) Mean number of eggs predated per patch (only for
patches where predation occured) ± standard error. A star indicates a significant
difference at: α = 0.05.
Plant quality
Overall, plant quality in our experimental plot was poor. Good and medium quality plants
only represented 50% and 40% of the sampled plants in DMDS and control plots respectively
(fig. 7). Despite this difference, the treatment effect was not significant (table 1). Only block
factors significantly affected the result.
NS
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
DMDS
Control
Figure 7: Mean percentage ± standard error of
plants classified as good to medium quality at
the end of the experiment.
DISCUSSION
The field bioassays presented here confirm the importance of volatiles for structuring insect
communities, as well as their potential for pest control practices. For the first time, the same
monomolecular compound, i.e. DMDS, was shown to have the potential to ‘push’ a pest and
82
‘pull’ its natural enemies in cultivated plots, thus playing a strategic role in a SDDS approach.
Artificially increasing DMDS emissions near broccoli plants significantly decreased egg
laying by D. radicum and increased pitfall catches of key predators of this pest (i.e. A.
bilineata and A. bipustulata) in the vicinity of treated plants. However, in spite of these two
very interesting coupled effects, adding DMDS did not efficiently limit damages done by D.
radicum larvae on the crop since both the number of recovered larvae / pupae and the quality
of plants did not differ significantly between treated and control plots at the end of the
experiment. Insufficient plant quality may have been a strong limiting factor for the
development of the fly on both treated and control plants in our experiments. However,
predation measurements, indicating a decrease of eggs predated per patches in the DMDS
treated plots, highlight a potential adverse effect of the odour use that could explain the
contradictory results obtained.
The present study demonstrates the capacity to increase pitfall catches of D. radicum
predators in plots containing plants artificially associated with higher amounts of DMDS.
Local attractivity of DMDS towards A. bilineata, and A. bipustulata was already
demonstrated (Ferry et al., in press). Repartition of catches along the pitfall transects in plots,
reveals that this molecule can also have a longer range action. Indeed, the mean number of
insects trapped in pitfalls gently increase when going further inside the treated zones while
they remain constant in control plots. However, with the doses used in our experiments, the
attraction range of the molecule did not seem to exceed a few meters, like presumed by Ferry
et al. (in press): pitfalls in the untreated margin of DMDS treated plots, only one row away
(i.e. 80 cm) from the first treated broccoli row, did not catch more insects than pitfalls placed
in control plots. Surprisingly, DMDS, that was shown to attract Bembidion carabid beetles in
Ferry et al. (in press), had no clear effect on this taxon in the current study. The lack of
response observed herein could be related to the amount of DMDS present in our plots.
Indeed, Bembidion sp were shown to no longer respond to DMDS when the molecule
concentration was too high (Ferry et al., in press). Although the net quantity of 2µL of DMDS
used in the present experiment was shown to be attractive for the beetles when placed in
odorous traps, it is likely that the different means of odour release in the present experiment
led to higher amounts released in the environment, and weakened the attraction of the carabid
beetles. Other factors such as the timing of the experiment or differences in the set-up and the
trapping method used could also explain the contrasting results obtained.
Before concluding on the effect of DMDS as an effective ‘pull’ component of a SDDS
strategy, the limits of pitfall traps for measuring insect abundance should not be forgotten.
83
Pitfall trap counts depend on local abundance of the target arthropod, but also on its
locomotor activity (Greenslade, 1964). The higher number of A. bilineata found in DMDS
treated plots can indistinctively be due to a higher density of this species or to a higher
locomotor activity in these plots, or to both factors. Increased locomotion activity due to
DMDS has already been shown in parasitoids (Lecomte and Thibout, 1984).
The plant quality data and the number of D. radicum found in roots at the end of the
experiment clearly indicate that DMDS did not sufficiently prevent pest damage caused by
the larvae. Despite a decrease in the number of eggs laid by the pest and an apparent increase
in numbers of biocontrol agents in DMDS-treated plots, numbers of larvae and pupae found
in roots were not significantly lower than in untreated plots, and plant quality was not
significantly improved. A first explanation of this result could be that the poor quality of our
plants (both in the treated and in the control plots) was the factor limiting the number of
larvae that could feed upon the plants. With almost half of the plants looking bad or already
dead after one and a half month of culture, our plots were globally of poor quality. According
to the experimental station technicians, the crop would have been harvested one month later
than a ‘normal’ commercial crop. Repeated stamping of the soil surrounding the plants by
experimenters and the absence of hoeing (that is often done in traditional cropping, allowing
to aerate the soil for a better root development) due to experimental constraints, could be the
main explaining cause. The poor quality of the plants, assessed by looking at their aboveground part, is probably linked with a small root biomass, and consequently, a limited food
resource for the fly. We can not exclude that this limitation of resources limited the number of
larvae able to feed upon plants. Broccoli plants at the same age were usually shown to carry
up to five times more larvae and pupae in previous years (unpublished results). This could
explain why, even with a higher number of eggs laid, the numbers of larvae and pupae in
roots of control plots were not higher than those in DMDS-treated plots.
However, even on a low number of larvae, predatory activity of the biocontrol agents
should have led to some difference between the two treatments. The second explanation, well
supported by the data on egg predation, is a perturbing effect of DMDS on predators. Indeed,
while the number of patches visited by predators was the same in the two treatments, the
mean number of predated eggs per patches was significantly decreased in DMDS treated
plots. The same decrease in predatory activity in DMDS treated plots could be responsible for
a lower predation of the eggs naturally laid by D. radicum, leading to no difference between
control and DMDS plots when considering the number of larvae and pupae present in roots.
Lowered predatory activity in DMDS treated plots could have two main origins. First, the
84
large amount of the molecule present in treated plots might have hidden other volatile cues to
the predators, thereby diminishing their efficiency in finding eggs. Another possibility would
be that DMDS presence acted as a diversionary cue. DMDS abundance in treated plots could
indicate the presence of abundant resources that were actually not present. Predators might
have been confused by this signal, spending time searching for high quality patches that did
not exist. The lower number of predated eggs in treated plots could be due to a lower time
spent on egg patches, perceived as having a poor quality compared to what could be expected
globally in the environment, in agreement with optimal foraging theory (Charnov, 1976).
Increased search activity in DMDS plots could also partially explain the higher number of
catches in pitfalls placed in these areas. Such diversionary problem, when using an odor to
increase biocontrol agent activity against a pest, has already been shown in different systems
involving parasitoids (examples in Powell, 1986). The present study could be the first
evidence of this undesirable phenomenon occurring also with predators. Of course, in field
experiments such as the ones we conducted, results are influenced by many uncontrolled
biotic and abiotic factors, making it hard to conclude on which factors were the most influent
in explaining the data obtained. Lab experiments, working on isolated individuals and in
controlled conditions would be necessary to confirm such an effect.
Even if, in the conditions of this field experiment, DMDS was no efficient in
protecting the crop against D. radicum, its effect on egg laying diminution is an encouraging
step toward its potential use for controlling this pest. Furthermore this study still confirms the
possibility of odor use in manipulating insect community and its potential in pest control
strategies such as SDDS. Despite the fact that our study highlights the main risk of such an
approach, the results obtained are encouraging and show a potential deserving complementary
studies. Such studies should permit to better face current and future problems of crop
protection given the ever limited use of insecticides.
ACKNOWLEDGMENTS
The authors thank the staff of the experimental station of La Rimbaudais, Saint-Méloir-desOndes, France, for providing experimental fields; Yann Fournis, Isabelle Clopeau and
Chrystelle Paty for their help in the field; Denis Poinsot for usefull comments on a previous
version of this manuscript. This work was supported by a PhD grant to A. Ferry from the
Region Bretagne.
85
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87
CHAPITRE 5:
MODIFICATION DES MESSAGES OLFACTIFS ISSUS DE
L’INTERACTION PLANTE-PHYTOPHAGE EN PRESENCE
D’UN SECOND HERBIVORE
88
Chapitre 5: Modification des messages issus de l’interaction plantephytophage en présence d’un second herbivore
Article 4 : Multiple herbivory affects indirect defenses in cabbage plants: laboratory and
field evidence
Article soumis à Oecologia
Auteurs: Ferry Antonin ; Soler Roxina ; Harvey Jeff A. ; Cortesero Anne Marie
Objectifs: Nous avons vu au cours des précédents chapitres comment un message général,
issu de l’interaction entre un herbivore et sa plante-hôte, pouvait avoir un rôle clé dans le
comportement des insectes et notamment des auxiliaires du troisième niveau trophique.
Cependant, les individus savent aussi utiliser des messages très spécifiques qui leur
permettent de faire une discrimination très fine entre la qualité de différentes ressources. Nous
montrons dans ce chapitre comment le simple ajout d’un phytophage dans un système
tritrophique peut, sur la base d’une modification des messages émis par la plante-hôte, avoir
un impact majeur sur le comportement d’un parasitoïde et entraîner une forte diminution de
l’efficacité de cette espèce en tant qu’auxiliaire des cultures.
Résumé et intérêt de l’étude : Trybliographa rapae est un hyménoptère parasitoïde
spécialiste des larves de D. radicum. Son efficacité en tant qu’auxiliaire des cultures peut être
importante puisque les taux de parasitisme par cette espèce peuvent atteindre les 80% sur
certaines parcelles. Cette espèce est connue pour localiser son hôte grâce aux CVI émis par
les plantes en réponse à une attaque de D. radicum. La présence d’un autre phytophage (i.e.
Pieris brassicae) sur une plante a un fort impact négatif sur la taille à l’émergence et la survie
du parasitoïde, diminuant donc sa valeur sélective. Nous montrons dans cette étude que T.
rapae, en utilisant les CVI émis de façon systémique par les plantes attaquées, évite ces
plantes doublement infestées. En champ, ce comportement se traduit par une forte diminution
des taux de parasitisme sur les choux infestés par les deux herbivores.
Cette étude permet de rendre compte de la grande diversité et de la possible forte
spécificité des messages utilisés par les espèces du troisième niveau trophique pour localiser
leurs hôtes phytophages. Le DMDS, qui s’est révélé attractif pour les principaux prédateurs
de la mouche du chou est, en tant que produit de dégradation final des tissus, un message peu
spécifique et sans doute peu soumis aux sources de variations telles que la présence d’un autre
phytophage. Nous voyons ici qu’au contraire, T. rapae est attiré par des signaux beaucoup
plus spécifiques. Ce résultat confirme l’idée que la spécificité d’un message utilisé pour
localiser une ressource peut être reliée à la spécificité de la ressource cherchée. En effet, T.
rapae est beaucoup plus spécialiste envers la ressource D. radicum que ne le sont A. bilineata,
A. bipustulata ou les carabes qui sont des prédateurs généralistes (et qui, pour les staphylins,
peuvent parasiter un plus grand nombre d’espèces).
Ce résultat montre aussi clairement comment l’utilisation d’un message peut être
directement corrélée à un comportement optimal. L’évitement par T. rapae des plantes
doublement attaquées permet en effet à cette espèce de choisir des sites de pontes où sa valeur
sélective ne sera pas diminuée.
Enfin, parce que la présence simultanée de différents herbivores sur une même plante
est quelque chose de fréquent, nous soulignons ici l’importance de tenir compte de la
complexité naturelle des écosystèmes (ou des agro-écosystèmes) pour mieux comprendre la
nature des messages utilisés dans la recherche de ressource et leur influence sur la
structuration d’une communauté d’espèces.
