Reconstituer deux mini écosystèmes végétaux et analyser leurs odorscapes

Au cours de cette première tâche du projet, réalisée au CEFE, à l'IPE et à l'Ecotron IdF, un criblage de végétaux nous a permis  de sélectionner les cultivars de maïs et les espèces  de ligneux (Quercus ilex et Populus) ainsi que d'adventices (Artemisia ssp et Veronica persicaria) destinés à constituer les deux mini-écosystèmes "tempéré sec" et "tempéré humide". Les conditions expérimentales de culture en écotron, le contrôle des concentrations d'ozone, et le piégeage des volatils ont été mis au point.

Les émissions volatiles (VPCs) de pieds de maïs ou d'adventices cultivée individuellement en conditions contrôlées sont piégées par collecte dynamique sur cartouches de Tenax ou de Super Q puis analysées par GC-MS. Nous comparons les émissions de plantes cultivées  en conditions standards, ou exposées à des taux élevés d'O₃ et de CO₂ seuls, ou en combinaison avec un stress thermique ou hydrique.

     Les émissions volatiles de plantes cultivées en écotron sont capturées puis analysées afin de mesurer les variations qualitatives et quantitatives des composés volatils de plantes (Photo: Elodie Merlier).

Étudier les changements métaboliques affectant les plantes

Les changements intervenant dans quelques étapes-clés des principales voies métaboliques des VPCs (Voies du mévalonate,  du méthylérythritol phostate (MEP) , du shikimate et de l'acétate) sont en cours d'étude par des approches transcriptomiques et biochimiques. Des gènes cibles ont été identifiés pour le maïs, le peuplier et le chêne (IPE, Ecotron IdF and CEFE). Les protocoles d'extraction des enzymes et de mesure des activités enzymatiques ont été établis pour les enzymes retenus (PAL, SHDH, HPL, HMGR, DXS, PEPc RuBisCo).  Les expositions à O₃ par fumigation ont montré l'augmentation de certaines activités enzymatiques, tandis qu'elles diminuent pour d'autres enzymes. Ces variations dépendent du temps d'exposition à O_3, en lien avec le vieillissement prématuré de la plante lors des expositions longues à l'ozone.

En parallèle, le statut physiologique des plantes est suivi en continu au travers de mesure des échanges d'eau et de gaz et en mesurant l'index de photo réflectance (PRI).

Les mesures de photo-réflectance de la surface foliaire permettent de suivre l'état physiologique des maïs en parallèle avec le métabolisme des COVs (Photo: Elodie Merlier).

Reconstituer des odorscapes représentatifs

Un premier criblage nous a permis de repérer 32 molécules d'intérêt grâce au couplage chromatographie en phase gazeuse-électroantennographie (GC-EAD) sur les antennes des mâles d'Agrotis ipsilon. Dans un premier temps, nous avons utiliser ces données pour élaborer des odorscapes simplifiés afin de définir les conditions expérimentales pour les tests des odorscapes complets.

Nous avons testé des techniques de diffusion  par nébulisation de solutions hydro-alcooliques afin de créer les environnement olfactifs qui seront ensuite testés sur le comportement et l'olfaction des papillons. Une difficulté à surmonter est de contrôler la stabilité dans le temps des concentrations émises pour des molécules de volatilité très différentes. Un effort particulier est porté sur la calibration de nos système de diffusion afin de reproduire au plus près les concentrations de VPCs naturellement présentes dans les agrosystèmes.

Une fois maitrisées l'émission, nous pourrons reconstituer puis tester deux "odorscapes" : le premier odorscape sera représentatif du climat du Nord de la France (Humid Temperate Odorscape = HTO), l'autre odorscape représentatif des agrosystèmes du Sud de la France (Dry Temperate Odorscape = DTO).

Essais de diffusion de mélanges de composés volatils de plante par nébulisation de solution hydro-alcooliques.

Analyser les effets sur l'olfaction chez le papillon

La détection et le codage des odorants constitutifs  de HTO et de DTO sont étudiés à l'aide de techniques d'électrophysiologie et d'imagerie à deux niveaux du système olfactif (Versailles Ecosens): i) les neurones récepteurs olfactifs qui transmettent l’information olfactive de l'antenne vers le cerveau; ii) les neurones des lobes antennaires, premier centre de traitement et d'intégration de l'olfaction. Les enregistrements effectués sur une sélection de VPCs ont permis d'établir leurs concentrations efficaces et de caractériser plusieurs types d'interactions avec le système olfactif selon les composés volatils.

Pour  déterminer  comment les odorscapes végétaux sont perçus par les papillons un criblage par imagerie calcique sur la majorité des composés volatils de plante identifiés dans les différentes collectes est prévu début 2018. Ensuite, les odorscapes modifiés seront appliqués en arrière plan odorant lors de stimulation par des stimulus-signaux à forte valence écologique car impliqués dans la reproduction (phéromone, odeur de plante hôte), afin de mettre en évidence des modifications du codage olfactif.

La perception des signaux (phéromones) est modifiée par l'environnement odorant. Des techniques d'électrophysiologie ou d'imagerie calcique permettent d'étudier ces modifications et d'analyser comment le système sensoriel de l'insecte analyse signal et contexte (Photo: Michel Renou - INRA).

Analyser le comportement d'orientation de l'insecte

Au cours de la tâche 5 (Ecosens) le suivi par trajectométrie 3D des vols d'orientation des papillons en tunnel de vol permettra d'analyser les modifications des stratégies d'orientation en présence des odorscapes modifiés. En analysant les trajectoires de vol nous serons à même d'évaluer les capacités d'adaptation des mâles vis à vis des modifications de l'arrière plan odorant.

Nous avons d'ores et déjà pu établir  qu’un arrière-plan d’heptanal, un constituant d'arôme floral très répandu, modifiait la préférence des mâles d’ A. ipsilon vis-à-vis de mélanges phéromonaux vers un optimum comportant plus de l'un des trois constituants du bouquet phéromonal, le Z7-12 :Ac.

Les odeurs importantes déclenchent des réponses locomotrices. La trajectométrie permet d'analyser quantitativement l'influence de l'environnement odorant sur les déplacements des papillons.

Étudier les effets sur les gènes de l'olfaction

Lors de la tâche 6 (Ecosens), planifiée fin 2018, nous étudierons les effets de l'exposition des adultes aux odorscapes modifiés sur l'expression de leurs transcriptomes antennaires.

Le suivi des modifications dans le transcriptome par séquençage ARN permettra d'identifier les gènes olfactifs impliqués dans la modulation de la sensibilité olfactive en réponse au modifications de l'environnement sensoriel. Une attention particulière sera portée aux gènes codant pour des protéines liant les odeurs (OBPs), des récepteurs olfactifs (ORs) et des enzymes du catabolisme des composés odorants (ODEs).

L'exposition prolongée de l'insecte à des odeurs environnementales peut modifier l'expression des gènes olfactifs et la sensibilité de l'insecte. L’analyse à haut débit par séquençage d'ARN suite à l’exposition des insectes aux odeurs des différents environnements permettra d’identifier les gènes clés contribuant à la plasticité comportementale de l'insecte et à son adaptation.