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THHÈÈSSEE

En vue de l'obtention du

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Délivré par l'Université Toulouse III - Paul Sabatier

Discipline ou spécialité : Ecologie et Biologie de l’Evolution

Présentée et soutenue par Raphaël François Xavier NDZANA ABANDA Le 30 novembre 2012

Titre : Régulation des bio-agresseurs dans les cultures associées de blé dur et de pois:

impact de la diversité végétale sur la démographie des pucerons du pois

JURY

Serge KREITER, Professeur, Montpellier SupAgro, Rapporteur Joëlle FUSTEC, Professeure, Ecole Supérieure d’Agriculture d’Angers, Rapporteur Anthony DIXON, Emeritus Professor, Academic of Sciences of the Czech Republic, Examinateur Sébastien BROSSE, Professeur, Université Paul Sabatier Toulouse III, Examinateur J-L HEMPTINNE, Professeur, ENFA de Toulouse, Directeur de thèse

Ecole doctorale : Sciences Ecologiques, Vétérinaires, Agronomiques, Bioingénieries Unité de recherche : Laboratoire Evolution et Diversité Biologique Directeur de Thèse : Jean-Louis HEMPTINNE Co-Directrice : Alexandra MAGRO Rapporteurs : Serge KREITER, Serge QUILICI et Joëlle FUSTEC

2

THESE

En vue de l’obtention du

DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE

Délivré par l’Université Toulouse III - Paul Sabatier Discipline ou spécialité : Ecologie et Biologie de l’Evolution

Présentée et soutenue le 30 novembre 2012 par : Raphaël François Xavier NDZANA ABANDA

Titre : Régulation des bio-agresseurs dans les cultures associées de blé dur et de

pois: impact de la diversité végétale sur la démographie des pucerons du pois

Jury

Serge KREITER, Professeur, Montpellier SupAgro, Rapporteur Joëlle FUSTEC, Professeure, Ecole Supérieure d’Agriculture d’Angers, Rapporteur Anthony DIXON, Emeritus Professor, Academic of Sciences of the Czech Republic, Examinateur Sébastien BROSSE, Professeur, Université Paul Sabatier Toulouse III, Examinateur J-L H EMPTINNE , Professeur, ENFA de Toulouse, Directeur de thèse

Ecole doctorale : Sciences Ecologiques, Vétérinaires, Agronomiques, Bioingénieries Unité de recherche : Laboratoire Evolution et Diversité Biologique Directeur de Thèse : Jean-Louis HEMPTINNE Co-Directrice : Alexandra MAGRO Rapporteurs : Serge KREITER, Serge QUILICI et Joëlle FUSTEC

3

Auteur : NDZANA ABANDA Raphaël François Xavier Directeur de thèse : Jean-Louis Hemptinne Lieu et date de soutenance : Toulouse

RÉSUMÉ

Les pucerons font partie des principaux ravageurs des cultures dans les régions tempérées.

Leur succès comme ravageurs des plantes repose sur leur fort potentiel reproductif dû à la

parthénogenèse durant le printemps et l’été, la transmission des virus aux plantes et leur

polyphénisme. Ce mode de multiplication asexué explique leur importante dynamique

démographique et les dégâts causés sur les cultures. Plusieurs méthodes de lutte ont été

envisagées à leur encontre, entre autre la régulation « Top-down », qui est l’approche par les

ennemis naturels, de la lutte chimique.

Lorsqu’on compare les temps de développement des pucerons et leurs ennemis naturels, à

l’instar des coccinelles, on constate que les premiers se développent plus vite que les seconds.

C’est cette différence de vitesse de développement qui confère aux pucerons leur caractère de

proie éphémère ou limitée dans le temps. Le calcul du rapport du temps de génération des

prédateurs sur celui des pucerons, « Generation Time Ratio », est supérieur à 1. Or, les

rapports supérieurs à 1 correspondent à des relations trophiques défavorables à la mise en

place d’une régulation « Top-down ». Dés lors, pour réguler les pucerons du pois, il faudrait

envisager d’autres possibilités de lutte biologique. La voie « Bottom-up » semble ainsi être la

plus appropriée.

Cette approche par le «Bottom-up » privilégie l’augmentation de la biodiversité végétale en

champ pour réguler la dynamique de population du puceron du pois.

Le présent travail de thèse a pour objectif d’évaluer l’impact de la diversité végétale sur la

démographie du puceron du pois (A. pisum Harris) en monoculture de pois d’hiver par rapport

à la culture associée de pois d’hiver et de blé dur. Au cours de nos travaux en champ, par des

comptages de pucerons, nous avons pu ainsi vérifier que les infestations de pucerons étaient

statistiquement plus élevées en monoculture de pois par rapport à la culture associée de pois

d’hiver et de blé dur.

4

Nous avons également pu évaluer l’influence de la plante-hôte sur les déplacements et

l’aptitude des pucerons. Les déplacements et les paramètres démographiques d’A. pisum

adultes ont été examinés dans un peuplement pur de pois d’hiver et dans un peuplement mixte

de pois d’hiver et de blé dur. Les distances parcourues en culture pure de pois sont

significativement plus longues qu’en culture associée. Le taux de fécondité est plus élevé en

culture associée de pois/blé qu’en culture pure de pois. De même, le taux de survie des larves

est plus élevé en culture associée qu’en culture pure de pois même si la différence n’est pas

significative.

Nous avons, au cours de ce travail, testé sur 1036 pucerons leur choix sur les sources d’odeur

entre deux types de cultures (monoculture de pois et une culture associée de blé dur au pois).

A cela, nous avons ajouté d’autres paramètres tels que la forme du puceron (ailé ou aptère), la

souche du puceron (sauvage ou élevé au laboratoire), la quantité de plante dans les pots lors

de l’expérience. Le choix des pucerons selon le type de plante n’a pas montré des résultats

significatifs. Cependant, on note une tendance des pucerons à choisir la source d’odeur chez

la monoculture de pois. Ces résultats mettent en évidence l’importance de la diversité végétale

sur la régulation des pucerons. Les effets liés à la plante hôte « Bottom- up » permettent de

réguler certains ravageurs. Toutefois, d’autres variétés d’espèces de plantes dans le couple

céréale-légumineuse devraient être testées afin de confirmer cette hypothèse.

Mots clés : Acyrthosiphon pisum Harris, Bottom-up, monoculture, culture associée, diversité

végétale, paramètres démographiques, polyphénisme, Generation Time Ratio.

DISCIPLINE ADMINISTRATIVE

Ecologie et Biologie de l’Evolution

INTITULE ET ADRESSE DE L’U.F.R. OU DU LABORATOIRE : UMR 5174

Laboratoire Evolution et Diversité Biologique – ENFA, 2 route de Narbonne - BP 22687 –

31326 CASTANET TOLOSAN Cedex

5

DÉDICACE

A ma famille restée au Cameroun et qui a beaucoup souffert de mon absence durant la

préparation de cette thèse.

Je pense spécifiquement à Denise Ndzana mon épouse, et à mes enfants Princesse Flavie

Murielle, Aloys Enzo et Solenne Ndzana.

Enfin, comment ne pas aussi penser à ma chère maman, Mme veuve Abanda Salomé qui m’a

élévé et m’a beaucoup apporté au lendemain du décès de mon feu père, alors que je n’avais

que six ans ! Reçois ici, Maman, toute ma reconnaissance et ma gratitude.

6

AVANT -PROPOS ET REMERCIEMENTS

Une thèse est le résultat de nombreuses interactions au sein d’une communauté de chercheurs

et de personnes d’horizons divers. Le travail qui vous est présenté ici, a été rendu possible

grâce au concours appréciable de plusieures personnes.

De prime abord, qu’il me soit permis d’exprimer toute ma gratitude et mon profond respect

au Professeur Jean-Louis Hemptinne qui m’a accueilli chaleureusement au sein du

laboratoire d’Agroécologie de l’Ecole Nationale de Formation Agronomique d’Auzeville

(ENFA) et a bien voulu diriger cette thèse. Les conseils qu’il m’a prodigués, sa patience et sa

disponibilité m’ont permis de mener à bien ce travail. Il a toujours été à mes côtés pour

m’encourager. Jean-Louis, je ne saurais oublier également l’important soutien financier mis à

ma disposition pour achever cette thèse. Je n’oublie pas non plus ton humour spontané et

toujours adapté à chaque circonstance. Tu as été pour moi un véritable rock sur lequel j’ai dû

prendre appui pour boucler ce travail.

Je voudrais également adresser mes remerciements à Alexandra Magro, Co-Directrice de ma

thèse pour sa rigueur scientifique et son attachement inlassable au travail bien fait et soigné.

Tes encouragements m’ont permis de tenir bon même lorsque le doute s’emparait de moi.

Je remercie les membres de mon comité de pilotage qui ont participé activement à la réflexion

sur mon travail tout au long de ma thèse. Je pense à Eric Justes et à Etienne-Pascal Journet.

Je tiens à remercier Laurent Bedoussac pour son orientation, ses conseils et l’importante

bibliographie mise à ma disposition sur les cultures associées.

Mes remerciements vont également à l’endroit de Messieurs Serge Kreiter, Serge Quilici et

Madame Fustec Joëlle qui m’ont fait l’honneur d’accepter d’examiner ce travail comme

rapporteurs. Qu’ils soient assurés de ma profonde gratitude et de mes sentiments déférents.

L’expression de ma reconnaissance va également à la Région Midi Pyrénées et au Ministère

de l’Agriculture, de l’alimentation, de la pêche, de la ruralité et de l’aménagement du

territoire pour le financement de ce travail de thèse.

7

Ce travail de thèse qui aboutit aujourd’hui a connu l’implication de plus d’une personne. Je

voudrais dire merci à :

- Jean François Garrigues Technicien au laboratoire d’Agroécologie de l’ENFA avec qui j’ai

fait le terrain dans le Gers et l’Aude. Ton initiation à l’élevage des pucerons en laboratoire a

tenu ses promesses. Merci pour ta bonne humeur et tes encouragements. Tu fais parti de ce

travail de bout en bout.

- Patrice Rouet de l’INRA d’Auzeville avec qui j’ai fait mes premiers pas sur le terrain dans le

Gers et dans L’Aude.

- Félipé Ramon Portugal pour ta précieuse aide sur la partie olfactométrie. Tes

encouragements et conseils pour mener à bien ce travail m’ont été forts utiles.

- Tous les autres membres du laboratoire; je pense à : Nathalie Dardenne, Christine Ducamp,

Gilles Espinasse, Olivine et Virginy Chatain.

Je tiens à exprimer ma reconnaissance à l’endroit de Marion Lindia et Louis Vignali stagiaires

au laboratoire, pour votre aide sur les manipulations au laboratoire et à la serre. J’ai gagné un

précieux temps grâce à votre disponibilité.

Merci aux Doctorants que j’ai trouvés dans le laboratoire et qui m’ont chaleureusement

accueilli et guidé. Je pense notamment à Aurélie Ferrer et Xavier Martini.

Je tiens également à dire Merci à mes collègues de bureau : Eric Zoukekang, Lucie Aussel,

Arnaud Sentis, Eline Susset, Achille Dienderé, Palou Oumarou Madi, Javier Nunez, Jean Luc

Favreau ainsi qu’à mes collègues doctorants de l’ENFA.

Merci à Michel Havard, Chantal Alené et Darie Nga qui ont bien voulu relire avec abnégation

une partie de ce travail.

Il me plaît d’exprimer ma reconnaissance à mon employeur, l’Institut de Recherche Agricole

pour le Développement (IRAD) au Cameroun dont le Directeur Général m’a autorisé à

préparer et à finaliser ce travail.

Merci aux stagiaires du laboratoire. Je pense à Meghan Hill, Christian et Gaspard.

8

J’adresse tout particulièrement mes remerciements à Jean Marie Rouane et à Sandrine

Bensaci pour leur encouragement. Vos démarches administratives m’ont été d’un apport

indéniable dans l’élaboration de mon travail.

Je tiens à remercier mes collègues du Réseau Fasa Alumni pour leur soutien constant. Je

pense à : Augustin Wambo, Cyprien Awono, Eric Clotaire Mbenoun, Francis Emmanuel

Ngome, Paul Marie Désiré Ko Awono, et Aimé Landry Dongmo.

Je voudrais exprimer toute ma gratitude à ma famille restée au Cameroun. Je sais que je vous

ai beaucoup manqué. J’ai manqué par exemple, les premiers pas d’Aloys Enzo et Solenne nés

durant cette thèse le 4 décembre 2009. Votre grande sœur aînée Princesse Flavie avait déjà

aussi souffert de cette absence. Que dire de ma bien-aimée épouse Denise Philomène qui a su,

avec beaucoup de courage s’occuper de la famille et continuer ses études. Merci pour tous

ces sacrifices.

Merci à ma grande famille de France et de Belgique qui m’a assisté de bout en bout durant

cette thèse. Bien qu’étant à distance parfois. Je pense à Amélie Potier Abanda, Carole

Honorine Abanda Richebon, Angèle Abanda Payneau, Tarcisius Essomba Abanda, Marie

Michelle Valleau, Eric Valentin Mbarga et Marie Marcelle Biloa Abanda.

Je tiens à remercier Monsieur Martin Dieudonné Ebolo pour ses encouragements et son grand

sens de la fraternité.

Un Merci particulier à Monsieur Ambassa Zang Dieudonné pour son soutien permanent dans

notre quotidien à Toulouse.

Merci aux familles Fantin et Husson pour leur soutien tout au long de mon séjour à Toulouse.

Je n’oublie pas la grande famille du Cameroun, dont je ne pourrais pas citer tous les noms.

Je voudrais dire Merci à Nathalie Guerra, Dieudonné Tchuenté et Marguerite Alégobé de

m’avoir aidé à faire la mise en page de ce document.

Merci à tous ceux qui, très nombreux pour être cités ici, m’ont apporté leur soutien au cours

de ce travail.

9

TABLE DES MATIERES

RÉSUMÉ ........................................................................................................................................................... 3

DÉDICACE ......................................................................................................................................................... 5

AVANT-PROPOS ET REMERCIEMENTS .............................................................................................................. 6

I. LE CONTEXTE ............................................................................................................................................... 12

II. LES CULTURES ASSOCIÉES : LE CAS PARTICULIER POIS-BLÉ DUR ................................................................. 15

III. LA LUTTE BIOLOGIQUE .............................................................................................................................. 16

IV. LE PUCERON DU POIS ACYRTHOSIPHON PISUM HARRIS COMME CAS CONCRET ....................................... 18

V. LE RÔLE DE LA RÉGULATION « BOTTOM-UP» DES HERBIVORES GRÂCES A DES AGROÉCOSYSTÈMES COMPLXES ..................................................................................................................................................... 19

A) UNE APPROCHE GÉNÉRALE................................................................................................................................... 19 A) DES EXEMPLES DE CULTURES ASSOCIÉES AVEC LES LÉGUMINEUSES ............................................................................... 22

V.I. LES ODEURS DES PLANTES ........................................................................................................................ 23

RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES ................................................................................................................... 26

Chapitre 1: Y aurait-il une résistance assocoative de la culture associée de blé dur-pois d'hiver face au puceron du Acyrthosiphon pisum Harris?...............................................

RÉSUMÉ : ....................................................................................................................................................... 33

ABSTRACT: ..................................................................................................................................................... 34

1.1. INTRODUCTION ....................................................................................................................................... 35

1.2. MATERIAL AND METHODS....................................................................................................................... 37

1.2.1- THE ABUNDANCE OF A. PISUM IN DURUM WHEAT-WINTER PEA INTERCROP AND IN PURE STANDS OF WINTER PEA. .......... 37 1.2.2- THE INFLUENCE OF TWO BOTTOM-UP FACTORS ON APHID ABUNDANCE: SPECTRAL ANALYSES OF STANDS AND NITROGEN

CONTENT OF PLANTS .............................................................................................................................................. 39 1.2.2.1- Spectral analyses of stands of durum wheat-winter pea intercrop and pure stand of winter pea 39 1.2.2.2- Nitrogen content of winter pea shoots grown in stands of durum wheat-winter pea intercrop and

in pure stands of winter pea. ....................................................................................................................... 39

1.3. RESULTS .................................................................................................................................................. 40

1.3.1- THE ABUNDANCE OF A. PISUM IN DURUM WHEAT-WINTER PEA INTERCROP AND IN PURE STANDS OF WINTER PEA. .......... 40 1.3.2- THE INFLUENCE OF TWO BOTTOM-UP FACTORS ON APHID ABUNDANCE: SPECTRAL ANALYSES OF STANDS AND NITROGEN

CONTENT OF PLANTS .............................................................................................................................................. 41 1.3.2.1- Spectral analyses of stands of durum wheat-winter pea intercrop and pure stands of winter pea.

..................................................................................................................................................................... 41 1.3.2.2-- Nitrogen content of winter pea shoots grown in stands of durum wheat-winter pea intercrop and

in pure stands of winter pea. ....................................................................................................................... 41

1.4. DISCUSSION AND CONCLUSIONS ............................................................................................................. 42

ACKNOWLEDGEMENTS .................................................................................................................................. 43

REFERENCES ................................................................................................................................................... 44

Chapitre 2: Rôle des odeurs émises par les plantes dans la recherche d'hôtes par les puceorns du pois (Acyrthosiphon pisum Harris)…………………………………………………………………

RÉSUMÉ : ....................................................................................................................................................... 49

10

2.1. INTRODUCTION ....................................................................................................................................... 50

2.2. QUALITÉ DE LA PLANTE HÔTE ................................................................................................................. 54

2.3. IMPORTANCE DES SIGNAUX OLFACTIFS ET VISUELS DANS LE CHOIX DE LA PLANTE HÔTE ...................... 54

2.3.1. REPÈRES OLFACTIFS ...................................................................................................................................... 56 2.3.2. SÉLECTION DE LA PLANTE HÔTE ....................................................................................................................... 56 2.3.3. RECHERCHE DE LA PLANTE ET LOCALISATION ...................................................................................................... 57

2.4. NATURE ET ORIGINE DES STIMULI ........................................................................................................... 58

2.5. SÉLECTION DE L’HABITAT CHEZ LES PUCERONS ....................................................................................... 60

2.6. OBJECTIF DU CHAPITRE ........................................................................................................................... 61

2.7. MATÉRIEL ET MÉTHODES ........................................................................................................................ 61

2.7.1. LES PUCERONS ............................................................................................................................................ 62 2.7.2. LES PLANTES ............................................................................................................................................... 62 2.7.3. OLFACTOMÈTRE .......................................................................................................................................... 64

2.7.3.1. Description de l’olfactomètre ......................................................................................................... 64 2.7.3.2 Déroulement des expériences et analyse statistique ....................................................................... 66

2.8. RÉSULTATS ............................................................................................................................................. 68

2.8.1. CHOIX DES PUCERONS ET EFFECTIF DES PUCERONS TESTÉS .................................................................................... 68 2.8.2. LE CAS DES PUCERONS APTERES ...................................................................................................................... 70 2.8.3. LE CAS DES PUCERONS AILES ........................................................................................................................... 71

2.9. DISCUSSION ............................................................................................................................................. 74

RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES ................................................................................................................... 80

Chapitre 3: Déplacements et aptitude du puceron du pois (Acyrthosiphon pisum Harris) dans un peuplement pur de pois (Pisum sativum L) et dans un peuplement mixte de pois et de blé dur (Triticum aestivum L)………………………………………………………………………………………

RÉSUMÉ : ........................................................................................................................................................ 88

3.1. INTRODUCTION ....................................................................................................................................... 89

3.1.1 HISTOIRE DE VIE ET DÉPLACEMENT DES PUCERONS ............................................................................................... 90 3.1.2. LE CAS DE POLYPHÉNISME EST-IL PROPRE AUX PUCERONS? ................................................................................... 92 3.1.3. EVOLUTION DU DÉPLACEMENT DES PUCERONS ................................................................................................... 93

3.2. MATÉRIEL ET MÉTHODES ......................................................................................................................... 95

3.2.1 SITE ET PÉRIODE D’ÉTUDE ............................................................................................................................... 95 3.2.2. LE MATÉRIEL VÉGÉTAL................................................................................................................................... 95 3.2.3. LE MATÉRIEL ANIMAL .................................................................................................................................... 95 3.2.4. DISPOSITIF EXPÉRIMENTAL ............................................................................................................................. 95 3.2.5. EXPÉRIENCE 1 : LE DÉPLACEMENT DES PUCERONS ............................................................................................... 96 3.2.6. EXPÉRIENCE 2 : ESTIMATION DE L’APTITUDE ..................................................................................................... 97

3.3. RÉSULTATS .............................................................................................................................................. 99

3.3.1. EXPÉRIENCE I : DÉPLACEMENT DES PUCERONS ................................................................................................... 99 3.3.2. LA VALEUR SÉLECTIVE DES PUCERONS ............................................................................................................. 103

3.3.2..1 Survie des pucerons ..................................................................................................................... 105 3.3.2.2. Ponte et aptitude .......................................................................................................................... 106

3.4. DISCUSSION ........................................................................................................................................... 107

3.4.1. SUR LE DÉPLACEMENT DES PUCERONS ............................................................................................................ 108 3.4.2. SURVIE ET FÉCONDITÉ DES PUCERONS ............................................................................................................ 109

3.5. CONCLUSION ......................................................................................................................................... 110

11

RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES ................................................................................................................. 112

Chapitre 4: Discussion Générale……………………………………………………………….

4.1. L’INTÉRÊT DES CULTURES ASSOCIÉES : CONTEXTE GÉNÉRAL ET RAPPEL DE LA PROBLÉMATIQUE .......... 116

4. 2. LA REGULATION DE L’ABONDANCE DES HERBIVORES ........................................................................... 118

4.3. RAPPEL DES PRINCIPAUX RÉSULTATS .................................................................................................... 120

4.3.1. LES EXPÉRIENCES EN CHAMPS : ÉVALUATION DE L’ABONDANCE DES PUCERONS VERTS DU POIS EN MONOCULTURE ET EN

CULTURE ASSOCIÉE............................................................................................................................................... 120 4.3.2. SUR LES DÉPLACEMENTS ET LA VALEUR PHÉNOTYPIQUE DES PUCERONS SUR LES DIFFÉRENTES CULTURES ..................... 123 4.3.3. INFLUENCE DES ODEURS DES PLANTES SUR LE CHOIX DES PUCERONS .................................................................... 123

4.4. PERSPECTIVES ET THÉMATIQUES ........................................................................................................... 124

4.4.1. PERSPECTIVES ET THÉMATIQUES DE RECHERCHE À DÉVELOPPER POUR UNE MEILLEURE RÉGULATION DU PUCERON DU POIS

........................................................................................................................................................................ 124 4.4.2. LES PERSPECTIVES DE RECHERCHE À APPROFONDIR ........................................................................................... 125

RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES ................................................................................................................. 126

ANNEXE 1 ..................................................................................................................................................... 134

LISTE DES TABLEAUX .................................................................................................................................... 134

ANNEXE 2 ..................................................................................................................................................... 136

LISTE DES FIGURES ....................................................................................................................................... 136

PARCELLES CULTIVÉES .................................................................................................................................. 137

ANNEXE 4: .................................................................................................................................................... 139

ANNEXE 5: .................................................................................................................................................... 140

ANNEXE 6:……………………………………………………………………………………………………………………………………………. .. 141

12

Introduction Générale

I. LE CONTEXTE

La période allant de 1950 à 1990 a été profondément marquée par un développement rapide

de la production agricole et un changement des paysages ruraux en Europe de l’Ouest suite à

l’intensification et à la mécanisation de l’agriculture (Chamberlain et al., 2000 ; Krebs et al.,

1999). Cette intensification de l’agriculture en Europe, a entraîné une réduction de la

biodiversité liée à la destruction des habitats naturels de nombreuses espèces. L’utilisation

accrue des pesticides au sein des parcelles cultivées a favorisé la réduction des cultures

associées jusqu’à leur quasi disparition des agro-systèmes (Flawerdew 1997 ; Matson et al.,

1997). Cette intensification de l’agriculture s’est traduite dans certaines zones géographiques

par l’érosion des sols, des pollutions environnementales par les produits phytosanitaires et les

engrais, mais aussi, l’apparition de maladies, d’insectes et de plantes adventices résistantes

aux produits phytosanitaires (Vandermeer et al., 1998).

Sur le plan agronomique, cette intensification se traduit par une simplification des itinéraires

techniques qui permet une meilleure maîtrise de l’utilisation des intrants au service d’une

forte productivité primaire (Doré et al., 2011). Au niveau des exploitations agricoles, les

rotations des cultures sont devenues moins complexes. Les légumineuses fixatrices d’azote

atmosphérique n’étant plus nécessaires pour contribuer au maintien de la fertilité des sols sont

rarement cultivées. L’assolement triennal est devenu la règle mais, dans certaines régions

européennes, les systèmes de culture peuvent être encore plus simples et consister en des

rotations de deux cultures seulement, voire la répétition d’une seule culture année après année

pour des monocultures (Sotherton, 1998).

Au niveau des parcelles, l’intensification de l’agriculture moderne favorise la culture d’une

seule plante (Benton et al., 2003). Les systèmes plus complexes associant plusieurs plantes

sur la même parcelle ont pratiquement disparu ou sont seulement pratiqués par une minorité

d’agriculteurs engagés dans des modes de production à bas niveaux d’intrants (Flawerdew,

1997; Matson et al., 1997).

Cependant, la prise de conscience des retombées négatives de l’intensification de l’agriculture

sur le plan de la biodiversité et de la santé ouvre progressivement de nouvelles perspectives

agronomiques. Par exemple, l’incidence négative des pesticides sur les écosystèmes et la

13

santé a placé la question de leur utilisation au cœur des débats. Cela s’est traduit en France, en

particulier et dans un premier temps, par l’adoption du « paquet pesticides », puis par le Plan

Interministériel de Réduction des Risques liés aux Pesticides (PIRRP) et le Grenelle de

l’environnement (Butault et al., 2010). Ces contraintes nouvelles imposées par l’Etat vont

probablement modifier les pratiques agronomiques au cours des prochaines décennies. Les

démarches françaises s’inscrivent dans un contexte européen qui a conduit à l’adoption de la

directive communautaire 2009/128/CE, le 21 octobre 2009 (Butault et al., 2010). Cette

directive impose aux États membres d’adopter des plans d’action nationaux pour fixer leurs

objectifs quantitatifs, leurs cibles, leurs mesures et leurs calendriers en vue de réduire les

risques et les effets de l’utilisation des pesticides sur la santé humaine et l’environnement.

Elle encourage l’élaboration et l’introduction de la lutte intégrée contre les ennemis des

cultures ainsi que de méthodes ou de techniques de substitution en vue de réduire la

dépendance à l’égard de l’utilisation des pesticides. S’inscrivant dans ce contexte

international, le plan « Ecophyto 2018 » prévoit une réduction de 50 % de l’utilisation des

pesticides en 2018 par rapport à la consommation actuelle.

Cette prise de conscience confirme un profond changement de mentalité qui fut entamé lors

de la préparation du Sommet de la Terre, à Rio de Janeiro, en 1992. Cette année là, le mot

« biodiversité » sortit des cénacles scientifiques et entra dans le langage courant. En cette fin

du XXème siècle, les écologues commencèrent à mieux comprendre l’importance que joue la

diversité biologique dans le fonctionnement des écosystèmes. A mesure que les chercheurs

amélioraient leurs connaissances à propos du rôle fonctionnel de la diversité biologique, des

économistes se préoccupaient d’évaluer la valeur des services que les écosystèmes fournissent

aux sociétés humaines (Costanza et al., 1997). L’un de ces services est la régulation des

ravageurs et des maladies des plantes cultivées (Kaiser, 2000 ; Loreau, 2000 ; Hector et al.,

1999 ; Tilman, 1997). Or, la perte de la complexité d’habitats naturels dans les campagnes, la

simplification des itinéraires techniques qui va de paire avec une fertilisation minérale et

l’utilisation de produits phytosanitaires ont amoindri le potentiel de lutte biologique (Andow

1991 ; Kruess & Tscharntke 1994 ; Hawkins et al., 1999). Dans ce contexte, alors que les

acteurs du développement agricole doivent commencer à inscrire leurs pratiques

professionnelles dans une perspective de développement durable, la recherche agronomique

s’intéresse à des modes de production agricole économes en intrants faisant appel à une

approche intégrée des systèmes de production.

14

Parmi ces pistes, les légumineuses à graines, notamment le pois protéagineux (Pisum sativum

L), présentent des atouts agro-environnementaux majeurs à valoriser dans les systèmes à

faibles intrants (Munier-Jolain & Carrouée, 2003). Ainsi, le pois produit des graines riches en

protéines utilisables pour l’alimentation du bétail; il a de faibles besoins en eau par rapport

aux autres cultures et, enfin, il fixe l’azote atmosphérique. De ce fait, la présence de pois dans

les rotations de grandes cultures facilite la gestion des problèmes environnementaux découlant

de la fertilisation azotée. Le retour des légumineuses dans les rotations constitue une

amélioration de la diversité végétale à l’échelle des parcelles, des exploitations ou des

paysages. Cette amélioration est-elle suffisante pour se traduire par une réduction des dégâts

infligés aux cultures par les ravageurs? Nous reviendrons ultérieurement à cette question.

L’autonomie des légumineuses vis-à-vis de l’azote permet une réduction significative des

rejets de gaz à effet de serre (Munier-Jolain & Carrouée, 2003). Le pois s’affiche ainsi comme

une solution utile pour la diversification des cultures rendue indispensable pour un meilleur

respect de l’environnement.

Cependant, le pois protéagineux est attaqué par de nombreux ravageurs, parmi lesquels

Acyrthosiphon pisum (Harris) (Homoptère, Aphididae) et Sitona lineatus L (Coléoptère,

Curculionidae). Cette sensibilité aux ravageurs constitue un handicap pour l’insertion des pois

dans les rotations.