89
Multiple herbivory affects indirect defenses in cabbage plants: laboratory and field evidence
Ferry A., Soler R., Harvey J.A., and A.M. Cortesero
ABSTRACT
Simultaneous herbivory by different insect species often occurs in a same plant. Due to the
complexity of metabolic pathways involved in the plant response, multiple herbivory can lead
to important changes when compared to simple herbivory. Such changes can have adverse
effects on both second and third trophic level of insect community. In brassica species biherbivory done in the same plant by P. brassicae and D. radicum, was notably shown to
lower the plant site quality for their respective parasitoids C. glomerata and T. rapae.
Furthermore, C. glomerata is able to use volatile changes linked with the presence of D.
radicum to avoid such bi-infested plants. We investigated both in the lab and in the field how
T. rapae responds to volatiles systemically induced during co-feeding of the two herbivores.
Our results show that T. rapae avoids such plants, using specific characteristics of the volatile
blend emitted during bi-infestation. Female parasitoids were similarly attracted by plants
attacked by D. radicum, either or not the volatile blend was mixed together with the one of a
P. brassicae infested plant. But, they clearly responded no more to volatile blends emitted by
plants simultaneously infested by the two herbivores. In broccoli crop, co-occurrence of the
two herbivores seems to not be rare. In this cropping system, avoidance of bi-infested plants
led to a sharp decrease of parasitism rate by T. rapae. Hypothesis about the metabolic
pathways involved as well as importance of these finding for understanding mechanisms
underlying the structuration of the insect community are discussed.
INTRODUCTION
Herbivory is a common limiting factor of plant fitness. Plant evolution lead to numerous
adaptative strategies against herbivore attacks, including physical or chemical defenses that
can either be constitutive or induced at the time of attack. Among these mechanisms,
chemical induced defense have received special attention, notably because of its efficiency
and its specificity. When attacked, plants have been seen to defend themselves by producing
90
compounds toxic or repellent for the herbivorous species (direct defense), or by producing
volatile organic compounds (VOC) that attract the natural enemies of the herbivore (indirect
defense) (Price et al., 1980; Turlings et al., 1990; Vet and Dicke, 1992; Karban and Baldwin,
1997; Dicke, 1999; Vet, 1999).
Metabolic pathways involved in the plant response to attack are extremely complex.
They are linked with the transcription of hundreds of genes, directly associated with insect
predation, with pathogen-activated pathways or with global stress response of the plant
(Gatehouse, 2002). Numerous signalling pathways are activated in response to herbivory and
multiple cross-talks exist among these pathways (Poecke and Dicke, 2002). For example,
salycilic acid is mainly involved in the acquired resistance against pathogen, but can act as a
negative modulator of the wounding response (Doares et al., 1995; Bostock et al.,2001).
Furthermore some species specific compounds present in insect oral secretions like systemin
and volicitin, can also modulate the wounding response. Korth & Dixon (1997) established
that a compound present in the regurgitant fluid of the tobacco hornworm was responsible for
a faster production of proteinase inhibitor by attacked potato plants when compared to simple
mechanical damage.
There is now growing evidences that the plant response to multiple herbivory is quite
different from response to simple herbivory. Qualitative and/or quantitative changes in
metabolite synthesis resulting from multiple herbivory not only have consequences for the
second trophic level (herbivores) but also for the third trophic level (predators and
parasitoids).
Influence of multiple herbivory also bypass the above/bellow- ground
compartments of the plant (for review see Bezemer and Van Dam, 2005). However, most
studies done on these direct or indirect chemical defenses are essentially conducted on simple
systems (i.e. bi- and tritrophic interactions involving only one specie for each trophic level)
and typically focuses on the aboveground part of the plants (but see: Neveu et al. 2002, Soler
et al., 2005).
One of the most studied system concerning multiple herbivory and above/bellow
ground interactions involves Brassica nigra and B. oleracea as first trophic level, the foliar
caterpilar Pieris brassicae and the cabbage root fly Delia radicum as second trophic level,
and their respective parasitoids Cotesia glomerata and Trybliographa rapae for the third
trophic level. It has notably been shown in this quite complete system that bellowground
herbivory by D. radicum significantly affects glucosinolate content in the aboveground part of
both B. oleracea and B. nigra (Van Dam and Raaijmakers; 2006). In B. nigra these changes in
glucosinolate contents affect development time of the foliar herbivore and its parasitoid due to
91
changes in plant quality (Soler et al, 2005). Changes induced by adding the root herbivore not
only imply changes in direct defense but also in indirect defense since presence of D. radicum
has been shown to change the volatile signal emitted by B. nigra when attacked by P.
brassicae, leading to a decrease of C. glomerata parasitism rate on its foliar phytophagous
host (Soler et al. 2007a). Similarly to bellowground herbivory that affects aboveground
second and third trophic level development, B. nigra aboveground herbivory by P. brassicae
was shown to significantly alter the development of D. radicum and its parasitoid T. rapae in
the bellowground compartment (Soler et al. 2007b). However, the question on how the
presence of P. brassicae will affect D. radicum localization by T. rapae remains.
The present study investigates how, aboveground herbivory by P. brassicae, can affect
indirect defense of cabbage plants against D. radicum through changes in induced volatiles
attractive to T. rapae. A first lab experiment is used to test the influence of the presence of P.
brassicae on a plant (B. napus var napobrassica) to the attraction of the parasitoid toward
systemic volatiles induced by D. radicum. The significance of these findings for paratization
preferences by T. rapae in the field is also tested, using broccoli (B. oleracea var italica) as a
model plant. Natural co-occurrence of the two herbivores on the same plant is assessed and
the impact of P. brassicae presence on D. radicum parasitism rate by T. rapae is measured.
MATERIAL & METHOD
Insects
D. radicum larvae used for plant infestation originated from our rearing. They were reared as
described in Neveu et al. (2002).
P. brassicae larvae originated from an insect culture maintained at the Laboratory of
Entomology of Wageningen University, the Netherlands, and were cultured on B. oleracea
plants.
T. rapae females used in the Y olfactometer setup originated from our rearing, started
the summer 2005 with around 50 females, either captured as adult or as pupae in different
cabbage fields at Saint Méloir des Ondes, France. Rearing conditions were the same as
described in Neveu et al. (2002).
92
Y-tube olfactometer setup
For bioassays, T. rapae females were conditioned as follow: they were isolated within 72H
after emergence (day1). Then, they were kept in a close plastic box with water and honey for
a period of 24H with an equal number of males for mating. After this period (day2), males
were removed, and a piece of 10 days old infested turnip root was placed in the box to allow
female parasitism. After three days of such pre experience (day5), in the morning, females
were isolated individually in small glass tubes filed with cotton and placed in the room where
the bioassay took place. Females were tested between 3pm and 6pm.
Turnip plants used in bioassays were obtained from commercial roots (variety Globe
or Nancy) re-grown as described in Neveu et al., 2002. Plants were prepared as follow: they
were infested 72 H before the day of the experiment with either 10 D. radicum larvae (L1L2), or 10 P. brassicae larvae (L1-L2), or with both 10 D. radicum and 10 P. brassicae, or
kept uninfested. To be sure to work only with systemic volatiles, P. brassicae larvae were
confined to eat on the third or fourth fully developed leave with a 6-cm-diameter screened
cage (as described in Cortesero et al., 1997). The infested shot was then removed before the
experiment. To avoid volatiles emitted by the D. radicum infested roots, pots were enclosed
in freezer bags sealed at the shoot basis with a rubber band. In order to avoid the presence of
green leaf volatiles due to shot removal or to mechanical damages done during root enclosure,
these two operations were carried out on the morning the day of test, at least 4 hours before
using the plants. Installing and removing screened cages from the confined shot as well as
enclosing root was done on all tested plants whether P. brassicae and D. radicum were
present or not. For the tests, plants were put in plastic boxes (24x18x10 cm), hermetically
closed adhesive plastic tape.
Paired odor tested were: 1) D. radicum infested plant (D) vs Healthy plant (H); 2) P.
brassicae infested plant (P) vs Healthy plant; 3) D. radicum and P. brassicae infested plant
(D×P) vs healthy plant; 4) D. radicum and P. brassicae infested plant vs D. radicum infested
plant; 5) one D. radicum infested plant plus one P. brassicae infested plant in the same plastic
box (D+P) vs two healthy plants (H+H).
Ambient air was blown through the plastic boxes containing the plants at a rate of
1.8L/min before entering the olfactometer and was pulled out of the olfactometer room by an
air pump connected to the basis of the Y-tube olfactometer at a rate of 2.6L/min. Suitability of
airflow inside the olfactometer was observed with artificial smoke before starting the
experiments. Air in the olfactometer room was daily renewed by keeping the windows opened
all the time between two experiments. Silicon tubing between odor source and Y-tube, as well
93
as plastic boxes were daily washed with abundant hot water. Parasitoids were individually
introduced at the basal end of the Y-tube. Time spent in each of the three arms was recorded
for 5 minutes, starting the chronometer as soon as the females left their typical feigning death
posture (thanatosis). Attractiveness for a given odor was assessed by comparing the time
spent in the right and left arms of the Y-tube, even if it was zero (when females spent all the
five minutes in the common arm). Odor sources were interchanged between the arms of the
Y-tube after every 3 females tested, and the Y tube was turned around its basis arm every 6
tests, to compensate for an influence of unforeseen aspect of the setup. Each experiment was
repeated on 4 to 5 different days with new groups of T. rapae (a group is composed of
females isolated the same day) and new odor sources. Each female was only tested once. To
limit biases due to the date of the experience and to the batch from which tested individuals
were isolated, each group of females was used in at least two different experiments (except
for control versus P. brassicae that was done separately a few weeks after the other tests).
All statistical analyses were done with R software (R Development Core Team, 2007).
Difference in preference between two compared odor sources was assessed with a t-test for
paired data done on the mean time (in s) spent by each female in each of the two arms of the
olfactometer. To test the difference of attractiveness between two experiments (for example to
compare the response in the D vs H experiment to the response in the D×P vs H experiment) a
new vector of data was constructed. It consisted for each female tested on the difference of the
total time spent in the arm containing the odor emitted by the infested plant minus the total
time spent in the arm containing the healthy plant odor. Comparison of this preferential index
was made using a contrast analysis on the anova model explaining the response (the
preferential index, e.g. the difference in time spent in the arms) by the paired odor tested (one
of D vs H, D×P vs H, D+P vs H+H or P vs H). The internal functions ‘aov’ and ‘esticon’
(from the package doBy; Højsgaard, 2004) of R were used for this purpose.
Field experiment
The field experiment took place in the experimental station of La Rimbaudais (Saint Méloir
des Ondes, France) in an important zone of cabbage production.
Plants were cropped in a traditional way, using two month old broccoli seedlings (var
Monopoly), at a density of 4.3 plants / m². At the date of plantation, a hundred of the
seedlings where put individually in plastic pots (20 cm diameter, 25cm deep). These plants
were kept to develop in the station tunnel, to limit unwanted infestations until the date of the
experiment.
94
One month after plantation of the experimental field, at a date corresponding to the
end of the first D. radicum egg laying pick (the 23 of May), isolated plants were all infested
by 10 first instar D. radicum larvae. Half of them were further infested by 10 first instar P.
brassicae larvae. Herbivores were kept to install on the potted plants for three days before
being placed in the field.
