Neuchâtel, Switzerland
August 5, 2009

	Credit: M. Held & S. Rasmann, University of Neuchâtel, Switzerland

Un processus naturel de défense qui n'existait plus dans certaines variétés de maïs a pu être restauré par génie génétique. Il s'agit de la faculté de la plante à envoyer un signal de détresse odorant qui attire des ennemis d'un ravageur de racines. Fruit d'une collaboration de longue date entre l'Université de Neuchâtel et l'Institut Max Planck (MPI) pour l'écologie chimique à Iéna (Allemagne), cette étude menée dans cadre du Pôle de recherche national (NCCR) Survie des plantes concilie pour la première fois avec élégance biotechnologie et contrôle biologique des cultures. Elle est publiée en ligne dans la prestigieuse revue américaine PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences).

« C'est la première fois qu'on parvient à manipuler l'émission de substances volatiles dans le but d'améliorer la protection des cultures », se réjouit Ivan Hiltpold, un des principaux co-auteurs de l'étude. En effet, lorsqu'elles sont attaquées par des insectes herbivores, les plantes émettent des signaux odorants pour attirer les ennemis des organismes indésirables. « L'utilisation de défense indirecte constitue une stratégie attractive pour améliorer la résistante de la plante aux herbivores et réduire le recours à des pesticides chimiques » souligne Jörg Degenhardt, deuxième co-auteur principal du travail, en Allemagne. A l'Université de Neuchâtel, le groupe de Ted Turlings, dont fait partie Ivan Hiltpold, est connu avec l'équipe de Jena pour avoir identifié chez le maïs la molécule responsable de l'appel à l'aide: (E)-β-caryophyllène (EβC). Cette substance volatile est produite non seulement en cas d'attaque au niveau des feuilles, mais aussi sous la terre où la plante est victime de la chrysomèle des racines du maïs Diabrotica virgifera virgifera. Sa larve est responsable d'énormes pertes financières en Amérique du Nord. Le signal odorant attire des nématodes - de minuscules vers parasites - qui vont tuer les larves ravageuses.

Or, ce même groupe de chercheurs avait mis en évidence que des variétés américaines de maïs n'étaient plus capables de produire la substance protectrice perdue au terme d'un processus de sélection traditionnelle. Dans l'équipe de Jonathan Gershenzon de l'Institut Max Planck, Jörg Degenhardt et Tobias Koellner, avec l'aide de Monika Frey à l'Université technique de Munich, ont pu rétablir cette propriété en insérant dans une de ces variétés un gène d'origan qui contrôle l'émission de la molécule manquante. L'efficacité de la manipulation a été établie par Ivan Hiltpold lors d'une expérience en champ dans le Missouri (USA). Elle constitue le thème central d'une thèse de doctorat qu'il a soutenue à l'Université de Neuchâtel.

« Notre étude montre qu'on peut renforcer un signal naturel pour augmenter l'efficacité de la lutte biologique contre un ravageur. La démarche a ceci de remarquable qu'elle illustre la compatibilité entre génie génétique et contrôle biologique des cultures », précise Ted Turlings.

Dans des parcelles de maïs ayant recouvré la capacité de produire de l'EβC, Ivan Hiltpold a relevé une diminution de 60% d'émergence de Diabrotica adultes par rapport aux secteurs où poussaient des variétés non-modifiées. Cette performance est comparable à celle des pesticides synthétiques communément utilisés contre Diabrotica. Des travaux complémentaires menés en laboratoire ont par ailleurs confirmé que les plantes transformées attiraient bel et bien davantage de nématodes.

Cette étude ouvre de belles perspectives de lutte contre la chrysomèle des racines du maïs, qui a commencé à se répandre en Europe depuis le début des années 1990. Dans des travaux futurs, les scientifiques vont chercher les meilleurs moyens d'applications des nématodes et de leurs réponses à l'EβC. Les propriétés de diffusion du caryophyllène en font un signal souterrain susceptible de servir à d'autres cultures de plantes. Une demande de brevet pour cette approche a été déposée.