Certains ont pensé à associer intimement les légumineuses et les céréales en les cultivant en

mélange sur les mêmes parcelles. L’intérêt de ce mode de culture est de permettre la

production de grains de céréales plus riches en azote. Les mécanismes de cet enrichissement

en azote sont notamment expliqués par Ghaley et al. (2005). Le taux de fixation des

légumineuses est vu sous l’angle d’un modèle écophysiologique basé sur le coût en carbone

de la fixation, opposé à celui du développement racinaire nécessaire au prélèvement de l’azote

disponible dans le sol. Les résultats agronomiques sont si spectaculaires en termes de

rendement que les associations de céréales et de légumineuses font aujourd’hui l’objet d’un

regain d’intérêt en Europe (Hauggaard-Nielsen & Andersen, 2000). Lors d’essais réalisés à

l’INRA de Toulouse entre 2005 et 2007, Justes et Bedoussac ont remarqué que les pois

cultivés en association avec des céréales étaient moins attaqués par le puceron du pois

(Bedoussac, 2009). Cette première observation suggère que l’association du pois et du blé dur

(Triticum turgidum L. subsp. durum (Desf.) Husn.) pourrait atténuer les effets des infestations

liées aux pucerons du pois. Cette association de cultures entre le pois protéagineux et le blé

15

dur serait une tentative d’utiliser la lutte biologique pour réguler les pucerons du pois. Le

présent travail de thèse se propose d’explorer cette possibilité et d’identifier quelques

mécanismes qui pourraient expliquer ce phénomène.

II. LES CULTURES ASSOCIÉES : LE CAS PARTICULIER POIS -BLÉ DUR

Les cultures associées peuvent être définies comme la culture simultanée d’au moins deux

cultures sur une même parcelle durant une phase significative de leur croissance, mais sans

nécessairement être semées ou récoltées en même temps (Vandermeer, 1989 ; Willey, 1979).

Les associations céréale-légumineuse destinées à la production de graines sont

essentiellement cultivées en agriculture biologique. D’après des enquêtes menées dans le

cadre du projet européen INTERCROP (2003), ces associations sont majoritairement

composées d’orge et de pois, d’avoine et de pois de printemps ou encore de triticale et de pois

d’hiver. L’association du pois protéagineux à une céréale constituerait une alternative au pois

pur pour une meilleure gestion des adventices et une réduction des infestations des ravageurs,

notamment les pucerons. C’est l’une des principales motivations des agriculteurs vis-à vis de

cette pratique (Butault et al., 2010 ; Bedoussac, 2009 ; Hauggaard-Nielsen et al., 2008 ;

Bedoussac & Justes, 2006 ; INTERCROP , 2003).

Les premiers résultats des travaux conduits à l’INRA d’Auzeville à Toulouse dans le cadre

d’associations entre les céréales, notamment le blé (tendre ou dur) et des légumineuses pois

ou féverole, montrent que les teneurs en protéines du blé et de pois sont supérieures à celles

mesurées dans les cultures pures (Bedoussac, 2009 ; Justes et al., 2009). La culture associée

améliore le rendement relatif, ainsi que le montrent des valeurs de LER (Land Equivalent

Ratio) supérieures à l’unité. Le LER est un indice agronomique proposé pour la première fois

par Willey & Osiru (1972). Il compare le rendement économique de la culture associée au

meilleur rendement de chacune des espèces constituant l’association. Plusieurs travaux ont en

effet montré que les associations céréale-légumineuse sont largement plus compétitives vis-à-

vis des adventices que la légumineuse cultivée seule (Hauggaard-Nielsen et al., 2001a ;

Bulson et al., 1997 ; Liebman & Dick, 1993). La présence d’une céréale dans un couvert de

pois permettrait de mieux utiliser l’azote minéral du sol en comparaison du pois pur et de

réduire ainsi cette ressource disponible pour les adventices, limitant ainsi leur croissance

(Hauggaard-Nielsen et al., 2001b). La plus forte compétitivité de la céréale pour l’azote du sol

16

permettrait d’autre part de réduire les risques de pertes d’azote minéral par lessivage par

rapport à ce qui est observé dans les cultures de pois pures (Hauggaard-Nielsen et al., 2003).

Les cultures associées induisent aussi une réduction de la population des pucerons du pois et

des maladies foliaires du blé-rouille- et du pois-anthracnose-(Munier-Jolain & Carrouée,

2003). Les céréales servent de tuteurs aux légumineuses ou encore de couvert végétal. Grâce à

ces tuteurs, les plantes de pois ne sont pas plaquées au sol en cas de fortes pluies et sont donc

moins sensibles aux maladies cryptogamiques. Il est donc intéressant de comprendre les

mécanismes de ces effets à l’encontre des ravageurs. Le fait que les pois soient entourés de

plantes de céréales, peut compliquer l’exploitation de cette ressource par les ravageurs. Cela

nous conduit à rechercher des explications en termes de concentration/dilution des ressources

des ravageurs, de la dynamique des populations de prédateurs ou des effets de barrière

physique ou de modification de l’habitat.

III. LA LUTTE BIOLOGIQUE

D’après van Lenteren (2008), la lutte biologique en agriculture peut être définie comme une

méthode de lutte contre un ravageur ou une plante adventice au moyen d'organismes naturels

antagonistes, tels que des phytophages, des parasitoïdes, des prédateurs, nématodes,

arthropodes, vertébrés, mollusques ou des agents pathogènes (virus, bactéries, champignons,

etc.).

Dans l’esprit des agronomes, la lutte biologique a toujours laissé suggérer une régulation

« Top-down » ; c’est-à-dire qu’un niveau trophique est régulé par des organismes du niveau

qui lui est immédiatement supérieur (Schmitz, 1994). Par exemple, l’abondance des

herbivores est régulée par les carnivores. Cette vision de la régulation de l’abondance des

herbivores s’inspire des représentations exprimées par Hairston et al.(1960). Selon ces

auteurs, « le monde est vert », c’est-à-dire que la couleur des plantes vertes domine les

paysages, car l’abondance des herbivores est régulée par la mortalité que leur infligent les

prédateurs. Sans cette régulation, les herbivores détruiraient la végétation et le monde serait

alors brun !

Murdoch (1966) critiqua vivement Hairston et al., 1960 et proposa des mécanismes alternatifs

de régulation : le monde est toujours vert parce qu’il est « épineux et a mauvais goût ».

Autrement dit, la couleur dominante de la planète est encore verte car les végétaux ont mis en

place des systèmes de défense physique ou chimique contre leurs consommateurs. Dans cette

17

représentation, la population des herbivores est contrôlée directement par la ressource qu’elle

exploite et non par l’action des carnivores. L’abondance des herbivores pourrait donc tout

aussi bien être régulée par des forces se propageant du bas vers le haut des chaînes trophiques,

c’est ce qu’on appelle une régulation « Bottom-up ». Toutefois, les personnes intéressées par

la lutte biologique semblent fréquemment ignorer ces deux possibilités de régulation

démographique des populations et ne retenir que la première.

Outre cette ignorance des deux grands modes de régulation des chaînes trophiques, les

travaux en lutte biologique sont rarement appuyés par des études écologiques permettant de

comprendre les mécanismes responsables d’évaluer son efficacité et de définir les conditions

d’application efficace (Pimentel et al., 1984). A titre d’exemple, la lutte biologique telle que

pratiquée actuellement est toujours basée sur l’hypothèse des effets de cascade qui stipule que

lorsqu’on augmente la population d’une espèce à un niveau trophique donné (les ennemis

naturels), ceci se répercute sur le niveau inférieur par une diminution d’abondance des

ravageurs et ce qui, à son tour, se répercute sur le niveau inférieur des plantes, en augmentant

leur population et/ou leur production (Wooton, 1994).

Or, l’effet cascade, fondement théorique de la lutte biologique, peut être annihilé par des

interactions horizontales entre individus du même niveau trophique, ou des interactions

verticales débordant les trois seuls niveaux trophiques présentés en lutte biologique

(Rosenheim, 1998). Plusieurs études récentes ont démontré que les interactions de ce type

sont omniprésentes et peuvent même être prépondérantes dans certains systèmes (Lucas et al.,

1998). Un bon exemple de ces interactions qui touchent la lutte biologique est celui de la

prédation intraguilde. Celle-ci survient lorsqu'un ennemi naturel tue et dévore un compétiteur,

donc un organisme qui s'attaque aux mêmes proies que lui (Polis et al., 1989). En 1993, dans

des champs de coton aux USA, des lâchers de chrysopes (Neuroptères, Chrysopidés)

prédatrices pour lutter contre le puceron du cotonnier, Aphis gossypii Glover ont échoué parce

que des punaises prédatrices Hémiptères des pucerons présentes naturellement dans ces

champs, ont consommé les chrysopes (Rosenheim et al., 1993). Cette méthode de lutte

biologique par introduction d’ennemis naturels a souvent montré des résultats mitigés

(Rosenheim, 1998) à cause de nombreuses lacunes, notamment dans la compréhension de

l’effet de cascades ou à cause de la non-acclimatation des espèces introduites (Halaj & Wise,

2001).

18

IV. LE PUCERON DU POIS ACYRTHOSIPHON PISUM HARRIS COMME CAS CONCRET

Les pucerons sont des insectes extrêmement répandus dans le monde qui se nourrissent de

sève élaborée (Douglas, 1993 ; Auclair, 1963). Leur période de présence sur une plante est

généralement courte. Pour se reproduire, les pucerons sont en effet tributaires de la croissance

des végétaux et plus précisément de la concentration en azote de la sève élaborée (Douglas,

1993 ; Spiller et al., 1990). Leur pic de reproduction va ainsi correspondre au pic de

concentration en azote de la sève élaborée, ce qui ne va correspondre qu’à une période de six

à huit semaines au printemps (Hemptinne et al., 2004). En réponse à ces contraintes posées

par la qualité des plantes-hôtes, l’histoire de vie des pucerons a évolué dans le sens de la

rapidité. Puisque leurs ressources ne sont disponibles que pendant une courte période, il est

impératif de se développer et de se reproduire le plus rapidement possible. Leur faible taille

est un atout pour se développer rapidement. En outre, ils pratiquent la reproduction

parthénogénétique au printemps et en été. Grâce à ce mode de reproduction, une autre

adaptation, le télescopage des générations a pu évoluer. Cela signifie que chaque puceron

adulte engendre des filles qui portent déjà dans leurs organes de reproduction, des filles

fonctionnelles (Kindlmann & Dixon, 1989).

D’un point de vue théorique, pour que les coccinelles régulent efficacement les pucerons par

un effet top-down, il faudrait qu’elles infligent à leurs proies une mortalité densité-

dépendante, c’est-à-dire que l’intensité de celle-ci doit augmenter plus vite que la densité des

proies. Or, les stratégies de ponte des coccinelles ne permettent pas d’obtenir une telle

réponse. En ne pondant qu'un nombre limité d'œufs dans les jeunes colonies de pucerons qui

ne sont pas encore exploitées par d’autres congénères, les coccinelles fournissent

difficilement une réponse numérique agrégative (Hemptinne et al., 1992). Cette réponse

numérique agrégative serait pourtant nécessaire pour affecter de façon négative une

population de proies ayant un taux de croissance supérieur au taux de croissance ou d'attaque

du prédateur (Beddington et al. 1978). Or, les coccinelles ont un taux de croissance largement

inférieur à celui de leur proie puisque plusieurs générations de pucerons se succèdent au cours

du développement d'une larve de coccinelle (Dixon, 2000). Les coccinelles sont ainsi limitées

dans leur réponse, car les femelles arrêtent de pondre lorsqu’elles détectent des traces

déposées par des larves. Elles ont donc tendance à répartir leurs œufs entre de nombreuses

colonies de pucerons, ce qui est le contraire d’une réponse numérique agrégative (Hemptinne

et al., 1992). Ce type de comportement n’est pas propre aux coccinelles mais à tous les

19

prédateurs de pucerons et, d’une manière générale, à tous les consommateurs de ressources

limitées dans le temps ou dans l’espace (Nufio & Papaj, 2001).

La comparaison entre les temps de développement des pucerons et des coccinelles, montre

que les premiers se développent beaucoup plus vite que les secondes. C’est cette différence de

vitesse de développement qui confère aux pucerons leur caractère de proie éphémère ou

limitée dans le temps. Si on calcule le rapport du temps de génération des prédateurs sur celui

des pucerons, le « Generation Time Ratio » ou GTR, on obtient une valeur supérieure à 1.

Selon une simulation mathématique, les rapports supérieurs à 1 correspondent à des relations

trophiques défavorables à la mise en place d’une régulation top-down (Kindlmann & Dixon,

1999). Dans ces circonstances, il semble peu probable que la régulation des pucerons du pois

dans les cultures associées soit le résultat d’un processus « Top-down » dans lequel les

prédateurs joueraient un rôle prépondérant. Dés lors, pour réguler les pucerons du pois, il

faudrait envisager d’autres possibilités de lutte biologique. La voie « Bottom-up » pourrait-

elle être appliquée? Telle est la question qui sous-tend cette thèse.

Il faut signaler que dans le cas de certaines proies, comme les cochenilles, qui ont une vitesse

de développement comparable à celle des coccinelles prédatrices, le rapport des temps de

génération est proche de 1 voire inférieur à cette valeur et la régulation « Top-down » est

possible. Cela expliquerait une meilleure efficacité de la lutte biologique contre les

cochenilles. La valeur du GTR est ainsi déterminante dans le choix du type de régulation.

V. LE RÔLE DE LA RÉGULATION « BOTTOM -UP» DES HERBIVORES GRÂCES A DES

AGROÉCOSYSTÈMES COMPLXES

a) Une approche générale

La diversité des plantes cultivées et non cultivées dans un champ influence l’abondance des

herbivores parmi lesquels certains sont des ravageurs des cultures (Siemann, 1998 ; Elliot et

al., 1998 ; Honek, 1986 ; Risch et al., 1983 ; Altieri & Letourneau, 1982). Cette diversité

permettrait également une plus grande stabilité de la productivité primaire puisqu’elle

assurerait un plus grand nombre de mécanismes de régulation (Risser, 1986). Cependant,

l’influence de cette diversité sur les ravageurs dépendra de la taille, de l’architecture et de la

productivité des plantes (Tilman et al., 1997 ; Southwood et al., 1979). Les mécanismes

évoqués pour comprendre l’effet de cette diversité des espèces végétales sur l’abondance des

ravageurs font principalement appel à l’hypothèse de la concentration des ressources (Root,

1973) ; celle-ci prévoit une réduction des capacités des herbivores surtout les spécialistes

20

comme les pucerons ou les doryphores à découvrir et utiliser efficacement leurs plantes hôtes

dans les milieux à forte diversité végétale.

Les cultures associées seraient un moyen d’augmenter la diversité végétale au sein des

parcelles et donc de réguler l’abondance des herbivores. Toutefois, les études sur les

ravageurs sont nombreuses et souvent contradictoires du fait de la difficulté d’isoler

expérimentalement l’influence des facteurs écologiques qui peuvent affecter les relations

plantes-insectes (Altieri, 1994 ; Andow, 1991).

La revue bibliographique d’Andow (1991), qui porte sur 209 articles, considérée comme une

référence en la matière, mentionne que 51,9 % des 287 espèces de ravageurs étudiées étaient

moins nombreuses en système de polyculture que de monoculture, alors que seulement 15,3

%, montraient une plus forte densité en polyculture. Cette revue va encore plus loin en faisant

la différence entre les ravageurs monophages et les polyphages qu’on rencontre dans les

divers systèmes étudiés. Ainsi, 60 % appartenaient au groupe des insectes monophages et 28

% au groupe des polyphages. Cette revue montre également que les populations d’ennemis

naturels des ravageurs étaient plus élevées dans 53 % des études en polycultures par rapport

aux monocultures et moins élevées dans seulement 9 % des cas. Les deux hypothèses de Root

(1973) sont évoquées dans ces études, mais on note cependant que l’hypothèse de la

concentration des ressources s’avère être la plus citée.

Une méta-analyse de Tonhasca & Byrne (1994) portant sur 21 publications parues entre 1983

et 1992, apporte des résultats allant dans le même sens : la diversification des cultures est

négativement corrélée à une réduction modérée des densités de population des ravageurs dans

60 à 70 % des publications étudiées, selon les modalités de calcul.

Une autre revue de 150 études faites par Risch et al. (1983), montre que les cultures

pratiquées sur des agroécosystèmes diversifiés présentent moins de ravageurs par rapport aux

monocultures dans 53 % des cas, une augmentation n’étant observée que dans seulement 18

% des études.

La revue de littérature faite par Baliddawa (1985) révèle également que, sur 36 études, 24 ont

montré qu’il y avait moins de ravageurs en polycultures qu’en monocultures. L’explication

avancée serait que les ravageurs ont plus de difficultés à localiser leurs plantes hôtes dans les

21

polycultures. Cette revue montre néanmoins que sur les 12 autres études, la mortalité élevée

des ravageurs est due à l’abondance des ennemis naturels.

D’après Russell (1989) dont le travail a porté sur 18 études, l’on a noté aussi que les taux de

mortalité infligés par les ennemis naturels aux ravageurs sont la plupart du temps plus élevés

dans les polycultures que dans les monocultures. Ces chiffres montrent que les manipulations

de la diversité agissent 1 fois sur 2 sur les ravageurs selon un schéma «Bottom-up» puisque

l’abondance des prédateurs n’est pas affectée. Ce qui justifie l’approche qui consiste à

s’intéresser aux peuplements de plantes qui est privilégiée dans cette thèse.

Ces synthèses et méta-analyses montrent que les effets de diversification végétale des cultures

sur les arthropodes ravageurs et auxiliaires sont très variables. Les raisons de cette variabilité

sont multiples, mais la raison essentielle semblerait être des cas particuliers et spécifiques aux

taxons d’arthropodes qui seraient beaucoup plus nombreux que ce qui est généralement

supposé. Nous pensons que l’identité spécifique et/ou fonctionnelle des plantes et celle des

insectes seraient les paramètres de diversité les plus importants. De plus, les relations

fonctionnelles entre les plantes et les herbivores sont très variables et dépendent par exemple

des tissus ou des organes végétaux dont se nourrissent les herbivores. Par ailleurs, nous

pensons aussi que la variabilité des résultats tiendrait au fait que les valeurs de GTR dans les

différents systèmes analysés ne sont pas toutes les mêmes.

Bien que les effets de la diversification des agro écosystèmes sur le succès des ennemis

naturels demeurent mal compris (Russell, 1989), quatre principales hypothèses sont avancées

pour expliquer la réduction des populations de ravageurs dans les systèmes d’association de

cultures (Altieri, 1994).

1- L’existence d’une forme de résistance spécifique aux agroécosystèmes dans lesquels

les plantes sont intégrées selon les patrons divers : polyculture, cultures associées,

plantes intercalaires, etc. Ce type d’agroécosystème, dont les cultures associées

créeraient un environnement physique, olfactif ou visuel, ainsi qu’un microclimat

défavorable aux phytophages ;

2- L’existence des ennemis naturels dont l’abondance et la diversité seraient plus grandes

dans les systèmes de polyculture que dans ceux de monoculture ;

3- La concentration de la ressource qui voudrait que plus les plantes hôtes sont

distribuées entre les plantes non-hôtes, plus un ravageur aura des difficultés à les

localiser;

22

4- L’apparence de la plante selon la théorie de la défense chimique des plantes (Feeny,

1976). Celles-ci peuvent être classées comme apparentes (prédictibles) ou non

apparentes (imprévisibles) en fonction de leur degré de susceptibilité aux ravageurs.

Malgré de nombreuses études expérimentales qui montrent une corrélation positive entre la

diversification des habitats et la régulation des insectes phytophages, aucun cadre explicatif et

prédictif n’a pu encore être élaboré afin de déterminer quels éléments spécifiques de la

biodiversité devraient être retenus, ajoutés ou éliminés pour augmenter le contrôle naturel des

ravageurs des cultures (Altieri, 1994). En d’autres termes, la corrélation n’est pas synonyme

d’explication.

a) Des exemples de cultures associées avec les légumineuses

Il existe plusieurs exemples de cultures associées avec des légumineuses ayant permis la

réduction des ravageurs ou des maladies (Jensen et al., 2006 ; Corre-Hellou et al., 2005). Le

trèfle associé à une culture de choux (Brassica oleracea L) repousse la mouche du chou

(Finch & Edmonds, 1994). La culture de luzerne (Medicago littoralis Rhode) associée à une

culture de carottes (Daucus carota L) permet d’éloigner la mouche de la carotte- Psila rosae

F- (Rämert & Ekbom, 1996 ; Rämert, 1993). Une culture de fèves maraîchères associées à

l’avoine (Avena sativa L) a permis de réduire la densité et le taux d’attaque de la population

de sitones (Sitona lineatus L) sur feuilles de fèves (Baliddawa, 1985).

Les travaux de Jensen et al. (2006) ont montré que le mélange d’espèces annuelles telles que

des céréales et des légumineuses permettait de réduire l’incidence des maladies tant des

céréales (oïdium) que des légumineuses (anthracnose) en comparaison aux mêmes espèces

cultivées seules. Des recherches analogues menées dans l’ouest de la France, de 2001 à 2003,

ont montré des résultats similaires avec le mélange blé-pois (Corre-Hellou, 2005).

Cependant, certains auteurs, comme Helenius (1989), ont montré que la culture associée de

féveroles et d’avoine avait parfois un effet différent et augmentait le nombre de pucerons

verts dans l’avoine. Ce dernier pose l’hypothèse que cela pourrait être dû à l’augmentation du

taux d’azote dans la céréale cultivée en association.

En effet, il apparaît que les insectes ne sont favorisés que si la diversification végétale a été

spécialement conçue à leur intention. Ces effets varieraient selon les identités des herbivores,

23

des prédateurs et des espèces végétales mises en scène. Il faudrait ainsi étudier chaque

association avant de promouvoir l’utilisation de tels ou tels systèmes de cultures. Toutefois,

les mécanismes expliquant les différents résultats que nous venons d’évoquer n’ont pas été

identifiés.

Il serait donc risqué de généraliser les résultats que nous venons de souligner dans la mesure

où les auteurs ne donnent pas d’indications claires sur les mécanismes en jeu. Il est admis que

les insectes herbivores exploitent des informations olfactives pour localiser leurs plantes

hôtes. En effet, celles-ci libèrent des substances volatiles dans l’air (Karban, 1993 ; David &

Hardie, 1988). L’exploitation de ces informations est fortement dépendante du contexte

général dans lequel ces substances sont émises. Ainsi, la réponse d’insectes herbivores à des

molécules émises par leurs plante-hôtes est influencée par des odeurs produites par d’autres

plantes. Dès lors, nous avons pensé que l’effet bénéfique des cultures associées sur la

protection des plantes pourrait s’expliquer en partie par une perturbation de l’information

olfactive dégagée par les plantes hôtes.

V.I. LES ODEURS DES PLANTES

Les substances volatiles jouent un rôle important dans la localisation et la sélection de l’hôte

par les herbivores (Karban, 1993 ; Karban & Myers, 1989). Les travaux de Nottingham et al.

(1991) montrent que les pucerons Aphis fabae Scopoli, Myzus persicae Sulzer ou encore

Brevicoryne brassicae L, qu’ils soient aptères ou ailés, sont attirés par les odeurs de leurs

plantes hôtes tandis qu’ils sont repoussés pour les odeurs des plantes non-hôtes. Ces dernières

peuvent éventuellement masquer l’attraction des premières.

Contrairement aux travaux de Kennedy et al. (1959) qui indiquent que la plante hôte est

sélectionnée uniquement après l’atterrissage, ceux de Nottingham et al.(1991) montrent bien

que l’olfaction joue un rôle important à distance. Considérant l’hypothèse de la concentration

des ressources de Root (1973), il est permis d’imaginer que les ravageurs auraient d’avantage

de difficultés à localiser des plantes hôtes et les quittent plus rapidement lorsqu’elles sont en

situation de polyculture que de monoculture. Les mécanismes impliqués ne sont pas

précisément identifiés, mais divers stimuli sont mis en jeu.

La diversité des stimuli olfactifs perçus par les phytophages dans une polyculture, peut

masquer ceux que les ravageurs spécialisés utilisent pour localiser leur plante hôte,

24

provoquant alors un ralentissement dans l’installation de ces derniers, voire leur départ

comme l’ont démontré Tahvanainen & Root (1972).

L’exemple d’un hyménoptère parasitoïde cherchant à localiser les œufs de son hôte, un

hyménoptère tenthrèdinède, illustre la subtilité de l’information olfactive et permet d’imaginer

les perturbations provoquées par l’association d’une plante non-hôte à une plante-hôte dans

un champ. Des études d’antenno-électrographie couplées à de la GC-MS ont montré que

l’(E)-β- farnésène était le composé essentiel utilisé par ce parasitoïde. Toutefois, cette

information chimique n’est utilisable que si elle est présente simultanément à un cocktail

complexe de molécules caractéristiques de l’odeur du pin. Dans ce mélange complexe, autant

la concentration absolue du farnésène que les concentrations relatives de tous les composés se

révèlent être des paramètres décisifs (Francis et al., 2004).

Dans les cultures associées, l’attractivité des plantes hôtes serait donc réduite. Ce qui

limiterait le nombre d’insectes pour les plantes associées (Thierry & Viser, 1986). Les

perturbations de l’information olfactive dans une culture associée se combinent probablement

avec d’autres facteurs comme une modification de l’aspect visuel de la culture.

Selon Finch & Collier (2000), les stimuli visuels joueraient aussi un rôle central dans le

processus de reconnaissance des plantes hôtes. Ces stimuli visuels seraient la seconde étape

dans le processus localisation/identification de la plante hôte. Ils proposent donc une nouvelle

hypothèse pour expliquer l’avantage des cultures associées en matière de protection des

cultures : celle des atterrissages « appropriés et non appropriés ». Pour ces auteurs, durant la

recherche de la plante hôte, les insectes atterrissent indifféremment sur les objets verts comme

des feuilles de plantes hôtes (atterrissages appropriés) ou de plantes non hôtes (atterrissages

non appropriés). Lorsqu’ils atterrissent sur les plantes non hôtes, ils doivent repartir. Ils

auraient donc plus de chance de se perdre ou de mourir parce qu’ils rencontrent des ennemis

naturels dans une culture associée que dans une culture pure.

Les cultures associées comme méthodes de limitation des insectes pourraient donc être

comparées en utilisant la méthode de confusion des sexes (mating disruption).

Cette thèse comporte trois chapitres outre une introduction générale et une discussion finale.

Le premier chapitre a pour objectif de vérifier que les pucerons du pois (Acyrthosiphon pisum

Harris) sont moins abondants sur des pois d’hiver cultivés en association avec du blé dur

(Triticum turgidum L. subsp. durum (Desf.) Husn.) que sur des pois en peuplement pur. Les

travaux qui sous-tendent ce chapitre se sont étalés sur quatre années. Durant les deux

25

premières années, on a compté les pucerons du pois dans les parcelles de petite taille (de

l’ordre de 16 m²) installées dans le domaine expérimental de l’INRA à Auzeville. Les deux

années suivantes, les comptages furent réalisés dans les parcelles de 300 m² dans des fermes

réparties dans la région Midi-Pyrénées. Lors de l’analyse de comptage, on a exploité des

données agronomiques relevées par nos collègues afin de rechercher une corrélation entre la

teneur en azote des plantes, d’une part, la couleur des peuplements, et l’abondance des

pucerons d’autre part.

Le deuxième chapitre étudie l’importance que l’odeur des plantes jouerait dans la localisation

des pois par le puceron A. pisum. Des pucerons ailés puis des pucerons aptères ont été placés

dans un olfactomètre où ils pouvaient successivement choisir entre les sources d’air pur et des

sources d’air contaminées par l’odeur émise avec une dizaine de pois et l’odeur dégagée par

un nombre équivalent de plantes de pois et de blé dur.

Le troisième chapitre explore une autre possibilité de régulation «Bottom-up» inspirée de

l’hypothèse formulée par Finch & Collier (2000), notamment le fait que dans une culture

associée, les pucerons aient plus de difficultés à trouver une plante hôte car ils perdent

beaucoup de temps sur des plantes non-hôtes. Ces pertes de temps nécessiteraient de plus

longues recherches qui affecteraient négativement l’aptitude phénotypique des pucerons. Pour

tester cette hypothèse, nous avons en premier lieu suivi la manière dont les pucerons vivaient

dans un groupe de pois cultivés seuls ou en mélange avec du blé dur. Nous avons mesuré le

temps pendant lequel ils se nourrissaient ou se déplaçaient, les distances parcourues. Nous

avons cherché à savoir si les pucerons changeaient fréquemment de plantes-hôtes.

Dans une seconde phase de ce chapitre, nous avons réalisé une table de survie de pucerons

vivant sur des pois cultivés seuls ou sur des pois cultivés en association avec du blé dur. Nous

avons ainsi pu comparer la mortalité et la fertilité des deux cohortes de pucerons.

La discussion finale intègre les différents résultats que nous avons obtenus. Elle permet de se

faire une opinion sur la part que prennent les facteurs de régulation « Bottom-up », telles que

l’odeur émise par les plantes et la structure du peuplement, sur la régulation de l’abondance

des pucerons du pois ou dans des cultures associées de pois d’hiver et de blé dur.

26

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Chapitre 1 : Y aurait-il une résistance associative de la culture associée de blé dur-pois d’hiver face au puceron du pois

Acyrthosiphon pisum Harris?

Ce chapitre 1 a fait l’objet d’une soummission d’un article dans la Revue Crop Protection.

RÉSUMÉ :

Il est connu que la diversité des plantes promeut la régulation des ravageurs, mais les

mécanismes écologiques prenant en compte ce phénomène sont toujours en discussion. Les

informations sur l’écologie des pucerons et leurs ennemis naturels indiquent que les facteurs

régulateurs ascendants « Bottom-up » plutôt que des facteurs régulateurs descendants « Top-

down » seraient à l’origine du contrôle des pucerons.

Dans ce travail, nous comparons la résistance de la culture du pois d’hiver face au puceron

vert du pois Acyrthosiphon pisum Harris et discutons du rôle des facteurs ascendants ; « le

spectre de reflectance des peuplements » et la teneur en azote des plantes sur l’abondance des

herbivores dans les deux agrosystèmes.

