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Impact des plantes Bt sur la biologie de Plodia interpunctella - Evaluation de l'efficacité de la stratégie agricole 'Haute Dose - Refuge' pour la gestion de la résistance des insectes ravageurs aux plantes Bt / Impact of the Bt plants on the biology of Plodia interpunctella - Effectiveness of the 'High Dose – Refuge' strategy for managing pest resistance to Bt plants

by Gryspeirt, Aiko

Abstract (Summary)
Commercialisées depuis 1996, les plantes génétiquement modifiées produisant une toxine insecticide (toxine Cry) dérivée de Bacillus thuringiensis et appelées plantes Bt ciblent certains Lépidoptères ou Coléoptères ravageurs. Au fil des ans, les surfaces cultivées en plantes Bt sont de plus en plus importantes et contrôlent de larges populations d'insectes. Pour limiter le risque de développement de populations résistantes, une stratégie agricole appelée 'Haute Dose / Zone Refuge' est actuellement recommandée aux Etats-Unis par l'Environmental Protection Agency. Cette stratégie préventive nécessite la plantation d'une 'zone refuge' composée de plantes non-Bt utilisables par le ravageur ciblé et plantée à proximité de la 'zone Bt' qui synthétise une haute dose de toxine Cry. Mon projet de recherche s’inscrit dans le cadre de l’évaluation de l'efficacité de cette stratégie et s’articule en deux phases : une phase expérimentale et une phase théorique. La première se concentre sur la caractérisation en laboratoire de l'impact des toxines Cry sur la biologie d'un ravageur. Cette phase constitue un support au volet théorique : la mise au point d’un modèle mathématique évaluant l'efficacité de la stratégie HD/R. L'originalité de ce projet repose entre autre sur l'interactivité entre ces deux volets. Volet expérimental. Impact des toxines Cry sur la biologie de Plodia interpunctella. Nous évaluons séparément l'impact d'une gamme de concentrations de deux toxines Cry (CryXX et CryYY) sur une série de paramètres comportementaux et biologiques d'un insecte commun des denrées stockées: Plodia interpunctella (Hübner) (Lepidoptera : Pyralidae). Ces paramètres sont sélectionnés car leur variation pourrait avoir un impact sur l'efficacité de la stratégie HD/R dans le contrôle de la résistance. Il est donc pertinent de les quantifier pour intégrer dans le modèle des ordres de grandeur réalistes et générer des résultats qui ne sont pas uniquement basés sur des spéculations théoriques. Volet théorique A. Efficacité de la stratégie HD/R pour des plantes Bt synthétisant une ou deux toxines simultanément. La stratégie 'HD/R' a été développée pour prévenir la résistance envers les plantes Bt synthétisant une seule toxine. Or, depuis 2003, de nouvelles variétés de coton Bt synthétisant simultanément deux toxines Cry sont commercialisées (BollgardII® et WidestrikeTM). Nous évaluons, grâce au modèle que nous avons développé, l'efficacité de cette stratégie lors d'une utilisation exclusive de plantes Bt synthétisant une ou deux toxines. Volet théorique B. Impact du ralentissement du développement des insectes sur les plantes Bt sur l'efficacité de la stratégie HD/R. Le volet expérimental met en évidence un allongement de la durée du développement des larves se nourrissant sur une diète contaminée en toxine Cry. Ce ralentissement induit une séparation temporelle entre l'émergence des adultes de la zone Bt et de la zone refuge et perturbe une hypothèse principale de la stratégie HD/R: le croisement aléatoire entre adultes, indépendamment du génotype et de la zone d'origine. Dans ce troisième chapitre, nous étudions l'impact de la perturbation du croisement aléatoire sur l'efficacité de la stratégie HD/R. Nous testons également deux options pour optimiser la stratégie en cas d'asynchronie: l'utilisation de plantes Bt synthétisant une faible concentration en toxine (atténuant le décalage entre l'émergence des adultes) ou l'augmentation de la taille de la zone refuge (favorisant la survie des individus porteurs d'allèle de sensibilité et donc optimisant la dilution de la résistance à la génération suivante). Ce travail s'intègre dans une problématique actuelle et utilise des outils de biologie théorique (théories de la dynamique et de la génétique des populations) ainsi que le développement d'un modèle mathématique. Il apporte des éléments de réponse et