Bacillus Thuringiensis et Lysozymes : Une Approche Intégrée pour la Protection des Cultures

Bien que de nombreuses personnes considèrent les bactéries uniquement comme des microbes responsables de maladies nocives, elles peuvent également être bénéfiques, par exemple en jouant un rôle crucial dans certains biopesticides microbiens pour empêcher les ravageurs d’attaquer les cultures. Parmi ces alliés microscopiques, Bacillus thuringiensis (parfois abrégé en Bt ou bacille de Thuringe) est une bactérie gram-positive, aérobie et de forme allongée, qui a révolutionné le monde de l'agriculture biologique. Elle appartient au "groupe Bacillus cereus" qui rassemble au total 6 bacilles.

Cet article vise à fournir un aperçu complet de Bacillus thuringiensis, y compris ses mécanismes d'action, les ravageurs qu'il cible, ainsi que ses avantages et inconvénients. Nous explorerons également la relation fascinante entre Bacillus thuringiensis et les lysozymes, des protéines antimicrobiennes essentielles dans la défense des organismes contre les agents pathogènes.

Qu'est-ce que le Bacillus thuringiensis ?

Bacillus thuringiensis est un type de bactérie qui vit naturellement dans l'eau, le sol, l'air et sur le feuillage. Son histoire scientifique remonte au début du XXe siècle. Sa première évocation remonte à 1901, lorsqu'un bactériologiste japonais, Shigetane Ishiwata, découvrit une bactérie qui infectait des vers à soie et les tuait. Dix ans plus tard, en 1911, le scientifique allemand, Ernst Berliner, se pencha sur une farine contaminée par la pyrale de la farine (Ephestia kuehniella) dont l'agent pathogène n'était autre que l'espèce de bacille qu'il nomma Bacillus thuringiensis en référence au Land allemand de Thuringe, dans lequel le papillon gris de la farine avait été trouvé. Son utilisation a commencé aux États-Unis dans les années 1950 et au Canada dans les années 1970 pour protéger les forêts des insectes nuisibles comme les vers de l'épinette. De prédateur du ver à soie, le bacille de Thuringe s'est transformé en insecticide biologique, dont la commercialisation démarra en 1938.

Aujourd'hui, Bacillus thuringiensis est utilisé partout dans le monde et est disponible dans différentes formulations (comme le spray Btk), ce qui signifie qu'il peut être utilisé dans différents contextes comme l'agriculture, la foresterie et même en zone urbaine. Il est cultivé dans des réservoirs stérilisés et les facteurs importants pour sa croissance comprennent la température, les niveaux d'oxygène et le type de nutriments. Pour les formulations à pulvériser, Bacillus thuringiensis est combiné avec de l'eau ou de l'huile minérale et d'autres additifs (tels que des autocollants) qui l'aident à tuer les parasites. Les formulations commerciales de Bt sont constituées de préparations de spores et de cristaux obtenues à partir de cultures réalisées en fermenteurs. Ces produits n’ont pas de contraintes liées à un délai avant récolte (DAR) et se présentent généralement sous forme de poudres mouillables ou de concentrés liquides utilisables en pulvérisation.

Comment Bacillus thuringiensis tue les nuisibles ?

L’activité insecticide de Bacillus thuringiensis réside dans la production d’inclusions cristallines protéiques appelées δ-endotoxines (delta-endotoxines ou protéines Cry) qui sont formées au cours de la sporulation. Ces protéines s'accumulent dans la cellule mère sous la forme d'une inclusion parasporale. C’est cette inclusion, de nature protéique (ou cristal), qui peut représenter jusqu’à 25 % du poids sec de la bactérie, qui est responsable de l’activité larvicide de Bt.

Quand un ravageur mange Bacillus thuringiensis, il pénètre dans l’intestin et libère des toxines. Ces toxines se lient à la paroi intestinale et provoquent des trous qui entraînent la mort du ravageur. Plus techniquement, durant la phase de formation des spores de son cycle de vie, Bacillus thuringiensis active des gènes importants appelés cry qui lui permettent de créer des structures tridimensionnelles appelées cristaux toxiques pour les larves de ravageurs. Celles-ci sont appelées toxines Cry et sont constituées de parties plus petites appelées protéines Cry.