Nos résultats indiquent une forte résistance de la culture associée blé dur-pois d’hiver aux

pucerons du pois. Des stimuli visuels (longueurs d’ondes reflétées des plantes) ne semblent

pas être à l’origine de cette résistance. La teneur en azote pourrait en partie expliquer les

différences observées dans l’abondance des herbivores, mais nos données n’étaient pas

probablement assez précises pour donner une réponse définitive.

Mots clés : Culture associée, pucerons, résistance associative, ascendance, spectre de

reflectance

34

Is there an associational resistance of winter pea - durum wheat intercrops towards Acyrthosiphon pisum Harris?

Abanda, Raphael Ndzanaa,b, Magro, Alexandraa,b, Bedoussac, Laurentc,d, Justes, Ericd &

Hemptinne, Jean-Louisa,b a Université de Toulouse – ENFA, UMR CNRS 5174 EDB (Laboratoire Evolution et Diversité Biologique), 2 rt de Narbonne, 31320 Castanet-Tolosan, France. b CNRS, UMR 5174 EDB (Laboratoire Evolution et Diversité Biologique), 31062 Toulouse, France. c Université de Toulouse – ENFA, UMR INRA-INPT/ENSAT 1248 AGIR (Agrosystèmes et agricultures, Gestion des ressources, Innovations & Ruralités), 2 rt de Narbonne, 31320 Castanet-Tolosan, France d INRA, UMR INRA-INPT/ENSAT 1248 AGIR (Laboratoire Agrosystèmes et agricultures, Gestion des ressources, Innovations & Ruralités), Auzeville, BP 52627, 31320 Castanet-Tolosan, France raphael.ndzana@gmail.com alexandra.magro@educagri.fr laurent.bedoussac@toulouse.inra.fr eric.justes@toulouse.inra.fr jean-louis.hemptinne@educagri.fr

ABSTRACT:

Plant diversity is known to promote pest regulation but the ecological mechanisms accounting

for this phenomenon are still under discussion. Information on the ecology of aphids and their

natural enemies indicates that bottom-up rather than top-down regulating factors should be at

the origin of aphid control.

In this work we compare the resistance of durum wheat-winter pea intercrops and pure stands

of winter pea towards the pea aphid Acyrthosiphon pisum Harris and discuss the role of the

bottom-up factors “reflectance spectra of the stands” and “plant nitrogen content” on the

abundance of the herbivores in the two agricultural systems.

Our results indicate a strong resistance of intercrop of durum wheat and winter peas to the pea

aphids. Visual stimuli (plant-reflected wavelengths) do not seem to be at the origin of this

resistance. Nitrogen content could partly explain the observed differences in abundance but

our data was probably not accurate enough to give a definitive answer.

Keywords: Intercrops, aphids, associational resistance, bottom-up control, reflectance

spectra, nitrogen content.

35

1.1. INTRODUCTION

The simplification and intensification of cropping management in Western Europe in the last

60 years allowed a better understanding and modelling of the relationships between the

atmosphere, the soil and populations of cultivated plants. This led to a remarkable increase in

food production. However, this was not without consequences to the environment: several

authors have pointed out that changes in landscapes use and agricultural practices have

pervasive effects on biodiversity, soil erosion, reduction of soil fertility, pollution, and the

appearance of new pests, (e.g. Benton et al., 2003; Flowerdew 1997; Matson et al, 1997;

Pimentel et al., 1995; Stoate et al., 2001; Tilman et al., 2001; Vandermeer et al., 1998).

Nowadays, it has become widely accepted that ecologically based management strategies

must be implemented to increase the sustainability of agricultural production (Matson et al.,

1997). Crop diversification, through the building of a complex network of ecological

interactions, is one of those strategies (Malézieux et al., 2008; Lin, 2011).

Intercropping (IC), the simultaneous growing of two or more species in the same field for a

significant period but without necessarily being sown and harvested at the same time (Willey,

1979), could be one way to increase the number of species cultivated (Malézieux et al., 2008,

Vandermeer et al., 1998). Intercropping is known to have higher grain productivity than pure

stands (Hauggaard-Nielsen et al., 2006). Niche complementarity and facilitation are common

explanations for this higher yield. Interspecific differences in nutriments or environmental

requirements allow combinations of certain species to complementarily use resources in space

and /or in time (Bedoussac & Justes, 2010a). Eventually they positively interact and that

improves the capture of the resources (Hopper et al., 2005; Mommer et al., 2010; Tilman,

2001, 1999). Plant diversity is also known to promote pest regulation (see Letourneau et al.,

2011 and Risch et al., 1983 for reviews). However, the ecological mechanisms accounting for

the differences in pest abundance between more or less diverse systems are still under

discussion.

Root (1973) offered two hypotheses to explain reduced abundance of herbivores in more

diverse habitats. The resource concentration hypothesis, which is a bottom-up or resource-

based perspective, predicts that herbivorous are more likely to find and remain on host plants

that are growing in pure stands than on polycultures. The enemies hypothesis, on a top-down

or natural enemy-based perspective, holds that there is a positive correlation between plant

36

species richness and natural enemy abundance with the consequent reduction of herbivore

populations at lower levels in more diverse vegetation stands. The two hypotheses are not

mutually exclusive (Letourneau, 1987). However, the empirical studies relating plant diversity

and population density of herbivores are often contradictory (review in Altieri & Nicholls,

2004). That is, ever since “the world is green” by Hairston et al. (1960) and the opposite view

“the world is prickly” proposed by Murdoch (1966), the question of whether the control of

herbivores is driven by upper or lower trophic levels has received much attention but not a

straightforward answer. The reasons preventing the emergence of a synthesis of the relative

roles of top-down and bottom-up forces in plant–insect herbivore–natural enemy systems

appear to be multiple and have been discussed by Walker & Jones (2001); the absence of

appropriate empirical data is one of those reasons.

Aphids (Hemiptera: Aphididae) are the most important agricultural insect pests of temperate

regions (Hill, 1987; Minks & Harrewijn, 1989). They are potentially capable of becoming

very abundant over large areas (Dixon, 2005) and, as a consequence, there has been great

concern over regulating their abundance. However, there are two contrasting views of the

relative roles of top-down and bottom-up forces regulating aphids’ abundance.

Classical biological control programmes against aphids have been common. Nonetheless,

their results are far from being extraordinary. For instance, there was only one successful

introduction of ladybird beetles to control aphids (Coleoptera, Coccinellidae) out of 155

attempts (Dixon, 2000). Ladybirds but also hoverflies and chrysopids are unable to regulate

aphid abundance because their developmental time from egg to adult is nearly as long as the

lifespan of aphid colonies (Kindlmann & Dixon, 1999). Strategy of prey exploitation that

minimizes the risk of starvation before completing development is clearly advantageous in

this context. Evolution favours females that lay few eggs early in the development of their

prey colonies, and avoid colonies that are already exploited, as the presence of other predators

increases the risk of resource collapse (Hemptinne et al., 1992). Ladybirds and chrysopids use

chemical cues (Doumbia et al., 1998; Magro et al., 2010; Ružička, 1997) and hoverflies

visual cues (Kan, 1989, 1988a,b) to select suitable colonies to lay eggs. Therefore, the

behaviour of predators is shaped by the necessity to avoid prey scarcity at the end of larval

development rather than by response to high prey density. Accordingly, predators do not

develop strong numerical response to prey density (Hemptinne et al., 1992), and top-down

regulation of aphids is unlikely (Dixon, 2005). The same reasoning applies to aphid parasitoid

37

wasps (Dixon, 2005; Hemptinne, 2003). That is, bottom-up rather than top-down regulation

should shape the population dynamics of aphids (Dixon, 2005).

In Southern France, particular research attention has been paid to cultivation of durum wheat

(Triticum turgidum L.) in association with winter pea (Pisum sativum L.), in low N input

systems including organic farming. Beside the fact that the complementary use of N sources

between cereals and legumes can be of particular interest in low-N-input cropping systems

(Bedoussac & Justes, 2010b), several examples of grass-leguminous intercrops show a

reduction in pest and disease attacks when compared to pure stands (e.g. Baliddawa, 1985;

Corre-Hellou et al., 2005; Rämert & Ekbom, 1996; Rämert et al., 2002). Indeed, preliminary

observations seem to indicate that the pea aphid, Acyrthosiphon pisum (Harris) (Aphididae:

Hemiptera), an important pest in organic farming systems, is less abundant in the durum

wheat-winter pea intercrop than in pure stands of winter pea (Bedoussac, 2009).

In the present work, our objective is to gather empirical data i) to confirm the increased

resistance of the durum wheat-winter pea intercrops towards the pea aphid, compared with

pure stands of winter pea and ii) to discuss the role of the bottom-up factors “reflectance

spectra of the stands” and “plant nitrogen content” on the abundance of the herbivores in the

two agricultural systems. These two factors were chosen because light quality plays an

important role for aphids in the location of and landing on host-plants and nitrogen is often a

factor limiting herbivore growth rate.

1.2. MATERIAL AND METHODS

1.2.1- The abundance of A. pisum in durum wheat-winter pea intercrop and in pure stands of winter pea.

Field studies were carried out in the Toulouse region (South-West of France) at two different

scales: i) in 2007 and 2008, aphids were counted in respectively 4 and 6 small plots (11 m²

each) located on fields of the INRA (Institut National de la Recherche Agronomique)

experimental station (Auzeville, 43°31′N, 1°30′E) and ii) in 2009 and 2010 they were counted

on 6 large plots (200 m² each), located on three different farms around Toulouse (2 plots per

farm). In each year and locality an equal number of replicates of durum wheat-winter pea

intercrops and sole crops of winter pea were compared. Plant densities in each plot as well as

treatments are described in Table 1.

38

Table 1- Plant densities (per m2) and pesticide treatments in intercrops (IC) of winter pea (Wp) and durum wheat (Dw) and sole crops (SC) of winter pea, in 2007, 2008 (small plots) and in 2009, 2010 (large plots). F= seed treated with a fungicide; H= herbicide applied 2-4 days after sowing.

Year / Site

Treatment

IC SC

Wp / Dw Wp

Small plots

2007 F & H 27 / 93 56

2008 H 59 / 109 59

Large plots

2009

Farm A Organic 51 / 169 97

Farm B Organic 102 / 83 96

Farm C Organic 118 / 134 117

2010

Farm C Organic 32 / 168 70

Farm D Organic 85 / 246 102

Farm E Organic 67 / 175 62

Counting started as soon as aphids were detected in the plots, generally in March. They went

on once a week until aphids disappeared, generally in June. For each plot, ten or twenty

plants, respectively in small and large plots, were randomly chosen. Each plant was

individually shaken over a white plastic box of 348 cm² and the number of collected aphids

was recorded.

The total number of aphids collected each week in each plot was analysed by general linear

mixed models with a Poisson error using package lme4 in R (R Development Core Team,

2010). In 2007 and 2008, the fixed factor was “Crop” (pure stand of peas or intercrop) and the

random factor was “Time” to account for the fact that aphids were counted in the same plots

every week. In 2009 and 2010, the fixed factor was “Crop” (pure stand of peas or intercrop)

and the random factor was “Time nested in Locations”.

39

1.2.2- The influence of two bottom-up factors on aphid abundance: spectral analyses of stands and nitrogen content of plants

1.2.2.1- Spectral analyses of stands of durum wheat-winter pea intercrop and pure stand of winter pea

In 2007 and 2008, aerial pictures were taken throughout the plants growth period to determine

the soil fraction covered by plants and the colour balance of the crops. Pictures were not

necessarily taken over the plots where aphids were counted (see 2.1.) but in similar ones.

Among the pictures of both types of stands, we choose those from the end of March, around

the beginning of aphid colonisation of peas. Pictures were taken horizontally with a numeric

camera (Nikon Coolpix 3100) 1 m above soil surface in the middle of plots. Images were

automatically analysed using ‘Measure RGB’ Plugin, from ImageJ software (version 1.44p) to

determine the RGB spectra (mean values of Red, Green and Blue, where each colour coded

from 0 to 255).

1.2.2.2- Nitrogen content of winter pea shoots grown in stands of durum wheat-winter pea intercrop and in pure stands of winter pea.

We analysed the nitrogen content of pea aerial parts to see if intercropped peas differed from

sole cropped peas in their nitrogen content in such a way that could explain differences in

aphid abundance.

Measures of total N in pea shoots were made from March to July, in 2009 and 2010, for each

plot mentioned in Table 1. For each date there were 3 replicates per plot. Each replicate

corresponded to a 0.5 m² of crop surface, randomly selected. All pea plants in this area were

cut just above soil surface, dried at 80°C for 48 h and then weighed. The concentration of N

content was then determined in sub-samples of finely ground plant material, following the

method described in Bedoussac & Justes (2010b). The nitrogen concentration was analysed

using a general linear mixed model with “Crop” as a fixed factor and “Month nested in Sites”

as random factors. Package lme4 in R (R Development Core Team, 2010) was used.

40

1.3. RESULTS

1.3.1- The abundance of A. pisum in durum wheat-winter pea intercrop and in pure stands of winter pea.

A. pisum was present in all the plots and it was the only aphid present. Pure stands of winter

pea were always significantly more infested than intercrop stands (P= 0.000 in each case;

Table 2).

Table 2- The mean, standard deviation (sd) and maximum (max) number of aphids per plant

in intercrops (IC) of winter pea and durum wheat and sole crops (SC) of winter pea, for plots

studied in 2007, 2008 (small plots), and in 2009, 2010 (large plots).

Year / Site

IC Sole crop

Mean (sd) Max Mean (sd) Max

Small plots

2007 2.8 (3.3) 10.1 6.4 (6.6) 24.6

2008 2.2 (2.7) 9.1 4.5 (6.2) 19.5

Large plots

2009

Farm A 0.9 (1.6) 4.7 1.4 (2.4) 6.9

Farm B 2.5 (4.2) 11.8 6.3 (9.2) 27.5

Farm C 1.7 (2.0) 5.2 3.0 (3.6) 8.4

2010

Farm C 1.1 (1.2) 2.5 5.8 (8.5) 22.7

Farm D 0.5 (0.7) 2.0 10.1 (14.1) 34.7

Farm E 1.2 (1.6) 4.1 8.5 (12.8) 28.4

41

1.3.2- The influence of two bottom-up factors on aphid abundance: spectral analyses of stands and nitrogen content of plants

1.3.2.1- Spectral analyses of stands of durum wheat-winter pea intercrop and pure stands of winter pea.

In both kinds of crop, the three reflectance bands present very close values but the green band

is always the most important one, followed by the red and finally the bleu bands (Table 3).

Table 3- The mean values of red, green and blue spectrum in pictures of stands of durum wheat-winter pea intercrop and pure stands of winter pea. N= number of analysed images; Sd= standard deviation.

N Red Green Bleu

2007

IC 2 130 (Sd 6) 144 (Sd 2) 101 (Sd 2)

SC 3 133 (Sd 6) 146 (Sd 8) 112 (Sd 17)

2008

IC 8 137 (Sd 22) 164 (Sd 23) 105 (Sd 22)

SC 6 134 (Sd 15) 154 (Sd 15) 96 (Sd 13)

In 2007 the values of the three reflectance bands are more important in sole crops than in

intercrops, contrary to what happens in 2008. This might be related to the fact that in 2007 the

intercrop was of the substitutive type while in 2008 it was of the additive type (Table 1). That

is, although the overall density (and therefore biomass) of plants is similar in both years for

the sole crops, it is much more important in 2008 in what intercrops are concerned.

1.3.2.2-- Nitrogen content of winter pea shoots grown in stands of durum wheat-winter pea intercrop and in pure stands of winter pea.

The nitrogen content of pea aerials parts displays the same trends in both years. Tissues of

peas contain about 4% of N early in the season (March - April), and this value falls to 2% in

May and June. The factor “Month” respectively represents 84.9 % and 91.9% of the variance

in 2009 and 2010. By comparison, “Site” effect is much weaker with respectively 12.2% and

1.9% of the variance in 2009 and 2010. Peas in the sole crops are slightly richer in N than

peas in the intercrop in 2009 and 2010 but these differences are not significant (2009:

NIC=2.61; NSC=2.64, t = 0.408, P<0.05; 2010: NIC=2.68; NSC=2.75, t = 1.079, P<0.05).

42

1.4. DISCUSSION AND CONCLUSIONS

Plant diversity is known to promote pest regulation (Letourneau et al., 2011). In what

concerns aphids in particular, this has been shown by for Aphis citricola van der Goot (Song

et al., 2011), Aphis gossypii Glover (Parajulee & Slosser, 1999; Showler & Greenberg, 2003)

or Brevicoryne brassicae (L.) (Bukovinszky et al., 2004). Our results establish for the first

time that intercropping durum wheat with winter pea significantly decreases A. pisum

abundance compared to winter pea monocultures. This is consistent across scale, year, locality

or type of intercrop (additive or substitutive).

Knowledge on the ecology of aphids and aphidophagous insects points out that bottom-up

rather than top-down factors should be at the origin of the regulation of these herbivores.

Theoretically, top-down regulation is possible if several species of predators attack aphids and

if the intensity of intraspecific competition is stronger than interspecific competition

(Northfield et al., 2010). As this possibility has never been validated in the field, our

hypothesis is therefore that intercrops of durum wheat - winter pea should display an

associational resistance (Tahvanainen & Root, 1972) towards A. pisum. We thus investigated

two bottom-up factors - spectral reflectance of stands and nitrogen content of pea plants– to

evaluate their contribution to the control of A. pisum on peas intercropped with wheat when

compared to pea sole crops.

Plants are first colonised by winged aphids. They are weak flyers but they are able to control

flight speed and direction when in the vicinity of vegetation (Dixon, 1998; Powell et al.,

2006). Selection of plants for landing is in part the result of the response to plant-reflected

wavelengths. Aphid eyes contain three types of colour receptors, each sensitive to the UV,

blue, or green spectra but in terms of behavioural responses Myzus persicae (Sulzer), the best

studied species concerning aphids vision, only positively reacts to green or yellow surfaces

and ignores surfaces reflecting red or blue light (Chittka & Doring, 2007). We tested the

hypothesis that intercropping durum wheat with winter pea masks the visual stimuli

emanating from the A. pisum host plants, leading to a lower colonization of the intercropped

peas. Yet, the spectral analyses of the two kinds of stands do not show any important

differences in the red, green or blue reflectance bands. We are aware that our method might

not be accurate enough to pinpoint a difference in reflectance. We therefore recommend that it

should be completed by e.g. a hyperspectral images analysis. However, if our results are

confirmed, this might indicate that the landing response of A. pisum is preferentially based on

43

volatiles emanating from plants, as it has been shown for other aphid species (Powell et al.,

2006). The hypothesis that those olfactory stimuli would be masked by the wheat non-host

odors still needs to be proved.

Aphids feed on the phloem sap of plants, which is rich in sugars and relatively poor in amino

acids (Dixon, 1998). Nitrogen content was shown to constrain the survivorship, rate of growth

and fecundity of aphids in general (Dinant et al., 2010; Nowak & Komor, 2010) and of the

pea aphid in particular, at least for the first two parameters (Abisgold et al., 1994).

Accordingly, aphids identify and choose hosts of higher nutritional quality (Nowak & Komor,

2010).

In intercrops of cereals and legumes, the cereal is a superior competitor for soil inorganic N,

through a faster and deeper root growth and increased demand for mineral N. As a result, the

intercropped legume has to increase symbiotic N2 fixation to satisfy its N requirements

(Bedoussac & Justes, 2010b; Naudin et al., 2010). Could this difference in the use of N by

peas, when intercropped with wheat compared to sole crops, have an impact on the N

available for aphids in peas?

Our results show that indeed peas in sole crops are richer in N than peas intercropped with

durum wheat, but this difference is not significant. However, we measured shoot richness in N

and it is possible that the slight differences observed here might translate into larger

differences in phloem nutrient composition. Other than quantitative differences, aphid

performance is known to be related to changes in the amino acid composition of the phloem

(Karley et al., 2002) and Parsons & Baker (1996) state that different modes of nitrogen

nutrition, which do alter the rate of nitrogen fixation, influence the nitrogen content of phloem

sap.

In conclusion, our work indicates a strong resistance of intercrop of durum wheat and winter

peas to the pea aphids. Visual stimuli (plant-reflected wavelengths) do not seem to be at the

origin of this resistance. Nitrogen content could contribute to explain the observed differences

in abundance but our data was probably not accurate enough to give a definitive answer.

ACKNOWLEDGEMENTS

The authors would like to thank J-F. Garrigues and P. Rouet for technical support. This work was done under the projects CASDAR 8058, ANR SYSTERRA PERFCOM and PSDR3 CITODAB. The laboratory “Evolution et Diversité Biologique” (UMR CNRS 5174) is part of the "Laboratoire d'Excellence” (LABEX) entitled TULIP (ANR -10-LABX-41).

44

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49

Chapitre 2 : Rôle des odeurs émises par les plantes dans la recherche

d’hôtes par les pucerons du pois (Acyrthosiphon pisum Harris)

RÉSUMÉ :

Le puceron du pois Acyrthosiphon pisum (Harris) attaque de nombreuses légumineuses, parmi

lesquelles le petit pois (Pisum sativum L). Pour coloniser sa plante hôte, A. pisum doit la

rechercher, puis la localiser. Dans un environnement marqué par la présence des autres

plantes, comme dans le cas des cultures associées, nous nous posons la question de savoir ce

qui détermine le choix définitif du puceron pour localiser et exploiter sa plante hôte. Le

présent travail se propose aussi d’examiner si des substances volatiles émises par la plante

hôte guident les pucerons.

Nous avons, au cours de ce travail, testé l’incidence de l’odeur produite par deux types de

cultures (monoculture de pois et une culture associée de blé dur au pois) sur le choix effectué

par les pucerons. Le choix des pucerons n’a pas été guidé par les odeurs des plantes.

Cependant, on note une tendance des pucerons à se diriger vers la source d’odeur émanant

d’une monoculture de pois. Nous avons aussi observé que la forme du puceron avait un effet

significatif sur le choix de la source d’odeur. C’est le cas des pucerons aptères qui vont

beaucoup plus vers la source d’odeur. Les quantités de plantes émettant les substances

volatiles n’ont pas eu un effet significatif sur le choix des pucerons.

Mots clés : Acyrthosiphon pisum Harris, source d’odeur, monoculture, culture associée

50

2.1. INTRODUCTION

Le développement, le vieillissement ou les attaques des herbivores modifient la valeur

nutritive et l’appétence des végétaux vis-à-vis des herbivores (Welter, 1989). Ces altérations

emmènent les herbivores à se déplacer à la recherche de sources de nourriture de qualité

optimale (Awmack & Leather, 2002 ; Karban & Myers, 1989).

Localiser et coloniser de nouvelles plantes dans des milieux où la diversité végétale est

souvent importante constitue un défi pour les herbivores (Lombaert et al., 2006). Les

individus qui ne trouvent pas suffisamment vite des plantes hôtes adéquates risquent de

mourir avant d’avoir pu réaliser leur fécondité potentielle. Plus le temps de recherche est long,

plus les herbivores sont exposés aux rencontres avec des ennemis potentiels et plus les risques

de mortalité augmentent. La localisation des plantes hôtes est donc une contrainte qui pèse

probablement assez fortement sur l’aptitude phénotypique des herbivores (Picket et al., 1992 ;

Irwin et al., 2007). Il n’est donc pas étonnant que la sélection naturelle ait favorisé les

individus ayant la capacité à utiliser des informations qui augmentent la probabilité de trouver

ces plantes. Les molécules volatiles qu’émettent la plupart des végétaux font patie des

informations prépondérantes, à côté de la vision qu’utilisent les herbivores.

Le défi que nous venons d’évoquer est très important pour la compréhension de la vie des

pucerons. En effet, ceux-ci ont une durée de vie très courte, de l’ordre de 20 à 30 jours en

moyenne (Dixon, 1997 ; Dixon, 1992). Cette rapidité de développement tient au télescopage

des générations, une stratégie qui est possible parce que les pucerons se reproduisent par

parthénogenèse pendant le printemps et l’été et qu’ils sont vivipares. Ce télescopage de

génération signifie qu’une femelle contient dans ses ovaires des pucerons femelles qui

contiennent- elles mêmes dans leurs ovaires des petites larves fonctionnelles. Ce télescopage

des générations, outre qu’il permet de réduire le temps de développement, contribue à

l’augmentation rapide des populations de pucerons, influençant ainsi l’ampleur de leur impact

sur les plantes hôtes qu’ils exploitent.

Il faut relever que les pucerons se nourrissent de la sève élaborée des plantes (Sandström et

al., 2000 ; Mattson, 1980). Ils insèrent en effet leur stylet entre les cellules et celui-ci pénètre

dans les canaux du phloème pour atteindre leur nourriture (Douglas, 2003). Les plantes

51

réagissent aux ponctions de sève en obstruant les canaux du phloème exploités par les

pucerons (Will & van Bel, 2006 ; Douglas, 2003). Ces conditions de défense forcent les

pucerons à partir fréquemment à la recherche d’autres parties de la plante hôte, voire d’autres

plantes. Les déplacements des pucerons ne sont donc pas seulement provoqués par les

détériorations de la plante. Avant d’arriver à ce point, l’augmentation du nombre de

consommateurs en un endroit donné de la plante, suite à la reproduction des colonisateurs,

augmente la compétition intra-spécifique et attire des ennemis naturels. En chassant, ces

derniers émettent des informations que perçoivent les pucerons. En réponse, on observe une

production accélérée d’individus ailés (Dixon & Agarwala, 1999 ; Weisser et al., 1999) .

En résumé, ces déplacements ont lieu non seulement lorsque les ressources alimentaires

diminuent, mais aussi lorsqu’il existe une forte compétition entre les consommateurs ou en

présence d’ennemis naturels. Les insectes en consommant les différentes parties d’une plante

influencent la croissance ou la reproduction de celle-ci et exercent ainsi de fortes pressions de

sélection sur elle. En réponse à ces pressions, la sélection naturelle a favorisé les génotypes

des végétaux possédant des moyens de défense constitutifs ou inductibles contre les

herbivores.

Confrontés à la nécessité de se déplacer, les pucerons ont fait évolué la capacité de présenter

comme d’autres herbivores, à l’exemple des criquets, diverses formes au cours de leur vie : ils

sont aptères ou ailés (Braendle et al., 2006). L’investissement apporté sur les deux formes est

différent : la forme ailée qui permet, par exemple, de faire rapidement les déplacements, se

distingue par le développement important des muscles thoraciques. Ce développement se fait

au détriment de l’investissement dans la reproduction (Lombaert et al., 2006 ; Hodgson,

1991). Les pucerons doivent donc faire des compromis dans l’allocation de leurs ressources

au soma et aux gonades (Mattson, 1980).

Les plantes émettent des substances volatiles au cours de leur vie. Au départ, ces odeurs

n’avaient probablement pas de fonctions particulières. Cependant, quelques insectes en ont

tiré profit et développé l’aptitude à les percevoir et à les utiliser. Ce qui était non intentionnel

fini par devenir un signal pour les herbivores. Au fil du temps, cette communication chimique

est devenue de plus en plus complexe. Par exemple, les substances volatiles des plantes sont

devenues des signaux susceptibles d’informer d’autres plantes des risques d’attaques par les

herbivores. En effet, une plante blessée par un herbivore qui la mâche ou la perfore émet une

52

signature distincte d’une plante saine (Turlings et al., 1990 ; Dicke & Sabelis, 1988). Cette

différence est mise à profit par divers ennemis naturels à la recherche des proies. On observe

également que certaines plantes peuvent aussi se mettre à synthétiser des toxines, histoire

d’empoisonner leurs éventuels assaillants dans leur développement (Paré & Tumlinson,

1999). Les herbivores, à leur tour, ont acquis et développé des capacités leur permettant

d’utiliser ces odeurs pour retrouver les plantes qu’ils consomment. Des capacités qui ne sont

pas sans conséquence pour le développement des plantes.

Les plantes, à cause de ces substances volatiles, sont susceptibles soit de recevoir les

herbivores qui vont les consommer, soit les ennemis naturels qui pourront éliminer les

herbivores (Karban et al., 2000 ; Vet & Dicke, 1992). Les herbivores vont ainsi se servir de

ces odeurs pour localiser leurs plantes hôtes. Dès lors qu’ils attaquent une plante, les

herbivores peuvent aussi communiquer avec leurs congénères de la présence d’une plante

hôte.

Les pucerons peuvent détecter les odeurs émises par les plantes grâce à leurs antennes (Storer

et al., 1996). De plus, les substances volatiles émises par les plantes peuvent influencer les

processus d’acceptation des plantes hôtes par les aphides (Pickett et al., 1992). Les travaux de

Webster et al (2008a, 2008b) ont permis d’identifier 16 molécules émises par la fève Vicia

faba var Sutton dwarf utilisée par le puceron noir des fèves (A. fabae Scopoli) pour trouver

cette plante hôte. En agriculture à bas niveau d’intrants ou en agriculture biologique, la lutte

biologique est l’option préférentielle pour réguler l’abondance des herbivores. Les ennemis

naturels des phytophages, tels que les coccinelles ou divers parasitoïdes, sont souvent perçus

comme capables de réguler l’abondance des pucerons (Dixon et al., 1996). Or, une analyse

des stratégies de vie de ces organismes indique qu’ils en sont rarement capables.

