Aperçu des sections

  • Généralités

    Axe 1 - Approche systémique des risques de multicontamination des cultures de plein champ par développement expérimental en réseau de parcelles

     L’un des enjeux forts du projet est de pouvoir répondre aux inquiétudes des filières et des agriculteurs face à la réglementation européenne (mycotoxines et éléments-traces) de plus en plus exigeante et de les accompagner dans la gestion des contaminations de leurs cultures qu’ils maîtrisent difficilement faute de références techniques et scientifiques, de données explicatives et d’indicateurs prédictifs aboutis. Pour ce faire, l’acquisition de données sur le long terme en condition de plein champ est indispensable. C’est ce que permet le réseau de parcelles Quasaprove.

     

    1.1 Contamination par les mycotoxines

    La qualité et l'innocuité des produits végétaux de grande culture peuvent être menacées par toute une gamme de contaminants, incluant des toxines d'origine naturelle. Parmi celles-ci figurent les mycotoxines. Les mycotoxines sont des molécules toxiques de faible poids moléculaire, produites par diverses espèces de champignons microscopiques capables d’infecter les plantes et certains aliments d’origine animale. Ces champignons appartiennent essentiellement à trois genres fongiques : Aspergillus, Penicillium et Fusarium. La plupart des mycotoxines sont chimiquement stables, résistent aux températures élevées, aux conditions de stockage et procédés de transformation. Elles se retrouvent dans les produits finis. Les céréales sont un des substrats privilégiés des champignons producteurs de mycotoxines. La contamination peut avoir lieu avant la récolte et certaines années, près de 25% des récoltes mondiales peuvent se retrouver contaminées. Elle peut aussi se produire au cours du stockage si les conditions de température et humidité ne sont pas contrôlées ou mal maîtrisées. En Europe, les mycotoxines produites par Fusarium ou fusariotoxines représentent la préoccupation majeure des filières céréalières du fait de leur occurrence fréquente et des conséquences économiques que leur présence engendre, mais aussi parce qu’il n’existe à l’heure actuelle aucune stratégie de maîtrise suffisamment efficace pour certifier le respect des limites réglementaires. Les fusariotoxines peuvent appartenir à différentes familles : Trichothécènes (avec le déoxynivalénol ou DON comme représentant majeur), Fumonisines et Zéaralénone mais aussi Enniatines, Beauvéricine, Moniliformine et Fusarin C. Les trois premières familles, dont les teneurs dans les grains sont réglementées, ont été l’objet principal des études menées au cours des cinq dernières années.

    • Eléments de contexte

    Depuis 2006 (avec le règlement CE 1881/2006) la réglementation européenne sur les contaminants est en perpétuelle évolution, en fonction des avancées des connaissances scientifiques, principalement au niveau de l’évaluation des risques, confiée à des agences indépendantes (EFSA au niveau européen, ANSES au niveau français). Des avis ont été publiés récemment par l’EFSA (plomb, arsenic, cadmium, zéaralénone, toxines d’Alternaria, toxines T-2 et HT-2, citrinine, alcaloïdes d’ergot, pyrimiphos méthyl et chlorpyriphos méthyl), d’autres avis sont attendus d’ici 2014 (enniatines, beauvéricine, moniliformine, nivalénol).

    Pour les avis déjà publiés, les produits céréaliers, même si ils sont faiblement contaminés, se retrouvent le plus souvent comme de forts contributeurs de contaminants, car ils sont très largement consommés. Il existe alors un risque de révision à la baisse des limites règlementaires déjà en vigueur.

    Concernant la problématique particulière de l’ergot et des alcaloïdes, à l’avis publié par l’EFSA s’ajoute la recommandation de la Commission Européenne du 15 mars sur la surveillance de la présence d’alcaloïdes de l’ergot dans les aliments pour animaux et les denrées alimentaires (2012/154/UE). Cette recommandation incite les Etats Membres et les opérateurs à surveiller les teneurs en alcaloïdes dans les céréales, produits à base de céréales, et les fourrages. Cette surveillance doit porter sur les 6 principaux alcaloïdes suivants, ainsi que leur forme épimère : ergocristine/ergocristinine, ergotamine/ergotaminine, ergocryptine/ergocryptinine, ergométrine/ergométrinine, ergosine/ergosinine, ergocornine/ergocorninine.

    L’étude de l’alimentation totale française publiée en juin 2011 par l’ANSES (EAT 2) montre que le risque de contamination des céréales par le DON et ses dérivés acétylés ne peut être écarté. Il est donc indispensable de poursuivre les efforts pour réduire l’exposition des classes de consommateurs les plus exposés de par leurs habitudes alimentaires.

    -  La gestion optimisée du risque DON doit prendre en compte l’évolution des systèmes de conduite de grande culture. La question d’un risque DON impacté par des systèmes de culture limitant les intrants voire par des systèmes en agriculture biologique n’a toujours pas trouvé de réponse. Les données publiées jusqu’à présent révèlent des résultats très contradictoires. Ces études n’ont jamais pris en compte l’impact du système de culture sur la flore fusarienne toxinogène et non toxinogène. L’intérêt de systèmes de culture en mixité d’espèces cultivées est évoqué sans avoir été validé pour le risque de contamination en DON.

    -  Le niveau de résistance des variétés de blé, un levier important de la gestion du risque mycotoxines a certes progressé mais reste insuffisant pour le blé dur et maïs. Il est indispensable d’approfondir les connaissances sur les mécanismes d’interactions plante/pathogène et résistance. La diversité des espèces fusariennes et surtout des souches toxinogènes doit pouvoir être prise en compte dans les schémas de sélection.