Mais: Ein wieder hergestelltes Duftsignal

Ein natürlicher Abwehrmechanismus, der bei einigen Maissorten nicht mehr vorkam, konnte mittels Gentechnik wieder hergestellt werden. Es handelt sich dabei um die Fähigkeit der Pflanze ein duftendes Notsignal auszusenden, das die Feinde von Wurzelschädlingen anlockt. Dieses Ergebnis einer lange währenden Zusammenarbeit zwischen der Universität Neuenburg und dem Max-Planck-Institut (MPI) für chemische Ökologie in Jena (Deutschland), das aus einer Studie resultiert, die im Rahmen des nationalen Forschungsschwerpunkts (NCCR) Plant Survival durchgeführt wurde, vereint zum ersten Mal Biotechnologie und biologische Schädlingsbekämpfung von Kulturen auf elegante Weise. Die Studie wird in der renommierten amerikanischen wissenschaftlichen Zeitschrift PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences) online veröffentlicht.

«Dies ist das erste Mal, dass es erfolgreich gelungen ist, die Immission flüchtiger Substanzen zu manipulieren, mit dem Ziel, den Schädlingsschutz von Kulturen zu verbessern», freut sich Ivan Hiltpold, einer der Haupt-Co-Autoren der Studie. Werden Maispflanzen von herbivoren Insekten angegriffen, verströmen sie Duftsignale, um die natürlichen Feinde der Angreifer anzulocken. «Die Nutzbarmachung dieser indirekten Verteidigung ist eine attraktive Strategie, um die Resistenz der Pflanzen gegenüber pflanzenfressenden Insekten zu erhöhen und so weniger Pestizide ausbringen zu müssen», sagt Jörg Degenhardt, der zweite Hauptautor der Studie aus Deutschland. An der Universität Neuenburg hat das Team von Ted Turlings, zu dem Ivan Hiltpold gehört, zusammen mit den Kollegen aus Jena das beim Mais für den Hilferuf verantwortliche Molekül identifiziert: (E)-β-Caryophyllen (EβC). Maispflanzen produzieren diese flüchtige Substanz nicht nur im Falle eines Angriffs auf ihr Blattwerk, sondern auch im Wurzelbereich, wo der Maiswurzelbohrer (Diabrotica virgifera virgifera) Schäden verursacht. Die Larven dieses Käfers verursachen in Nordamerika enorme Ertragsausfälle. Der Duftstoff lockt Nematoden - winzige parasitische Würmer - an, welche die schädlichen Larven vernichten.

Die gleiche Forschergruppe hatte den Nachweis erbracht, dass einige amerikanische Maissorten nicht mehr in der Lage sind, diese schützende Substanz selbst zu produzieren. Die Fähigkeit dazu ist vermutlich im Laufe der traditionellen züchterischen Auslese verloren gegangen. Nun haben Jörg Degenhardt und Tobias Köllner, die beide im Team von Jonathan Gershenzon am Max-Planck-Institut arbeiten, mit der Hilfe von Monika Frey von der Technischen Universität München diese Eigenschaft wieder herstellen" können, indem sie in eine der Sorten ein Gen des Oreganos einbrachten, welches die Freisetzung des fehlenden Moleküls kontrolliert. Die Wirksamkeit dieser Manipulation wurde von Ivan Hiltpold in einem Feld in Missouri (USA) ermittelt. Diese Arbeit ist auch das Hauptthema seiner Doktorarbeit, die er an der Universität Neuenburg fertig gestellt hat.

«Unsere Studie zeigt, dass ein natürliches Signal verstärkt werden kann, um den Wirkungsgrad der biologischen Schädlingsbekämpfung zu erhöhen. Dieser Ansatz zeigt auch die Kompatibilität von Gentechnik und biologischer Schädlingsbekämpfung», betont Ted Turlings.