Pour réguler rapidement l’abondance de leurs proies, il faudrait que les ennemis naturels

infligent à ces proies une mortalité qui soit dépendante de leur densité (Murdoch, 1994;

Huntly, 1991). Cela signifie que la mortalité doit augmenter plus rapidement que l’abondance

des proies. Une telle mortalité est théoriquement possible si un nombre suffisant de prédateurs

ou de parasitoïdes converge vers ces proies (ce qu’on appelle la réponse numérique) et que la

consommation de chaque individu (sa réponse fonctionnelle) est également positivement

corrélée à l’abondance des proies. Or, il a été démontré que les ennemis naturels des pucerons

sont très sensibles aux risques de compétition, de cannibalisme ou de parasitisme. L’incidence

de ces risques sur l’aptitude phénotypique des ennemis naturels est telle qu’on observe

53

l’évolution de stratégies d’exploitation des pucerons qui réduisent ces risques. De telles

stratégies ont été mises en évidence chez les parasitoïdes et plusieurs espèces de prédateurs

(Martini et al., 2009 ; Muratori et al., 2008). Le cas des Coccinellidae, particulièrement étudié

au laboratoire, illustre ces adaptations. Hemptinne et al.(1992) ont montré que la réponse

numérique des coccinelles était très faible car les femelles évitent de pondre dans les colonies

de pucerons qui sont déjà exploitées. Elles perçoivent des informations chimiques, un cocktail

d’hydrobcarbures que les larves de coccinelles laissent sur les plantes en se déplaçant. Ainsi,

les coccinelles ont tendance à répartir leurs œufs entre les colonies de pucerons plutôt que de

les rassembler. En conséquence, les chances d’une régulation de la démographie des pucerons

par leurs ennemis naturels (régulation « Top-down » dans le réseau trophique) sont très

réduites. Northfield et al.(2010) estiment que cette régulation serait toutefois possible si

plusieurs cohortes d’ennemis naturels appartenant à des espèces différentes additionnent leur

capacité à tuer des pucerons. Ils notent cependant, que cela ne peut fonctionner que si ces

ennemis naturels sont moins sensibles à la compétition intraspécifique qu’à la compétition

interspécifique.

Des expériences réalisées en cage, au cours desquelles de telles cohortes étaient assemblées

par les chercheurs confirment la suggestion de Northfield et al. (2010). Toutefois, on ne sait

pas si de telles cohortes se regroupent spontanément dans les champs.

Dans ce chapitre, nous avons choisi d’explorer les mécanismes « Bottom-up » de contrôle des

populations de pucerons. Cela signifie que la régulation de l’abondance des pucerons se ferait

sur la base des réseaux trophiques (Denno et al., 2002 ; Menge, 1992). L’une des voix

possibles consiste à modifier les signaux émis par les plantes-hôtes afin de perturber la

recherche de ces plantes par les pucerons. Plusieurs voies de recherche sont envisageables. On

pourrait par exemple envisager de s’intéresser à des variétés de pois qui émettraient peu de

substances volatiles. Les essais de culture associant du blé dur et du pois d’hiver implantés à

la station de recherche de l’INRA d’Auzeville ouvrent une autre piste.

En effet, ces essais en champ nous ont montré (cf Chapitre 1, Ndzana et al., soumis) que les

pois cultivés en association avec du blé d’hiver étaient significativement moins attaqués par

les pucerons du pois (Acyrthosiphon pisum Harris) que des pois cultivés en peuplements purs.

Comme l’action des ennemis naturels est improbable comme mécanisme expliquant ce

résultat, nous avons choisi d’explorer une autre piste : la perturbation du signal olfactif émis

par le pois par les odeurs du blé d’hiver. Nous avons donc réalisé des expériences de

54

laboratoire à l’aide d’un olfactomètre afin de savoir si, premièrement, les pucerons du pois

sont attirés par les substances volatiles émises par le pois et si, deuxièmement, un mélange

d’odeur de pois et de blé dur les empêche de retrouver leur plante hôte. Dans ce cas, on

s’attend à ce que les pucerons se dirigent moins fréquemment vers la source de cette odeur

mixte qu’ils ne le font vers une source d’odeur provenant seulement du pois.

2.2. QUALITÉ DE LA PLANTE HÔTE

La culture d’une plante en association avec une autre s’accompagne inévitablement d’une

modification (amélioration ou détérioration) de la qualité d’une ou plusieurs plantes en

présence, ce qui peut gêner, par effet confondant, l’évaluation des seuls effets de la

diversification végétale sur les ravageurs (Hooks & Johnson, 2003 ; Theunissen et al., 1995).

L’augmentation de la fertilisation minérale, essentiellement azotée, des plantes cultivées

provoque des effets secondaires selon les types de ravageurs suceurs de sève et une réduction

des broyeurs (Altieri & Nichols, 2003 ; Letourneau, 1988). L’augmentation de la teneur en

azote s’accompagne dans la plante de celles des composés secondaires, souvent des

inhibiteurs de protéines de digestion, qui peuvent affecter l’appétibilité et/ou la digestibilité de

la plante, et qui s’accumulent dans les vacuoles des cellules. Ils ne sont pas ainsi consommés

par les suceurs de sève dont les stylets s’insèrent dans les tissus végétaux jusqu’au phloème en

évitant ces vacuoles, mais le sont pour les broyeurs (Mattson, 1980). Ces phénomènes sont

respectivement à l’origine, d’une part, de l’augmentation des densités de population de

ravageurs de certaines espèces végétales en polyculture, comme le relate Risch (1981) en

cultures tropicales, et Helenius (1989) pour un mélange avoine-fève, et, d’autre part, de la

diminution de ravageurs suite à l’altération volontaire de la qualité de la plante hôte en

mélange (Power, 1987).

La qualité de la plante hôte peut également être liée à un phénomène de sénescence plus ou

moins rapide des feuilles : Andow & Risch (1985) ont montré qu’en situation ombragée de

polyculture, les feuilles de citrouilles vieillissaient plus lentement qu’en situation plus ouverte

de monoculture et que les pucerons recherchant les feuilles les plus âgées phénologiquement,

étaient de ce fait plus nombreux en monoculture.

2.3. IMPORTANCE DES SIGNAUX OLFACTIFS ET VISUELS DANS LE CHOIX DE LA PLANTE HÔTE

Le comportement de recherche et d’utilisation des ressources vitales par les insectes

phytophages peut être subdivisé en trois étapes :

55

- la localisation de l’habitat de l’hôte ou de la proie,

- la localisation de l’hôte ou de la proie,

- l’acceptation de l’hôte ou de la proie.

Un insecte phytophage dépend entièrement de la disponibilité de ses plantes hôtes pour

survivre et se reproduire. Il se doit pour cela de les rencontrer dès qu’elles apparaissent dans

son écosystème pour y déposer ses œufs et/ou s’alimenter. Pour cela, d’une part, son cycle

reproducteur doit coïncider avec le développement de la plante hôte et d’autre part, il doit

disposer de mécanismes efficaces pour la localiser et l’identifier. Ceci est possible grâce à

l’élaboration de comportements cohérents et parfois sophistiqués, qui reposent sur la détection

de signaux pertinents renseignant l’insecte sur la qualité et les variations de son

environnement. Les insectes phytophages utilisent des repères visuels et/ou olfactifs pour

localiser leur plante-hôte à distance (Turlings et al., 1990 ; Dicke & Sabelis, 1988).

Les pucerons comme les autres insectes phytophages, peuvent utiliser des repères visuels, tels

que la couleur, la forme ou la structure de la plante-hôte pour la détecter (Prokopy et Owens,

1983). Ainsi, le puceron (Myzus persicae Sulzer) répond positivement à la couleur verte

comparativement à d’autres couleurs (Bernays & Chapman, 1994). D’autres facteurs peuvent

également intervenir. Par exemple, chez les charançons de l’espèce Pissodes strobi Peck

(Curculionidae), ces derniers trouvent leur hôte en utilisant une phototaxie (comportement par

rapport à la lumière). On parle de phototaxie positive lorsque le mouvement va à la lumière et

d’orientation négative lorsque le mouvement fuit la lumière et une géotaxie comportement par

rapport au sol. On parle de géotaxie positive lorsque le mouvement va vers la terre et

d’orientation négative lorsque le mouvement s’élève (Vandersar & Borden, 1977).

D’autres auteurs mentionnent la perception des substances volatiles par les antennes des

pucerons (Wadhams, 1990 ; Wohlers & Tjallingii, 1983; Yan & Visser, 1982). Les pucerons

répondent notamment aux odeurs des plantes par leur marche dans des expériences en

laboratoire (Nottingham et al., 1991 ; Pettersson, 1973, 1971), par le vol (Nottingham &

Hardie, 1993) et en champ (Chapman et al., 1981).

56

2.3.1. Repères olfactifs

La chimie des plantes joue un rôle majeur dans la reconnaissance des plantes via la détection

des substances chimiques volatiles, les substances allélochimiques, émises par les plantes

(Bernays & Chapman, 1994). En effet, les substances allélochimiques peuvent être

spécifiques des taxons, et le système des insectes a souvent la capacité de distinguer ces

odeurs parmi d’autres.

Ces odeurs peuvent être interprétées comme attractives, non attractives, voire répulsives par

les insectes phytophages (Dethier, 1982). La perception de ces odeurs se fait via des neurones

récepteurs olfactifs localisés sur les antennes des insectes (Hansson, 2002). Deux hypothèses

ont été proposées pour expliquer la reconnaissance des composés chimiques de l’hôte : (i) la

reconnaissance d’une odeur spécifique de l’hôte et ii) la reconnaissance d’un ratio spécifique

de composés volatiles. La première possibilité a été mise en évidence pour des pucerons qui

exploitent des plantes émettant des odeurs très spécifiques, comme les Brassicaceae et les

Alliacea. La seconde possibilité semble être la plus fréquente et suggère que la reconnaissance

de l’hôte par l’insecte phytophage se fait via un ratio de composés chimiques de la plante

(Bruce et al., 2005).

2.3.2. Sélection de la plante hôte

Les insectes phytophages sélectionnent leur hôte par des repères gustatifs (Visser, 1986). La

phénologie et la physiologie de la plante varient avec l’environnement et l’âge de la plante

(Schoonhoven et al., 1998). Cette variation implique une modification de la disponibilité et de

la qualité des ressources pour l’insecte phytophage, qui peut affecter ses performances ainsi

que la dynamique des populations d’insecte. Le choix de l’hôte va, en effet, être déterminant

pour les taux de croissance larvaire, la taille des adultes et leur fécondité (Awmack & Leather,

2002).

Le choix alimentaire pour certaines parties de la plante hôte peut également jouer un rôle

déterminant pour la fécondité et la survie des larves. Chez les pucerons, les jeunes pousses

sont ainsi plus prisées. Chez certains insectes, la maturation des œufs et le comportement

d’oviposition peuvent varier substantiellement selon la disponibilité et la qualité de l’hôte

(Papaj, 2000).

57

D’autres facteurs, peuvent influencer le choix de l’hôte, tels que l’arrangement spatial des

plantes hôtes, la présence de prédateurs (Bernays, 1989), la présence d’œufs de congénères

(Bernays & Chapman, 1994). Ces étapes correspondent à la sélection des ressources.

Par ailleurs, les plantes soumises à un stress, comme l’attaque par un herbivore, peuvent

modifier le profil des substances volatiles qu’elles émettent et ce, en vue de faire fuir ce

parasite et/ou de devenir plus attractives envers leurs ennemis naturels (prédateurs ou

parasitoïdes) de l’herbivore en question.

A distance, les pucerons utilisent les substances volatiles pour reconnaître leurs plantes hôtes

(David & Hardie 1988 ; Gish & Inbar 2006). Les substances volatiles gustatives jouent un

rôle important dans l’acceptation ou le rejet de la plante hôte après l’atterrissage du puceron

Powell et al., (1999). Lorsqu’il est perturbé, un puceron sécrète via ses cornicules, des

gouttelettes contenant une phéromone d’alarme, ce qui provoque la fuite de ses congénères.

La constitution chimique de ces sécrétions varie d’une espèce de puceron à l’autre, mais est

constituée essentiellement, ou en totalité d’(E)-β farnésene (EBF) (Francis et al., 2004).

L’(E)-β farnésene est également un composé sécrété par les plantes. Mais dans ce cas, la

réponse des prédateurs diffère à cause de la détection d’autres composés, dont le (-)-β

caryophyllène (Dawson et al., 1984).

Le puceron Rhopalosiphum maidis (Fich) se nourrit préférentiellement de plantes de maïs

(Zea mays L) saines lorsque des plantes non endommagées ou des plantes infestées de

pucerons lui sont présentées. L’effet répulsif vis-à-vis de R. maidis des substances volatiles

émises par les plantes attaquées peut s’expliquer de différentes manières. La production des

composés volatiles par la plante peut permettre soit d’informer les autres ravageurs de la

présence de concurrents phytophages soit d’attirer les ennemis naturels des pucerons. Une

molécule volatile, le (E)-β-farnesene est produite à la fois par la plante et par le puceron et

agit comme substance d’alarme chez les pucerons (Bernasconi et al., 1998).

2.3.3. Recherche de la plante et localisation

Les insectes, pour trouver leur site de ponte, d’alimentation ou encore leurs lieux

d’accouplement, sont obligés de faire des choix parmi différentes plantes. Cette recherche de

la plante hôte peut être perçue par de nombreux signaux physiques (sons émis, mouvements

58

de la proie, chaleur) ou chimiques (odeurs) des insectes ou des plantes interviennent dans la

localisation des sources alimentaires par les insectes.

Chez Delia radicum L (la mouche du chou), lorsque les femelles sont à 25 cm environ des

plantes, elles n’utiliseraient plus de signaux olfactifs, mais des signaux visuels, en particulier

la couleur et la taille des feuilles pour choisir la plante sur laquelle elles vont se poser

(Prokopy et al., 1983). D’autres insectes à l’instar de la mouche méditerranéenne des fruits

Ceratitis capitata Wiedemann, Ligth et al. (1988) ou la mouche de la carotte (Psila rosae F

(Guerin et Viser, 1980), ont montré qu’ils répondaient très favorablement aux odeurs de leurs

plantes hôtes.

Chez M. persicae, les couleurs vertes et jaunes ont été corrélées à la localisation de plante

hôte adéquate. Un comportement de recherches ponctuelles aléatoires est observé chez les

espèces aphidiennes et fournit au puceron une information sur les propriétés physiques et

chimiques de la plante. A ce moment, l’acceptabilité du site est déterminée. Ensuite, les

insertions répétées du stylet de l’homoptère dans les organes végétaux testés sont plus

nombreuses et aboutissent à l’acceptation de la plante hôte lorsque cette dernière est jugée

adéquate (Powell et al., 1995).

La topologie, la couleur (Pelletier, 1990), les exsudats trichomes (Neal et al., 1990),

influencent le comportement des pucerons avant l’insertion des stylets.

2.4. NATURE ET ORIGINE DES STIMULI

Les substances volatiles jouent un rôle important dans la localisation et la sélection de l’hôte

par les pucerons. Les travaux de Nottingham et al. (1991) montrent que les pucerons (Aphis

fabae Scopoli, Myzus persicae (Sulzer), Brevicoryne brassicae (Linnaeus)) aptères et ailés

sont attirés par leurs plantes hôtes tandis qu’ils sont repoussés pour les odeurs des plantes

non-hôtes. Ces dernières peuvent éventuellement masquer l’attraction des premières.

Chez les parasitoïdes (où le plus grand nombre des travaux ont été faits), les stimuli utilisés

semblent varier essentiellement en fonction de deux facteurs : le degré de spécialisation du

parasitoïde et le stade hôte attaqué (Turlings & Benrey, 1998). D’une manière générale, les

signaux chimiques sont les plus utilisés dans la localisation des patches d’hôtes (Turlings &

Tumlison, 1992). Les travaux de (Bukovinszky, 2004), montrent que les effets masqués des

plantes non hôtes seraient à l’origine de la faible abondance des ravageurs dans les habitats de

plantes diversifiés. Les travaux de Bukovinszky confortent l’hypothèse de la concentration

59

des ressources de Root (1973), les ravageurs ont davantage de difficultés à localiser ces

dernières et les quittent plus rapidement lorsqu’elles sont en situation de polyculture que de

monoculture.

Contrairement aux travaux de Kennedy et al. (1959) qui montrent que la plante hôte est

sélectionnée uniquement après l’atterrissage, ceux de Nottingham et al. (1991) démontrent

bien que l’olfaction a un rôle important à distance. Les mécanismes impliqués ne sont pas

précisément identifiés, mais divers stimuli sont mis en jeu. Nos résultats sur le terrain révèlent

également que les pucerons du pois infestent moins les cultures associées de pois et de blé dur

par rapport à la monoculture de pois pur (cf chapitre 1).

La diversité des stimuli olfactifs perçus par les phytophages dans une polyculture, peut

masquer ceux que les ravageurs spécialisés utilisent pour localiser leur plante hôte,

provoquant alors un ralentissement dans l’installation de ces derniers, voire leur départ

comme l’ont démontré Tahvanainen & Root (1972).

Dans les systèmes de cultures diversifiées, dans lesquels les plantes non hôtes peuvent

masquer l’odeur des plantes hôtes, les espèces les plus sensibles sont là aussi pour davantage

retrouver leurs plantes hôtes que les autres. Les ravageurs auraient moins d’incidence sur les

cultures plurispécifiques que sur les monospécifiques grâce à l’interférence avec plusieurs

stimuli et paramètres culturaux : (i) les stimuli olfactifs des plantes hôtes sont masqués par les

autres espèces cultivées, rendant leur localisation difficile ; (ii) les stimuli visuels, (iii) la

qualité de la plante hôte. L’augmentation de la fertilisation minérale, essentiellement azotée

des plantes cultivées provoquerait des effets contraires selon les types de ravageurs avec la

plupart du temps une augmentation des ravageurs suceurs de sève et une réduction des

broyeurs (Altieri & Nichols, 2003 ; Letourneau, 1988). Cette augmentation de la teneur en

azote s’accompagne, en effet, de celle des composés secondaires qui peuvent affecter

l’appétibilité et/ou digestibilité de la plante.

Les odeurs des plantes non hôtes et les odeurs des plantes hôtes attractives peuvent affecter

négativement l’orientation des odeurs de certains insectes à l’exemple des pucerons

(Pettersson, 1973) ou des mouches blanches (Chapman et al., 1981). On parle de méthodes de

camouflages olfactives qui pourraient prévenir les attaques de certains ravageurs (Thiery &

Visser, 1986).

60

Dans les cultures associées, l’attractivité des plantes hôtes est réduite, ce qui limiterait le

nombre d’insectes pour les plantes associées. Selon Finch & Collier (2000), les stimuli visuels

joueraient un rôle central dans le processus de reconnaissance des plantes hôtes et proposent

une nouvelle hypothèse, celle des atterrissages « appropriés et non appropriés ». Pour eux,

durant la recherche de la plante hôte, les insectes atterrissent indifféremment sur les objets

verts comme les feuilles des plantes hôtes (atterrissages appropriés) ou de plantes non hôtes

(atterrissages non appropriés). Les cultures associées comme méthodes de limitation des

insectes pourraient donc être comparées par la méthode de confusion des sexes (« mating

disruption »).

Grâce à l’interférence avec plusieurs stimuli et paramètres culturaux, les ravageurs auraient

moins d’incidence sur les cultures plurispécifiques que sur les cultures monospécifiques. Les

stimuli olfactifs des plantes hôtes sont masqués par les autres espèces cultivées, rendant leur

localisation difficile. Selon (Finch & Collier, 2000), les stimuli visuels seraient la seconde

étape dans le processus de localisation et d’identification de la plante hôte. Toutefois, ils sont

exacerbés en cas d’attaque de ravageurs et utilisés par certains auxiliaires pour se diriger vers

les foyers d’attaque. Les stimuli visuels sont eux aussi moins efficients, car les ravageurs

doivent distinguer les divers tons de vert des plantes. De même, la biomasse non hôte dilue les

ravageurs incapables de la distinguer de la biomasse hôte et fait fuir ceux qui sont capables

d’effectuer cette distinction. Les polycultures offrent également un microclimat en général

tamponné concernant les températures et la vitesse du vent, ce que recherchent bon nombre de

ravageurs.

2.5. SÉLECTION DE L ’HABITAT CHEZ LES PUCERONS

Dans le monde des insectes phytophages, 95 % des espèces sont monophages, c’est-à-dire

qu’elles n’exploitent qu’un seul genre ou qu’une seule famille. On parle d’adaptation à une

plante hôte (Via, 1990). Les 5 % des espèces restantes se partagent entre les espèces

oligophages et les insectes polyphages (Pettersson et al., 2007).

La sélection de l’habitat chez le puceron se fait en réponse à plusieurs types de stimuli. Une

étude de Hardie (1989) a mis en évidence l’existence d’une adaptation qui permet au puceron

Aphis fabae Scopoli qui est une espèce polyphage, de faire une sélection à distance de la

61

plante. Cette espèce réagit en effet à des longueurs d’ondes dans la région verte du spectre de

la lumière. Moericke (1969) pense que l’orientation visuelle des pucerons contribue fortement

à la sélection de leurs plantes hôte. D’autres études ont montré que d’autres espèces de

pucerons réagissent également à des jaunes saturés (Chapman et al., 1981), qui réfléchissent

certains ultra-violets (Pettersson et al., 2007).

De même, une étude faite par Hori (1999) a démontré que plusieurs espèces de pucerons

réagissaient également à des stimuli olfactifs. Il a utilisé les espèces monophages ainsi que des

polyphages. Les résultats de ces tests montrent que ce sont surtout les tests qui réagissent à

leur plante hôte, tandis que les espèces polyphages utilisent principalement les stimuli visuels.

Ceci vient confirmer une étude par ce même auteur effectuée en 1997, qui a démontré que

l’espèce de puceron Neotoxoptera formosana (Takahashi) était repoussée par les odeurs de

romarin et attirée par l’odeur de leur plante hôte, Allium fitulosum L (Hori & Komatsu, 1997).

En revanche, une étape de la sélection de la plante hôte s’effectue pour toutes les espèces de

pucerons directement sur la plante (Deguine & Leclant, 1997). En effet, une fois que le

puceron se retrouve sur la feuille, il procède à une série de ponctions dans l’épiderme de la

plante avec son stylet (Powell et al., 2006). Le stylet ainsi que le rostre semble n’avoir aucun

récepteur chimique externe, mais, il est probable que la sève de la plante soit ingérée et mise

en contact avec un organe gustatif dans la région épipharyngeale pendant la pénétration du

stylet.

2.6. OBJECTIF DU CHAPITRE

L’objectif de ce chapitre consiste premièrement à voir si des substances volatiles émises par

les petits pois attireraient les pucerons du pois (A. pisum Harris) vers leur plante-hôte.

Deuxièmement, il s’agira de voir si l’odeur du blé dur peut modifier l’information émise par

les pois au point d’affecter négativement la recherche des plantes-hôtes.

2.7. MATÉRIEL ET MÉTHODES

Les expériences présentées dans ce chapitre poursuivent un double objectif. Premièrement, il

s’agit de vérifier si les pucerons du pois sont attirés par l’odeur que dégage leur plante-hôte,

Pisum sativum L. Deuxièmement, on essaiera de voir si un mélange de blé dur et de pois est

moins attractif que des plantes de pois présentées seules. Les réactions de pucerons aptères et

de pucerons ailés à des odeurs émises par des plantes de pois d’hiver ou par un mélange de

62

plantes de blé dur et de pois d’hiver seront observées dans un olfactomètre construit au

laboratoire selon les indications de Vet et al. (1983). Il s’agira aussi, de voir s’il y a des

différences entre une souche sauvage de pucerons, dont les individus ont été récoltés dans des

champs de pois, et une souche élevée au laboratoire. Les opérations d’élevage des pucerons et

de cultures des plantes, les caractéristiques de l’olfactomètre et les conditions dans lesquelles

se sont déroulées les expériences sont successivement décrites ci-dessous.

2.7.1. Les pucerons

Les pucerons utilisés tout au long de l’expérience proviennent de l’élevage des pucerons du

pois, A. pisum Harris, réalisé au sein du laboratoire de l’UMR CNRS 5174 Evolution et

Diversité biologique de l’ENFA. Ceux-ci ont été préalablement élevés sur des plants de fève

(Vicia faba L), pendant de nombreuses générations afin de pourvoir à l’élevage des

populations de coccinelles. Pour les besoins de cette expérience, les pucerons ont été

implantés sur une culture de pois P. sativum, de façon à sélectionner des individus adaptés à

cette plante-hôte. Après quatre générations, les performances des pucerons sur les pois étaient

redevenues équivalentes à celles de leurs ancêtres sur les fèves.

Pour les besoins des expériences, des individus adultes de la quatrième génération élevée sur

des pois sont sélectionnés aléatoirement et isolés dans des boîtes de Pétri de 90 mm de

diamètre. Dans chaque boîte est préalablement disposée une pousse de pois P. sativum, de

7 jours (L = 50-65 mm). Celle-ci a germé au sein d’un morceau de coton humide

(250 x 250 mm = 6,25 cm²) posé sur une pièce de papier filtre Watmann®

(400 x 400 mm = 16 cm²). Ces pucerons sont ainsi élevés isolément jusqu’à ce qu’ils

produisent leurs premières larves. Ces juvéniles, issus d’une même mère, sont maintenus dans

une boîte de Pétri et ont accès à une pousse de pois jusqu’à atteindre la fin de leur

développement, soit après 7(±1) jours (Vet et al., 1983). Ils sont alors isolés à leur tour. On

les considère comme les adultes, dès qu’ils engendrent des pucerons de deuxième génération

parthénogénétique. Les individus sont maintenus dans des enceintes climatisées à 22 °C et

soumis à un cycle photopériodique de 16h/8 h.

2.7.2. Les plantes

La variété de blé dur utilisée pour ces expériences est 1823. Elle a été obtenue à l’Institut

National de Recherche Agronomique (INRA d’Auzeville). Quant au pois, il s’agissait de la

variété Enduro également obtenue à l’INRA d’Auzeville.

63

La préparation des graines de pois et de blé dur se fait de la manière suivante : les graines sont

mises sur une couche de coton imbibé d’eau. On les recouvre par la suite d’une seconde

couche de coton humide pendant 24 h afin de les humecter rapidement. Des pots (hauteur

14 cm ; diamètre : 30 cm) sont remplis d’un terreau contenant 70 % de tourbe et 30 % d’un

mélange en proportions égales des autres composants (argile, perlite, fibre de coco, sable,

vermiculite).

Cinq jours après la germination, les plantes sont repiquées de façon à constituer les différents

traitements (Figure 1). Le substrat utilisé est composé de perlite et de vermiculite dans le

rapport 1:1. Il permet à la fois l’aération du milieu et la conservation de l’humidité.

L’arrosage se fait trois fois par semaine à raison d’un litre d’eau pour cinq pots. Les plantes

mesurent 10 à 15 cm de hauteur au moment de l’expérience (Figure 2). Les plantes dans les

pots ont différentes densités suivant le type de plante. Ainsi, la monoculture de pois pur, a les

densités suivantes : 4 plantes, 8 plantes, 12 plantes, et 24 plantes. Quant à la culture associée

de blé dur et pois d’hiver, nous avons les densités suivantes : 10, 12, 24 graines/pot.

Figure 1 : Plantules de pois pur 4 jours après la transplantation.

64

Figure 2 : Plants de pois en monoculture prêts pour un test

2.7.3. Olfactomètre

2.7.3.1. Description de l’olfactomètre

L’olfactomètre à quatre bras a la même forme que celui décrit par Pettersson (1970) et

amélioré par Vet et al. (1983) et Saïd (2006). L’olfactomètre est constitué par une chambre

intérieure en forme d’étoile à 4 branches : les dimensions d’un sommet d’une branche de

l’étoile à celui qui est diamétralement opposé est de 12 cm. La hauteur intérieure de la

chambre est de 1 cm. Les sommets des quatre bras de l’olfactomètre sont percés d’un trou de

2 mm de diamètre dans lequel un embout en verre est enfoncé. Un tuyau en plastique est

emboîté sur chacun de ces embouts. Deux tuyaux convergent vers un raccord en T ; celui-ci

est connecté à un conduit en plastique dont l’extrémité s’ouvre dans une cloche en verre. Ces

quatre cloches mesurent chacune 35 cm de hauteur et 25 cm de diamètre (Figure 3), soit un

volume de 13355,21cm³ (13,35 litres).

Les cloches sont posées sur une plaque de verre rectangulaire, elle-même posée sur un support

métallique à quatre pieds dont les dimensions sont de 20 cm en largeur pour une hauteur de 22

cm. A la base de ce support, se trouve un rectangle sur lequel est posée la cloche. La plaque

de verre est coupée en deux parties égales. Chaque moitié est percée d’une encoche en demi-

65

cercle. Lorsqu’on rapproche les deux moitiés, ces deux encoches forment un orifice circulaire

qui permettra de laisser passer les tiges des plantes (Figure 3).

Le centre de la chambre de l’olfactomètre est percé d’un orifice de 2 mm de diamètre. Un

embout de verre est inséré dans cet orifice et un tuyau en plastique de même diamètre est

emboîté à cet embout. Ce tuyau est relié à une pompe qui aspire ainsi l’air à travers les quatre

branches de cet olfactomètre. L’air passe d’abord dans un dispositif qui permet de la saturer

en eau puis à travers un filtre à charbon de bois. Le filtre à charbon permet d’éliminer les

composés volatiles qui pourraient contaminer le flux d’air. Un débitmètre, réglé à 100 ml/min,

permet de contrôler le flux d’air dans chaque tuyau, entre les deux raccords en T et les entrées

de l’olfactomètre (Pham-Delègue et al., 1990). Si les quatre flux d’air sont égaux, ils

déterminent quatre champs d’odeur de même surface, centrés sur l’orifice par où l’air est

aspiré. Ainsi, lorsqu’un puceron sera introduit au centre de l’olfactomètre, il pourra analyser

les odeurs véhiculées par chacun des flux d’air. On vérifie régulièrement le réglage des

débitmètres et l’égalité des champs d’odeur en aspirant des vapeurs de NH4Cl dans

l’olfactomètre.