Pots containing infested broccolis were dug in the broccoli plot 15-20cm deep (pot
rims jut out from the ground surface to avoid D. radicum larvae predator access). Eight potted
plants of the same treatment were grouped and arranged over two rows (2x4 plants), replacing
original planted plants. Twenty-four plants of each treatment were put in the broccoli plot in
this way, leading to 6 “patches” of 8 plants. Each patch was 5 meters and 12 rows distant
from the next one or from the plot margin. Treatment disposition in the plot was randomized.
Infested plants were kept in the field for one week. Then, they were brought back to
the lab for analysis. The number of recovered D. radicum and P. brassicae was monitored. D.
radicum larvae were dissected and T. rapae eggs or larvae found were counted.
Statistical analysis was done on the percentage of parasitised larvae for each plant
belonging to the same treatment, using a Mann and Witney non-parametric test (function
‘wilcox.test’ of R softaware).
At the same period of this field experiment, neighboring broccoli plots (around 50m
far from the experimental plot) where checked for the presence of P. brassicae and D.
radicum naturally infested plant. The objective was to make sure that both herbivores
naturally occur on the same plant in the field. Parasitism of D. radicum by T. rapae was also
checked on these plants.
RESULTS
Influence of bi-infestation on attraction of T. rapae
T. rapae females were significantly attracted toward D. radicum infested turnips when offered
against healthy plants (df = 32, t = 2.3898, p= 0.023). However, when plants were also
infested by P. brassicae (D×P) they were no longer attractive compared to control plants (df =
32, t = -1.1166, p= 0.273). According to the contrast analysis, females responded differently
in these two experiments (D vs H compared to D×P vs H). However, plants only infested by
P. brassicae were not repulsive, as there was no difference between these plants and control
plants (df = 41, t = -0.2734, p= 0.786). Furthermore, adding in the same box a plant infested
95
by P. brassicae to a plant infested by D. radicum did not disturb female orientation toward
their host-plant complex since they effectively preferred odors emitted by one D. radicum
infested plant plus one P. brassicae infested plant when offered against two healthy plants (df
= 34, t = 2.5221, p= 0.017). There was no difference in the preference for D. radicum infested
plants presented alone compared to D. radicum infested plants presented together with a P.
brassicae infested one.
(a)
*
H
D
A
(b)
H
D×P
B
*
(c) H+H
D+P
A
(d)
H
P
B
100
50
0
50
100
150
Mean time (s) spent in each olfactometer arm
Figure 1: Mean time spent by T. rapae females in the odorous arms of the
olfactometer. (a): healthy vs D. radicum infested turnip; (b): healthy vs D.
radicum and P. brassicae infested turnip; (c) healthy vs one D. radicum plus one
P. brassicae infested turnips; (d) healthy vs P. brassicae infested turnip. Only
volatiles emitted by unattacked shoots were allowed to enter the olfactometer
(see text for details). Stars indicate a significant difference between the time
spent in each arm (α=5%). Identical bold letters under chart bars indicates a non
significant difference between two odor pair tested (α=5%).
Influence of bi-infestation on parasitism by T. rapae in the field
Due to unexpected mortality of the larvae and to attacks by hares on the plants only 10 plants
infested by D. radicum alone and 13 infested by D. radicum and P. brassicae were suitable
for the analysis. Mean number of recovered D. radicum per plant was 2.7+0.5 for the plants
with D. radicum alone. For the plants with the two herbivores, mean number of D. radicum
per plant was 3.0+0.6 and mean number of P. brassicae per plant was 2.8+0.6.
T. rapae eggs and larvae were found on 5 out the 10 plants infested by D. radicum
only for an average of 30.8% + 12.8 parasitized D. radicum larvae per plant in this treatment.
96
Parasitism rate in plants harboring both D. radicum and P. brassicae was significantly lower
(W = 92, p-value = 0.0333): Only one of the 13 plants of this treatment contained parasitized
larvae, leading to an average of 4.4%+4.4 parasitized D. radicum larvae per plant for this
treatment.
50%
*
40%
30%
20%
10%
0%
D
D×P
Figure 2: Field experiment: Mean
percentage of parasitized D. radicum per
plant ± standard error. D: broccoli infested
with 10 D. radicum; D×P: brocoli infested
with 10 D. radicum and 10 P. brassicae
larvae.
Seven plants naturally infested by P. brassicae were found in the neighboring cabbage
plots. Among these seven plants, four also contained D. radicum. Seven plants infested by D.
radicum only were also collected in the same plot. Mean percentage of parasitized D. radicum
larvae per plant was comparable to what was found in the field experiment: 20.8% for the P.
brassicae free plants and 8.3% for plants also infested by P. brassicae.
DISCUSSION
This study shows that the simultaneous presence of the foliar herbivore P. brassicae and the
root herbivore D. radicum on the same plant changes orientation behaviour and parasitism
rate of T. rapae, a D. radicum parasitoid. Choice experiments carried out with turnips reveal
that the blend of odors systemically emitted by bi-infested plants is not attractive for T. rapae
contrary to the blend systemically emitted by plants infested by D. radicum alone.
Furthermore, the change in the systemic volatiles blend emitted when induced by the two
97
herbivores is not only an addition of the two blend induced by each herbivore. Indeed, T.
rapae females were attracted to the volatile blend emitted after their host infestation, whether
or not this blend was mixed with volatiles emitted during P. brassicae infestation. At the
opposite, the simultaneous presence of the foliar and the root herbivores in the same plant
lead to a different volatile blend, no longer attractive for the parasitoid. In a crop setting, these
changes in volatile emission lead to a sharp decrease in parasitism of D. radicum by T. rapae.
Soler and co-authors (2005) revealed that D. radicum and P. brassicae negatively
interfere with each other via changes in plant secondary metabolite content while feeding on
the same plant. The development of the parasitoids of the two herbivores was also affected
when the non host herbivore was on the same plant as the host herbivore. Like was the case
here with T. rapae, they also showed that C. glomerata, the parasitoid of P. brassicae, was
able to avoid plants attacked by D. radicum. Both studies confirm the ability of female
parasitoids to select optimal hosts for the development of their offspring. Interestingly in both
cases this optimal choice seem to be made trough the use of plant emitted volatiles. However,
while C. glomerata avoidance of D. radicum infested plants seemed to be based on a deterrent
activity of compounds emitted subsequent to root feeding, what we show for T.rapae is the
use of a change in induced systemic compounds specifically due to the co-feeding of D.
radicum and P. brassicae on the same plant.
Discrimination of T. rapae females between the different blends of volatiles tested
could be based on quantitative and/or qualitative changes in volatile emission. For example in
the study of Soler et al. (2007), the simultaneous presence of D. radicum and P. brassicae on
B. nigra led only to quantitative changes when compared to the volatile blend emitted during
the attack of one or the other herbivore alone. But multiple herbivory on the same plant can
also lead to qualitative changes. Moayeri et al. (2007) showed that the simultaneous presence
of Mysus persicae and Tetranychus urticae on sweet pepper led to the emission of two new
compounds by the attacked plant in comparison to what was emitted during infestation by
each herbivore separately. Future volatile analyses carried out on the same odor blends as the
ones T. rapae was confronted to in this study should give us information on the changes
following bi-infestations on turnips. It will help understand which changes in volatile
emission due to feeding by the two herbivores allow T. rapae to avoid these plants.
The mechanisms involved in the non additive modification of the odor blends emitted
by D. radicum and P. brassicae infested turnips might be hard to unravel. However our
results seem to indicate that they are not plant-specie specific and could be similar in the
brassicaceae family as both B. napus and B. oleracea showed this modification. Furthermore,
98
because of the biology of D. radicum it is likely that a large part of the plant response against
this pest is associated with pathogen resistance pathways. Indeed, D. radicum is known to live
in association with many bacteria all along its stage life (Lukwinski at al., 2006). Presence of
these bacteria is needed for the larvae to develop; they are notably responsible for the soft rot
associated with D. radicum infestations that may supply nutriments for the fly larvae (Doane
and Chapman, 1964ab). Furthermore, because of the underground feeding of the larvae,
damages done on roots by this herbivore are likely to expose the attacked plants to many soil
pathogens. Consequently, pathways involving SA should have an important role in the plant
response to D. radicum feeding. In Arabidobsis thaliana both SA and JA pathways were
shown to be involved in the induced attraction of the parasitoid wasp Cotesia rubecula toward
P. rapae infested plants (Van Poecke and Dicke., 2002). Whether local increase of JA and SA
occur between root or shoot was seen to modify glucosinolate induction in B. nigra and B.
olearacea (van Dam et al., 2004). Because JA and SA pathways interferes (Van Poecke and
Dicke., 2002) changes in one comportment of the plant could alter their balance in the second
compartment, leading to a global different plant response. Thus, during bi-infestation by D.
radicum and P. brassicae both quantitative switch favouring SA pathway, both the fact that
induction arise differently in the two compartments of the plants may be responsible for the
changes in the induced volatile attraction of T. rapae. Studies examining the response of T.
rapae toward plants treated with different concentrations of JA and SA, either in the shoot or
in the root compartment, should be carried out to test this hypothesis.
Field observations revealed that co-occurrence of D. radicum and P. brassicae in the
same plant is not rare (4 out the 7 plants found naturally infested by P. brassicae were both
infested by D. radicum). More generally, multiple herbivory is widespread. In B. oleracea
fields, Vos et al. (2001) found that 73% of a sample of 125 plants contained at least two
herbivorous species, only in the shoot compartment. It has also been shown that the final
structure of the insect community on brassicaceae plants depends on the first colonizing
species that arrives on this plant (Poelman, in preparation). Results presented here are new
evidence on how plant volatile emissions, which are affected by multiple herbivory, could
drive the insect community structure. However, in this study, parasitoids were confronted to
plants infested simultaneously by an equal number of larvae of the two herbivores species. In
nature, such conditions are probably atypical. Further investigating the respective impacts of
delay between infestations and relative numbers of each herbivore on the development of T.
rapae and C. glomerata, and linking these finding on the foraging behaviour of the two
99
parasitoids might be useful to better understand the structure of the insect community on
cabbage plants.
Results presented here confirm the importance of considering the natural complexity
of ecosystems to draw out more valuable conclusions on their functioning, notably in
agricultural environments. Such findings help us to better understand the shape of pests and
biocontrol agents dynamics in agro-ecosystems.
ACKNOWLEDGMENTS
The authors thank the staff of the experimental station of La Rimbaudais, Saint-Méloir-desOndes, France, for providing experimental fields; Yann Fournis, Isabelle Clopeau and
Chrystelle Paty for their help on behavioural experiments. This work was supported by a PhD
grant to A. Ferry from the Region Bretagne.
100
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103
DISCUSSION ET PERSPECTIVES
104
DISCUSSION
Principaux résultats
Plusieurs résultats importants sur le plan appliqué comme sur le plan fondamental se dégagent
des travaux effectués au cours de cette thèse.
Le chapitre 2 a tout d’abord permis d’identifier un composé volatil majeur dans
l’interaction D. radicum – Brassicaceae : le dimethyl disulfide. Cette molécule, identifiée
dans la pourriture qui se développe au cours de l’infestation d’une plante par D. radicum, est
émise en grande quantité par les racines des plantes fortement attaquées. Un dispositif
original, permettant de discriminer finement, in natura, le caractère attractif d’un grand
nombre d’odeurs sur des insectes marcheurs a été mis au point. Ce dispositif a permis de
démontrer dans un environnement olfactif complexe, que les principaux prédateurs de D.
radicum répondaient différemment à la molécule pure et à l’odeur naturelle de racines
infestées, mais aussi à différentes concentrations de la molécule. Un lien intéressant a pu être
établi entre les profils de réponse observés et le degré de spécialisation des différentes espèces
envers D. radicum. Aleochara bilineata et A. bipustulata, plus spécialisés pour cette ressource
que les carabes, ont été attirés par l’odeur naturelle de racine infestée, et ont répondu à des
concentrations de DMDS proche des quantités émises par le complexe chou – mouche du
chou.