Les cristaux ingérés par les larves d’insectes sont d’abord solubilisés dans la cavité intestinale de la larve, puis la fraction active des δ-endotoxines est libérée par les protéases intestinales des insectes sensibles. Ces deux étapes sont indispensables pour conférer à Bt son activité insecticide. En effet, seules les toxines Cry activées peuvent traverser la membrane péritrophique, qui ne laisse passer que de petites molécules, pour ensuite aller se fixer sur des récepteurs spécifiques présents à la surface des cellules épithéliales. La présence de récepteurs spécifiquement reconnus par chacune des δ-endotoxines constitue l’étape essentielle du mécanisme d’action et de spécificité de ces toxines.

Une partie de la toxine Cry appelée « domaine Cry III » est importante pour permettre aux toxines de se lier aux cellules des larves des ravageurs. L’échange du domaine III du Cry peut se produire entre différentes toxines. C'est un peu comme échanger des pièces de Lego pour créer différentes formes et fonctions. La liaison de la toxine Cry se produit dans l’intestin du ravageur à des endroits appelés vésicules membranaires en brosse, qui ressemblent à de petites bulles à la surface de certaines cellules. Les toxines se lient spécifiquement à des parties de la cellule appelées récepteurs de cadhérine. La séquence d'acides aminés de la toxine détermine sa capacité à se lier au récepteur. En effet, la séquence d’acides aminés détermine la forme des protéines comme les toxines et les récepteurs de cadhérine, leur permettant de s’emboîter comme des pièces de puzzle.

La toxine induit alors la formation de pores dans la membrane des cellules épithéliales, ce qui aboutit à une destruction rapide et presque totale de l’épithélium intestinal. Au niveau physiologique, l’intoxication se manifeste par une paralysie quasi immédiate du tube digestif qui entraîne une cessation de prise de nourriture. Ceci permet aux spores qui ont été ingérées en même temps que les cristaux, de germer, et aux bactéries issues de cette germination de se multiplier dans l’insecte provoquant une septicémie. La baisse du pH intestinal, consécutive à la lyse cellulaire, crée des conditions favorables à la germination des spores. Il est vraisemblable que la septicémie due à la multiplication de Bt puisse optimiser l’effet toxique des δ-endotoxines chez certains insectes.

Quels sont les différents ravageurs que Bacillus thuringiensis peut contrôler ?

Bacillus thuringiensis est important pour lutter contre une grande variété de ravageurs et agit spécifiquement pendant la phase larvaire des ravageurs. Chaque protéine Cry possède généralement un spectre d’activité restreint et limité aux stades larvaires d’un petit nombre d’espèces. À l’heure actuelle cette famille de protéines est constituée de 70 classes. La plupart des souches de Bt contiennent généralement plusieurs δ-endotoxines différentes et ce sont les multiples combinaisons possibles, qui déterminent le spectre d’activité insecticide d’une souche donnée.

Voici quelques-uns des ravageurs que Bacillus thuringiensis cible efficacement :

Tordeuse des bourgeons de l'épinette (Choristoneura fumiferana)

Ces ravageurs constituent un type de papillon particulièrement problématique dans les forêts canadiennes où ils causent des dommages importants aux feuilles des épinettes et des sapins baumiers. Ce sont les larves de la tordeuse des bourgeons de l’épinette qui causent des dégâts aux plantes.

La spongieuse (Lymantria dispar)

Les larves de la spongieuse (également appelée spongieuse) sont responsables de dégâts considérables dans les forêts d'Amérique du Nord et d'ailleurs. En grand nombre, ils peuvent provoquer une défoliation importante (perte de feuilles) chez divers types d'arbres, affectant considérablement à la fois les forêts et les paysages urbains.