Figure 3 : Olfactomètre à quatre voies

66

2.7.3.2 Déroulement des expériences et analyse statistique

Les expériences se sont déroulées de février 2010 à mars 2011. Les expériences ont été faites

avec des pucerons adultes préparés comme cela fut précédemment expliqué plus haut. Les

expériences débutaient à 14 heures afin de laisser les pucerons à jeun durant 6 heures. Le

substrat du pot des plantes a été isolé par papier d’aluminium de façon à éviter que les odeurs

de ce substrat perturbent l’expérience. Un pot contenant la plante a été introduit dans une des

cloches. Afin d’éviter des hétérogénéités dans l’éclairage, l’olfactomètre a été placé dans une

chambre noire cylindrique de 10,5 cm de diamètre et 22 cm de hauteur (Figure 3). Une source

de lumière est placée sous l’olfactomètre. L’expérimentation est réalisée dans une pièce à une

température ambiante de 20 ± 1 °C avec une humidité relative de 70 %.

Au début de chaque expérience, un puceron est introduit dans une fiole en verre de 2 ml

pendant 5 min. Cette fiole est vissée sur un pas de vis adapté à un orifice percé au centre de la

face inférieure de l’olfactomètre. Lorsque le puceron sort de cette fiole et pénètre dans

l’olfactomètre, il rencontre les 4 champs d’odeur et il peut alors faire éventuellement un

choix. On observe le comportement du puceron sur une durée de cinq minutes. Une feuille en

polyester transparente sur laquelle sont tracés des cercles concentriques faits avec un feutre de

couleur noire. Elle est placée sous l’olfactomètre, le centre des cercles étant placés sous le

centre de l’olfactomètre (Figure 4). Ainsi, par transparence, on distingue quatre zones de

choix dans l’olfactomètre. On relève le premier choix effectué par chaque puceron, c’est-à-

dire s’il s’est immobilisé plus de 3 min dans une même zone. Les comportements des

pucerons sont également observés et notés. A la veille des expériences, tous les équipements

ont été lavés au détergent Teepol. Ces équipements sont rincés par la suite à l’éthanol à 70 %,

puis à l’eau distillée (Webster et al., 2008). Les équipements sont laissés toute la nuit à sécher

dans un four à 60 °C. A la fin des répétitions et chaque jour, l’olfactomètre a été lavé au

détergent Teepol. A l’intérieur de l’olfactomètre, il a été mis un papier filtre blanc de 90 mm

de diamètre (Whatman International Ltd Maidstone England). Ce papier blanc permet les

déplacements du puceron. Le papier filtre a été remplacé par un autre après chaque répétition.

Les deux entrées d’air attribuées aux différents traitements sont réattribuées aléatoirement à

chaque expérimentation. Une cloche inutilisée pendant l’expérience permet de placer une

autre plante en vue des expérimentations suivantes. En effet, les plantes doivent être mises

sous cloches fermées 24 heures avant l’expérimentation associée, afin de laisser le temps à la

cloche de se remplir des composés émis par la plante.

67

Les pucerons utilisés sont successivement des aptères et des ailés. Le nombre de répétitions

est présenté aux Tableaux 1 et 2. La proportion de pucerons ayant effectué un choix a été

analysée à l’aide d’un test binomial (Siegel, 1956). L’hypothèse nulle était que la probabilité

de choisir une odeur était égale à celle de ne pas le faire. Dans ce cas, effectuer un choix

signifie se diriger vers une source d’air par opposition à rester au centre de l’olfactomètre.

Ensuite, pour chaque type de puceron et chaque variante de l’expérience, le nombre de

pucerons se dirigeant vers la source d’air chargée de l’odeur du pois ou du mélange du pois et

du blé dur a été comparé au nombre de ceux qui se dirigeaient vers les trois sources d’air pur

au moyen d’un test de X² pour un échantillon (Siegel, 1956). L’hypothèse nulle était que les

pucerons choisiraient les sources d’air pur selon une probabilité de 0,75 et celle d’air

contaminé par l’odeur des plantes avec une probabilité de 0,25. Les résultats sont analysés à

l’aide du logiciel R (R Development Core Team, 2010).

Figure 4 : Olfactomètre délimité en zone permettant de mieux suivre la progression du puceron.

68

2.8. RÉSULTATS

2.8.1. Choix des pucerons et effectif des pucerons testés

Indépendamment des différentes souches ou formes, 1036 pucerons ont été utilisés (Tableau

1). Parmi ceux-ci, 569 furent soumis aux odeurs pures de pois et 467 aux odeurs émanant

d’un mélange de pois et de blé dur. Les pucerons ailés représentent 43,1 % et les aptères 56,9

% de l’effectif total. Parmi les deux souches expérimentées, la souche du laboratoire

représente 81,4 % des effectifs et la souche sauvage 18,6 % (Tableaux 2 et 3).

Tableau 1 : Les nombres de pucerons, en fonction de la source d’odeur et de la souche, ayant effectué ou non le choix de quitter la zone centrale de l’olfactomètre et de se diriger vers une des quatre sources d’odeur.

Type de

puceron

Type d’odeur Souche Choix

effectué

Pas de choix Total

Ailé

Ailé

Sous-Total

Pois pur Laboratoire 165 51 216

Blé pois Laboratoire 179 52 231

344 103 447

Aptère Pois pur Laboratoire 216 16 232

Aptère

Sous-Total

Aptère

Blé pois Laboratoire 152 12 164

368 28 396

Pois pur Sauvage 109 12 121

Aptère Blé pois Sauvage 65 7 72

Sous-Total 174 19 193

Total 886 150 1036

69

Tableau 2 Résumé des principales conditions expérimentales et des résultats des tests réalisés avec l’olfactomètre à quatre bras. Cas de pucerons ailés. Date Type de pucerons Type de plante Souche Nbre de plantes Temps (heure) Pas de choix Odeur Pas d’Odeur Total

19-11-6 dec 2010 Ailés Pois pur Laboratoire 12 24 18 18 43 79

18-11-18-11 Ailés Pois pur Laboratoire 12 48 1 4 11 16

22-11- 13-12 Ailés Pois pur Laboratoire 12 72 3 4 8 15

26-2-28-2-2011 Ailés Pois pur Laboratoire 24 24 19 12 35 66

1-3- 2011 Ailés Pois pur Laboratoire 24 48 10 11 19 40

Sous-total 51 49 116 216

24-1-12- 2010 et 19-2-22-

2- 2011

Ailés Ble pois Laboratoire 12*12 24 21 11 61 93

25-26-11- 2010 et 20-23 -

2- 2011

Ailés Ble pois Laboratoire 12*12 48 21 24 59 104

3 au 8 -12 2010 Ailés Ble pois Laboratoire 12*12 72 10 11 13 34

Sous-total 52 46 133 231

Tableau 3 Résumé des principales conditions expérimentales et des résultats des tests réalisés avec l’olfactomètre à quatre bras (cas des pucerons aptères) Date Type de pucerons Type de plante Souche Nbre de plantes Temps (heure) Pas de choix Odeur Pas d’Odeur Total

15-2 au-01 3- 2010 Aptères Pois pur Laboratoire 4 24 8 23 68 99

02-3- 2010 Aptères Pois pur Laboratoire 8 24 2 7 15 24

22-3s-29 mars 2010 Aptères Pois pur Laboratoire 12 24 6 31 72 109

Sous-total 16 61 155 232

25-2-17 -3 2010 Aptères Ble pois Laboratoire 5*5 24 8 13 43 64

31-3-14-4 2010 Aptères Ble pois Laboratoire 10*10 48 4 19 77 100

Sous-total 12 32 120 164

19 -5-02-6 2010 Aptères Pois pur Sauvage 12 24 12 25 84 121

04-au 9-6 2010 Aptères Blé pois Sauvage 10*10 24 7 18 47 72

70

2.8.2. Le cas des pucerons aptères

A la lecture du Tableau 4, on constate que la majorité des pucerons aptères introduits dans

l’olfactomètre a effectué un choix. Cela signifie que 92 % de l’effectif total s’est dirigé vers

l’une des quatre sources d’odeur de l’olfactomètre. Une petite minorité d’individus (8 % de

l’effectif total) est restée au centre de l’olfactomètre sans s’engager dans l’une des quatre

branches. Les valeurs des tests binomiaux calculées pour chaque traitement, chaque variante

en fonction du nombre de plantes et du temps d’émission des substances volatiles par les

plantes avant le début des expériences sont toutes hautement significatives.

Tableau 4. Analyse du comportement des pucerons aptères dans l’olfactomètre : le nombre de pucerons ayant effectué un choix, le nombre de pucerons ayant choisi de se diriger vers la source d’air chargé de l’odeur d’un groupe de pois ou vers l’odeur de pois cultivés en mélange avec du blé dur, en fonction du nombre de plantes qui ont produit l’odeur et du temps pendant lequel cette odeur s’est accumulée dans les cloches en verre avant le début de l’expérience. Traitements Nbre plantes Temps

(h) Choix Total Test binomial

(z) Vers l’odeur

Vers l’air pur

Test Chi²

Pois pur 4 24 91 99 -2,4498*** 23 68 0,0037 NS 8 24 22 24 P<0,0021 7 15 0,5454 NS 12 24 103 109 -3,9404*** 31 72 1,4271 NS 12a 24 109 121 -8,7272*** 25 84 0,2477 NS

Blé-pois 5 – 5 24 56 64 -6,1250*** 13 43 0,0952 NS 10–10 48 96 100 -9,1000*** 19 77 1,3889 NS 10–10a 72 65 72 -6,7176*** 18 47 0,2513 NS

• a Pour ce test, on a utilisé des pucerons du pois capturés dans des champs de pois et acclimatés ensuite au laboratoire (souche sauvage).

• 1 Comme l’effectif est inférieur à 25, le test a été calculé directement à partir de la table D de Siegel (1956).

• *** : hypothèse nulle rejetée au niveau de probabilité de 0,001. NS ; hypothèse nulle acceptée.

En ce qui concerne les pucerons ayant eu le choix entre trois sources d’air pur et une source

d’air contaminé par les odeurs de pois, la partie de droite du Tableau 4 indique également que

les proportions de pucerons se dirigeant vers la source d’air contaminé par l’odeur des pois ne

sont jamais significativement différentes des fréquences attendues. Celles-ci ont été calculées

en tenant compte du fait que les pucerons choisiraient la source d’odeur de plantes avec une

probabilité de 0,25 et les trois sources d’air pur avec une probabilité de 0,75. Dans un premier

temps, les résultats obtenus lors des deux expériences en offrant aux pucerons de l’odeur de

12 pois pur qui s’était accumulée pendant 24 h dans les cloches en verre de l’olfactomètre ont

71

été regroupés afin d’augmenter la puissance du test de Chi². Néanmoins, celui-ci reste non

significatif (Chi² : 0,2264 ; 1 d. l.). Le fait de regrouper ensuite les quatre expériences au

cours desquelles l’odeur émise par 4 à 12 pois cultivés seuls ne permet pas non plus de rejeter

l’hypothèse nulle (Chi² : 0,3703 ; 1 d. l.).

En ce qui concerne les pucerons ayant eu le choix entre trois sources d’air pur et une source

d’air contaminé par l’odeur émise par des pois cultivés en mélange avec du blé dur, on

constate également que les proportions de pucerons se dirigeant vers la source d’air contaminé

par l’odeur des plantes ne sont jamais significativement différente des fréquences attendues.

Celles-ci ont été calculées comme expliqué précédemment. Pour augmenter la puissance du

test statistique, on a d’abord regroupé les résultats des deux expériences au cours desquelles

des pucerons de la souche du laboratoire et de la souche sauvage ont été exposés à l’odeur de

10 plantes de pois et 10 plantes de blé dur. Le test Chi² n’est pas significatif (Chi² : 1,3668 ; 1

d. l). Le fait de regrouper ensuite les trois expériences au cours desquelles les pucerons eurent

l’occasion de choisir l’odeur émise par un mélange de pois et de blé dur ne permet pas non

plus de rejeter l’hypothèse nulle (Chi² : 0,4439 ; 1 d. l).

Enfin, la comparaison des résultats obtenus en exposant les pucerons à l’odeur des pois à ceux

obtenus en les exposant à l’odeur d’un mélange de pois et de blé dur ne met pas en évidence

de différences significatives, que ce soit au niveau des proportions de pucerons effectuant un

choix (Chi : 0,0027 ; 1 d. l) ou de la proportion de pucerons se dirigeant vers la source d’air

contaminée par une odeur de plante (Chi² : 0,8098 ; 1 d. l).

En conclusion, il apparaît que le comportement des pucerons aptères n’est pas influencé par

l’odeur des pois ni par l’odeur des pois cultivés avec du blé dur. La Figure 2 de l’Annexe 6,

nous permet de voir quelques pucerons aptères.

2.8.3. Le cas des pucerons ailés

En lisant toutes les lignes du Tableau 5, on s’aperçoit qu’une majorité de pucerons a toujours

effectué un choix. Sur l’ensemble des expériences résumées dans ce tableau, 77 % des

individus se sont dirigés vers une source d’air que celle-ci soit une source d’air pur ou d’air

contaminé par l’odeur de plantes. Les valeurs des tests binomiaux calculées pour chaque

traitement, chaque variante en fonction du nombre de plantes et du temps d’émission des

72

substances volatiles par les plantes avant le début des expériences sont toutes hautement

significatives. La proportion de pucerons qui choisissent de se diriger vers une des quatre

sources d’air n’est pas significativement différente lorsqu’on compare les 5 expériences

réalisées avec du pois aux 3 expériences réalisées avec un mélange de pois et de blé dur

(Chi² : 0,0762 ; 1 d. l). Par rapport aux pucerons aptères, la proportion de pucerons effectuant

un choix est significativement plus faible (pucerons ailés : 77 % ; pucerons aptères : 92 % ;

Chi : 46,5664 ; 1 d. l; P < 0,001).

En ce qui concerne les pucerons ayant eu le choix entre trois sources d’air pur et une source

d’air contaminé par les odeurs de pois, la partie de droite du Tableau 5 indique également que

les proportions de pucerons se dirigeant vers la source d’air contaminé par l’odeur des pois ne

sont jamais significativement différente des fréquences attendues. Celles-ci ont été calculées

en tenant compte du fait que les pucerons choisiraient la source d’odeur de plantes avec une

probabilité de 0,25 et les trois sources d’air pur avec une probabilité de 0,75. Dans un premier

temps, les résultats obtenus lors des trois expériences offrant aux pucerons de l’odeur de 12

pois cultivés seuls ont été regroupés afin d’augmenter la puissance du test de Chi².

Néanmoins, celui-ci reste non significatif (Chi² : 0,9697 ; 1 d. l). Le fait de regrouper ensuite

les deux expériences au cours desquelles l’odeur émise par les 24 pois cultivés seuls ne

permet pas non plus de rejeter l’hypothèse nulle (Chi² :0,9740 ; 1 d. l). Enfin, le regroupement

des cinq premières lignes du Tableau 5 ne permet pas non plus de rejeter l’hypothèse nulle

(Chi² : 1,9414 ; 1 d. l).

Au delà de cette analyse statistique des proportions, une tendance intéressante apparaît à la

cinquième ligne du Tableau 5 : lorsque l’odeur de 24 plantes a pu s’accumuler pendant 48 h

dans les cloches de verre de l’olfactomètre avant le début de l’expérience, les pucerons ont

plus tendance à se diriger vers l’odeur des pois. C’est dans ces conditions que la valeur du test

de Chi² se rapproche le plus de la valeur seuil au niveau de probabilité de 0,05.

La Figure 1 de l’Annexe 6, nous permet de voir un puceron ailé.

73

Tableau 5. Analyse du comportement des pucerons ailés dans l’olfactomètre : le nombre de pucerons ayant effectué un choix, le nombre de pucerons ayant choisi de se diriger vers la source d’air chargé de l’odeur d’un groupe de pois ou vers l’odeur de pois cultivés en mélange avec du blé dur, en fonction du nombre de plantes qui ont produit l’odeur et du temps pendant lequel cette odeur s’est accumulée dans les cloches en verre avant le début de l’expérience. Traitements Nbre

plantes Temps

(h) Choix Total Test binomial (z) Vers

l’odeur Vers l’air pur

Test Chi²

Pois pur 12 24 61 79 -4,9504*** 18 43 0,2309 NS 12 48 15 16 P<0,0041 4 11 0,0222 NS 12 72 12 15 P<0,0361 4 8 0,4444 NS 24 24 47 66 -3,3227*** 12 35 0,0071 NS 24 48 30 40 -3,3204*** 11 19 2,1778 NS

Blé-pois 12 - 12 24 72 93 -5,3922*** 11 61 3,6296 NS2 12 - 12 48 83 104 -6,1777*** 24 59 0,1790 NS 12 - 12 72 24 34 -2,5724*** 11 13 5,5556 *

• 1 Comme l’effectif est inférieur à 25, le test a été calculé directement à partir de la table D de Siegel (1956).

• * : hypothèse nulle rejetée au niveau de probabilité de 0,05 ; *** : hypothèse nulle rejetée au niveau de probabilité de 0,001. NS ; hypothèse nulle acceptée.

• 2 Cette valeur est significative au niveau de probabilité de 0,10.

En ce qui concerne les pucerons ayant eu le choix entre trois sources d’air pur et une source

d’air contaminé par l’odeur émise par des pois cultivés en mélange avec du blé dur, on

constate que les proportions de pucerons se dirigeant vers la source d’air contaminé par

l’odeur des plantes dépendent des conditions expérimentales. Lorsque l’odeur provient d’un

mélange de 12 pois et 12 pieds de blé dur qui s’est accumulée sous la cloche de verre de

l’olfactomètre pendant 24 h, on constate que les pucerons ont une tendance à préférer l’air pur

et qu’ils se détournent de l’air chargé de l’odeur des plantes (Chi² : 3, 6296 ; 1 d. l ; P < 0,10

mais > 0,05). Lorsque l’odeur d’autant de plantes s’est accumulée sous la cloche de verre

pendant 48 h, on n’observe pas de différence significative. Enfin, lorsque cette odeur s’est

accumulée pendant 72 h, la proportion de pucerons se dirigeant vers la source d’odeur est

significativement différente de celle des pucerons marchant vers les sources d’air pur (Chi² :

5,5556 ; 1 d. l ; P < 0,05).

Enfin, la comparaison globale de la proportion de pucerons se dirigeant vers la source d’odeur

de plantes montre que celle-ci n’est pas significativement influencée par le fait que les

pucerons soient aptères ou ailés (Chi² : 0,6955 ; 1 d. l). Néanmoins et bien que le test

statistique ne mette pas en évidence une différence significative, il semblerait que les

74

pucerons aptères aient plus tendance à se diriger vers l’air pur (406 observations ; effectif

attendu : 400,7) tandis que les pucerons ailés auraient plus tendance à marcher vers l’odeur de

plantes (95 observations ; effectif attendu : 89,7).

En conclusion, il apparaît que le comportement des pucerons ailés n’est pas influencé par

l’odeur des pois. Il l’est par l’odeur des pois cultivés avec du blé dur sous certaines conditions

expérimentales.

2.9. DISCUSSION

Les petits pois (Pisum sativum) cultivés en association avec du blé dur (Triticum turgidum L

subsp. Durum (Desf.) Husn) sont significativement moins attaqués par les pucerons A. pisum

que les pois cultivés en peuplement pur (Ndzana et al, soumis). La culture associée de ces

deux plantes peut donc être considérée comme une possibilité de lutte biologique. Il est

cependant peu probable que les ennemis naturels des pucerons soient responsables de cette

différence d’infestation (Dixon, 2000). En effet, les ennemis naturels des pucerons ont une

durée de vie plus longue que celle de leurs proies. Des modèles mathématiques indiquent que

dans ces conditions, les ennemis naturels n’infligent pas de mortalité suffisante à leurs proies

que pour exercer une régulation démographique (Kindlmann & Dixon, 1999). Comme les

pucerons vivent peu de temps, les colonies qu’ils forment sont assez éphémères du point de

vue des ennemis naturels qui ont une plus grande longévité. En conséquence, le mode de vie

des ennemis naturels n’a pas évolué pour tirer parti des périodes d’abondance des pucerons

mais plutôt pour leur permettre de survivre lors des périodes où les proies sont rares. Dans ces

conditions, nous nous sommes intéressés à d’autres facteurs susceptibles d’expliquer les

différences d’abondance de pucerons du pois que nous avons pu observer entre la culture pure

de pois et l’association de celle-ci et du blé dur. Il est maintenant bien démontré que le

bouquet de molécules volatiles émises par les plantes attire souvent les insectes herbivores

vers leurs plantes-hôtes (Hilker & McNeil, 2007). Nous avons donc voulu vérifier si le

puceron du pois (A. pisum) utilisait les odeurs qui se dégagent des petits pois (P. sativum)

pour se diriger vers ceux-ci. Il est bien connu que le blé (Triticum sp) émet un bouquet de

substances volatiles (Birkett et al., 2004). Une culture associée de blé dur et de petit pois doit

donc dégager une odeur qui combine les molécules volatiles des deux plantes. Nous avons

également voulu vérifier si la présence de substances volatiles du blé dur dans le bouquet

olfactif que perçoit le puceron du pois perturbait la recherche de plante-hôte au point de

pouvoir expliquer la moindre infestation observée dans les cultures associées.

75

Les recherches qui ont été rapportées dans ce chapitre sont basées sur des expériences

réalisées au moyen d’un olfactomètre à quatre bras ou à quatre entrées d’odeur. On introduit

un insecte au centre de cet appareil puis on aspire une odeur, que l’on souhaite tester dans

l’olfactomètre. Lorsque ce dernier est correctement réglé, l’insecte qui est au centre se trouve

au carrefour des quatre champs olfactifs. Il perçoit alors les molécules qui sont aspirées et

peut décider soit de rester sur place, s’il est inhibé par ce qu’il perçoit, soit de se diriger vers

le secteur de l’olfactomètre qui baigne dans l’odeur qu’il préfère.

D’une manière générale, sans entrer dans le détail des comportements, nous avons observé

une nette différence dans le comportement des pucerons aptères et celui des pucerons ailés.

Quelles que soient les conditions expérimentales que nous avons mises en œuvre (Tableaux 2

et 3), les pucerons aptères ne semblent pas répondre aux odeurs que nous leur proposions. Par

contre, le comportement des pucerons ailés est influencé par les odeurs émises par les plantes.

Webster et al., (2008a) a analysé le comportement de recherche de plantes-hôtes déployé par

le puceron noir de la fève, Aphis fabae Scopoli. Cet auteur a démontré que les formes ailées

de ce puceron répondent positivement à un mélange de 15 molécules. Il ne donne toutefois

pas d’information sur le comportement des individus aptères.

Une autre étude, sur Rhopalosiphon padi Linnaeus, conforte la différence de réponse que nous

observons entre les pucerons ailés et aptères (Webster, 2012). En effet, ce puceron s’oriente

vers des plantes de blé ou d’avoine en réponse à un mélange de molécules volatiles. Les

individus aptères répondent à 11 molécules tandis que les ailés ne répondent qu’à 4 d’entre

elles. Selon Webster (2012), cette différence reflèterait le mode de vie spécifique de ces deux

morphes du puceron : les aptères se déplacent sur de courtes distances en marchant si bien

qu’ils ont de fortes chances de retrouver une plante-hôte qui leur convient. Ils n’ont donc pas

besoin d’une source d’information très précise. A l’opposé, les pucerons ailés parcourent de

plus grandes distances lorsqu’ils volent. Une information plus précise, basée sur un petit

nombre de molécules plus spécifiques devrait les aider à localiser des plantes-hôtes au sein

d’une végétation diversifiée.

Lorsqu’on analyse plus finement le comportement des pucerons ailés et aptères, la première

différence réside dans la proportion d’individus qui effectue un choix, c’est-à-dire qui quitte

la zone centrale de l’olfactomètre pour se diriger vers une des quatre sources d’odeur. En ce

qui concerne les pucerons aptères, presque tous effectuent un choix puisque seulement 8%

76

d’entre eux restent au centre de l’olfactomètre. Cependant, les pucerons qui décident de se

diriger vers une source d’odeur le font autant vers les courants d’air pur que vers le courant

d’air chargé d’odeur de plantes. Que celle-ci soit celle des petits pois ou un mélange d’odeur

de petit pois et de blé dur ne modifie leur choix.

A l’opposé, 23 % des pucerons ailés ne choisissent pas et restent au centre de l’olfactomètre

pendant toute la durée de l’expérience. Ces deux proportions sont significativement

différentes. Cette différence est-elle en rapport avec la plus grande sensibilité des pucerons

ailés que nous avons précédemment évoquée à propos de R. padi (Webster, 2012) ? Cet auteur

rapporte également qu’au sein d’une population de pucerons ailés, tous les individus ne volent

pas, certains préférant toujours marcher. La plus grande sensibilité des ailés s’appliquerait-elle

à tous les individus ou seulement à ceux qui volent volontiers ? Nous ne pouvons pas

répondre à cette question. Toutefois, cette variabilité dans la manière de se déplacer des

pucerons fait écho aux considérations de Hilker & McNeil (2007), qui soulignent que les

réponses des individus d’une espèce peuvent être très variables. Ils n’excluent pas une

composante génétique. Il a en effet, été démontré qu’on peut améliorer la propension des

insectes à répondre à des odeurs en sélectionnant, génération après génération, les individus

qui ont tendance à répondre le plus à ces odeurs. De même, la réponse aux odeurs peut être

améliorée par un processus d’apprentissage (Vet et al., 1995).

Nous ne parlerons plus dans cette discussion des pucerons aptères puisqu’ils n’ont jamais

répondu aux odeurs que nous leur proposions. Par contre, l’observation du comportement des

pucerons ailés procure beaucoup d’informations intéressantes.

En première lecture, le Tableau 5 indique que les individus ailés d’A. pisum ne répondent pas

de manière significative aux odeurs du petit pois. Pourtant, une tendance intéressante est

perceptible. En effet, si on augmente à la fois le nombre de plantes qui libèrent des molécules

volatiles et le temps pendant lequel elles dégagent ces molécules avant le début de

l’expérience, on constate que les pucerons ont tendance à préférer le courant chargé par ces

molécules plutôt que l’air pur. Lorsque 24 plantes sont laissées pendant 48h sous une cloche

de verre avant que l’on commence à aspirer les molécules qui se sont accumulées vers

l’olfactomètre, on constate que la valeur calculée du test Chi² de comparaison des proportions

se rapproche de la valeur limite de rejet de l’hypothèse nulle d’égalité des proportions. Certes,

ce n’est qu’une tendance mais elle laisse à penser que la concentration des molécules volatiles

77

dans l’air serait un facteur important à prendre en considération pour comprendre le

comportement du puceron du pois. Si cette tendance devait se confirmer, elle conforterait les

connaissances sur l’utilisation des substances volatiles par les insectes pour trouver des

ressources alimentaires (Hilker & McNeil, 2007) : une plus grande concentration totale peut

soit augmenter la capacité de détection de molécules essentielles dans la reconnaissance des

ressources ou mettre mieux en évidence les molécules informatives par rapport aux multiples

odeurs de l’environnement qui constitue le « bruit de fond » du signal olfactif.

Comment expliquer que nous ne soyons pas parvenus à mettre en évidence une préférence

nette des pucerons du pois pour l’odeur de leur plante-hôte ? La question est pertinente à la

lumière des résultats probants obtenus par Webster et al., (2008a,b ; 2010) avec A. fabae.

Une première explication provient peut-être de la différence entre la méthode employée par

Webster et nous. Lorsqu’il mesure la réponse d’A. fabae aux substances volatiles des fèves

(Vicia faba L.), Webster et al., (2008a) enregistrent le temps que chaque puceron passe dans

chacun des quatre secteurs de l’olfactomètre. Quant à nous, nous n’avons pas enregistré de

temps de séjour. Nous considérons qu’un puceron effectue un choix lorsqu’il s’engage dans

l’une des branches de l’olfactomètre. Chaque branche était divisée en trois zones, la première

englobant le point de contact avec les trois autres et la dernière se situant au fond, au point

d’entrée de l’air. Il fallait qu’un puceron atteigne cette troisième zone pour que nous

considérions qu’un choix avait été fait. Notre manière de procéder est probablement plus

sévère que celle adoptée par Webster (2008a) et nous pensons que cela explique largement le

fait que nos résultats apparaissent moins nets que les siens.

Deuxièmement, des facteurs affectant la qualité de l’information olfactive dans nos

expériences pourraient également expliquer nos résultats mitigés : l’incidence de la qualité de

la plante et les interactions entre le bouquet olfactif caractéristique des petits pois et un « bruit

de fond » olfactif provenant de l’habitat des plantes-hôtes.

L’une des contraintes de nos expériences était la taille des cloches en verre dans lesquelles

nous enfermions les pots de petits pois ou de petits pois cultivés avec du blé dur. Nous étions

contraints d’utiliser des plantes relativement petites, mesurant en moyenne 10 à 15 cm.

Celles-ci sont nettement plus petites que les plantes qui sont colonisées au champ. Il a par

exemple été montré que le bouquet olfactif émis par certaines plantes change avec l’âge

78

(Johnson et al., 2004). Il se pourrait donc que l’odeur des jeunes pois ou du mélange de pois

et de blé dur n’attire pas encore suffisamment les pucerons du pois.

Le « bruit de fond » olfactif, c’est-à-dire un bouquet complexe émis par l’habitat dans lequel

vivent les plantes–hôtes recherchées par les herbivores, joue parfois un rôle important dans la

perception et l’utilisation d’informations olfactives par les insectes. La détection des plantes

ne dépend pas seulement de la quantité de substances volatiles dégagées par ces plantes mais

aussi du mélange de ces odeurs dans un contexte olfactif plus large. Ainsi, des odeurs émises

par le sol ou des plantes non-hôtes peuvent, soit masquer l’information intéressant un

herbivore particulier, l’empêchant ainsi de trouver des plantes hôtes, soit rendre cette

information plus perceptible en créant un fort contraste olfactif (Vet & Dicke, 1992). Par

analogie, l’odeur d’une jacinthe perdue dans un tapis de muguets sera aisément masquée

tandis que l’odeur d’un petit cadavre de rongeurs se décomposant dans ce même tapis de

muguets sera perçue avec d’autant plus de netteté qu’elle tranche avec l’environnement

olfactif dominant.