Dans le chapitre 3 nous avons pu préciser les conditions d’émission de fortes quantités
de DMDS par les racines infestées. Le DMDS est le seul oligosulfide identifié dont l’émission
ait augmenté avec la durée d’infestation, appuyant l’existence d’un lien entre la production de
cette molécule et l’apparition de pourriture qui accompagne l’infestation des racines par D.
radicum. Des tests menés en laboratoire ont par ailleurs montré que ce composé avait un rôle
important dans l’estimation de la qualité d’un site par D. radicum. En laboratoire comme en
champs, le DMDS inhibe fortement les pontes de la mouche, diminuant de moitié le nombre
d’œufs pondus en comparaison avec les témoins. En champs, l’ajout de DMDS au pied de
brocolis a permis, tout au long du premier pic de ponte de la mouche (à l’exception d’une
semaine), de rester en dessous du seuil de tolérance défini par les agriculteurs.
Au cours du chapitre 4 nous avons montré la difficulté de prévoir l’issue d’une
modification des messages de l’environnement sur la structuration de la communauté. Alors
que l’ajout de DMDS, en plus d’une forte diminution des pontes du ravageur, a permis
105
d’augmenter très significativement les captures de l’auxiliaire A. bilineata à l’échelle d’une
parcelle, l’effet global sur la qualité des choux et la survie des stades préimaginaux de D.
radicum a été nul. Des mesures de prédation effectuées en parallèle sur ces parcelles ont
révélé que le DMDS pouvait avoir eu un effet de diversion sur les prédateurs. Bien que
contraire à nos attentes, cet effet souligne encore une fois le rôle important de cette molécule
dans le comportement des insectes en présence.
Enfin, le chapitre 5 nous a permis d’aborder la grande spécificité de certains messages
utilisés dans la recherche de ressource. En étudiant la réponse de Trybliographa rapae aux
composés volatils émis de façon systémique par les plantes en réponse à l’attaque d’un
herbivore, nous avons pu montrer comment la présence simultanée de deux phytophages sur
une plante modifiait de façon spécifique la réponse de cette plante. L’interaction entre les
voies de défense mises en œuvre contre chacun des phytophages a entraîné la production d’un
bouquet olfactif nouveau, permettant au parasitoïde d’éviter les plantes doublement attaquées
sur lesquelles il se développe moins bien. En champs, la double herbivorie (fréquente), se
traduit par une diminution du taux de parasitisme de plus de 50% sur les plantes infestées par
les deux herbivores en comparaison avec les plantes infestées par l’hôte seul. Ce résultat
souligne la grande variabilité de certains messages et la nécessité de tenir compte d’une
situation naturelle complexe pour mieux comprendre comment se structurent les
communautés.
Utilisation des messages et optimal foraging
Comme nous l’avons préalablement abordé (cf. introduction), le comportement d’un individu
et plus particulièrement l’utilisation par cet individu des messages à sa disposition, va être
optimisé de façon à lui procurer une meilleure valeur sélective (Charnov, 1976 ; Dall, 2005).
Au cours des différents chapitres présentés, nous avons pu vérifier cette théorie. En limitant le
nombre d’œufs pondus en présence de DMDS, D. radicum maximise très probablement les
chances de survie de sa descendance en évitant des sites ou la compétition, le manque de
nourriture ou les risques de prédation auraient pu être un facteur limitant de cette survie. De la
même façon, T. rapae, en utilisant certains signaux spécifiques émis par les plantes en
réponse à l’herbivorie, évite de pondre dans des sites où la présence d’un autre phytophage
peut être dommageable au développement de ses larves. Ces observations confirment le rôle
106
majeur du choix des messages à utiliser pour avoir un comportement optimal dans un
environnement donné.
Certains messages semblent particulièrement importants parce qu’ils agissent sur un
comportement clé d’un individu (un comportement dont l’issue a un impact important sur la
fitness de l’individu) ou parce qu’ils agissent sur de nombreuses espèces différentes. Dans le
système D. radicum – Brassicaceae, le DMDS semble jouer ces deux rôles.
Le DMDS, un composé volatil majeur résultant de l’interaction choumouche du chou
L’interaction entre un phytophage et sa
quantité de messages chimiques. En plus
des composés naturellement émis par les
deux espèces, la blessure des cellules
végétales, la réponse défensive de la
plante, la nécrose des tissus ou encore la
production de fèces par l’herbivore, sont
Quantité de DMDS (1 unité ≈ 1,1 ppm)
plante hôte est la source d’une grande
9,0
8,5
8,0
7,5
7,0
6,5
6,0
5,5
5,0
4,5
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
-0,5
0
autant de sources potentielles de nouveaux
messages, résultants de l’interaction. Dans
le système chou-mouche du chou, le
DMDS semble être un des messages les
plus importants.
L’attaque
Brassicaceae
s’accompagne
des
par
racines
D.
logiquement
de
radicum
d’une
importante nécrose des tissus (Doane et
Chapman, 1963). Les bactéries associées
aux larves de D. radicum ainsi que
l’exposition des tissus endommagés aux
pathogènes du sol peuvent être à l’origine
de cette pourriture. La grande quantité de
+Delia
24
48
72
96
120
144
168
X Aen
i heures
Ti l
Temps
Figure 1 : Suivi de l’émission de DMDS par une racine de
navet au cours du temps.
Un navet entier (B. napus napus), cultivé en pot dans du sable
propre selon la méthode décrite dans Neveu et al. (2002), est
placé, avec pot et substrat, pendant 7 jours dans un dispositif
en verre hermétiquement clos d’un volume de 5 litres. Le
dispositif est relié à un PTR-MS (Proton Transfert Reaction
Mass Spectrometer) qui échantillonne 0.4ml d’air 6 fois
consécutives toutes les 2 heures. Entre deux mesures, l’air de
l’enceinte est renouvelé à un débit de 10L/min pour assurer un
bon état physiologique de la plante. Le dispositif est placé sous
lumière artificielle (14N/10D) et la plante est arrosée
quotidiennement. Le quatrième jour (à l’instant représenté par
la flèche pleine), 10 larves de premier stade de Delia radicum
sont déposées sur la racine par une ouverture prévue à cet
effet. Différentes masses moléculaires sont suivies au cours du
temps dont celle correspondant au DMDS, représentée ici.
L’expérience est répétée sur 6 plantes différentes en modifiant
le jour d’insertion des larves. Le pic d’émission de DMDS qui
apparaît dans les 24 heures suivant l’ajout des larves et dure
de 24 à 48 heures a été observé à chaque répétition. Ce pic de
DMDS pourrait être dû à une production liée au système
enzymatique de la cystéine sulfoxide lyase au niveau des
blessures générées par l’entrée des larves dans la racine. Au
fur et à mesure que les larves s’enfoncent dans la racine, le
DMDS deviendrait de moins en moins détectable, expliquant la
diminution observée 48 heures après le début de l’infestation.
métabolites soufrés présents chez les Brassicaceae conduit à la production de produits finaux
107
de dégradation riches en soufre. En tant que produits de dégradation finale, ces composés ont
toutes les chances de se retrouver chez les différentes espèces attaquées par D. radicum. De
par leur faible masse moléculaire, différents produits issus de cette dégradation sont volatils.
Plusieurs oligosulfides volatils, sans doute liés à cette nécrose des tissus ont ainsi été
identifiés. Parmi ces molécules, le DMDS s’est souvent avéré majoritaire. C’est aussi le seul
pour lequel le pattern d’émission semble bien corrélé avec l'importance de l'infestation et
l’apparition de pourriture qui s'ensuit.
Le système enzymatique de la cystéine sulfoxide lyase pourrait être une autre source
de production du DMDS (Marks et al., 1992). Des résultats préliminaires, indiquent un pic
d’émission de DMDS dans les 24H suivant la mise en contact de larves avec une racine
(Figure 1 2 ). Cette émission qui pourrait coïncider avec l’entrée des larves dans les tissus
semble confirmer l’hypothèse d’un rôle non négligeable du système enzymatique dans la
production de DMDS. Des études complémentaires devront être menées pour confirmer cette
possibilité.
Place du DMDS dans la résolution du problème de détectabilité-fiabilité
pour les insectes du système chou - mouche du chou
Le DMDS s’est révélé être un message important pour différentes espèces du système étudié.
Il est utilisé par la mouche en tant que marqueur de sites de faible qualité et, à l’opposé, attire
les principaux prédateurs de ce phytophage. Cet effet du DMDS , aussi bien observé au
laboratoire qu’en champ, semble indiquer que cette molécule possède toutes les
caractéristiques nécessaires pour en faire un « bon » message. C'est-à-dire qu’il est à la fois
suffisamment détectable et suffisamment informatif (Vet et Dicke, 1992).
-
un message détectable
Une des premières caractéristiques d’un message détectable est d’être perçu par le système
sensoriel des individus qui l’utilisent. La simplicité de structure du DMDS permet de penser
que de très nombreuses espèces possèdent les récepteurs adéquats pour ‘sentir’ cette
molécule. Il faut ensuite que le message ne soit pas trop rare dans l’environnement. La grande
volatilité de la molécule ainsi que sa relative abondance en comparaison avec d’autres
2
Pour une meilleure lisibilité, cette figure et les suivantes ont été reportées en annexe dans leur taille d’origine.
108
composés volatils identifiés dans l’interaction chou - mouche du chou semble aller dans ce
sens.
-
un message informatif (fiable)
Le caractère informatif d’un message peut être difficile à cerner. Dans le contexte de
l’interaction chou – mouche du chou, nous avons montré que la production de DMDS était
liée à une infestation importante (chapitre 2) et plus précisément à une infestation datant de
plusieurs semaines (chapitre 3). Au sein du complexe chou – mouche du chou, la présence de
grandes quantités de ce message peut donc signaler la présence de plantes ayant atteint ce
niveau d’infestation. Cependant, comme nous l’avons vu, les plantes saines émettent aussi du
DMDS (chapitre 3 ; Tollsten & Bergström, 1988). D’autre part, la simple pénétration des
larves dans les racines semble aussi entraîner une augmentation des quantités de DMDS
produites par les racines (Figure 1). Pour des messages très spécifiques, comme certaines
phéromones complexes, la présence du message peut directement être liée à la présence de
l’espèce émettrice. Le DMDS au contraire peut être issu d’une multitude de sources (Tableau
1), ce qui en fait un message très peu spécifique. Même au sein des Brassicaceae, la seule
présence du DMDS ne permet pas de détecter à coup sûr des plantes infestées par D. radicum.
Il est donc improbable que le DMDS permette, à lui seul, une prise de décision optimale.