Pyrale du maïs (Ostrinia nubilalis)

Cette espèce de papillon cause des dégâts importants aux cultures de maïs. Les adultes pondent leurs œufs sur la face inférieure des feuilles et, lorsque les larves éclosent, elles attaquent la culture et causent des dégâts. La pyrale du maïs peut traverser plusieurs cycles de vie en une seule année.

Arpenteuse du chou (Trichoplusia ni)

Les larves de ces papillons attaquent le chou et les cultures similaires, et sont appelées « arpenteuses » en raison du mouvement en boucle particulier qu’elles effectuent lorsqu’elles rampent. Comme la pyrale du maïs, les adultes pondent des œufs sur la face inférieure des feuilles dont les larves se nourrissent ensuite, provoquant des dégâts importants.

Autres utilisations spécifiques en France

En France, les produits à base de Bt sont autorisés en forêt, vigne, arboriculture, maraîchage, arbres et arbustes d’ornement et en grandes cultures.

• En forêts, Bt est utilisé pour contrôler la processionnaire du pin (Thaumetopoea pityocampa), la tordeuse grise du mélèze (Zeiraphera diniana), la chenille processionnaire du chêne (Thaumetopoea processionea) ou le Bombyx cul brun (Euproctis chrysorrhoea) un ravageur des forêts de chênes.
• En vignoble, les préparations de Bt sont homologuées pour lutter contre les vers de la grappe : Eudémis (Lobesia botrana) et Cochylis (Eupoecilia ambiguella).
• En arboriculture, Bt est utilisé contre la teigne de l’olivier (Prays oleae) et contre le carpocapse du pommier et du poirier (Cydia pomonella).
• En cultures maraîchères, Bt permet de contrôler plusieurs ravageurs du chou : les piérides du chou (Pieris brassicae) et de la rave (Pieris rapae) ainsi que la noctuelle du chou (Mamestra brassicae) et la teigne des crucifères (Plutella xylostella).
• Bt est également utilisé contre la Noctuelle ipsilon (Agrotis ipsilon) et la Noctuelle des moissons (Agrotis segetum) qui s’attaquent à un grand nombre de cultures légumières dont la carotte, le céleri, la laitue, l’oignon, la tomate, le poivron, l’aubergine, les choux et autres espèces de crucifères.
• Bt est également efficace contre la Noctuelle de la tomate (Helicoverpa armigera) et contre la mineuse de la tomate (Tuta absoluta), un lépidoptère nouvellement introduit en France.
• Plus récemment, il a également été utilisé pour lutter contre la pyrale du buis (Cydalima perspectalis) une espèce envahissante, arrivée récemment en France, et qui provoque des dégâts considérables sur les haies.
• Enfin, Bt est également largement employé dans la lutte contre les espèces de moustiques des genres Aedes et Culex, notamment le long du littoral méditerranéen.

Il est important d'intervenir uniquement lors de la période d'activité des chenilles en ciblant bien les cultures. On ne doit pulvériser que sur les végétaux infestés par des chenilles et ne pas pulvériser aux alentours afin d'éviter le gaspillage. Pour les fraises, légumes et autres produits végétaux, le Bt doit être appliqué après la récolte des produits mûrs, en attendant 3 jours avant une nouvelle récolte.

Avantages et inconvénients de l'utilisation de Bacillus thuringiensis

Avantages

• Lutte antiparasitaire ciblée : Bacillus thuringiensis offre une lutte ciblée contre les ravageurs d'une variété d'espèces nuisibles tout en étant relativement inoffensif pour les humains, les animaux et les insectes non nuisibles. Cette activité spécifique est rendue possible par son mode d'action à travers la production de la toxine Cry. Il ne détruit pas les autres insectes qui peuvent être des auxiliaires bienvenus au jardin (coccinelle, etc.) mais attention, il s'attaque à toutes les chenilles, donc aux jolis papillons pollinisateurs.
• Écologique : Bacillus thuringiensis est un microbe naturellement présent dans le sol et l’eau. Cela signifie qu'il est entièrement biodégradable et ne cause pas de dommages à l'environnement comme les pesticides chimiques. Son approche ciblée signifie qu’elle n’entraîne pas de perte de biodiversité, un effet néfaste courant des pesticides chimiques. De plus, son efficacité dans la lutte contre les ravageurs signifie qu’il a remplacé les pesticides chimiques dans de nombreux cas. Cela accroît encore l'effet positif que Bacillus thuringiensis a sur l'environnement.
• Plusieurs souches : Bacillus thuringiensis est disponible en différentes souches, ce qui étend sa capacité à cibler différents ravageurs. Les insecticides biologiques « Btk » utilisent une sous-espèce appelée « kurstaki ».
• Sécurité : L'un des principaux avantages de Bt est sa composition biologique sans produits chimiques, ce qui le rend sûr à utiliser autour des jeunes enfants et des animaux domestiques.