de réflexion sur l'optimisation de la gestion de la résistance des insectes mais c'est aussi une illustration de la complémentarité entre la biologie expérimentale et théorique. / On the market since 1996, genetically modified plants synthesizing an insecticidal toxin (Cry toxin) stemmed from Bacillus thuringiensis, called Bt plants, target several insect pests (Lepidoptera or Coleoptera). Bt crops cover increasingly larger areas and control important pest populations The Insect Resistance Management Strategy (IRM) strategy currently recommended in the U.S.A. to limit the development of resistant populations is the High Dose / Refuge zone (HD/R) strategy. This pre-emptive strategy requires a refuge zone composed by non-Bt plants, usable by the target insect and in close proximity of the Bt zone synthesizing a high toxin concentration. My research project contributes to the effectiveness assessment of this HD/R strategy. It is structured on two main parts: an experimental, and a theoretical section. The first part characterizes the impact of Cry toxins on the biology of an insect pest. It is the basis of the theoretical part: the implementation of a mathematical model, which evaluates the effectiveness of the HD/R strategy. The originality of this project is based on the interactivity of these two components. Experimental section. Impact of the Cry toxins on the biology of Plodia interpunctella. We assess the impact of a range of concentrations of two Cry toxins (CryXX et CryYY) on several behavioural and biological parameters of a common pest of stored products: Plodia interpunctella (Hübner) (Lepidoptera : Pyralidae). These parameters are selected because their variation could influence the effectiveness of a HD/R strategy. So, it is important to quantify these parameters so that realistic values can be integrated in our model. The results of the model are thus not based on theoretical assumptions alone. Theoretical section A. Effectiveness of a HD/R strategy with Bt plants synthesizing one or two toxins. Initially, the HD/R strategy has been developed to limit the resistance towards Bt plants synthesizing one toxin. However, since 2003, new Bt cotton varieties synthesize two toxins simultaneously (BollgardII® et WidestrikeTM). We assess, with our model, the effectiveness of this strategy for Bt plants synthesizing one or two toxins. Theoretical section B. Impact of the slowing down of the insect development reared on Bt plants on the effectiveness of the HD/R strategy. The experimental part demonstrates that larvae reared on a Bt diet have a protracted development duration. The consequence of this is a temporal separation between adult emergence in the two zones (Bt zone and refuge zone). This could affect the main assumption of the HD/R strategy, i. e. random mating independently of the genotype and of the native zone. In this third chapter, we study the impact of random mating disruption on the effectiveness of a HD/R strategy. We test two options to optimise the strategy in case of asynchrony: the use of Bt plants synthesizing a lower toxin concentration (limiting emergence asynchrony) or increasing the refuge zone size (favouring the survival of insect carrying one or two susceptible allele and thus optimising the dilution of resistance at the next generation). This work is applied to a current issue. It uses some of the tools of theoretical biology (theories of population dynamics and population genetics) and develops a mathematical model. It provides some responses and some elements of thought about insect resistance management. It is also an illustration of the complementarity between experimental and theoretical biology.
Bibliographical Information:

Advisor:Tolley, Michael; De Clercq, Patrick; Deneubourg, Jean-Louis; Verbruggen, Nathalie; van Helden, Jacques; Grégoire, Jean-Claude

School:Université libre de Bruxelles

School Location:Belgium

Source Type:Master's Thesis

Keywords:gestion de la résistance des insectes biological parameters plodia interpunctella plantes bt bacillus thuringiensis toxine cry population genetics dynamics modelling high dose refuge strategy insect resistance management plants génétique populations toxin dynamique modélisation stratégie haute –

ISBN:

Date of Publication:01/17/2008

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