Tableau 1 : Exemples de sources de dimethyl disulfide
semis de broccoli
E. Derbali, J. Makhlouf and L.P. Vezina. 1998; “Biosynthesis of
sulfur volatile compounds in broccoli seedlings stored under
anaerobic conditions.” Postharvest Biology and Technology,
13(3).
poireau attaqué
S.Dugravot ,N. Mondy ,N. Mandon , et al. 2005 ;
“Increased sulfur precursors and volatiles production by the leek
Allium porrum in response to specialist insect attack”. Journal of
chemical ecology 31(6).
secretions vaginales
du hamster
A. Petrulis and R. E. Johnston. 1995; “A reevaluation of dimethyl
disulfide as a sex attractant in golden hamsters” Physiology &
Behavior, 57(4).
actinomycètes
K. Wilkins. 1996; “Volatile metabolites from actinomycetes”
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vin
Y. Fang and M. C. Qian. 2005 “Sensitive quantification of sulfur
compounds in wine by headspace solid-phase microextraction
technique”
Journal of Chromatography A. 1080(2).
décharge
K. Ki-Hyun. 2006; “Emissions of reduced sulfur compounds
(RSC) as a landfill gas (LFG): A comparative study of young and
old landfill facilities.” Atmospheric Environment. In Press.
laiterie
J. Filipy, B. Rumburg, G. Mount, H. Westberg and B.Lamb. 2006;
“Identification and quantification of volatile organic compounds
from a dairy.” Atmospheric Environment. 40(8).
chair humaine en
décomposition
M. Statheropoulos, C. Spiliopoulou and A. Agapiou. 2005; “A
study of volatile organic compounds evolved from the decaying
human body” Forensic Science International. 153(2-3).
109
-
Conditions de la fiabilité du DMDS
Différentes hypothèses permettent de comprendre comment le DMDS pourrait être un
message suffisamment fiable pour les espèces qui l’utilisent.
Pour les insectes, la concentration de la molécule semble avoir un rôle important, c’est
la première indication d’une contrainte permettant de rendre ce message suffisamment
informatif. Alors que les staphylins parasitoïdes de D. radicum répondent à une concentration
proche de ce qui est émis par
carabes (Bembidion spp )
Aleochara bipustulata
C
2
C
C
une
2
C
1,5
1,5
1
B
A
0,5
A
B
A
infestée,
A
1
B
t
ur
ri
po
ac
er
a
es
m
pe
s
_e
ec
cr
ra
as
e
se
es
DS
DM
généralistes répondent aussi
faibles. Ces concentrations
plus
pu
ve
s_
la
r
m
oi
n
te
po
ur
ri
oi
n
M
la
D
rv
S
es
_e
cr
a
pu
se
pe
es
s_
ec
ra
se
es
m
ac
er
at
D
carabes
à des concentration plus
0
te
m
les
fortement
A
0,5
0
racine
Figure 2 : Attraction d’A. bipustulata et de carabes du genre Bembidion pour le
DMDS et différentes sources naturelles émettant cette molécule.
Nombre moyen d’individus (± e.s.) retrouvés dans des mini-pièges attractifs en
fonction de l’odeur qu’ils contenaient. Au sein de chaque graphique, des lettres
différentes indiquent une différence significative au seuil α=5% (test : GLM et analyse
de contraste). Résultats de tests menés dans un champ de brocolis âgés de six
semaines sur la station expérimentale de La Rimbaudais (Saint-Méloir-des-Ondes,
France) en juillet 2006. Le dispositif utilisé correspond à la méthode décrite dans
Ferry et al. (2007). Les odeurs utilisées à l’intérieur des pièges et le nombre total de
piéges pour chaque odeur est le suivant : témoin : piège vide, N=150 ; DMDS : 20µL
d’une solution de DMDS à 10%, N=30 ; larves_ecrasees : 5 larves de stade 2-3 de
D. radicum écrasées dans les pièges 5 heures avant l’expérience, N=30 ;
pupes_ecrasees : 5 pupes de D. radicum écrasées dans les pièges 5 heures avant
l’expérience, N=30 ; macerat : 2ml d’une macération de feuilles de navet (10g de
feuilles mixées dans 100mL H2O laissé 48 H à l’air libre à température ambiante
≈20°C), N=30 ; pourri : 2g de pourri de rutabaga obtenu sur des racines très
fortement infestées par D. radicum (issu de notre élevage), N=30. Le DMDS a été
identifié dans toutes ces sources d’odeur naturelles (larves et pupes écrasées :
résultats non publiés, macération de feuilles : Tollsten and Bergstrom, 1988 ; pourri :
Ferry et al., 2007). Alors que le DMDS pur à la quantité nette de 2µL par piège est
attractif pour les deux taxons (en accord avec les résultats obtenus par Ferry et al.,
2007), seuls les carabes ont été attirés par l’odeur émise par les proies en
putréfaction, et seul A. bipustulata a été attiré par les sources odorantes d’origine
végétale. Les quantités de DMDS émises étant certainement plus faibles dans les
sources odorantes d’origine animale, ces résultats, en parallèle des résultats
montrant une plus forte attraction des carabes pour les faibles concentration de
DMDS (Ferry et al., 2007) semblent indiquer que les deux taxons utilisent différentes
concentrations de la molécule pour localiser des ressources différentes.
faibles
pourraient
correspondre à ce qui est
émis par des proies en
décomposition.
d’expérience
Une
menée
série
en
champs (Figure 2) montre
que les carabes, s’ils ne sont
pas attirés par les racines
fortement infestées par D.
radicum
répondent
au
contraire à l’odeur émise par
des proies (larves et pupes de
D. radicum) en putréfaction.
L’analyse en PTR-MS des
volatils émis par cette source odorante a révélé la production de faibles quantités de DMDS
qui pourraient correspondre aux quantités attractives pour les carabes (Ferry et al., 2007). Au
contraire, les staphylins, attirés par des fortes concentrations de DMDS correspondant à ce qui
est émis par les racines fortement infestées n’ont pas été attirés par les concentrations plus
faibles ni par les larves en décomposition.
110
D’autres expériences (Figure 3) montrent
B
à des concentrations plus faibles de la
molécule. Le caractère inhibiteur du
DMDS observé dans les expériences
menées en laboratoire sur des mouches
Nombre d’œufs pondus
25
que D. radicum aussi répond différemment
quantité. Bien que le résultat soit non
significatif, il semble même que certaines
concentrations
intermédiaires
de
la
molécule puissent avoir un rôle stimulant
(Figure 3). Une étude récente (Arab et al.,
2007) montre de la même façon que le
methyl jasmonate (un composé commun
issu des interactions plante-phytophage)
est
différemment
attractif
pour
un
phytophage ou pour son prédateur en
fonction de sa concentration. Alors que le
phytophage est attiré par des quantités de
la molécule qui correspondent à ce qui est
émis par une plante saine, le prédateur
répond, quand à lui, à des concentrations
plus
élevées,
qui
correspondent
aux
quantités émises durant l’herbivorie. Ces
résultats semblent confirmer la possibilité
AB
AC
AC
15
C
10
5
0
isolées (chapitre 3) disparaît lorsque la
molécule est présentée en plus faible
AB
20
67
0
25
28
24
25
33
0,00002
0,0002
0,002
0,02
0,2
Quantité de DMDS sur les sites de ponte (µL)
Figure 3 : Nombre d’œufs pondus par Delia radicum en
fonction de la quantité de DMDS présente.
Nombre moyen (± e.s.) d’œufs pondu par des mouches isolées.
Le nombre de répliquâts pour chaque concentration de DMDS
testée est indiqué à l’intérieur de l’histogramme correspondant.
Des lettres différentes indiquent une différence significative au
seuil α=5% (statistique : GLM et méthode des contrastes). Chaque
répliquât correspond à la ponte d’une femelle inexpérimentée
âgée de 3 à 6 jours. La femelle est placée pendant 3 heures dans
un tube en verre (hauteur 10cm, diamètre 3cm) contenant un
morceau de racine de navet (≈1g) placé sur du papier filtre
préalablement imbibé de 2µL d’une solution de DMDS dilué dans
de l’huile de paraffine (solution de DMDS à 0%, 0.001%, 0.01%,
0.1%, 1% ou 10%). Les tubes sont fermés avec du coton et placés
sous hôte aspirante à environ 20°C entre 13H00 et 16H00. Seules
les femelles ayant pondu sont comptabilisées, l’absence de ponte
pouvant être liée au non accouplement préalable des femelles
testées. Les résultats présentés correspondent à deux séries
d’expérience, menées à trois semaines d’intervalle (série 1 : 0 et
0.2 µL de DMDS ; série 2 : 0, 0.00002, 0.0002, 0.002, 0.02 µL de
DMDS). Les résultats sont ici regroupés et les statistiques menées
sur l’ensemble des données du fait de la bonne homogénéité des
témoins (i.e. 0µL DMDS) entre les deux expériences (série 1, N =
38, moyenne = 16.72±1.73 ; série 2, N = 29, moyenne =
16.55±1.89). Ces résultats indiquent un effet de la quantité de
DMDS présent dans l’environnement sur la taille des pontes de D.
radicum. L’effet inhibiteur du DMDS à forte concentration disparaît
pour des concentrations plus faibles, confirmant l’hypothèse d’une
réponse de la mouche à une balance entre composés stimulants
et composés inhibiteurs (Baur et al., 1996). La quantité de DMDS
de 0.2µL se rapproche des quantités émises par des racines
fortement infestées (Ferry et al., 2007), sans doute peu propices
au développement des larves. A des quantités de DMDS plus
faibles, la stimulation des pontes par le morceau de racine de
navet reprendrait le dessus sur le caractère inhibiteur du DMDS.
Bien que non significative, l’augmentation des pontes pour une
quantité de DMDS intermédiaire (e.g. 0.002µL) semble indiquer
une possible stimulation. Cette valeur pourrait correspondre à la
faible quantité de DMDS émise lors de l’entrée des larves dans les
racines (Figure 1 ; données non publiées) et stimuler la ponte en
tant que marqueur d’un site convenable.
d’utiliser la concentration d’une molécule générale comme marqueur informatif de la nature
et/ou de la qualité de la ressource à laquelle cette concentration correspond. Il s’agit d’une
hypothèse nouvelle sur les possibilités de rendre un message général plus informatif.
Une seconde hypothèse est que la molécule générale nécessite d’être utilisée en
association d’autres signaux pour être informative (Bernays, 2001). Pour A. bilineata une
série d'expériences préliminaires menées en laboratoire sur le rôle du DMDS dans le choix
d’un micro-habitat indiquent que le DMDS mais aussi la présence d’œufs de mouche dans le
micro-habitat permettent de maintenir en place un plus grand nombre d’individus et entraînent
111
un nombre plus élevé d’œufs pondus par le parasitoïde (Figure 4). La réponse de D. radicum
semble, quant à elle, être plus le résultat d’un équilibre entre signaux positifs et signaux
négatifs (Baur, 1996b), que la réponse à un composé unique. Il serait d’ailleurs intéressant de
mesurer la réponse de D. radicum confrontée à une balance de concentrations entre l’allylA
ITC, un stimulant connu pour cette espèce
30
B
B
Nb adultes
25
(Hawkes & Coaker, 1979) et le DMDS qui
20
s’avère inhibiteur à forte concentration.
15
10
AA
A
A
AA
Témoin
Témoin
Témoin
+ œufs
Œufs
Enfin, l’apprentissage peut aussi
5
0
DMDS
DMDS
Nb œufs
B
8
7
6
5
4
3
2
1
0
DMDS ++œufs
DMDS
oeufs
avoir un rôle majeur dans l’utilisation de
CB
signaux peu spécifiques. Bien que des
expériences
A
A
A
A
B
C
laboratoire
préliminaires
tendent
à
menées
indiquer
en
qu’A.
bilineata répond de manière innée au
DMDS
DMDS
DMDS ++œufs
DMDS
oeufs
Témoin
Témoin
Témoin
+ œufs
Œufs
DMDS, d’autres espèces comme les carabes
Figure 4 : Impact de la présence de DMDS et d’œufs de
Delia radicum sur le comportement de sélection d’un
micro-habitat et le comportement de ponte chez
Aleochara bilineata.