Inconvénients

• Coût : Les produits qui utilisent Bacillus thuringiensis peuvent être plus coûteux que les pesticides chimiques dans certains cas. Cela signifie qu’ils ne constituent peut-être pas une option viable en tant que traitement autonome. Cependant, leur utilisation dans le cadre d’un système intégré de lutte antiparasitaire peut s’avérer plus rentable.
• Résistance : L'utilisation à long terme de Bacillus thuringiensis contre certains ravageurs a conduit ces ravageurs à développer une résistance aux toxines Cry. Cela peut entraîner de nouvelles pertes de récoltes ou une défoliation des forêts. Les solutions à la résistance des ravageurs incluent le remplacement par d’autres types de Bacillus thuringiensis qui utilisent différentes toxines Cry, ou à d’autres biopesticides avec différents modes d’action.
• Dégradation rapide : Lorsqu’elles sont exposées à la lumière du soleil et aux micro-organismes de l’environnement, les toxines Cry se dégradent rapidement et leur durée d’action est limitée à 3 ou 4 jours ; le Bt ne peut donc pas être utilisé en traitement préventif et il convient de renouveler le traitement curatif tous les 3 à 7 jours en cas de forte infestation.
• Conditions d'application : Pour obtenir un maximum de bénéfices de Bt, il est important de préparer la solution uniquement au moment de l'utilisation, évitant le gaspillage et les résidus. Le traitement doit être soigneusement planifié, en tenant compte de la surface ou du nombre de plantes à traiter et en suivant strictement les instructions de préparation du mélange. Il est inutile d'en stocker d'avance par précaution et inutile de vouloir l'utiliser en prévention. Par ailleurs, Bt ne doit pas être mélangé avec d'autres produits (cuivre, soufre, pyrèthre…) dans le but de s'éviter plusieurs passages. Il est conseillé d'éviter l'utilisation dans des conditions venteuses et de ne pas le mélanger avec d'autres produits phytosanitaires.

Risques liés aux plantes transgéniques "Bt"

D'autres risques existent puisque l'industrie agrochimique a développé des plantes transgéniques dites "Bt", c'est-à-dire des OGM avec des gènes codant la toxine insecticide de Bacillus thuringiensis. Dans ce cas, on remarque une persistance du gène en question issu du maïs Bt dans les milieux aquatiques, ou aux alentours des champs ensemencés avec ce maïs OGM.

Le rôle des lysozymes dans la défense contre Bacillus thuringiensis

Les agents pathogènes représentent une menace universelle pour les autres organismes vivants. La plupart des organismes expriment des protéines et des peptides antimicrobiens, tels que les lysozymes, comme protection contre ces défis. Le nématode Caenorhabditis elegans, par exemple, abrite 15 gènes de lysozyme phylogénétiquement divers, appartenant à deux types distincts : les lysozymes de type protiste ou Entamoeba (gènes lys) et les lysozymes de type invertébré (gènes ilys).

Dans une étude récente, le rôle de plusieurs gènes de lysozyme de type protiste dans la défense contre une souche nématocide de la bactérie Gram-positive Bacillus thuringiensis a été caractérisé. Basé sur des analyses d'expression génique par microréseau et qRT-PCR, les gènes de lysozyme de type protiste ont été identifiés comme l'une des classes de gènes transcrites différentiellement après infection.