Or, en concevant nos expériences, nous avions essayé de supprimer toute source d’odeur qui

pourrait contaminer l’information émanant des plantes. Nous recouvrions notamment la

surface des pots pour éviter que des odeurs émanant du compost soient entraînées dans

l’olfactomètre, suivant des démarches expérimentales mises en place par plusieurs auteurs

(Mendesil et al., 2009 ; Webster et al., 2008a,b ; Vet et al., 1983 ; Pettersson, 1970). Il

apparaît maintenant que nous nous sommes peut-être privés de compléments d’information

qui auraient mis en valeur l’odeur des petits pois.

Les pucerons du pois que nous avions observé ont répondu plus nettement à l’odeur d’un

mélange de petits pois et de blé dur. Toutes les expériences proposaient une odeur émanant de

12 petits pois et de 12 plantes de blé dur. Confrontés à une odeur correspondant à 24 h

d’émission dans la cloche de verre de l’olfactomètre, les pucerons choisissaient de se diriger

vers la source d’air pur, évitant le mélange d’odeurs. Lorsqu’ils percevaient une odeur

correspondant à 48 h d’émission, aucune tendance statistiquement significative n’était

enregistrée, les individus se dirigeant aussi bien vers l’odeur des plantes que vers la source

d’air pur. Enfin, les substances qui s’étaient accumulées pendant 72 h dans la cloche de verre

déclenchaient une réponse significative des pucerons vers la source d’odeur. Ce changement

dans la réponse en fonction du temps d’accumulation de l’odeur nous renvoie vers la notion

de concentration de l’information ainsi que celle de contraste du signal (voir plus haut).

79

L’odeur des petits pois devient de plus en plus perceptible au fur et à mesure que la

concentration des molécules volatiles augmente dans les cloches de verre de l’olfactomètre.

En conclusion, nous avons montré que le puceron du pois est sensible à des molécules

volatiles émises par une de ses plantes-hôtes, le petit pois (Pisum sativum L.) ; ce puceron est

également affecté par l’odeur d’une plante non-hôte, dans ce cas-ci, du blé dur. Nous avons

montré que lorsque des substances volatiles du blé dur se mêlent à celles du petit pois, les

pucerons évitent de se diriger vers cette odeur et préfèrent l’air pur. Ce résultat est intéressant

dans l’optique de la protection des petits pois cultivés en association avec du blé dur. Il

convient toutefois de rester prudent et nos résultats attendent une confirmation expérimentale.

Il faudra en premier lieu s’affranchir de la contrainte que constitue le volume des cloches de

verre de l’olfactomètre. Ces cloches étaient trop petites pour nous permettre de travailler avec

des plantes d’une taille comparable avec celles que les pucerons rencontrent dans les champs.

Au delà de cette problématique de la taille des plantes, se pose la question de la variabilité de

l’information olfactive en fonction de la taille et donc de l’âge des plantes.

Ensuite, il faudra analyser l’odeur des petits pois et celle des petits pois en association avec du

blé dur. A la lumière de notre dispositif expérimental, il n’y a aucun doute quant à l’émission

de substances volatiles par ces plantes. Celles qui émanent du blé sont connues (Birkett et al.,

2004), mais ce n’est pas le cas pour celles du petit pois. Une fois cette identification réalisée,

il faudra proposer aux pucerons un mélange synthétique ; cette démarche nous permettra, en

cas de succès, de mettre en évidence les molécules qui délivrent une information utile pour les

pucerons. Il sera sans doute plus facile de manipuler la concentration totale de l’information

olfactive dans l’air ainsi que la concentration relative des composés, une démarche

indispensable pour confirmer nos observations quant à l’attractivité ou le caractère répulsif

des odeurs (Webster, 2010 ; 2008 a,b).

Enfin, il devient pertinent, au vu de nos premiers résultats de soumettre des pucerons du pois

à de l’électro-antennographie, seule méthode qui permettra de connaître avec certitude les

molécules perçues par le système nerveux de ces insectes.

A ce moment, toute ambiguïté quant au rôle des molécules olfactives dans le comportement

de recherche de plante-hôte développé par le puceron du pois sera levée. On pourra alors

explorer les applications pratiques agronomiques de ces molécules.

80

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88

Chapitre 3 : Déplacements et aptitude du puceron du pois (Acyrthosiphon pisum Harris) dans un peuplement pur de pois (Pisum sativum L) et dans un peuplement mixte de pois et de blé dur

(Triticum aestivum L)

RÉSUMÉ :

Le puceron du pois Acyrthosiphon pisum (Harris) attaque de nombreuses légumineuses, parmi

lesquelles le petit pois (Pisum sativum L). Comme la plupart des pucerons, A. pisum est

caractérisé par sa forte propension à migrer et par son polymorphisme. Ces deux

caractéristiques permettent aux pucerons de traquer les meilleures ressources alimentaires

disponibles dans le temps et dans l’espace. Dans ce contexte, nous avons voulu savoir si

l’environnement de la plante-hôte avait une influence sur les déplacements et l’aptitude des

pucerons. Dans une serre, nous avons observé les déplacements et calculé les paramètres

démographiques d’A. pisum adultes dans un peuplement pur de pois d’hiver et dans un

peuplement mixte de pois d’hiver et de blé dur. Les distances parcourues en culture pure de

pois sont significativement plus longues qu’en culture associée. Nous avons également

observé que le taux de fécondité est plus élevé en culture associée de blé/pois par rapport à la

culture de pois pur. De même, le taux de survie des larves est plus élevé en culture associée

par rapport à la culture de pois pur même si la différence n’est pas significative. Nous nous

posons cependant la question de savoir si ces différences constatées en serre sont susceptibles

d’expliquer la moindre infestation des cultures associées au champ?

Mots clés : Acyrthosiphon pisum, Pisum sativum, déplacement des pucerons, valeur sélective.

89

3.1. INTRODUCTION

Dans le chapitre 1 de cette thèse, nous avons montré que les cultures associées de pois et de

blé dur sont significativement moins infestées par les pucerons du pois que les cultures pures

de pois. Il est peu probable que les ennemis naturels soient à eux seuls capables de réguler

l’abondance des pucerons au champ. En effet, les prédateurs et les parasitoïdes ne répondent

pas ou peu à l’accroissement de l’abondance de leurs proies par une augmentation

significative de leurs effectifs aux endroits où les pucerons sont nombreux. Cette absence de

réponse est une adaptation au caractère éphémère des colonies de pucerons (Kindlmann &

Dixon, 2001 ; Kindlmann & Dixon, 1999 ; Hemptinne & Dixon, 1991). En effet, la longévité

des pucerons est de l’ordre d’une semaine. Une colonie de pucerons croît et disparaît en 6 à 8

semaines. Les prédateurs des pucerons se développent de l’œuf à l’état adulte en 4 à 5

semaines. A la lecture de ces différences, on comprend le défi évolutif auquel doivent faire

face les prédateurs : éviter que la compétition ne fasse disparaître la ressource avant la fin de

leur développement. La solution qui a été privilégiée par la sélection naturelle n’est pas une

réponse à l’abondance temporaire des proies, mais plutôt un évitement de la compétition. En

conséquence, les ennemis naturels répartissent leurs œufs entre de nombreuses colonies de

pucerons plutôt que de les rassembler en fonction de l’abondance des proies.

Dans ce chapitre, nous nous proposons de rechercher d’autres mécanismes qui justifieraient la

différence d’infestation constatée au chapitre 1. Nous mettrons plus particulièrement l’accent

sur des expériences destinées à comprendre l’influence de la structure du peuplement végétal

et l’aptitude phénotypique des pucerons.

Les pucerons se nourrissent de la sève élaborée des plantes (Sandström et al., 2000 ; Douglas,

1993). Celle-ci n’est généralement disponible que pendant une période limitée de l’année,

pendant la phase de croissance des plantes annuelles et pérennes. De plus cette disponibilité

est modulée par les réactions de la plante aux piqûres des pucerons. Les plantes ont en effet la

faculté de tarir le flot de sève vers les apex fortement attaqués (Tjallingii, 1995). Dès lors, les

pucerons doivent continuellement se déplacer sur les plantes ou entre les plantes, à la

recherche de sites favorables pour extraire de la sève. En nous appuyant sur l’hypothèse de la

concentration des ressources (Root, 1973), nous formulons l’hypothèse qu’un peuplement

mixte de blé et de pois constitue un milieu moins favorable pour les déplacements des

90

pucerons que des parcelles de cultures pures de pois. En effet, les pucerons auraient plus de

chance de se perdre et passeraient plus de temps à rechercher une plante de pois dans un

peuplement mélangé que dans un peuplement pur. Dans ces circonstances, nous émettons

l’hypothèse que l’énergie qui serait dissipée pour supporter de longues recherches de plantes-

hôtes ne pourrait pas être allouée à la reproduction. Celle-ci devrait donc être réduite.

L’aptitude phénotypique des pucerons ne serait pas seulement affectée par cette allocation

d’énergie défavorable à la reproduction, mais aussi par la mortalité qui serait plus forte dans

les cultures associées de pois et de blé. En effet, plus les déplacements sont longs, plus les

pucerons ont de chance de rencontrer des ennemis naturels, par exemple des coccinelles, des

syrphes, ou des parasitoïdes.

3.1.1 Histoire de vie et déplacement des pucerons

A la lumière des considérations précédentes, la sève, du point de vue des pucerons, est une

ressource éphémère. Les pucerons se sont adaptés à cette ressource de plusieurs manières.

Premièrement, ils sont relativement petits et ont une durée de vie courte. Deuxièmement,

plusieurs générations de pucerons se développent par parthénogenèse au printemps et en été

sur des hôtes qualifiés de secondaires. Troisièmement, les générations parthénogénétiques

sont télescopiques (Kindlmann & Dixon, 1999 ; Dixon, 1998) ; c’est-à-dire que chaque

femelle donne naissance à des filles qui portent déjà leurs filles en état avancé de

développement dans leurs oviductes, et ces dernières leurs filles également. Enfin, en

automne, des individus ailés volent vers des plantes-hôtes primaires sur lesquels leurs

descendants passeront l’hiver. La nécessité de se déplacer est donc une adaptation essentielle

des pucerons à la fois pour trouver des sites optimaux d’extraction de sève et pour trouver des

plantes-hôtes adéquates pour se reproduire tout au long de l’année.

Les pucerons se déplacent également sur de courtes distances, ce qui leur permet de trouver

de nouvelles plantes-hôtes dans leur voisinage immédiat. Les individus aptères sont impliqués

dans de courts déplacements sur une plante hôte ou entre des plantes - hôtes en contact les

unes avec les autres. Les pucerons peuvent également voler pour découvrir des plantes - hôtes

éloignées (Harrington & Taylor, 1990). A titre d’exemple, chez Schizaphis graminum

Rondani (Kring & Kring, 1990), les individus ailés peuvent parcourir de longues distances de

l’ordre de plusieurs centaines à un millier de kilomètres (Irwin & Tresh, 1988 ; Robert, 1987).

91

Le polyphénisme, c'est-à-dire la succession d’individus ayant des morphologies différentes et

accomplissant des fonctions écologiques différentes (Dedryver, 2010) est sous la dépendance

de divers facteurs comme l’effet de groupe, l’état physiologique de la plante hôte ou la

présence d’ennemis naturels. A l’exemple d’A. pisum, les pucerons ailés sont généralement

produits lorsque les conditions environnementales deviennent mauvaises, c’est-à-dire lorsque

la qualité de la sève diminue ou lorsque des prédateurs ou des parasitoïdes attaquent la colonie

(Podjasek et al., 2005 ; Slogget & Weisser, 2002 ; Dixon & Agarwala, 1999). Cette évolution

se traduit par des changements et des coûts physiologiques. Ainsi, les femelles ailées sont

moins fécondes et croissent moins vite que les femelles non ailées (Muller et al., 2001). Par

contre, leurs muscles thoraciques qui actionnent les ailes sont très développés (Dixon, 1998;

Mackay et al., 1983; Mackay & Wellington, 1975).

La seconde forme de polyphénisme chez le puceron du pois est la reproduction sexuelle et la

reproduction asexuelle encore appelée parthénogénèse. En effet, afin de survivre aux

conditions environnementales délicates pendant la période hivernale, les pucerons produisent

des individus sexués à la fin de l’été, lesquels vont s’accoupler pour produire un œuf résistant

au froid. On parle de photopériodisme saisonnier chez les pucerons (Le Trionnaire et al.,

2008). Ce polyphénisme de reproduction est principalement induit par la diminution de la

photopériode à la fin de l’été. La descendance issue de la parthénogénèse est uniquement

femelle.

D’autres polyphénismes sont observés chez les pucerons, tels que la présence des larves

soldats chez les espèces sociales organisées en castes (Stern & Foster, 1996). Chez le puceron

Colophina arma (famille Pemphigidae) par exemple, les femelles parthénogétiques produisent

deux types de larves : des larves qui se développent pour donner des adultes se reproduisant

par parthénogenèse et des larves soldats dont le développement s’arrête au dernier stade

larvaire et dont les pattes antérieures et médianes sont modifiées et renforcées en forme de

pinces (Simon, 2007).

Il existe également un important polyphénisme de coloration chez les pucerons. C’est le cas

des variations de couleur intramorphique, qui sont d’ordinaire induites par des facteurs

environnementaux et sont réversibles. Parmi ces facteurs environnementaux, l’on retrouve les

variations de température ou d’intensité lumineuse. Par exemple, la forme rouge du puceron

Sitobion avenae F produit une progéniture verte, ou de couleur intermédiaire lorsqu’elle est

soumise à de courtes périodes d’éclairage et à faible intensité (Markkula et al., 1967). Enfin, il

92

a été récemment montré que l’infection d’A. pisum par une bactérie endosymbiotique

facultative, appartenant au genre Rickettsia, est susceptible d’intervenir sur la synthèse des

pigments conférant au puceron du pois sa couleur, en provoquant des changements de

coloration du rose au vert dans les populations naturelles (Tsuchida et al., 2011). La couleur

des insectes est une caractéristique importante qui influence les relations prédateur-proie

puisque certains phénotypes se camouflent mieux que d’autres (Abrams, 2000).

3.1.2. Le cas de polyphénisme est-il propre aux pucerons?

Chez les autres animaux, on parle volontiers de polymorphisme plutôt que de polyphénisme.

Le polymorphisme, ainsi qu’on le découvrira à travers les deux exemples présentés ci-

dessous, est la propriété des espèces animales qui se présentent sous plusieurs formes

différentes, à un même stade de développement ou plus généralement à la fin de leur

développement (Moran, 1992 ; Kawada, 1987). Il permet de faire face à plusieurs problèmes

dont le déplacement pour la recherche de nouveaux sites de nutrition et la défense contre les

prédateurs. Toutefois, polyphénisme et polymorphisme sont assez proches.

Chez les criquets, à l’exemple de Locusta migratoria (Linné), un polymorphisme apparaît en

fonction des conditions du milieu (Tanaka, 2000). Si les criquets sont peu nombreux et la

végétation peu abondante, ils arborent le phénotype de la forme solitaire, caractérisé par une

coloration verte. Mais si la végétation devient plus abondante en réponse à des circonstances

environnementales favorables, ils deviennent plus nombreux et prennent alors le phénotype de

la forme grégaire, caractérisé par des colorations brunes et jaunes et un comportement de

groupe qui les pousse, lorsqu'ils sont adultes, à s'envoler en essaims dévastateurs regroupant

plusieurs milliers d’individus. Ces différentes formes intéressent aussi bien les larves que les

adultes, mâles et femelles. Notons que ce polymorphisme est anatomique et corrélé à des

comportements particuliers (Tanaka, 2000 ; Pener, 1991). On remarque une similitude entre

les effets de groupe chez les pucerons ou les orthoptères.

Chez les termites (Ordre des Isoptères), qui sont des insectes sociaux, le polymorphisme se

traduit au niveau des castes correspondant à une division du travail et une hiérarchie sociale.

Une société est en fait une famille nombreuse, fondée par un roi et une reine, tous les deux

ailés. Parvenu à l’état adulte, ces ailés émigrent de leur colonie de naissance après un vol

nuptial et s'accouplent. Peu de temps après, ils perdent leurs ailes et creusent un terrier dans le

sol. Ce sera le point de départ de la termitière. Les premiers œufs sont pondus, ils donnent

93

naissance à des larves qui se développent en individus très différents des parents : blancs,

aveugles, sans ailes, on les appelle ouvriers. Ils prennent en charge la récolte de nourriture et

l'agrandissement de la termitière. Plus tard, apparaîtront les premiers soldats qui protégeront

la termitière. Ces derniers sont généralement de plus grande taille que les ouvriers, ont des

mandibules hypertrophiées et, selon les espèces, en forme de poire qui peut projeter de la glu

sur tout assaillant. Ouvriers et soldats sont stériles ; ils sont dits neutres. Toutefois, leurs

stades larvaires peuvent évoluer en sexués de remplacement, appelés néoténiques, en cas de

disparition du couple royal. Chez Microcerotermes strunkii (Sörensen), des individus se

différencient dès les premiers stades de développement pour former une caste de

développement permanente. Les ouvriers se distinguent des nymphes pourvues de bourgeons

alaires. Seules ces dernières pourront se développer en ailés qui s’envoleront pour fonder de

nouvelles colonies (Roisin & Korb, 2011).

Contrairement au cas des criquets, de nombreuses formes différentes sont donc présentes en

même temps dans la société des termites. Ce n'est que lorsque la colonie aura atteint une taille

importante que de nouveaux ailés se formeront et partiront de leur termitière pour fonder de

nouvelles colonies.

L'existence répandue du polymorphisme lié à la possession d’ailes dans quelques espèces

d'insectes différentes implique un compromis (« trade-off ») entre la capacité de dispersion et

les autres composants de l’aptitude phénotypique des insectes (Muller et al. 2001 ; Harrison,

1980). Les insectes ailés bénéficient de la capacité de coloniser de nouvelles plantes dans de

nouveaux habitats à travers des vols de longues distances (Sack & Stern, 2007 ; Weisser et al.,

1999). Les vols des insectes devant faciliter la recherche de la nourriture ou d’un partenaire

pour s’accoupler.

3.1.3. Evolution du déplacement des pucerons

Une fois que les plantes- hôtes ont produit leurs graines et qu’elles entrent en sénescence, les

pucerons ont le choix d’émigrer vers une nouvelle plante ou de rester pour tirer parti du peu

de sève qui circule encore. L’émigration permet aux pucerons de trouver de nouvelles plantes-

hôtes et donc de meilleurs sites pour leur développement. Cependant, cette dispersion n’est

pas sans risque : ils peuvent ne pas trouver de nouvelles plantes avant la fin de leur vie, ou

être victimes de prédateurs. Il semble néanmoins que la mortalité provoquée directement par

la dispersion est significativement plus grande que celle infligée par d’éventuels prédateurs

94

rencontrés pendant la dispersion. La plupart des ailés meurent en effet en cours de migration

avant d’avoir pu trouver une nouvelle plante-hôte. Ward et al. (1998) estiment que près de 99

% des ailés meurent au cours de ce vol. Les pucerons ailés possèdent, proportionnellement à

leur taille, de plus gros muscles thoraciques et de plus petits organes de reproduction que les

pucerons aptères. Les formes ailées sont donc moins fécondes que les formes aptères. Ceci

constitue un handicap supplémentaire.

Toutefois, le fait que la capacité de migrer ait été favorisée par la sélection naturelle indique

que les bénéfices liés à la migration sont supérieurs aux coûts. En conséquence, les individus

qui trouvent une nouvelle plante-hôte et qui parviennent à s’y développer ont une bien

meilleure aptitude que ceux qui seraient restés sur des plantes sénescentes. En effet, les

pucerons qui ne seraient pas partis n’auraient à leur disposition que des plantes déjà

colonisées, ou sénescentes voire desséchées, ce qui se traduira tout d’abord par une

compétition intense dont le résultat sera une diminution de la taille et donc de la fécondité des

individus (Murdie, 1969). Ensuite, ces pucerons sédentaires mourront de faim lorsque ces

vieilles plantes se dessècheront.

Le déplacement des pucerons est donc une stratégie évolutive fondamentale chez les

pucerons. C’est pourquoi, il est pertinent de rechercher les facteurs susceptibles de perturber

leur capacité innée à se déplacer au point d’affecter leur aptitude phénotypique. Plusieurs

études sur les déplacements des pucerons se sont focalisées sur de longues distances (Loxdale

& Lushai, 1999) et très peu sur de petits déplacements (Lombaert et al., 2006). Nous nous

proposons dans ce chapitre, de combler cette lacune et de nous intéresser aux petits

déplacements au sein d’un peuplement de plantes.

L’objectif de ce chapitre consistera à : 1. Vérifier que les pucerons adultes se déplacent sur les

plantes et répartissent leurs descendants en plusieurs endroits (d’une même plante ou sur des

plantes différentes) ou si, au contraire, ils sont peu mobiles; 2. Vérifier en fonction de la

réponse à la question précédente, si la présence de plantes non-hôtes tel que du blé dur autour

des plantes-hôtes du pois, perturbe les déplacements des pucerons; 3. Estimer l’aptitude

phénotypique des pucerons ayant à leur disposition plusieurs plantes de pois ou un mélange

de plantes de pois et de blé dur.

95

3.2. MATÉRIEL ET MÉTHODES

3.2.1 Site et période d’étude

Les expériences ont été réalisées dans le campus de l’Ecole Nationale de Formation

Agronomique (ENFA) d’Auzeville (Toulouse). Les expériences décrites ci-dessous se sont

déroulées au cours des mois de juin et juillet 2011.

3.2.2. Le matériel végétal

La variété de blé dur utilisée pour ces expériences est 1823. Celle du pois était Enduro. Toutes

les deux ont été obtenues à l’Institut National de Recherche Agronomique (INRA

d’Auzeville).

3.2.3. Le matériel animal

Les pucerons utilisés tout au long de l’expérience proviennent de l’élevage des pucerons du

pois, Acyrthosiphon pisum Harris, réalisé au sein du laboratoire de l’UMR 5174 Evolution et

Diversité biologique sur le site de l’ENFA d’Auzeville (Toulouse). Ceux-ci ont été

préalablement élevés sur des plants de fève (Vicia faba L), pendant de nombreuses

générations afin de pourvoir à l’élevage des populations de coccinelles. Pour les besoins de

cette expérience, on a acclimaté ces pucerons sur une culture de pois P. sativum, de façon à

sélectionner des individus adaptés à cette plante-hôte. Après 4 générations, les performances

des pucerons sur les pois étaient redevenues équivalentes à celles de leurs ancêtres sur les

fèves.

3.2.4. Dispositif expérimental

La préparation des graines de pois et de blé dur se fait de la manière suivante : les graines sont

mises sur une couche de coton imbibé d’eau. On les recouvre par la suite d’une seconde

couche de coton humide pendant 24 h afin de les humecter rapidement. Des vasques (hauteur

14 cm ; diamètre : 30 cm) sont remplies d’un terreau contenant 70 % de tourbe et 30 % des

autres composants (argile, perlite, fibre de coco, sable, vermiculite).

Les graines sont ensuite semées avec une densité de 6 graines par vasque pour mimer un

peuplement de pois pur, et pour mimer l’association blé-pois de 6 graines de pois et 6 graines

de blé dur.

96

Les vasques ont été placées dans un tunnel horticole en plastique de type Filclair (longueur :

30 m ; largeur : 8 m ; hauteur : 3 m), dont les côtés étaient relevés de manière à ce que les

expériences se déroulent dans des conditions de température, d’humidité et de luminosité

proches de celles qui règnent dans les champs. La température maximale pendant les essais

était de 37,3 ºC et la température minimale de 23,4 ºC. L’expérience a été réalisée dans 30

vasques de pois pur et 30 de blé dur associé au pois.

3.2.5. Expérience 1 : le déplacement des pucerons

Les tests de déplacement ont débuté avec des plantes de pois et de blé dur de taille comprises

entre 15 et 20 cm, soit un stade de développement avec cinq à sept feuilles pour le pois et cinq

feuilles pour le blé.

Pour les besoins des expériences, des individus adultes élevés sur des pois sont sélectionnés

aléatoirement et isolés dans des boîtes de Pétri de 90 mm de diamètre. Dans chaque boîte est

préalablement disposée une pousse de pois P. sativum, de 7 jours (L = 50-65 mm). Celle-ci a

germé au sein d’un morceau de coton (250 x 250 mm = 6,25 cm²) reposant sur une pièce de

papier filtre Watmann® (400 x 400 mm = 16 cm²) au fond de la boîte de Pétri. Ces pucerons

sont ainsi élevés isolément jusqu’à ce qu’ils produisent leurs premières larves. Ces juvéniles,

issus d’une même mère, sont maintenus dans une boîte de Pétri et ont accès à une pousse de

pois jusqu’à atteindre la fin de leur développement larvaire soit après 7(±1) jours (Vet et al,

1983). Ils sont alors isolés à leur tour. On les considère comme les adultes, dès qu’ils

engendrent leur premier puceron de deuxième génération parthénogénétique.

Tous les matins, l’état des pucerons a été observé, les boîtes ont été débarrassées des

éventuels morts ou exuvies et le coton servant de support à la pousse de pois a été humidifié si

nécessaire. Les individus ont été maintenus dans des enceintes climatisées à 22 °C et soumis à

un cycle photopériodique de 16 h de lumière contre 8 h d’obscurité.

Deux pucerons adultes standardisés selon la procédure présentée ci-dessus, étaient placés sur

deux plants de petits pois de chaque vasque. Pour éviter de stresser les pucerons, les

manipulations étaient faites lorsqu’il faisait frais. Les déplacements des pucerons étaient

suivis en observant les plantes toutes les heures, de 8 h à 18 h. Les informations suivantes ont

été enregistrées : la mobilité du puceron sur la plante où il a été introduit. On mesure la

97

distance parcourue sur cette plante à l’aide d’une règle et on observe si le puceron passe sur

une autre plante. Les pucerons qui sortaient de la vasque ont été également comptabilisés.

Au cours de cette expérience, les pucerons perdus dans les premières 24 h ont été remplacés.

Une vasque pouvait ainsi servir plusieurs fois. Nous avons deux traitements dans cette

expérience à savoir, des vasques mimant une culture pure de pois, et d’autres mimant une

culture associée de pois et de blé. Cette expérience s’est déroulée durant quatre jours du 05 au

08 juillet 2011. Cent vingt pucerons au total ont été utilisés au cours de cette expérience.

Les proportions de pucerons ayant changé de place tout en restant sur la plante initiale dans

les vasques avec du pois pur et dans les vasques avec des pois associés au blé dur ont été

comparées à l’aide d’un test de Chi². Les proportions de pucerons qui se sont déplacés sur une

autre plante ont été analysées de la même manière.

Les distances moyennes journalières parcourues par les pucerons dans les vasques avec des

pois et dans les vasques avec des pois et du blé ont été comparées à l’aide d’un modèle

linéaire mixte généralisé, la distance étant la variable dépendante, le type de végétation dans

le vasque étant un facteur fixe, les jours au cours desquels étaient réalisées les observations un

facteur aléatoire.

3.2.6. Expérience 2 : Estimation de l’aptitude

Pour cette expérience, des pucerons âgés de 5 à 8 jours ont été utilisés. Les pucerons ont été

standardisés de la même manière que lors de l’expérience 1. Chaque individu a été pesé tous

les jours avant d’être soumis à l’expérience, car les paramètres permettant d’apprécier

l’aptitude, comme la fécondité, sont dépendants de la taille. Les pucerons ont été par la suite

individuellement introduits dans des « clip cages » à l’aide d’un fin pinceau. Les « clip

cages » sont constitués de deux petits cylindres de plexiglas translucide (diamètre 1 cm,

hauteur : 1 cm). Chaque cylindre est collé à l’extrémité d’une pince métallique de 3,6 cm de

longueur et 0,5 cm de largeur (Figure 1). Avec le «clip cage», les feuilles étaient pincées

chacune au niveau de la nervure principale. Les pucerons étaient placés dans la mâchoire

inférieure de la cage afin qu’ils puissent s’installer sur la nervure ; à la face inférieure des

feuilles comme ils le font en conditions naturelles. Les pucerons étaient alors laissés dans les

« clip cages» autant de jours que pouvait durer l’expérience. Ces petites cages sont soutenues

par un tuteur pour éviter de faire plier les plantes à cause de leur masse.

98

Figure 1: Un modèle de clip cage enserrant une foliole de pois.

Tous les jours du 11 au 31 juillet 2011, le nombre de larves produites a été comptabilisé.

Ensuite, à l’aide d’un pinceau, ces larves ont été enlevées de la plante afin d’éviter que nous

confondions, quelques jours plus tard, la femelle initiale et ses filles devenues adultes. Au

cours de cette expérience, le nombre de pucerons morts a été compté et enregistré chaque

jour. Au total, 130 pucerons ont été utilisés au cours de cette expérience. Pour atteindre cet

effectif, les pucerons perdus ou morts pendant les premières 24 h ont été remplacés.

A la fin de l’expérience, une table de survie a été élaborée afin de comparer le taux de survie,

la fécondité en fonction du temps et le taux d’accroissement des cohortes de pucerons dans la

vasque de pois et dans la vasque du blé associée au pois. Les masses corporelles des pucerons

installés dans les deux types de vasques ont été comparées à l’aide d’un test t de Student.

La méthode de Kaplan Meier a été utilisée pour comparer les courbes de survie des pucerons

des deux traitements. C’est une méthode non paramétrique d’estimation de la survie, prenant

en compte les différents temps de vie des pucerons (Hill et al., 1990 ; Kaplan & Meir, 1958).

Les proportions de pucerons ayant pondu dans les deux types de cultures ont été comparées

par un test Chi². La longévité et la fécondité de ces pucerons ont été comparées à l’aide de

tests t de Student après avoir vérifié les conditions d’application de ce test. Dresser une table

de survie est une activité qui prend beaucoup de temps si bien qu’il n’est pas facile de prévoir

suffisamment de répétitions pour analyser la distribution de fréquences des paramètres

calculés et réaliser une analyse statistique des différences éventuellement observées.