A) Nombre moyen (± e.s.) d’adultes A. bilineata retrouvé dans
les micro-habitats ; B) Nombre moyen (± e.s.) d’œufs de A.
bilineata retrouvé dans les micro-habitats. Pour chaque
graphique, des lettres différentes indiquent une différence
significative à α=5% (statistiques : GLM et méthode des
contrastes). N=12 pour chaque micro-habitat. Trente A.
bilineata adultes, âgés de 1 à 3 jours sont lâchés pendant une
semaine dans une cage insect-proof (60×60cm de coté ×45cm
de hauteur) grillagée, placée en extérieur. Chaque cage
contient 8 micro-habitats. Les micro-habitats se présentent
sous la forme de petits pots en plastique de 35mL
(SoloCup™) enfoncés dans du sable de fontainebleau de
façon à ce que le bord du pot affleure la surface. Les pots sont
remplis à ras bord de billes d’argile (diamètre de 2 à 5mm)
pour permettre aux insectes de rentrer et sortir. Une
bandelette de papier filtre (1×4cm), destinée à recevoir les
solutions odorantes est plongée dans les billes et dépasse de
la surface de manière à pouvoir diffuser l’odeur sans perturber
physiquement les insectes. Chaque traitement est doublé
dans les cages. Les traitements sont les suivants : DMDS :
20µL d’une solution de DMDS à 10% dans de l’huile de
paraffine est déposée sur la bandelette en début d’expérience,
puis après 2 et 4 jours. DMDS+œufs : comme précédemment,
avec en plus ajout de 20 œufs de D. radicum, en début
d’expérience puis après 2 et 4 jours. Témoin et Oeufs :
comme précédemment, la solution de DMDS étant remplacée
par de l’huile de paraffine pure. Au bout d’une semaine, les
pots sont relevés, et le nombre d’adultes et d’œufs de A.
bilineata dans chaque micro-habitat est compté. L’expérience
a été répétée sur deux semaines durant le mois de juin 2006,
à raison de 3 cages par semaine. Les individus A. bilineata ont
majoritairement été retrouvés dans les micro-habitats
contenant à la fois des œufs de D. radicum et du DMDS. De
même les pontes du staphylin ont significativement été plus
importantes dans ces micro-habitats. Par ailleurs aucun œuf
n’a été retrouvé dans les pots ne contenant pas d’œufs de la
mouche. Ces résultats semblent confirmer les observations de
Fuldner (1963) selon lesquelles les adultes choisissent un site
unique pour se nourrir et se reproduire. Le DMDS semble
avoir important dans le choix de ce site.
prédateurs
pourraient
avoir
recours
à
l’apprentissage dans leur utilisation du
DMDS.
Vers
la
démonstration
de
l’existence de messages clé ?
Quelles
que
soient
les
conditions
d’utilisation du DMDS, cette molécule, en
tant que message général, s’est révélée être
un signal important pour les insectes du
système chou – mouche du chou. Le DMDS
agit sur différentes espèces vivant en
interaction directe ou indirecte avec les
Brassicaceae
et
est
utilisé
dans
des
comportements ‘vitaux’ pour ces espèces,
car directement en liés à la valeur sélective
des individus : l’oviposition (pour D.
radicum -chapitres 3-, A. bilineata -figure
112
4-, et potentiellement C. glomerata -Soler et al., 2007-) ou la prédation (chapitre 4). A ce titre
il est d’ailleurs intéressant de noter la ressemblance entre le DMDS et d’autres molécules
générales issues de l’interaction plante – phytophage. Kessler et Baldwin (2001) ont par
exemple montré que le linalol, un signal général retrouvé dans diverses interactions tritrophiques, permettait à la fois de diminuer les pontes du folivore Manduca quinquemaculata
(Lepidoptère) et d’augmenter l’activité prédatrice du prédateur généraliste Geocoris pallens
(Hemiptère) sur des plants de tabac. James (2005) a utilisé avec succès un autre composé
volatil général, le methyl – salicylate pour augmenter la présence et l’efficacité de différents
auxiliaires dans les vignes. Très récemment, Arab et coauteurs (2007) ont démontré que le
methyl - jasmonate était à la fois attractif pour le phytophage de la pomme de terre
Phthorimaea operculella et son prédateur généraliste Orius insidiosus mais à des
concentrations différentes.
Ces différents résultats, obtenus sur des systèmes agricoles, permettent d’envisager
une manipulation artificielle de certains « messages clés » en vu de modifier de façon
bénéfique à la fois le comportement de phytophages mais aussi celui de leurs prédateurs.
Cependant l’existance de « messages clés » dans des systèmes naturels reste encore à
démontrer. Nous pouvons en effet imaginer que l’utilisation de ce type de message soit une
conséquence de la simplification des paysages agricoles (grandes surfaces monovariétales,
synchronisation de la phénologie, …) et ne se retrouve pas en condition naturelle.
L’utilisation de signaux permettant une interaction à distance entre espèces ou avec
l’environnement est répandue dans le monde vivant. Les arthropodes (insectes et crustacés ;
e.g. Lürling et al., 2003), mais aussi les plantes (e.g. Karban et al., 2000), les mammifères
(e.g. Eisenberg & Kleiman, 1972), les poissons (e.g. Barnard, 2006), les oiseaux (e.g.
Bonadonna et al., 2006), les nématodes (e.g. Rassman et al., 2005), les bactéries (e.g.
Kolenbrander et al., 2002) utilisent des signaux chimiques émis dans l’environnement issus de
sources distantes, pour adapter leur comportement ou leur métabolisme. La connaissance de
l’existence de messages ‘clé’ offre d’intéressantes perspectives pour notre compréhension de
la structuration des communautés d’espèces. Nous pouvons en effet imaginer que le fait
d’utiliser une même source d’information est un premier niveau d’interaction entre deux
espèces. Cette ‘interaction indirecte’, qu’elle permette l’évitement ou l’agrégation, a sans
doute un rôle important dans l’issue de l’ ‘interaction directe’ (physique) observable entre ces
espèces.
113
Manipulation des messages de l’environnement et protection des
cultures : utilisation du DMDS pour la lutte contre D. radicum
Certains messages, parce qu’ils sont utilisés dans la prise de décision d’espèces de
différents niveaux trophiques, ont un rôle important dans l’issue de l’interaction entre une
plante et son phytophage. Leur utilisation permettrait donc de modifier l’équilibre naturel de
la communauté en faveur d’une meilleure protection des cultures contre les phytophages.
Cependant le rôle ‘clé’ de ces signaux peut être à double tranchant. S’ils permettent
effectivement de modifier en profondeur le comportement des espèces cibles, l’issue de cette
modification peut être à l’opposé de ce qui était recherché. Ainsi la diminution des pontes de
D. radicum liée à l’augmentation artificielle des niveaux de DMDS émis au pied des choux
semble avoir été compensée par une moins bonne activité prédatrice des auxiliaires (chapitre
4).
Il est aussi nécessaire de ne pas oublier la complexité naturelle des écosystèmes et le
possible impact de la modification d’un message sur les espèces non-cibles. Comme nous
l’avons vu dans le chapitre 5, la présence de multiples herbivores sur une même plante n’est
pas rare et peut avoir des conséquences majeures sur l’efficacité d’un auxiliaire contre un
ravageur donné. Selon Soler et al. (2007), le DMDS pourrait être un message important dans
l’évitement par Cotesia glomerata des plantes infestées par D. radicum, diminuant l’action de
ce parasitoïde contre Pieris rapae, un autre ravageur important des cultures de Brassicaceae.
Perspectives pour l’utilisation du DMDS contre D. radicum
La possibilité de diminuer les pontes de D. radicum et d’attirer ses prédateurs par l’ajout de
DMDS offre des perspectives prometteuses pour l’établissement d’une nouvelle stratégie de
lutte contre ce ravageur. Le DMDS est une molécule peu coûteuse (car co-produit de
l’exploitation du gaz naturel), et les études éco-toxicologiques pour son utilisation
agronomique en tant que bio-fumigant ont déjà été menées (Auger, communication
personnelle). Cependant, il est nécessaire de poursuivre les recherches avant d’envisager une
solution applicable contre la mouche du chou. Les points suivants devront être abordés en
priorité :
114
-
Comment utiliser le DMDS pour maximiser son impact positif : comment ne pas
entraîner d’effet négatif sur la prédation des auxiliaires, d’autres molécules
pourraient-elles être utilisées en association?
Le DMDS a permis de fortement diminuer les pontes de D. radicum dans les parcelles où il
était appliqué. Cependant, la perturbation des prédateurs que sa présence a probablement
entraînée, a diminué ou limité l’effet bénéfique de cette molécule sur la protection des
cultures (chapitre 4). Nous devons repenser et affiner notre méthode d’utilisation du DMDS
afin de pallier cet effet négatif. Comme nous l’avons démontré, la concentration de la
molécule est très importante pour le comportement des auxiliaires (chapitre 2). Agir sur ce
paramètre est donc une première solution envisageable. Le rôle de la répartition spatiale des
sources de DMDS dans l’environnement devrait aussi faire l’objet d’études complémentaires.
La disposition et la taille des zones non traitées pourraient en effet avoir un rôle important sur
l’action de la molécule. D’autre part, la possibilité d’utiliser d’autre(s) odeur(s) en association
avec le DMDS n’a pas été approfondie. Des expériences préliminaires menées en champs
semblent indiquer une attraction possible des prédateurs pour le cis-3-hexenyl acetate, un
composé présent dans les odeurs vertes, connu pour agir sur les auxiliaires généralistes dans
différents systèmes. De la même façon, l’allyl-ITC, un attractant et stimulant de D. radicum
semble au contraire répulsif pour ses prédateurs. L’utilisation de ces autres molécules
générales dans un équilibre de concentration finement dosée et un schéma de répartition
spatial optimisé pourrait permettre d’avoir une action bien plus efficace sur les insectes et
l’issue de leur interaction en termes de protection des cultures.
-
Quel peut être l’effet à long terme et/ou à large échelle de l’utilisation du DMDS :
diminution d’efficacité, impact négatif sur les populations d’auxiliaires ?
D. radicum et ses prédateurs utilisent le DMDS dans des comportements ayant un impact
direct sur leur survie ou celle de leur descendance. L’utilisation de la molécule à large échelle
et sur de grandes surfaces pourrait potentiellement entraîner les mêmes problèmes que ceux
rencontrés avec l’utilisation actuelle d’insecticides : une sélection de génotypes permettant
d’éviter l’impact négatif de la molécule utilisée sur la valeur sélective des individus. Des
études concernant l’héritabilité des comportements liés à l’utilisation du DMDS, et
l’utilisation de modèles génétiques prédisant l’évolution de ces comportements permettrait de
mieux apprécier ce risque potentiel. Plus directement, la perturbation des prédateurs que nous
avons observée lors de l’utilisation en champs du DMDS pourrait avoir un effet négatif sur les
populations d’auxiliaires. Si la diminution de l’efficacité prédatrice des auxiliaires se
115
confirmait, cette perturbation pourrait entraîner une diminution de la survie de ces insectes
avec un risque important de diminution des effectifs voire d’extinction locale des populations.
L’utilisation de lâchers d’auxiliaires en parallèle à l’utilisation d’odeurs pourrait être une
solution possible.