Une analyse génétique fonctionnelle a été réalisée pour trois de ces gènes, chacun appartenant à une lignée évolutive distincte au sein des lysozymes de type protiste (lys-2, lys-5 et lys-7). Leur inactivation par "knock-out" a entraîné une diminution de la résistance aux agents pathogènes dans les trois cas. À l'inverse, une augmentation de la résistance a été observée lorsque deux des trois gènes testés ont été surexprimés dans des lignées transgéniques (lys-5, lys-7, mais pas lys-2).

Ces résultats suggèrent que les gènes de lysozyme lys-5, lys-7, et possiblement lys-2 contribuent à la résistance contre Bacillus thuringiensis. Cela souligne l'importance des lysozymes, qui sont des enzymes ayant la capacité de dégrader les parois cellulaires bactériennes, dans les mécanismes de défense innée des organismes. Les lysozymes bactériens, décrits par Höltje J-V, les lysozymes de phages par Fastrez J, les lysozymes végétaux par Beintema JJ et Terwisscha van Scheltinga AC, les lysozymes d'insectes par Hultmark D, et les lysozymes animaux par Prager EM et Jollès P, représentent des familles d'enzymes cruciales pour la protection des organismes.

Profils d'expression des lysozymes

Les profils d'expression des lysozymes ont été établis à partir de PCR quantitative en temps réel. Trois souches de C. elegans (MY15, MY18, N2) ont été confrontées soit à la souche pathogène, soit à la souche non pathogène de Bt pendant 8 heures. L'induction des lysozymes est donnée comme la différence d'expression normalisée entre le traitement pathogène et non pathogène, de sorte que les valeurs positives indiquent une régulation positive et les valeurs négatives une régulation négative après exposition au pathogène. Les niveaux d'expression relatifs ont été calculés à partir des points de croisement selon la méthode 2−ΔΔCT.

Les couleurs des barres rougeâtres/jaunâtres font référence aux lysozymes du chromosome V (lys-1, lys-2, lys-3 et lys-7), les couleurs bleuâtres à ceux du chromosome IV (lys-4, lys-5, lys-6 et lys-10), et le vert à celui du chromosome II (lys-8). Une différence d'expression de 2 ou -2 est indiquée par des lignes verticales en pointillé.

Impact des lysozymes sur la survie et la santé de C. elegans

La survie de C. elegans a été étudiée en présence de la souche Bt nématocide B-18247 ou de la souche Bt non nématocide DSM-350. Le taux de survie a été vérifié quotidiennement pendant une période de 7 jours. Tous les deux jours, les vers ont été transférés sur de nouvelles plaques de traitement.

De plus, la charge infectieuse et la taille corporelle ont été comparées après 8 heures d'exposition entre le type sauvage N2 et les mutants avec des allèles de knock-out de lysozyme (lys-2(tm2398), lys-5(tm2439) et lys-7(ok1384)). Les nématodes ont été confrontés à la souche Bt pathogène B-18247 ou aux deux souches pathogènes et non pathogènes DSM-350.

Le taux d'alimentation et la taille de la population ont également été étudiés pour le type sauvage N2 et les mutants avec des allèles de knock-out de lysozyme. Le taux d'alimentation a été déterminé en comptant les mouvements du broyeur sur une période de 20 secondes après 8 heures d'exposition. Les tests de taille de population ont été initiés avec dix larves L4 et le nombre total de vers a été enregistré après cinq jours.

Les lignées transgéniques surexprimant lys-2, lys-5 ou lys-7 dans le fond génomique N2 ont également été évaluées pour leur survie en présence des souches Bt. Les images de Nomarski ont montré des exemples de tailles corporelles pour les différentes souches et traitements, et les résultats pour la charge infectieuse, le taux d'alimentation et la taille de la population ont été présentés sous forme de box-plots, où la ligne noire horizontale donne la médiane et les boîtes l'intervalle interquartile (25 % des données au-dessus et en dessous de la médiane). Ces études révèlent la complexité et la sophistication des mécanismes de défense des organismes contre les agents pathogènes, avec les lysozymes jouant un rôle pivot.

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