Dans le cas des taux d’accroissement des cohortes de pucerons, nous avons utilisé la méthode

du Jackknife (Maia et al., 2000) pour obtenir une distribution de fréquences de valeurs

observées de ces taux d’accroissement. Ensuite, après vérification de l’égalité des variances,

les taux d’accroissement des deux cohortes ont été comparés par un test t de Student. Toutes

99

les analyses statistiques ont été réalisées à l’aide du logiciel R (R Development Core Team,

2010).

3.3. RÉSULTATS

3.3.1. Expérience I : Déplacement des pucerons

Cette expérience a été conçue pour durer cinq jours. Cependant, 73 % des pucerons sont morts

au cours de la première journée. Cette mortalité étant probablement due aux conséquences des

manipulations lors de l’installation des pucerons sur les plantes, les proportions de pucerons

se déplaçant ont d’abord été analysées en ne tenant pas en compte des observations faites

durant le premier jour. Les tests de Chi² n’ont donc été calculés que pour une expérience de 4

jours (Tableaux 1 et 2).

Nous avons également pensé qu’au bout de 5 jours, l’âge pourrait provoquer un biais dans nos

résultats. Pour tenir compte de cette éventualité, nous avons analysé une nouvelle fois les

observations sans tenir en compte ni de la première, ni de la dernière journée. Les tests de

Chi² n’ont été donc calculés que sur une durée de 3 jours (Tableau 1 et 2).

Les Annexes 4 et 5, montrent les valeurs des distances parcourues sur les deux types de

culture.

Soixante pucerons ont été observés pendant 4 jours sur les pois cultivés seuls et soixante sur

les pois cultivés avec du blé dur. Le nombre de pucerons qui se sont déplacés sur les pois est

légèrement plus élevé dans le traitement associant pois et blé. Toutefois, ces proportions ne

sont pas significativement différentes (Tableau 1). Le fait de ne pas considérer les

observations du 1er et du 5ème jour ne modifie en rien les résultats du test de comparaison des

proportions (Tableau 1, durée : 3 jours).

En considérant les observations faîtes pendant les 4 derniers jours de l’expérience, 6 pucerons

sur 9 se sont déplacés du pois initial vers une autre plante de pois dans les vasques où ne

poussaient que des pois. Dans les vasques où des pois étaient associés au blé, 2 pucerons sur

13 émigrèrent vers une nouvelle plante. Ces 2 proportions sont significativement différentes

(Tableau 2). Le fait de ne pas tenir compte des observations du cinquième jour ne modifient

pas ces conclusions (Tableau 2, durée : 3 jours).

100

Tableau 1: Nombre de pucerons se déplaçant au sein d’un plant de pois sur lequel, ils ont été déposés dans les vasques de pois et dans les vasques de pois et de blé dur. Les données sont présentées lorsqu’on déclasse les observations du premier jour en raison de la mortalité (4 jours), puis celle du premier et du cinquième jour pour éviter un biais dû à la sénescence des pucerons.

Durée de l’expérience (jours)

Type de culture Effectif qui bouge Total Test X²

4 Pois Pur 9 15

Blé Pois 13 15

Total 22 30 2,7272 (NS)

3 Pois Pur 9 15

Blé Pois 13 15

Total 22 30 2,7272 (NS)

(NS : non significatif au seuil α = 0,05)

Tableau 2: Nombre de pucerons ayant changé de plante dans les vasques avec des pois et

dans les vasques avec des pois et du blé dur. Les données sont présentées lorsqu’on déclasse

les observations du premier jour en raison de la mortalité (4 jours), puis celle du premier et du

cinquième pour éviter un biais dû à la sénescence des pucerons.

Durée de l’expérience (jours)

Type de culture Effectif qui change de plante

Total Test X²

4 Pois Pur 6 9

Blé/Pois 2 13

Total 8 22 5,639*

3 Pois Pur 4 9

Blé/Pois 1 13

Total 5 22 4,004*

(* : Test significatif au niveau α = 0,05)

Les pucerons dans les vasques plantées uniquement de pois sont ceux qui ont effectué le plus

de déplacement en valeur absolue sur les 4 jours d’expérience (Tableau 3; distance moyenne

pois pur 30,6 cm/jour, n = 9 ; distance moyenne pois-blé dur = 17,4 cm/jour, n = 13). La distance

moyenne parcourue par les pucerons en culture de pois est significativement supérieure à celle

de la culture associée blé dur et pois (P < 0,01). Les résultats de l’analyse statistique réalisée

101

sur les données enregistrées sur trois jours ne sont pas différents de ceux obtenus avec les

données enregistrées sur 4 jours (Tableau 4; distance moyenne pois pur = 21,3 cm; distance

moyenne pois-blé dur = 13,1 cm; t = -1,0215 ; ddl = 20, P= 0,3192).

Les Figures 2 et 3 montrent les courbes de déplacement dans les deux types de culture.

On constate que les distances sur les cultures de pois pur sont celles qui sont les plus longues.

On note cependant, une petite exception avec des distances plus longues en cultures associées

pour les deux premiers jours de l’expérience.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

Dis

tanc

e pa

rcou

rue(

cm)

Numéro de puceron

Culture Pois pur Culture Pois + blé

Figure 2: Distances totales parcourues par les pucerons durant 4 jours dans les vasques de pois et les vasques du blé dur associé au pois

102

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Dis

tanc

e pa

rcou

rue(

cm)

Numéro de puceron

Culture Pois pur Culture Pois + blé

Figure 3: Distances totales parcourues par les pucerons durant 3 jours dans les vasques de pois et les vasques de pois/blé. Au-delà de cette analyse, le comportement individuel des pucerons est différent dans les deux types de vasques. Dans les vasques où pousse seulement le pois, la variabilité entre les jours est plus grande que dans les vasques associant les 2 plantes (Figure 4).

103

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 2 4 6 8 10 12 14

Puceron

Dis

tan

ce (

cm)

dist_totale ppdist_totale pb

Figure 4: Distance totale parcourue par chaque puceron durant 4 jours en fonction du type de vasques et durant quatre journées successives d’observation. (pp = vasques de pois d’hiver; pb = vasques de pois d’hiver et de blé dur).

3.3.2. La valeur sélective des pucerons

La table de survie dressée à partir des pucerons installés dans les vasques ne contenant que

des pois d’hiver et dans celles contenant des pois d’hiver associés à du blé dur est présentée

au Tableau 3. Elle a été analysée en tenant d’abord compte à la survie des membres des deux

cohortes et de la fécondité.

104

Tableau 3: Table de survie dressée pour deux cohortes de 52 pucerons élevés respectivement sur des plantes de pois d’hiver cultivées en peuplement pur et sur des plantes de pois d’hiver cultivées en association avec du blé dur.

Jours Survie Survie relative (lx)

Nb de Larves

Taux de mortalité

(qx)

Taux de fécondité

(mx)

lxmx

PB PP PB PP PB PP PB PP PB PP PB PP

0 58 72 1,000 1,000 0 0 0,103 0,278 0,000 0,000 0 0

1 52 52 0,897 0,722 31 11 0,404 0,346 0,596 0,212 0,534 0,153

2 31 34 0,534 0,472 100 30 0,323 0,235 3,226 0,882 1,724 0,417

3 21 26 0,362 0,361 86 60 0,095 0,115 4,095 2,308 1,483 0,833

4 19 23 0,328 0,319 82 57 0,211 0,174 4,316 2,478 1,414 0,792

5 15 19 0,259 0,264 72 80 0,200 0,263 4,800 4,211 1,241 1,111

6 12 14 0,207 0,194 42 39 0,167 0,071 3,500 2,786 0,724 0,542

7 10 13 0,172 0,181 46 50 0,100 0,154 4,600 3,846 0,793 0,694

8 9 11 0,155 0,153 29 36 0,222 0,455 3,222 3,273 0,500 0,500

9 7 6 0,121 0,083 20 23 0,143 0,000 2,857 3,833 0,345 0,319

10 6 6 0,103 0,083 15 15 0,167 0,167 2,500 2,500 0,259 0,208

11 5 5 0,086 0,069 10 17 0,200 0,600 2,000 3,400 0,172 0,236

12 4 2 0,069 0,028 12 5 0,000 0,000 3,000 2,500 0,207 0,069

13 4 2 0,069 0,028 6 9 0,000 0,000 1,500 4,500 0,103 0,125

14 4 2 0,069 0,028 3 10 0,000 0,500 0,750 5,000 0,052 0,139

15 4 1 0,069 0,014 13 1 0,250 0,000 3,250 1,000 0,224 0,014

16 3 1 0,052 0,014 5 5 0,667 0,000 1,667 5,000 0,086 0,069

17 1 1 0,017 0,014 0 0 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000

R0 9,862 6,222

Légende : PP : pois pur ; PB : pois-blé

Ro : Taux de Reproduction Net = Ʃ lxmx

105

3.3.2.1 Survie des pucerons

Au début de l’expérience, la cohorte de pucerons déployée dans les vasques de pois

comportait 72 individus et celle des vasques de pois et de blé 58 individus. La masse

corporelle moyenne des pucerons de la cohorte des vasques de pois n’est pas

significativement différente de celle des pucerons des vasques de pois et de blé (Puceron pois

pur : 1,4537 mg, puceron pois-blé : 1,6134 mg. Le test de t de Student avec variances égales, nous

permet d’avoir : t = 1,705; ddl = 128; P = 0,08242).

Le taux de survie des deux cohortes de pucerons est similaire. Dans les deux cas, 50 % des

pucerons meurent au cours des trois premiers jours de l’expérience. Après 5 jours, le taux de

survie est de l’ordre de 25 %. Cependant, on ne note pas de différence statistiquement

significative entre l’évolution du taux de survie au cours du temps dans les deux cohortes de

pucerons sur les deux types de plantes (Figure 5, P = 0,415).

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

Jour

Eff

ecti

f re

lati

f

Survie relative pbSurvie relative pp

Figure 5 : Taux de survie des pucerons des cohortes déposées dans la vasque de pois et dans la vasque de pois d’hiver et du blé dur (pb).

106

3.3.2.2. Ponte et aptitude

Un grand nombre de pucerons n’a jamais pondu au cours de l’expérience quel que soit le type

de vasque : 46 sur 72 parmi les pucerons installés dans les vasques de pois d’hiver et 32 sur

58 dans les vasques de pois d’hiver et de blé dur. La proportion de pucerons qui pondent était

de 36 % dans les vasques de pois pur et de 44 % dans les vasques de culture associée. Ces

deux proportions ne sont pas significativement différentes (Chi²= 1,017, ddl = 1; P > 0.05). La

longévité des pucerons stériles (9,8 j) était significativement plus courte que celles des

pucerons qui eurent une descendance (15,2 j) et ce, quel que soit le type de vasque (test t avec

variances inégales : t = -8,4864, 54,54 ddl, P = 1,510e-11). Il a été décidé de ne pas tenir

compte de ces pucerons sans descendance dans la suite de l’analyse. En effet, ces derniers

furent peut-être blessés lors de leur installation dans les clips cages.

La longévité moyenne des pucerons féconds élevés dans les vasques de pois était en moyenne

de 15,6 j et celle de ceux élevés dans les vasques de pois/blé de 14,8 j pour ceux qui furent

élevés dans les vasques de pois associés au blé dur. Cette différence n’est pas significative

(Test t avec variances égales : t = -0,7081, 50 ddl, P = 0,4824). De même, la fécondité

moyenne des pucerons des vasques de pois (17,2 larves/individu) n’est pas significativement

différente de celle des pucerons des vasques associant pois d’hiver et blé dur (22,0

larves/individu) (test t avec variances égales : t = 0,9760, 50 ddl, P = 0,3338).

A la lecture du Tableau 4, il ressort que la cohorte des pucerons élevés dans les vasques où

pousse une culture mixte de pois d’hiver et de blé dur a un taux net moyen de reproduction

supérieur à celle des vasques où pousse seulement du pois (21,874 vs 16,999 respectivement).

Ces deux valeurs, comparées à l’aide d’un test non-paramétrique de Wilcoxon, sont

significativement différentes (W = 625, P = 1,409e09).

107

Tableau 4: Les nombres totaux de larves produites et les taux nets de reproduction calculés pour les cohortes élevées dans des vasques de pois d’hiver (PP) ou des vasques associant pois d’hiver et blé dur (PB) : application de la méthode du Jackknife à la table de survie présentée au Tableau 3. Permutation Nb total de larves Taux net de reproduction (R0) PB PP PB PP 1 531 448 21,235 17,914 2 503 431 20,118 17,237 3 560 431 23,189 17,238 4 569 453 22,758 18,118 5 565 398 22,598 15,918 6 515 436 20,598 17,438 7 547 439 21,879 17,558 8 549 396 21,960 15,840 9 544 428 21,760 17,120 10 556 405 22,238 14,958 11 554 440 22,157 17,598 12 556 423 22,238 16,918 13 534 428 21,358 17,119 14 557 443 22,278 17,717 15 558 424 22,318 16,958 16 494 434 19,759 17,358 17 557 441 22,278 17,637 18 544 435 21,758 17,397 19 550 434 21,998 17,358 20 551 406 22,039 16,238 21 521 391 20,838 15,358 22 541 432 21,638 17,277 23 561 421 22,438 16,837 24 565 408 22,598 16,318 25 565 439 22,827 17,558

R0 moyen 21,874 16,999

3.4. DISCUSSION

Au cours d’observations de terrain réalisées de 2007 à 2010, nous avons observé que les

cultures associées de pois d’hiver et de blé dur étaient toujours significativement moins

infestées par le puceron du pois (A. pisum) que les cultures pures de pois (Chapitre 1). En

partant de nos connaissances sur l’écologie des prédateurs de pucerons (Kindlmann & Dixon,

1999), cette différence ne semble pas découler d’un meilleur contrôle biologique dans les

cultures associées.

L’objectif de ce chapitre est de rechercher d’autres explications, en analysant les

déplacements, la survie et la fécondité de deux cohortes de pucerons, l’une dans un

108

peuplement expérimental de pois d’hiver et l’autre dans une culture associée de pois d’hiver

et de blé dur.

3.4.1. Sur le déplacement des pucerons

Les pucerons cherchent leurs plantes-hôtes lorsque celles-ci sont au maximum de leur

production en termes de qualité. Dans notre dispositif expérimental, les pucerons ont été très

mobiles aussi bien dans les vasques de pois d’hiver que dans les vasques de pois d’hiver et de

blé dur. Ils se sont déplacés tout au long des journées, à la recherche de sites d’alimentation et

de ponte. Nous n’avons pas constaté de différence significative dans le nombre de pucerons

en mouvement dans les deux types de culture. Par contre, les pucerons des vasques mimant

des cultures pures de pois d’hiver sont ceux qui ont le plus changé de plante. De ce fait, les

déplacements quotidiens des pucerons en culture pure sont à peu près le double (30 cm) de

ceux des pucerons en culture associée (17 cm).

Nous avons montré que les pucerons se déplacent très fréquemment sur une plante à la

recherche de meilleurs sites d’alimentation. Ils changent aussi de plantes lors de leurs petits

déplacements. Au cours de notre expérience, nous avons pu observer que les pucerons en

culture pure de pois se déplaçaient beaucoup plus que les pucerons en culture associée de blé

et pois. Selon nos observations, ces déplacements semblaient être facilités par le réseau dense

de vrilles reliant les plantes de pois entre elles.

Par le passé, les études sur les déplacements des pucerons ont porté beaucoup plus sur de

longues distances avec l’utilisation des moyens aériens (Kring & Kring, 1990 ; Kring, 1972).

Dans le cas par exemple des déplacements internes, la position sur la plante varie selon le

stade phénologique de la plante, la valeur nutritionnelle et des conditions microclimatiques

régnant sur une zone donnée de la plante. D’autres travaux ont porté sur les déplacements des

pucerons en utilisant des radars, des pièges, sur des altitudes très hautes ou par vidéos

(Mashanova et al., 2010 ; Oliver et al., 2007). L’originalité de notre travail porte sur la

comparaison réalisée en serre dans des conditions proches de celles du terrain, des

déplacements et des paramètres démographiques du puceron du pois dans une monoculture et

dans une culture associée.

109

Les travaux d’Oliver et al. (2007) ont montré que les pucerons (notamment Aphis fabae

Scopoli et A. pisum Harris) dans leur relation de mutualisme avec les fourmis, pouvaient être

freinés dans leur déplacement par les fourmis notamment (Lasius niger (L) par une substance

chimique.

Nos résultats suggèrent que les pucerons colonisent rapidement un peuplement pur de leurs

plantes-hôtes comparés aux pucerons installés dans les vasques mixtes : les premiers changent

plus de plantes et se déplacent sur de plus grandes distances que les seconds. Grâce à ce

comportement, les femelles évitent de mettre leurs descendants en situation de compétition.

En conséquence, à une échelle de temps plus longue que celle sur laquelle nous avons réalisé

nos observations.

On peut penser que cela doit conduire à un accroissement plus rapide et plus important des

effectifs dans les cultures pures. Cette supposition s’appuie sur le fait que la compétition

intraspécifique réduit la fécondité des pucerons et induit plus rapidement l’apparition

d’individus ailés (Dixon, 1998). Lorsque ces derniers émigrent, ils provoquent la disparition

de leur colonie.

3.4.2. Survie et fécondité des pucerons

La survie des pucerons sur les cultures associées de pois d’hiver et de blé dur n’est pas

significativement différente de celle des pucerons n’ayant que des pois d’hiver à leur

disposition. Néanmoins, on observe quelques tendances dignes d’intérêt. Au début de

l’expérience, entre le 1er et le 7ème jour, la courbe de survie en culture pure de pois est au

dessus de celle des cultures associées. A la fin de l’expérience, de l’intervalle du 12ème au

16ème jour, la tendance s’inverse et la courbe en culture associée passe au dessus de celle des

vasques de monoculture de pois d’hiver.

En termes de longévité et de fécondité totale, les pucerons des deux cohortes ne sont pas

différents. Pourtant, lorsqu’on calcule le taux net d’accroissement des deux cohortes, la valeur

de la cohorte élevée sur des pois d’hiver associés à du blé dur est significativement supérieur

à celle des pucerons des vasques de culture pure de pois d’hiver. Ce résultat suggère que les

tendances non significatives observées dans les courbes de survie des pucerons des deux

cohortes jouent finalement un rôle cumulatif important.

110

De plus, ce résultat est contraire aux observations faites sur le terrain en termes d’infestations

des pucerons. Toutefois, il suggère que les plantes de pois d’hiver en culture associée seraient

d’une meilleure qualité nutritive que les plantes de pois en culture pure. Serait-il possible que

nous ayons reproduit les effets de la cohabitation observés au champ, à savoir que les plantes

de pois fixeraient plus d’azote atmosphérique (Bedoussac & Justes, 2010) ?

Dans une étude de Hutchinson & Hogg, 1985 sur les tables de survie de trois populations d’A.

pisum sur la luzerne (Medicago sativa L), le déplacement et les transmissions de maladies par

les virus sont les principales causes de la mortalité d’A. pisum. Les paramètres

démographiques du puceron du niébé Aphis craccivora Koch ont été mesurés sur la résistance

de cinq variétés de plantes, il en ressort que les paramètres démographiques sont influencés

par la variété de plante (Obopile & Ositile, 2010), bien que cette étude ait porté dans des

conditions en milieu tropical. Le présent travail pourrait donc s’orienter dans le futur sur une

comparaison des différentes variétés du pois et du blé dur en vue de mieux mesurer les

paramètres démographiques d’A. pisum.

Une des faiblesses de notre expérience réside dans le fait que les pucerons ont été maintenus

toute leur vie dans les clips cages et qu’ils n’ont pas eu l’occasion de se déplacer parmi les

plantes à leur disposition dans les vasques. Ainsi, nous n’avons pu estimer le poids relatif du

taux net de reproduction par rapport à la capacité de se déplacer. Cette restriction au

mouvement s’explique par l’expérience que nous avions acquise lors de notre essai sur les

déplacements. En ouvrant les cages après l’installation des adultes, ceux-ci se déplacent et

déposent des larves au gré de ces déplacements. Comme les larves sont petites et vertes, on a

du mal à les repérer. Il y a donc un risque de sous-estimer la fécondité et à termes, de

confondre les filles avec leurs mères, de confondre et de compter les descendants des

premières et des secondes.

3.5. CONCLUSION

Nous savions que les pucerons se déplacent en marchant sur de courtes distances, ce qui leur

permet de découvrir de nouvelles plantes-hôtes dans leur voisinage immédiat ou volent pour

découvrir des plantes-hôtes situées à de très longues distances. Le déplacement des pucerons

sur de longues distances est celui sur lequel beaucoup de travaux ont été réalisés, comme ces

vols actifs effectués par Schizaphis graminum Rondani (Kring & Kring, 1990) aux USA ou

111

les vols passifs au cours desquels Rhopalosiphum maidis Fitch est emporté par les courants

aériens sur de longues distances aux USA (Irwin & Tresh, 1988). Dans notre travail, il était

question de se pencher sur les déplacements relatifs aux courtes distances sur une même

plante ou sur les plantes situées dans un environnement très proche, aspect de l’écologie des

pucerons à laquelle on prête généralement peu d’attention.

Etant plus mobiles et bénéficiant probablement du réseau de vrilles reliant les plantes de pois,

les distances parcourues par les pucerons en culture pure de pois d’hiver sont plus longues

qu’en culture associée. Ainsi, les pucerons tirent un excellent profit de la structure simple de

la monoculture. Ils colonisent rapidement le peuplement végétal et découvrent ainsi de

nombreux sites de bonne qualité pour s’alimenter et pour déposer leurs larves. Ceci constitue

un avantage en termes d’aptitude phénotypique car la compétition intraspécifique s’en trouve

réduite.

Par contre nos résultats ont permis de montrer que l’association blé dur/pois d’hiver réduisait

l’amplitude des déplacements des pucerons par rapport à la culture de pois pur, ce qui aurait

une forte incidence sur les infestations de pucerons en culture associée de blé dur et pois

d’hiver. La plus grande complexité de la végétation d’une culture associée par rapport à des

monocultures serait donc un facteur déterminant dans la réduction de l’abondance des

pucerons dans les cultures associées.

Pour ce qui est de la survie et de la fécondité des pucerons, nos résultats n’expliquent pas les

différences d’infestation que nous avons observées en champ (voir Chapitre 1). Les pucerons

ne pouvant se déplacer dans les clips cages, les pucerons des vasques plantées de pois d’hiver

ont la même longévité que ceux des vasques associant pois d’hiver et blé dur. Néanmoins, le

taux net de reproduction des pucerons est plus faible en culture pure qu’en culture mixte,

comme ces derniers s’épanouissent mieux dans ce dernier type de culture. Nous avons émis

l’hypothèse que ceci s’expliquerait par une meilleure qualité du pois, probablement parce que

leur sève serait plus riche en azote (Bedoussac et Justes, 2010)

Même s’il serait intéressant d’imaginer une expérience qui permette aux pucerons de se

déplacer et de répartir leurs larves entre plusieurs plantes, nos résultats indiquent que la

colonisation aisée de nouvelles plantes est probablement le facteur prépondérant expliquant la

moindre infestation des monocultures de pois d’hiver par le puceron du pois, A. pisum.

112

RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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116

Chapitre IV. Discussion générale

4.1. L’ INTÉRÊT DES CULTURES ASSOCIÉES : CONTEXTE GÉNÉRAL ET RAPPEL DE LA

PROBLÉMATIQUE

Au lendemain de la seconde guerre mondiale, l’agriculture européenne entamait une profonde

mutation. La surface des exploitations augmentait tandis que la main d’œuvre diminuait. En

parallèle, les exploitations agricoles se spécialisèrent et les itinéraires techniques devinrent

plus simples et mieux maîtrisables. Cette évolution fut contrariée à partir de la fin du

vingtième siècle. En effet, suite au Sommet de la Terre en 1992 à Rio de Janeiro, on

commença à mettre l’accent sur la nécessité d’un développement durable. Les travaux de

recherche sur les cultures associées, dont il est question dans cette thèse, s’inscrivent dans

cette recherche de durabilité.

La concurrence et la complémentarité entre des plantes en cultures associées, sélectionnées de

façon appropriée, améliorent la stabilité générale du système agricole en procurant notamment

une résistance efficace contre les organismes nuisibles, maladies et mauvaises herbes

(Bedoussac, 2009). L’objectif général de cette thèse est d’explorer les mécanismes qui

conféreraient cette protection.

Les recherches qui sont relatées dans les chapitres précédents s’inscrivent dans le contexte des

associations entre céréales et légumineuses. Les deux raisons le plus souvent avancées, pour

l’adoption de telles associations, résident dans le gain de rendement global par rapport à des

cultures « pures » ou monospécifiques et dans l’amélioration de la teneur en protéines des

grains de la céréale. Ces résultats, obtenus aussi bien en agriculture conventionnelle (avec

apport d’engrais azotés et contrôle chimique des maladies, ravageurs et adventices) qu’en

agriculture biologique (sans intrant chimique), s’expliqueraient par une meilleure valorisation

des ressources du milieu. Ceci est vrai dans les systèmes à bas niveaux d’intrants azotés

(Bedoussac & Justes, 2010a, 2010b ; Hauggaard-Nielsen et al., 2003; Jensen, 1996; Willey,

1990; Vandermeer, 1989 ; Ofori & Stern, 1987 ; Willey 1979).

Les associations pourraient également être un moyen de réduire, dans certaines situations, la

pression des adventices, maladies et ravageurs (Altieri, 1999 ; Trenbath, 1993), souvent

considérés comme des facteurs déterminants de la production agricole, faisant ainsi des

117

associations une alternative à la lutte chimique (Hauggaard-Nielsen et al., 2001b ; Bulson et

al., 1997 ; Liebman, 1988). D’autre part, le mélange des espèces présente d’autres avantages

comme : i) la réduction de l’érosion des sols par une meilleure couverture du sol et un plus

grand enracinement (Anil et al., 1998), ii) une amélioration de la résistance à la verse (Anil et

al., 1998), iii) une réduction des risques de lixiviation de nitrates (Corre-Hellou, 2005;

Hauggaard-Nielsen et al., 2003) ou, encore iv) une meilleure stabilité interannuelle des

rendements (Lithourgidis et al., 2006). Les associations céréale-légumineuse pourraient par

conséquent présenter un intérêt aussi bien en agriculture biologique pour améliorer la qualité

des blés durs qu’en agriculture conventionnelle pour réduire les intrants chimiques et

améliorer les performances économiques et environnementales des systèmes de production.

L’azote étant un facteur limitant de la production et de la qualité du blé, il est possible de

réduire autant que possible ces pertes en adaptant le système de culture. Une des voies

possibles est la culture associée du blé avec des légumineuses à graines et notamment dans le

cas de cette thèse, le petit pois. En ce qui concerne la complémentarité entre cultures dans le

cas des céréales et légumineuses, les céréales profitent de la fixation de l’azote par les

légumineuses. Ainsi, il a été montré que la teneur en protéines de l’orge de printemps

augmente lorsqu’elle est cultivée en association avec du pois de printemps en agriculture

biologique (Jensen et al., 2006). L’une des principales hypothèses avancées pour expliquer

l’amélioration du rendement et de la teneur en protéines de la céréale cultivée en association

avec une légumineuse dans les systèmes à bas intrants est une disponibilité en azote minéral

par plante de céréale qui serait plus importante. Il y a ainsi complémentarité dans l’utilisation

des ressources azotées liée à deux pools d’azote différents. Il s’agit ici, de l’azote du sol

exploité par la céréale et de l’azote atmosphérique exploité par la légumineuse. Les travaux

d’Andersen et al. (2005) et Jensen (1996) montrent ainsi une meilleure utilisation de l’azote

du sol par la céréale et une augmentation de la contribution de la fixation symbiotique chez la

légumineuse. Cela s’expliquerait en partie par un équilibre entre fixation et absorption d’azote

minéral du sol par les deux espèces qui utilisent des sources d’azote différentes et, par

ailleurs, comme il y a moins de pieds de céréales par hectare, par une utilisation du pool par

moins de consommateurs (Corre-Hellou, 2005 ; Hauggaard-Nielsen et al., 2003; Hauggaard-

Nielsen et al., 2001a,b ; Tofinga et al., 1993). Des processus similaires sont en jeu pour

l’utilisation de la lumière (Berntsen et al., 2004), dans le cas où les espèces associées

présentent des architectures aériennes ou des dynamiques de croissance différentes et

complémentaires (Tsubo & Walker, 2004 ; Tsubo et al., 2001 ; Trenbath, 1986), à ceci près

118

qu’il n’existe qu’une seule source de lumière disponible, contrairement à l’azote. Ces

différences et complémentarités interspécifiques permettraient une meilleure occupation

dynamique de l’espace et donc une augmentation de l’interception du rayonnement solaire

incident tout au long de la croissance de l’association. Ces deux mécanismes, que sont

l’acquisition de l’azote et l’interception du rayonnement, sont intimement liés et sous la

dépendance des dynamiques de croissance du système aérien et racinaire (Dreccer et al.,

2000). La complémentarité se traduit par une meilleure valorisation de l’énergie lumineuse

sur l’ensemble du cycle comparativement aux cultures pures. On a ainsi, une croissance

décalée des deux espèces, le pois d’hiver se développant de façon plus tardive que le blé dur.

A ces éléments, s’ajoutent les différences de hauteur entre les couverts, le blé dur étant plus

haut que le pois d’hiver. Cela pourrait expliquer à la fois le gain de rendement et la réduction

des adventices souvent observés (Banik et al., 2006).

Les travaux de Bedoussac & Justes (2010a, 2010b ; 2006) ont montré que les associations

céréales-légumineuses, notamment blé dur-pois d’hiver ou féverole, avaient des rendements

supérieurs aux monocultures, et semblaient avoir aussi une plus faible susceptibilité aux

maladies et aux ravageurs, notamment aux pucerons verts du pois (Acyrthosiphon pisum

Harris).

Le présent travail de thèse a pour objectif de vérifier la moindre susceptibilité des cultures

associées de blé dur et de pois d’hiver aux pucerons verts du pois et de rechercher les

mécanismes responsables de la réduction des infestations de pucerons en culture associée par

rapport à la monoculture de pois.