-
Le DMDS peut-il avoir un impact négatif en agissant sur les espèces non cibles
comme les plantes elles-mêmes, d’autres auxiliaires, d’autres phytophages, ou des
super prédateurs qui diminueraient les populations d’auxiliaires?
Nous avons vu que le DMDS pouvait être qualifié de message ‘clé’ de par son action sur un
grand nombre d’espèces. Cependant nous avons concentré nos efforts sur l’étude de quelques
espèces cibles. S’assurer que la molécule n’a pas d’effet adverse sur la protection des plantes
par une action trop importante sur les espèces non cible est indispensable. Au cours des
différents essais menés en champs, il est notamment apparu que le DMDS pouvait avoir un
effet sensible sur les populations d’altises (Phyllotreta spp. Coleoptera chrysomelidae). Il
semble aussi que le DMDS pourrait être un message utilisé par Cotesia glomerata pour éviter
les plantes attaquées par D. radicum, diminuant l’activité parasitaire de cette espèce contre P.
rapae (Soler et al., 2007). Un effet possible de la molécule sur les super prédateurs comme
certaines espèces de carabes de grande taille (e.g. Pterostichus melanarius) ne peut pour
l’instant pas être écarté. Enfin il apparaît de plus en plus clairement que les plantes aussi
répondent à certaines molécules volatiles pour adapter leur physiologie. Le DMDS pourrait
faire partie des signaux utilisés de plante à plante. Elargir les études d’impact du DMDS à un
plus grand nombre d’espèces est donc nécessaire afin de mieux comprendre le rôle de cette
molécule sur la structuration de la communauté. Ce travail permettra finalement de pouvoir
établir un bilan clair entre avantages et inconvénients liés à l’utilisation du DMDS et ainsi, de
décider en connaissance de cause de l’opportunité de son utilisation.
-
Vers une utilisation commerciale du DMDS comme moyen de lutte contre D.
radicum : quelles précautions sanitaires ? quels moyens de diffusion ?
La forte odeur du DMDS pourrait être une source d’inconvénients pour les personnes vivant à
proximité des champs. Par ailleurs, il ne faut pas oublier que le DMDS est un composé neurotoxique puissant (Dugravot et al., 2003 ; Kim et al., 2006). La manipulation répétée de doses
importantes de cette molécule pourrait donc présenter un risque sanitaire pour les agriculteurs
et avoir un impact négatif sur la faune des agrosystèmes. Ce risque devra être évalué avant de
permettre une mise sur le marché de la molécule.
116
En dernier lieu, une étude de faisabilité et la mise au point de méthodes d’application
utilisables par les agriculteurs devront être entreprises. Les protocoles utilisés dans nos essais,
comme par exemple le remplacement des sources odorantes trois fois par semaine, n’est pas
envisageable dans une utilisation agronomique de la molécule. Trouver des méthodes de
diffusion peu contraignantes pour un investissement acceptable par les agriculteurs sera une
étape finale indispensable au développement de cette stratégie de lutte. La plantation des
choux à partir de jeunes plants élevés en mini-motte offre une opportunité intéressante pour
l’utilisation d’odeurs comme moyen de protection. Une critique souvent faite à ce type de
stratégie est le problème de la non-concordance spatiale entre la source odorante et la
ressource à laquelle l’odeur est sensée se rattacher (i.e. la plante). Un grand avantage de la
culture des choux à partir de mini-mottes est de permettre un traitement très localisé, voire
individualisé pour chaque plante. La formulation du DMDS sous forme de granules lipidiques
permettant une diffusion passive pendant quelques semaines (le temps nécessaire pour que les
plantes puissent supporter les dégâts causés par la mouche) et la mise en place de ces granules
au moment de la plantation des mini-mottes en champ serait une solution envisageable.
En conclusion, la place majeure des odeurs telles que le DMDS dans le comportement
des insectes ouvre des perspectives intéressantes pour leur utilisation en lutte biologique. La
complexité des interactions au sein d’une communauté d’espèces demande cependant une
connaissance fine du fonctionnement des écosystèmes pour garantir la réussite de ce type
d’approche.
117
BIBLIOGRAPHIE
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et Applicata 23(3), 279-286.
136
ANNEXES
•
ANNEXE 1
Table 1 du chapitre 4
•
ANNEXE 2
Figure 1 de la discussion générale
•
ANNEXE 3
Figure 2 de la discussion générale
•
ANNEXE 4
Figure 3 de la discussion générale
•
ANNEXE 5
Figure 4 de la discussion générale
137
treatment
block
date
treatment ×bloc
treatment ×date
date×block
treatment ×date×block
residual
1
3
6
3
6
18
18
386
df
<0.001
0.70
<0.001
0.13
0.04
<0.001
0.11
P
Mean number of
eggs per plant
0.05
3
247
0.10
<0.001
P
1
3
df
Mean number of
larvae and pupae in
roots
D. radicum
1
3
6
3
6
18
18
101
df
<0.001
<0.001
<0.001
0.67
0.52
<0.001
0.80
P
Mean number of A.
bilineata
1
3
6
3
6
18
18
101
df
<0.001
<0.001
<0.001
0.01
0.01
0.32
0.04
P
Mean number of
A. bipustulata
Predators in pitfall traps
1
3
6
3
6
18
18
101
df
0.002
0.01
<0.001
0.01
<0.001
<0.001
0.03
P
Mean number of
Bembidion spp
1
3
2
3
2
6
6
350
Df
0.87
<0.001
<0.001
0.07
0.08
<0.001
0.49
P
% of predated
patches
1
3
2
3
2
6
6
86
Df
0.03
0.23
0.01
0.91
0.84
0.01
0.35
P
Mean number of
predated eggs per
patch
Predation
247
3
1
3
Df
0.08
0.12
0.005
P
% of medium and
good quality
plants
Plant quality
Table 1: Result of GLM analyses. Values in bold correspond to significant effects of the tested factors (P < 0.05). See
material and method section for more details on the factors tested and the link function used in GLM analyses.
ANNEXE 1
(CHAPITRE 4 / TABLE 1)
138
ANNEXE 2
Quantité de DMDS (1 unité ≈ 1,1 ppm)
(DISCUSSION / FIGURE 1)
9,0
8,5
8,0
7,5
7,0
6,5
6,0
5,5
5,0
4,5
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
-0,5
+Delia
0
24
48
72
96
120
144
168
X Aen
i heures
Titl
Temps
Figure 1 : Suivi de l’émission de DMDS par une racine de navet au cours du temps.
Un navet entier (B. napus napus), cultivé en pot dans du sable propre selon la méthode décrite
dans Neveu et al. (2002), est placé, avec pot et substrat, pendant 7 jours dans un dispositif en
verre hermétiquement clos d’un volume de 5 litres. Le dispositif est relié à un PTR-MS
(Proton Transfert Reaction Mass Spectrometer) qui échantillonne 0.4ml d’air 6 fois
consécutives toutes les 2 heures. Entre deux mesures, l’air de l’enceinte est renouvelé à un
débit de 10L/min pour assurer un bon état physiologique de la plante. Le dispositif est placé
sous lumière artificielle (14N/10D) et la plante est arrosée quotidiennement. Le quatrième
jour (à l’instant représenté par la flèche pleine), 10 larves de premier stade de Delia radicum
sont déposées sur la racine par une ouverture prévue à cet effet. Différentes masses
moléculaires sont suivies au cours du temps dont celle correspondant au DMDS, représentée
ici. L’expérience est répétée sur 6 plantes différentes en modifiant le jour d’insertion des
larves. Le pic d’émission de DMDS qui apparaît dans les 24 heures suivant l’ajout des larves
et dure de 24 à 48 heures a été observé à chaque répétition. Ce pic de DMDS pourrait être dû
à une production liée au système enzymatique de la cystéine sulfoxide lyase au niveau des
blessures générées par l’entrée des larves dans la racine. Au fur et à mesure que les larves
s’enfoncent dans la racine, le DMDS deviendrait de moins en moins détectable, expliquant la
diminution observée 48 heures après le début de l’infestation.
139
ANNEXE 3
(DISCUSSION / FIGURE 2)
carabes (Bembidion spp )
Aleochara bipustulata
C
2
C
C
2
C
1,5
1,5
1
B
A
0,5
A
A
1
B
A
A
B
0,5
ur
ri
po
t
m
ac
er
a
es
cr
pu
pe
s
_e
ec
ve
s_
la
r
as
e
se
es
ra
DM
m
oi
n
te
po
ur
ri
D
M
la
D
rv
S
es
_e
cr
as
pu
ee
pe
s
s_
ec
ra
se
es
m
ac
er
at
oi
n
te
m
DS
0
0
Figure 2 : Attraction d’A. bipustulata et de carabes du genre Bembidion pour le DMDS
et différentes sources naturelles émettant cette molécule.
Nombre moyen d’individus (± e.s.) retrouvés dans des mini-pièges attractifs en fonction de
l’odeur qu’ils contenaient. Au sein de chaque graphique, des lettres différentes indiquent une
différence significative au seuil α=5% (test : GLM et analyse de contraste). Résultats de tests
menés dans un champ de brocolis âgés de six semaines sur la station expérimentale de La
Rimbaudais (Saint-Méloir-des-Ondes, France) en juillet 2006. Le dispositif utilisé correspond
à la méthode décrite dans Ferry et al. (2007). Les odeurs utilisées à l’intérieur des pièges et le
nombre total de piéges pour chaque odeur est le suivant : témoin : piège vide, N=150 ;
DMDS : 20µL d’une solution de DMDS à 10%, N=30 ; larves_ecrasees : 5 larves de stade 2-3
de D. radicum écrasées dans les pièges 5 heures avant l’expérience, N=30 ; pupes_ecrasees : 5
pupes de D. radicum écrasées dans les pièges 5 heures avant l’expérience, N=30 ; macerat :
2ml d’une macération de feuilles de navet (10g de feuilles mixées dans 100mL H2O laissé 48
H à l’air libre à température ambiante ≈20°C), N=30 ; pourri : 2g de pourri de rutabaga obtenu
sur des racines très fortement infestées par D. radicum (issu de notre élevage), N=30. Le
DMDS a été identifié dans toutes ces sources d’odeur naturelles (larves et pupes écrasées :
résultats non publiés, macération de feuilles : Tollsten and Bergstrom, 1988 ; pourri : Ferry et
al., 2007). Alors que le DMDS pur à la quantité nette de 2µL par piège est attractif pour les
deux taxons (en accord avec les résultats obtenus par Ferry et al., 2007), seuls les carabes ont
été attirés par l’odeur émise par les proies en putréfaction, et seul A. bipustulata a été attiré
par les sources odorantes d’origine végétale. Les quantités de DMDS émises étant
certainement plus faibles dans les sources odorantes d’origine animale, ces résultats, en
parallèle des résultats montrant une plus forte attraction des carabes pour les faibles
concentration de DMDS (Ferry et al., 2007) semblent indiquer que les deux taxons utilisent
différentes concentrations de la molécule pour localiser des ressources différentes.
140
ANNEXE 4
(DISCUSSION / FIGURE 3)
Nombre d’œufs pondus
25
B
AB
20
AB
AC
AC
15
C
10
5
0
67
25
28
24
25
33
0
0,00002
0,0002
0,002
0,02
0,2
Quantité de DMDS sur les sites de ponte (µL)
Figure 3 : Nombre d’œufs pondus par Delia radicum en fonction de la quantité de
DMDS présente.