In Parzellen mit Maispflanzen, welche die Fähigkeit aufweisen, EβC zu produzieren fand Ivan Hiltpold signifikant weniger Wurzelschäden und ein um 60% geringeres Auftreten von adulten Diabrotica Käfern im Vergleich zu Feldern mit unveränderten Maissorten. Dieser Wirkungsgrad ist vergleichbar mit der Effizienz von herkömmlich gegen Diabrotica eingesetzten synthetischen Insektiziden. Ergänzende, im Labor durchgeführte Arbeiten haben bestätigt, dass die veränderten Pflanzen deutlich mehr Nematoden anlocken.

Diese Studie eröffnet vielversprechende Perspektiven im Kampf gegen den Maiswurzelbohrer, der sich seit Anfang der 1990er Jahre in Europa auszubreiten beginnt. In weiteren Experimenten wollen die Forscher nun die Anwendungsmöglichkeiten für Nematoden und EβC optimieren. Daneben könnte Caryophyllen auch zum Schutz anderer Kulturpflanzen dienen, da es durch seine Diffusionsfähigkeit ein ideales unterirdisches Signal darstellt. Ein entsprechender Patentantrag ist bereits gestellt.

Maize: an odorous signal restored

A natural defence mechanism that no longer existed in certain maize varieties was restored with genetic engineering. It involves the plant's ability to send an odorous signal that attracts the enemies of a root pest. The result of a longstanding collaboration between the University of Neuchâtel and the Max Planck Institute (MPI) for Chemical Ecology in Jena (Germany), this study carried out within the framework of the National Centre of Competence in Research (NCCR) Plant Survival for the first time brings together biotechnology and biological control of crops. It has been published online by the prestigious American journal PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences).

"It is the first time that we successfully manage to manipulate the emission of volatile substances with the aim of improving crop protection", states Ivan Hiltpold, one of the major co-authors of the study. When plants are attacked by herbivorous insects, they emit an odorous signal to attract enemies of their attackers. "The use of this indirect defense is an attractive strategy to increase plant resistance against herbivores and to reduce the use of chemical pesticides", says Jörg Degenhardt, the other principle author of this research in Germany. At the University of Neuchâtel, the group of Ted Turlings, to which Ivan Hiltpold belongs, together with the Jena group, previously identified the molecule in maize responsible for the distress signal: (E)-β-caryophyllene (EβC). This volatile substance is not only produced when the leaves are attacked, but also belowground where maize roots falls victim to the Western corn rootworm Diabrotica virgifera virgifera. The larvae of this beetle are responsible for important economic losses in North America. The odorous signal attracts nematodes - tiny parasitic worms - that kill the destructive larvae.

The collaborators had previously shown that certain American maize varieties were no longer capable of producing this protective substance, which was apparently lost during the traditional selection process. In Jonathan Gershenzon's group at the Max Planck Institute, Jörg Degenhardt and Tobias Koellner, with the help of Monika Frey at the Technical University of Munich, were able to restore this property in one of these varieties by inserting an oregano gene that controls the release of the missing molecule. The effectiveness of this manipulation was tested by Ivan Hiltpold in a field experiment in Missouri (USA). This work constitutes the main theme of his PhD thesis that he defended at the University of Neuchâtel.

"Our study shows that we can enhance a natural signal in order to increase the efficiency of biological pest control. This approach also shows compatibility between genetic engineering and biological control of crops", emphasizes Ted Turlings.

In fields planted with maize with the restored capacity to produce EβC, Ivan Hiltpold found significantly less root damage and a 60% decrease in the emergence of adult Diabrotica compared to fields with non-modified varieties. These results are comparable to those of synthetic pesticides commonly used against Diabrotica. Subsequent laboratory studies confirmed that the modified plants were considerably more attractive to the nematodes.

This study is very promising for the control of Western corn rootworm, which started spreading across Europe at the beginning of the 1990s. In further experiments the researchers want to determine the most effective way the nematodes and their response to the EβC can be applied. Moreover, the diffusing properties of caryophyllene make it an ideal belowground signal that could also serve to protect other crop plants. A patent for this approach has been filed.

Website: http://www.unine.ch

Published: August 4, 2009