4. 2. LA REGULATION DE L ’ABONDANCE DES HERBIVORES

Selon l’hypothèse du « monde est vert » (« the green world hypothesis ») de Hairston et al.,

(1960), la régulation de l’abondance des herbivores se ferait le plus souvent par la mortalité

infligée par des ennemis naturels. Comme ces derniers occupent une place plus élevée dans

les réseaux trophiques que leurs proies, on parle de régulation « top-down », du haut vers le

bas. L’application pratique de cette manière de réguler consiste en une lutte contre un

ravageur en favorisant ou introduisant son ou ses ennemis naturels.

L’effet « Top-down », suppose donc une régulation des populations de phytophages par les

niveaux trophiques supérieurs. En effet, les ennemis naturels, par la pression de la prédation

119

ou du parasitisme qu’ils exercent, peuvent réguler les populations de phytophages à condition

que la mortalité infligée soit densité-dépendante (Halaj & Wise, 2001).

Au contraire l’effet « Bottom-up » suppose donc une régulation des phytophages par les

niveaux inférieurs des chaînes trophiques, en général par les plantes. Les plantes étant des

producteurs primaires, elles sont à la base des réseaux trophiques. Ainsi, leurs caractéristiques

morphologiques, physiologiques, nutritives, physiques, architecturales ou chimiques peuvent

limiter le développement des populations d’organismes herbivores. Les plantes peuvent avoir

un impact négatif sur les performances des insectes. Par exemple, Petermann et al. (2010), en

milieu naturel, et Winter & Rostas (2010), en laboratoire montrent que l’absence de l’azote

peut entraîner une diminution du poids des phytophages.

Les défenses constitutives ou inductibles des plantes peuvent également influencer sur les

performances des phytophages (Fernandes, 1994). Ainsi, les trichomes (défenses physiques)

de certaines plantes, empêchent les insectes de consommer les feuilles. Les trichomes peuvent

aussi former des crochets ou des pointes qui piègent les insectes. De même les défenses

chimiques rencontrées chez certaines espèces de plantes, comme les alcaloïdes ou les

glycosides, peuvent réduire les performances des phytophages (Lampert & Bowers, 2010 ;

Barbosa et al., 1991).

Aux défenses directes des plantes contre les phytophages, peuvent s’ajouter des défenses

indirectes via l’attraction des ennemis naturels (Turlings et al. 1995 ; Turlings et al., 1990).

Cette attraction faciliterait la localisation de plantes infestées par les ennemis naturels. Ces

derniers par leur contribution à la limitation au développement des populations de

phytophages, effet « Top-down », augmenteraient la valeur phénotypique des plantes (Dicke,

2009). Il a été également observé que des plantes voisines attaquées peuvent attirer les

ennemis naturels des phytophages présents sur une plante cible, lui procurant ainsi une

protection contre ses agresseurs ; c’est l’hypothèse de la résistance par association via les

ennemis naturels (Stiling et al., 2003). On parle ici de plantes compagnes qui attireraient ou

repousseraient les ennemis naturels. Les critères de leur choix restent déterminants pour

optimiser ces associations.

Les caractéristiques individuelles des plantes ainsi que leur environnement proche peuvent

affecter le comportement des phytophages. Ainsi, la régulation des phytophages peut

également être due à des modifications de leur comportement de choix de la plante hôte. La

120

colonisation d’une plante cible par des phytophages spécialistes et généralistes pourrait être

influencée par la présence de plantes voisines qui seraient soit attractives ou répulsives. Des

études ont montré que les plantes voisines, par l’intermédiaire de leurs composés chimiques

toxiques ou de leurs caractéristiques physiques (grande taille ou présence d’épines) pouvaient

repousser des phytophages généralistes (Barbosa et al., 2009), conduisant à une résistance par

association pour la plante cible (Atsatt & O’Dowd, 1976). Ce phénomène peut également

avoir lieu si les plantes voisines sont très attractives (présence de composés spécifiques), pour

un phytophage spécialiste.

Néanmoins, ces plantes voisines attractives peuvent finalement provoquer une colonisation

plus importante de la plante cible lorsque les phytophages attirés en masse colonisent celle-ci.

Dans ce cas, il s’agit du phénomène de susceptibilité par association. Afin de mieux

appréhender le rôle joué par des plantes dans la régulation des populations de phytophages, il

apparaît donc nécessaire de prendre en compte la présence de plantes voisines sur le

comportement de choix des phytophages. Dans notre cas, ces plantes voisines se conçoivent

dans le cadre d’une association de culture (blé dur et pois d’hiver) d’une part, et, d’autre part

par une monoculture de pois d’hiver pur.

Cependant, selon les spécificités des ravageurs, cette hypothèse de la régulation par les

ennemis naturels peut s’appliquer difficilement comme dans le cas des pucerons du pois

(Kindlmann & Dixon, 1999). Il s’avère donc important de considérer aussi l’hypothèse selon

laquelle, les ravageurs seraient régulés par le « Bottom-up», c’est-à-dire en montrant

l’importance relative de la plante hôte et des pratiques culturales.

4.3. RAPPEL DES PRINCIPAUX RÉSULTATS

4.3.1. Les expériences en champs : évaluation de l’abondance des pucerons verts du pois en monoculture et en culture associée

Sur la base des campagnes de terrain de 2007 et 2008, puis de 2009 et de 2010, nous pouvons

affirmer qu’associer les pois d’hiver au blé dur est un moyen efficace de réduire les

populations de pucerons verts du pois par rapport à la monoculture de pois d’hiver.

Ce travail est certes basé sur deux années sur de petites parcelles d’expérimentation et sur de

grandes parcelles en milieu réel les deux autres années. Cela nous a permis de prendre en

considération différents contextes pédoclimatiques ainsi que diverses pressions

démographiques des pucerons. L’avantage des cultures associées est donc à l’épreuve des

121

variations de conditions climatiques au cours du temps et des variations de l’abondance des

pucerons d’une année à l’autre. Plusieurs explications peuvent être avancées pour rendre

compte de ces différences significatives.

En premier lieu, cet effet significatif des monocultures qui sont plus infestées, s’expliquerait

par l’usage des stimuli visuels et olfactifs par lesquels les insectes reconnaissent leurs plantes

hôtes qui seraient plus facilement repérables en monoculture qu’en culture associée. Selon

l’hypothèse de la concentration des ressources formulée par Tahvanainen & Root (1972) et

Root (1973), beaucoup d’herbivores notamment les plus spécialistes ont plus de probabilité de

trouver leurs plantes-hôtes quand celles-ci se présentent en peuplements denses ou même

monospécifiques par rapport aux peuplements plurispécifiques. De nombreux travaux ont

cherché à tester l’hypothèse de la concentration des ressources. Cependant, beaucoup ont

porté sur les relations entre diversité végétale et diversité des arthropodes phytophages

(Koricheva et al., 2000; Mulder et al., 1999), et celles existant entre deux extrêmes de

diversité (« monocultures vs polycultures », en agriculture comme en sylviculture) et les

niveaux de population des arthropodes phytophages (Jactel et al., 2005 ; Finch & Collier,

2000 ; Andow, 1991 ; Russell, 1989).

L’hypothèse d’une barrière chimique à la colonisation de la plante hôte suggère que les

insectes qui repèrent leurs hôtes par certains composés volatiles qu’ils émettent, sont

perturbés par la présence de composés émis par d’autres plantes. Dans les cultures associées,

le signal olfactif émis est donc plus complexe que dans la monoculture, rendant difficile le

repérage de la plante hôte par l’insecte.

La notion de barrière physique concerne également les insectes utilisant activement des

stimuli visuels pour détecter leurs hôtes (Prokopy & Owens, 1983). Ces insectes peuvent être

perturbés par la présence de plantes non hôtes ayant une forme ou une couleur différente.

Enfin, les fortes infestations des pucerons en monoculture de pois, pourraient aussi

s’expliquer par les qualités nutritives élevées du pois avec un taux élevé d’azote qui

favoriserait la reproduction des pucerons. Les travaux de Hu et al. (1992) ; Walter & Difonzo

(2007), ont montré que l’azote favorisait parfois une forte présence du puceron du soja (Aphis

glycine Matsumura) chez les plantes qui sont plus riches en cet élément.

A côté de cette hypothèse de la concentration des ressources, on pourrait aussi citer celle des

ennemis naturels «Top-down» qui fut formulée par Pimentel (1961). Elle stipule que la

122

dynamique des populations de ravageurs est réduite dans les systèmes diversifiés parce que

l’activité des ennemis naturels est augmentée par des paramètres environnementaux comme la

température, l’ensoleillement qui prévalent dans les agroécosystèmes complexes. Le contrôle

biologique des ravageurs par leurs ennemis naturels selon Pimentel (1961) rejoint un peu

l’hypothèse de la concentration des ressources en ce sens que les pullulations des ravageurs

sont plus fréquentes en monocultures (Risch et al., 1983 ; Andow, 1986). Il reste cependant à

concilier cette hypothèse avec les freins à la régulation biologique avancés par Kindlmann &

Dixon (1999).

Les pucerons avec leur temps de développement très rapide, posent d’énormes difficultés pour

leur régulation par les ennemis naturels notamment les prédateurs. En effet, les prédateurs

aphidiphages ont un temps de développement plus lent que celui de leur proie. Le rapport des

temps de génération est une des clés de compréhension de la limite de la régulation des

pucerons par les coccinelles (Kindlmann & Dixon, 1999). Les femelles des espèces dont les

larves se développent plus lentement que les proies courent le risque de voir disparaître ces

dernières avant la fin du développement de leurs larves. Pour les espèces aphidiphages, dont

le temps de développement des larves est à peu près équivalent à la durée de vie d’une colonie

de pucerons (Hemptinne et al., 1992), la fenêtre d’oviposition, c’est-à-dire le moment optimal

de ponte par rapport au développement de la proie, serait donc relativement étroite et se

situerait au début du développement d’une colonie de pucerons.

Notre étude et l’ensemble des études citées dans ce travail traitent le plus souvent de la

diversité végétale à l’échelle de la parcelle ou du peuplement. Or, les capacités de dispersion

des insectes herbivores, qui peuvent atteindre plusieurs kilomètres, indiquent que leur

territoire peut s’étendre à des surfaces bien plus importantes. Par ailleurs, la diversité des

plantes est aussi distribuée à l’échelle du paysage notamment quand celui-ci est composé de

parcelles de compositions végétales différentes. Bien que les cultures associées soient

actuellement l’objet d’un regain d’intérêt en Europe, elles posent de problèmes techniques

pour pouvoir être étendues à l’ensemble des monocultures. Or, certains travaux ont montré

que la biodiversité pouvait être conservée ou restaurée en modifiant la composition des

paysages des cultures (Brockerhoff et al., 2008). Il apparaît donc intéressant et utile de

considérer la relation entre diversité et résistance des écosystèmes aux insectes herbivores à

l’échelle du paysage.

123

4.3.2. Sur les déplacements et la valeur phénotypique des pucerons sur les différentes cultures

A la suite des résultats obtenus en champ, on a voulu vérifier au laboratoire si les pucerons

étaient handicapés par le mélange de plantes. Le travail actuel s’est donc proposé de suivre la

longévité des pucerons depuis leur naissance jusqu’à leur fin de vie, en comptant en même

temps leur déplacement et leur fécondité.

Les travaux en serre nous ont permis de constater que les déplacements des pucerons étaient

plus longs en culture pure de pois d’hiver qu’en culture associée. Ces déplacements longs

permettent aux pucerons de pouvoir parcourir les plantes de pois à la recherche de jeunes

feuilles. En outre, ces déplacements longs sur la monoculture du pois permettent aux pucerons

de trouver facilement de bons sites de ponte et probablement d’optimiser le développement de

ses descendants. Ceci favoriserait ainsi de fortes infestations en culture pure de pois d’hiver.

4.3.3. Influence des odeurs des plantes sur le choix des pucerons

Nous avons montré que le puceron du pois est sensible à des molécules volatiles émises par

une de ses plantes-hôtes, le petit pois (P.sativum L.). Ce puceron est également affecté par

l’odeur d’une plante non-hôte, dans ce cas-ci, le blé dur. Nous avons montré que lorsque des

substances volatiles du blé dur se mêlent à celles du petit pois, les pucerons évitent de se

diriger vers cette odeur et préfèrent la source d’air pur. Ce résultat est intéressant dans

l’optique de la protection des petits pois cultivés en association avec du blé dur.

Il faudra en premier lieu s’affranchir de la contrainte que constitue le volume des cloches de

verre de l’olfactomètre. Ces cloches étaient trop petites pour nous permettre de travailler avec

des plantes d’une taille comparable à celles que les pucerons rencontrent dans les champs.

Au-delà de cette problématique de la taille des plantes, se pose la question de la variabilité de

l’information olfactive en fonction de la taille et donc de l’âge des plantes.

Ensuite, il faudra analyser l’odeur des petits pois et celle des petits pois en association avec du

blé dur. A la lumière de notre dispositif expérimental, il n’y a aucun doute quant à l’émission

de substances volatiles par ces plantes. Celles qui émanent du blé sont connues (Birkett et al.,

2004), mais ce n’est pas le cas pour celles du petit pois. Une fois cette identification réalisée,

il faudra proposer aux pucerons un mélange synthétique ; cette démarche nous permettra, en

cas de succès, de mettre en évidence les molécules qui délivrent une information utile pour les

pucerons. Il sera sans doute plus facile de manipuler la concentration totale de l’information

olfactive dans l’air ainsi que la concentration relative des composés, une démarche

124

indispensable pour confirmer nos observations quant à l’attractivité ou le caractère répulsif

des odeurs (Webster, 2008 a,b ; 2010).

Enfin, il devient pertinent, au vu de nos premiers résultats, de soumettre des pucerons du pois

à de l’électro-antennographie, seule méthode qui permettra de connaître avec certitude les

molécules perçues par le système nerveux de ces insectes.

A ce moment, toute ambiguïté quant au rôle des molécules olfactives dans le comportement

de recherche de plante-hôte développé par le puceron du pois sera levée. On pourrait alors

éventuellement explorer les applications pratiques agronomiques de ces molécules.

4.4. PERSPECTIVES ET THÉMATIQUES

4.4.1. Perspectives et thématiques de recherche à développer pour une meilleure régulation du puceron du pois

Il a été démontré dans ce travail que les associations blé dur-petit pois permettaient une

réduction des infestations du puceron du pois. Cependant, nous pensons que les paramètres

suivants devraient consituer de nouvelles pistes d’approfondissement.

Il s’agit par exemple, de pouvoir établir les meilleures densistés de semis entre les deux

cultures en association. La densité de semis ayant une incidence directe sur le couvert végétal.

Les dates de semis ont montré également dans ce travail, qu’elles pouvaient avoir une forte

incidence sur les périodes de pic des infestations des pucerons, il serait ainsi bien indiqué,

qu’une étude bien approfondie se fasse afin de montrer les périodes de fortes infestations.

Les variétés cultivées devraient aussi faire l’objet d’une étude approfondie. Le travail actuel

ayant été fait sur deux varités.

Nous pensons également que des études plus approfondies sur le taux de fécondité et la survie

du puceron devraient se poursuivre en serre et en laboratoire. Les résultats ayant été obtenus

sous une campagne (dans le cas de la fitness et des odeurs des pucerons) et avec des variétés

limitées, il serait important de répéter l’expérience. Ainsi, on pourrait associer d’autres

variétés de pois ou de blé. Les paramètres tels que la température, l’hydrométrie, les variétés

des espèces cultivées devraient être modulées en vu de voir leur importance.

En qui concerne le choix des plantes par les pucerons en laboratoire, il serait indiqué de faire

les expériences complémentaires, en associant le temps mis par le puceron dans chaque

compartiment de l’olfactomètre.

125

4.4.2. Les perspectives de recherche à approfondir

Nous pensons qu’une étude sur les différents mécanismes de colonisation du puceron du pois

en présence de sa plante hôte qui est le petit pois, mais aussi, en présence de l’association blé

dur et pois d’hiver devrait être envisagée. Ceci pourrait se faire en champ, mais aussi en serre

ou au laboratoire. Les interactions fonctionnelles entre le puceron du pois et sa plante-hôte

devraient ainsi faire l’objet d’études plus détaillées.

Nous avons montré que le puceron du pois est sensible à des molécules volatiles émises par

une de ses plantes-hôtes, le petit pois (P. sativum); ce puceron est également affecté par

l’odeur d’une plante non-hôte, dans ce cas-ci, celle du blé dur. Nous avons montré que

lorsque des substances volatiles du blé dur se mêlent à celles du petit pois, les pucerons

évitent de se diriger vers cette odeur et préfèrent l’air pur. Ce résultat est intéressant dans

l’optique de la protection des petits pois cultivés en association avec du blé dur.

Ensuite, il faudra analyser l’odeur des petits pois seuls et celle des petits pois en association

avec du blé dur. Celles qui émanent du blé étant connues (Birkett et al., 2004), mais ce n’est

pas le cas pour celles du petit pois. Une fois cette identification réalisée, il faudra proposer

aux pucerons un mélange synthétique ; cette démarche nous permettra, en cas de succès, de

mettre en évidence les molécules qui délivrent une information utile pour les pucerons.

Enfin, il sera pertinent, au vu de nos premiers résultats, de soumettre des pucerons du pois à

de l’électro-antennographie, seule méthode qui permettra de connaître avec certitude les

molécules perçues par le système nerveux de ces insectes.

A ce moment, toute ambiguïté quant au rôle des molécules olfactives dans le comportement

de recherche de plante-hôte développé par le puceron du pois sera levée. On pourra alors

explorer les applications pratiques agronomiques de ces molécules.

126

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131

Auteur : NDZANA ABANDA Raphaël François Xavier

Titre : Régulation des bio-agresseurs dans les cultures associées de blé dur et de pois :

impact de la diversité végétale sur la démographie des pucerons du pois.

Directeur de thèse : Jean-Louis HEMPTINNE

Co-Directrice : Alexandra MAGRO

Lieu et date de soutenance : 30 novembre 2012 à l’Ecole Nationale de Formation

Agronomique d’Auzeville (Toulouse).

Résumé: Les pucerons font partie des principaux ravageurs des cultures dans les régions

tempérées. Leur succès comme ravageurs des plantes repose sur leur fort potentiel reproductif

dû à la parthénogenèse durant le printemps et l’été, la transmission des virus aux plantes, ainsi

que leur polyphénisme. Ce mode de multiplication asexué explique leur importante

dynamique démographique et les dégâts causés sur les cultures. Plusieurs méthodes de lutte

ont été envisagées à leur encontre, entre autre la régulation « Top-down », qui est l’approche

par les ennemis naturels, et la lutte chimique.

Lorsqu’on compare les temps de développement des pucerons et celui de leurs ennemis

naturels, à l’instar des coccinelles, on constate que les premiers se développent plus vite que

les seconds. C’est cette différence de vitesse de développement qui confère aux pucerons leur

caractère de proie éphémère ou limitée dans le temps. Le calcul du rapport du temps de

génération des prédateurs sur celui des pucerons, « Generation Time Ratio », est supérieure à

1. Or, les rapports supérieurs à 1 correspondent à des relations trophiques défavorables à la

mise en place d’une régulation « Top-down ». Dés lors, pour réguler la population des

pucerons du pois, il faudrait envisager d’autres possibilités de lutte biologique. La voie

« Bottom-up » semble ainsi être une voie plus appropriée.

Cette approche dite du « Bottom-up » privilégie l’augmentation de la biodiversité végétale en

champ pour réguler la dynamique de population du puceron du pois (A. pisum Harris).

Le présent travail de thèse a pour objectif de vérifier l’impact de la diversité végétale sur la

démographie du puceron du pois en monoculture de pois d’hiver par rapport à la culture

associée de pois d’hiver et de blé dur. Au cours de nos travaux en champ basés sur le

comptage de pucerons, nous avons pu ainsi vérifier que les infestations de pucerons étaient

statistiquement plus élevées en monoculture de pois par rapport à la culture associée de pois

d’hiver et de blé dur.

132

Nous avons ainsi pu évaluer l’influence de la plante-hôte sur les déplacements et l’aptitude

des pucerons. Les déplacements et les paramètres démographiques d’A. pisum adultes ont été

examinés dans un peuplement pur de pois d’hiver et dans un peuplement mixte de pois

d’hiver et de blé dur. Les distances parcourues par les pucerons en culture pure de pois sont

significativement plus longues qu’en culture associée. Le taux de fécondité est plus élevé en

culture associée de pois/blé qu’en culture pure de pois. De même, le taux de survie des larves

est plus élevé en culture associée qu’en culture pure de pois, même si la différence n’est pas

significative.

Nous avons au cours de ce travail, testé sur 1036 pucerons leur choix sur les sources d’odeur

entre deux types de cultures (monoculture de pois et une culture associée de blé dur au pois).

A cela, nous avons ajouté d’autres paramètres tels que la forme du puceron (ailé ou aptère), la

souche du puceron (sauvage ou élevé au laboratoire), la quantité de plante dans les pots lors

de l’expérience. Le choix des pucerons selon le type de plante n’a pas montré des résultats

significatifs. Cependant, on note une tendance des pucerons à choisir la source d’odeur chez

la monoculture de pois. Ces résultats mettent en évidence l’importance de la diversité végétale

sur la régulation des pucerons. Ainsi, les effets liés à la plante hôte « Bottom- up » permettent

de réguler certains ravageurs. Toutefois, d’autres variétés d’espèces de plantes dans le couple

céréale-légumineuse devraient être testées afin de confirmer cette hypothèse.

Mots clés : Acyrthosiphon pisum Harris, Bottom-up, monoculture, culture associée, diversité

végétale, paramètres démographiques, polyphénisme, Generation Time Ratio.

133

Author : NDZANA ABANDA Raphaël François Xavier

Title: Regulation of bio-aggressors in intercrops of durum wheat and pea: effect of plant diversity on the demography of pea aphids PhD Directors: Jean-Louis HEMPTINNE and Alexandra MAGRO

Place and date of defense: Toulouse

Summary: Aphids are major pests of crops in temperate regions. Their status as major crop pests is based on their high reproductive potential due to parthenogenesis in spring and summer, their polyphenism, and the transmission of viruses to plants. Several control methods have been considered against aphids. Of these methods, the most popular includes the "top down" appoach, which considers natural enemies and chemical control. When comparing the development time of aphids and their natural enemies, like ladybirds, we observe that the former grow faster than the latter. This difference in the speed of development characterizes aphids as short-lived prey. The generation time ratio of the natural enemies of aphids to that of the aphids is greater than 1. This value indicates that “Top-down” regulation is unlikely. Thus, to regulate pea aphids, other possibilities for biological control need to be considered. The «Bottom-up» approach seems to be more appropriate. This approach (Bottom-up) encourages an increase in plant biodiversity in the farm to regulate the population dynamics of pea aphids (A. pisum Harris). This thesis aims at verifying the impact of plant diversity on the demography of pea aphid (A. pisum Harris) in winter pea monoculture and in winter pea and durum wheat intercropping system. During our field work we were able to verify that aphid infestations were statistically higher in monoculture pea compared to an intercrop of winter pea and durum. We were also able to evaluate the influence of the host plant on the movements and the fitness of the aphids. The movements and demographic parameters of adults A. pisum were examined in a pure stand of winter peas and an intercrop of winter pea and durum wheat. The distances covered in pure culture of peas were significantly longer than in intercropping. The fertility rate was higher in intercropping pea / wheat than in pure culture of peas. Similarly, the survival rate of the larvae of aphids was higher in intercrop than in sole crop pea although the difference was not significant. We tested 1,036 aphids on their choice between odor sources from two types of cropping systems (peas monoculture and an intercrop of durum wheat and pea). To this, we added other parameters such as the morph of the aphid (winged or wingless), the aphid strain (wild or reared in the laboratory), and the amount of plants in pots during the experiment. The choice of aphids on the type of crop did not show significant results. However, there was a tendency of the aphids to be attracted by the odor from the pea monoculture. These results highlight the importance of plant diversity in the control of aphids. Effects related to the host plant "bottom up" help regulate certain pests. However, other varieties of plant species in the cereal-legume couple should be tested to confirm this hypothesis. Keywords: Acyrthosiphon pisum Harris, Bottom-up, monoculture, intercropping, crop diversity, demographics, polyphenism, Generation Time Ratio.

134

Annexes

ANNEXE 1

L ISTE DES TABLEAUX

Chapitre I: Is there an associational resistance of winter pea - durum wheat intercrops towards Acyrthosiphon pisum Harris? Table 1- Plant densities (per m2) and pesticide treatments in intercrops (IC) of winter pea (Wp) and durum wheat (Dw) and sole crops (SC) of winter pea, in 2007, 2008 (small plots) and in 2009, 2010 (large plots). F= seed treated with a fungicide; H= herbicide applied 2-4 days after sowing. Table 2- The mean, standard deviation (sd) and maximum (max) number of aphids per plant in intercrops (IC) of winter pea and durum wheat and sole crops (SC) of winter pea, for plots studied in 2007, 2008 (small plots), and in 2009, 2010 (large plots). Table 3- The mean values of red, green and blue spectrum in pictures of stands of durum wheat-winter pea intercrop and pure stands of winter pea. N= number of analysed images; Sd= standard deviation.

Chapitre II : Rôle des odeurs émises par des plantes dans la recherche d’hôtes par les pucerons du pois (Acyrthosiphon pisum Harris)

Tableau 1 : Les nombres de pucerons en fonction de la source d’odeur et de la souche, ayant effectué ou non le choix de quitter la zone centrale de l’olfactomètre et de se diriger vers une des quatre sources d’odeur Tableau 2 : Résumé des principales conditions expérimentales et des résultats des tests réalisés avec l’olfactomètre à quatre bras. Cas des pucerons ailés. Tableau 3 : Résumé des principales conditions expérimentales et des résultats des tests réalisés avec l’olfactomètre à quatre bras (cas des pucerons aptères). Tableau 4 : Analyse du comportement des pucerons aptères dans l’olfactomètre. Tableau 5 : Analyse du comportement des pucerons ailés dans l’olfactomètre. Chapitre III : Déplacements et aptitude du puceron du pois (Acyrthosiphon pisum Harris) dans un peuplement pur de pois (Pisum sativum L) et dans un peuplement mixte de pois et de blé dur (Triticum aestivum L) Tableau I : Nombre de pucerons se déplaçant au sein d’un plant de pois (données pour 4 jours). Tableau II : Nombre de pucerons ayant changé de plante dans les vasques.

135

Tableau III : Table de survie dressée pour deux cohortes de 52 pucerons élevés respectivement sur des plantes de pois d’hiver cultivés en peuplement pur et sur des plantes de pois d’hiver cultivés en association avec du blé dur. Tableau IV : Les nombres totaux de larves produites et les taux nets de reproduction calculés pour les cohortes élevées dans les vasques de pois d’hiver (PP) ou des vasques associant pois d’hiver et blé dur (PB).

136

ANNEXE 2

L ISTE DES FIGURES

Chapitre 2 Figure 1 : Plantules de pois pur quatre jours après transplantation Figure 2 : Plants de pois en monoculture prêts pour un test Figure 3 : Olfactomètre à 4 voies Figure 4 : Olfactomètre délimité en zone permettant de mieux suivre la progression du puceron Chapitre 3 Figure 1 : Un modèle de « clip cage » enserrant une fiole de pois Figure 2 : Distance totales parcourues par les pucerons durant 4 jours dans les vasques du blé dur associé au pois. Figure 3 : Distance totales parcourues par les pucerons durant 3 jours dans les vasques du blé dur associé au pois Figure 4 : Distance totale parcourue par chaque puceron durant 4 jours en fonction du type de vasque et durant 4 journées d’observation successives. Figure 5 : Taux de survie des pucerons des cohortes déposées dans la vasque de pois et dans la vasque de pois d’hiver et du blé dur.

137

ANNEXE 3

PARCELLES CULTIVÉES

Photo : Raphaël Ndzana

Figure 1: Parcelle de culture associée (blé dur et petit pois) à Lussan dans le Gers.

Photo : Raphaël Ndzana

Figure 2 : Parcelle de culture associée (blé dur et petit pois) à Qinsac dans le Gers

138

Photo : Raphaël Ndzana Figure 3 : Parcelle de culture associée (blé dur et petit pois) à Lussan dans le Gers. Parcelle

proche de la maturation pour la culture du petit pois.

Photo : Raphaël Ndzana

Figure 4 : Parcelle de petit pois pur proche à être récolté à Lussan dans le Gers.

139

ANNEXE 4:

Distances totales parcourues par les pucerons durant 4 jours dans les vasques de pois et les vasques du blé dur associé au pois

Type de culture Jour Numéro Puceron Distance totale/puceron (cm)

Pois Pur Jour 2 au jour 5 1 35,1

2 31

3 80,3

4 11,5

5 10

6 4

7 58,5

8 7,7

9 37

Moyenne 30,6

Pois-Blé Jour 2 au jour 5 1 51,5

2 44

3 18,5

4 13,3

5 10,5

6 19,4

7 17,5

8 3,7

9 28

10 6

11 2,5

12 9,7

13 1,2

Moyenne 17,4

140

ANNEXE 5:

Distances totales parcourues par les pucerons durant 3 jours dans les vasques de pois et les vasques de pois/blé.

Type de plante Jour Numéro Puceron Distance totale/puceron (cm)

Pois Pur Jour 2 au jour 4 1 32

2 18

3 63,3

4 5,5

5 3

6 2,3

7 46,5

8 7

9 14,5

Moyenne 21,3

Pois-Blé Jour 2 au jour 4 1 0,5

2 50,5

3 44

4 18,5

5 11,8

6 10,5

7 18,9

8 5,5

9 3,7

10 0,5

11 2

12 2,2

13 1,2

Moyenne 13,1

141

ANNEXE 6:

Photo : Pucerons verts du pois. (c) Inra, M. Hullé

Figure 1: Puceron vert ailé du pois

Photo r. Coutin - OPIE / INRA - Figure 2 : Pucerons adultes et exsuvies sur feuille de pois