Nombre moyen (± e.s.) d’œufs pondu par des mouches isolées. Le nombre de répliquâts pour
chaque concentration de DMDS testée est indiqué à l’intérieur de l’histogramme
correspondant. Des lettres différentes indiquent une différence significative au seuil α=5%
(statistique : GLM et méthode des contrastes). Chaque répliquât correspond à la ponte d’une
femelle inexpérimentée âgée de 3 à 6 jours. La femelle est placée pendant 3 heures dans un
tube en verre (hauteur 10cm, diamètre 3cm) contenant un morceau de racine de navet (≈1g)
placé sur du papier filtre préalablement imbibé de 2µL d’une solution de DMDS dilué dans de
l’huile de paraffine (solution de DMDS à 0%, 0.001%, 0.01%, 0.1%, 1% ou 10%). Les tubes
sont fermés avec du coton et placés sous hôte aspirante à environ 20°C entre 13H00 et 16H00.
Seules les femelles ayant pondu sont comptabilisées, l’absence de ponte pouvant être liée au
non accouplement préalable des femelles testées. Les résultats présentés correspondent à deux
séries d’expérience, menées à trois semaines d’intervalle (série 1 : 0 et 0.2 µL de DMDS ;
série 2 : 0, 0.00002, 0.0002, 0.002, 0.02 µL de DMDS). Les résultats sont ici regroupés et les
statistiques menées sur l’ensemble des données du fait de la bonne homogénéité des témoins
(i.e. 0µL DMDS) entre les deux expériences (série 1, N = 38, moyenne = 16.72±1.73 ; série 2,
N = 29, moyenne = 16.55±1.89). Ces résultats indiquent un effet de la quantité de DMDS
présent dans l’environnement sur la taille des pontes de D. radicum. L’effet inhibiteur du
DMDS à forte concentration disparaît pour des concentrations plus faibles, confirmant
l’hypothèse d’une réponse de la mouche à une balance entre composés stimulants et composés
inhibiteurs (Baur et al., 1996). La quantité de DMDS de 0.2µL se rapproche des quantités
émises par des racines fortement infestées (Ferry et al., 2007), sans doute peu propices au
développement des larves. A des quantités de DMDS plus faibles, la stimulation des pontes
par le morceau de racine de navet reprendrait le dessus sur le caractère inhibiteur du DMDS.
Bien que non significative, l’augmentation des pontes pour une quantité de DMDS
intermédiaire (e.g. 0.002µL) semble indiquer une possible stimulation. Cette valeur pourrait
correspondre à la faible quantité de DMDS émise lors de l’entrée des larves dans les racines
(Figure 1 ; données non publiées) et stimuler la ponte en tant que marqueur d’un site
convenable.
141
ANNEXE 5
(DISCUSSION / FIGURE 4)
A
30
B
B
Nb adultes
25
20
15
10
AA
A
A
AA
Témoin
Témoin
Témoin
+ œufs
Œufs
5
0
DMDS
DMDS
Nb œufs
B
8
7
6
5
4
3
2
1
0
DMDS ++œufs
DMDS
oeufs
CB
A
A
DMDS
DMDS
A
A
DMDS
oeufs
DMDS ++œ
ufs
Témoin
Témoin
B
C
Œufs
Témoin
+ œufs
Figure 4 : Impact de la présence de DMDS et d’œufs de Delia radicum sur le
comportement de sélection d’un micro-habitat et le comportement de ponte chez
Aleochara bilineata.
A) Nombre moyen (± e.s.) d’adultes A. bilineata retrouvé dans les micro-habitats ; B) Nombre
moyen (± e.s.) d’œufs de A. bilineata retrouvé dans les micro-habitats. Pour chaque
graphique, des lettres différentes indiquent une différence significative à α=5% (statistiques :
GLM et méthode des contrastes). N=12 pour chaque micro-habitat. Trente A. bilineata
adultes, âgés de 1 à 3 jours sont lâchés pendant une semaine dans une cage insect-proof
(60×60cm de coté ×45cm de hauteur) grillagée, placée en extérieur. Chaque cage contient 8
micro-habitats. Les micro-habitats se présentent sous la forme de petits pots en plastique de
35mL (SoloCup™) enfoncés dans du sable de fontainebleau de façon à ce que le bord du pot
affleure la surface. Les pots sont remplis à ras bord de billes d’argile (diamètre de 2 à 5mm)
pour permettre aux insectes de rentrer et sortir. Une bandelette de papier filtre (1×4cm),
destinée à recevoir les solutions odorantes est plongée dans les billes et dépasse de la surface
de manière à pouvoir diffuser l’odeur sans perturber physiquement les insectes. Chaque
traitement est doublé dans les cages. Les traitements sont les suivants : DMDS : 20µL d’une
solution de DMDS à 10% dans de l’huile de paraffine est déposée sur la bandelette en début
d’expérience, puis après 2 et 4 jours. DMDS+œufs : comme précédemment, avec en plus
ajout de 20 œufs de D. radicum, en début d’expérience puis après 2 et 4 jours. Témoin et
Oeufs : comme précédemment, la solution de DMDS étant remplacée par de l’huile de
paraffine pure. Au bout d’une semaine, les pots sont relevés, et le nombre d’adultes et d’œufs
de A. bilineata dans chaque micro-habitat est compté. L’expérience a été répétée sur deux
semaines durant le mois de juin 2006, à raison de 3 cages par semaine. Les individus A.
bilineata ont majoritairement été retrouvés dans les micro-habitats contenant à la fois des
œufs de D. radicum et du DMDS. De même les pontes du staphylin ont significativement été
plus importantes dans ces micro-habitats. Par ailleurs aucun œuf n’a été retrouvé dans les pots
ne contenant pas d’œufs de la mouche. Ces résultats semblent confirmer les observations de
Fuldner (1963) selon lesquelles les adultes choisissent un site unique pour se nourrir et se
reproduire. Le DMDS semble avoir important dans le choix de ce site.
142
ABSTRACT
Natural selection drives animal behaviour to be the most efficient with optimal use of
available environmental signals. Cues issuing from plant-herbivore interactions are of major
importance for insects involved in plant-herbivore-carnivore tritrophic systems. Manipulating
such cues in agronomical practices is a new promising strategy to enhance crop protection
against pests.
Delia radicum, the cabbage root-fly, is the principal pest of cabbage crops in Brittany,
France. Chlorfenvinphos, the main pesticide used against this pest will be banned soon,
requiring alternative solutions to be found. Using odours in Brassicaceae crops to manipulate
both the fly and the behaviour of its predators/parasitoids is the aim of this PhD thesis.
This work revealed that DMDS (dimethyl disulphide) is a major signal in
Brassicaceae-D.radicum-control agent interaction. This non-specific and highly volatile
compound is emitted during D. radicum larval feeding on Brassicaceae roots. Its use allowed
us i) to attract several bio control agents such as Bembidion spp. (Coleoptera: Carabidae), and
Aleochara bilineata and A. bipustualata (Coleoptera: Staphylinidae) (which are both
predators and parasitoids of the fly) and ii) to deter the fly in such a way that the number of
eggs laid on crops remained below the agronomic tolerance threshold. However, initial
agronomical studies indicated that DMDS can have adverse effects on the predatory
efficiency of the bio control agents.
Trybliographa rapae, a parasitic wasp of D. radicum was observed to use systemic
herbivore induced volatile compounds to locate its host. Nevertheless, the attractive blend
emitted by D. radicum infested plants was modified when a second herbivore (i.e. Pieris
brassicae) fed on the plant at the same time. This modification permits female parasitoids to
avoid bi-infested plants on which the development of their progeny would be lowered. Such
avoidance strongly diminished the D. radicum parasitism rate in the field.
Overall, our results highlight how some particular chemical cues can play a major role
in important fitness-linked behaviours. Because DMDS was shown to play this role on
different interacting species, it can be qualified as a ‘key-cue’ in the Brassicaceae-D. radicumcontrol agent system. Manipulating such cues could have a strong agronomic potential in
modifying the community structure in a way that may increase plant production. However,
due to the natural complexity of interactions among species, succeeding in this challenge will
be difficult to predict.
Key worlds: Delia radicum, Brassicaceae, biological control, olfactory cues, dimethyl
disulfide, behaviour manipulation, tritrophic interactions, species community, agroecosystems.
RESUME
La sélection naturelle agit sur les individus de façon à sélectionner les comportements les
mieux adaptés. Cette optimisation des comportements passe par l’optimisation de l’utilisation
des messages à disposition dans l’environnement. Dans les systèmes tritrophiques plantephytophage-carnivore, les odeurs issues de l’interaction entre plantes et phytophages sont, à
ce titre, une source d’information majeure pour les différents protagonistes impliqués. En
agronomie la manipulation de ces messages permet d’envisager de nouvelles stratégies de
lutte intégrée contre les phytophages des cultures, en agissant directement sur le
comportement des ravageurs et/ou sur celui de leurs prédateurs ou parasitoïdes.
Delia radicum, la mouche du chou, est un ravageur important des cultures en
Bretagne. La très prochaine interdiction du Chlorfenvinphos, le seul insecticide réellement
efficace contre ce phytophage, nécessite la découverte de solutions de lutte alternatives. Dans
ce contexte l’utilisation d’odeurs pour manipuler le comportement de la mouche et/ou de ses
carnivores fait l’objet des recherches effectuées durant cette thèse.
Les travaux entrepris ont révélé que le DMDS joue un rôle prépondérant dans les
interactions entre D. radicum, sa plante hôte, et ses prédateurs. Ce composé volatil peu
spécifique, émis lors de l’infestation des choux par D. radicum, permet en effet i) d’attirer
différents auxiliaires tels que les carabes appartenant au genre Bembidion et les prédateurs et
parasitoïdes Aleochara bilineata et A. bipustulata, ii) d’inhiber en partie la ponte de D.
radicum avec pour conséquences de maintenir le nombre d’œufs pondus par la mouche en
dessous du seuil de tolérance agronomique. Cependant, les premiers essais menés en champ
indiquent que le DMDS peut avoir un impact négatif sur l’efficacité prédatrice des auxiliaires.
Trybliographa rapae, un hymenoptère parasitoïde de D. radicum utilise quant à lui des
signaux volatils émis de façon systémique par les plantes en réponse à l’attaque du
phytophage. Nos résultats montrent que ce bouquet olfactif est modifié lorsqu’on ajoute un
autre phytophage sur la plante (i.e. Pieris brassiceae). Cette modification permet au
parasitoïde d’éviter des sites de pontes sur lesquels il se développe moins bien, entraînant une
forte diminution du parasitisme des larves de D. radicum.
Pris dans leur ensemble, ces résultats soulignent l’importance que peuvent avoir
certains messages dans des comportements directement liés à la valeur sélective des individus
qui les utilisent. Parce qu’il a ce rôle sur plusieurs espèces vivant en interaction, le DMDS
peut, à ce titre, être qualifié de message ‘clé’ dans le système Brassicaceae - D.radicum carnivores. La manipulation de ce type de message offre des perspectives intéressantes pour la
modification de l’équilibre de la communauté d’espèces en faveur d’une meilleure protection
des cultures. La réussite de ce type de stratégie reste cependant difficile à prévoir compte tenu
de la complexité naturelle des interactions existant entre espèces interagissant directement ou
indirectement avec les plantes cultivées.
Mots clés : Delia radicum, Brassicacées, lutte biologique, messages olfactifs, dimethyl
disulfide, modification du comportement, interaction tritrophique, communauté d’espèces,
agro-ecosystème.