    -  Les travaux réalisés au cours des 5 premières années d’existence du RMT ont mis en évidence la contamination fréquente des récoltes de blé et maïs par des espèces fongiques produisant d’autres toxines que le DON et ses dérivés. Il s’agit de Fusarium avenaceum, F. tricinctum et F. poae sur blé ainsi que de F. temperatum sur maïs. Ces résultats soulèvent la question de la contamination des récoltes par les enniatines, beauvéricin et moniliformin. Il parait important d’intégrer ces toxines dans les enquêtes réalisées par les partenaires techniques mais aussi de développer des travaux de recherche sur leurs mécanismes de biosynthèse et toxicité. Cette composition de flore et son évolution (systèmes de cultures, changement climatique…) reste en 2013 une question critique. L’étude de ces questions de recherche nécessitera la co-construction de projets collaboratifs pour obtenir un financement spécifique sur projet intégré labellisé par le RMT (CasDAR, ANR, FSOV …).

    L’ensemble de travaux menés sur les mycotoxines a essentiellement concerné les mycotoxines de Fusarium et la contamination des céréales. L’enjeu lié à cette thématique est en effet majeur compte-tenu de la fréquente occurrence de ces toxines à seuil réglementé, leur toxicité avérée et la nécessité d’identifier les leviers nécessaires à leur contrôle. Il ne faut pas cependant négliger l’éventualité d’une contamination d’autres grandes cultures par les mycotoxines de Fusarium ni lapossible contamination des céréales par d’autres mycotoxines : aflatoxine sur maïs et toxines d’ergot sur blé sont deux questions qui demandent à être approfondies pour une gestion raisonnée des risques s’ils sont avérés.

    Enfin, d’autres productions peuvent être contaminées par d’autres mycotoxines : par exemple, la filière cidricole est concernée potentiellement par la patuline produite par Penicillium qui est réglementée dans les jus de pommes, les compotes et les cidres et susceptible de contaminer les produits à base de pomme (le règlement (CE) N°1881/2006 fixe les teneurs maximales en patuline à ne pas dépasser dans les produits alimentaires destinés à l’alimentation humaine. Ces teneurs maximales sont les suivantes : • 50 μg/kg pour les jus de fruits (y compris ceux reconstitués à base de concentrés), les nectars de fruits, les spiritueux et les cidres et autres boissons produites à base de jus de pommes et pommes ; • 25 μg/kg pour les produits solides à base de pommes (compotes, purées) destinés à la consommation directe ; • 10 μg/kg pour les jus et produits à base de morceaux de pomme ; • 10 μg/kg pour les aliments (autres que ceux préparés à base de céréales) destinés au nourrisson et à l’enfant en bas âge, et étiquetés et vendus comme tels).

    • Enjeux et intérêts

    Parvenir à garantir des niveaux de contamination en mycotoxines inférieurs aux seuils réglementaires ou les plus faibles possibles en absence de règlement européen, tel est l’enjeu majeur des recherches menées dans ce champ thématique du RMT Quasaprove. Cet enjeu s’applique à l’ensemble des productions végétales de grande culture ainsi qu’à l’ensemble des mycotoxines susceptibles de les contaminer. Il doit absolument prendre en compte l’évolution des systèmes de culture (vers une agriculture plus durable), l’évolution climatique, l’évolution de la réglementation européenne, mais aussi celle des méthodes analytiques. 

    Cet objectif répond à un double enjeu, économique et de santé publique. Parmi les contaminants des productions végétales, les mycotoxines sont ceux dont la toxicité aigüe a été vraisemblablement la plus étudiée. Cette toxicité aigüe n’est cependant pas préoccupante si l’on se réfère aux enquêtes de l’EAT 2 (ANSES, 2011). Sauf accident, les niveaux de contamination des récoltes européennes sont trop faibles pour atteindre des teneurs suffisamment importantes pour que cette toxicité aiguë s’exprime. C’est la toxicité chronique que de nombreuses études de toxicologues associent aux mycotoxines qui représente une source d’inquiétude majeure. Consommer des petites doses de toxines de façon répétée sur le long terme pourrait être à l’origine de différentes pathologies dont certains cancers. Même si encore insuffisamment étudiée (en dehors du périmètre du RMT Quasaprove), cette toxicité chronique potentielle est à l’origine d’une règlementation européenne en constante évolution pour tenir compte de ces données nouvelles. Sur le plan des risques économiques, le respect des limites réglementaires est devenu une condition d'accès au marché. Pour les cultures céréalières plus spécifiquement concernées par les trichothécènes, en dépit de progrès significatifs dans la maîtrise préventive du risque DON, des dépassements de limites réglementaires relativement importants peuvent être observées certaines années favorables au développement des espèces fusariennes productrices. Selon les enquêtes conduites par FranceAgrimer et ARVALIS-Institut du végétal, entre 10 et 20% des surfaces emblavées ou des volumes collectés au niveau national en 2007 et 2008 étaient caractérisées par des teneurs en DON supérieures aux limites réglementaires. En 2012, ce schéma s‘est reproduit avec près de 10 % des surfaces emblavées en blé dur qui dépassent la valeur seuil de 1750 µg/kg en DON. Les répercussions économiques sont donc considérables avec un reclassement vers d'autres débouchés de ces lots non conformes pour une destination en alimentation humaine. De plus, l'application de la réglementation européenne a conduit à la mise en place de contrôles et modifié ainsi un certain nombre de comportements au niveau des échanges commerciaux. Ces contrôles sont très coûteux pour la filière, que ce soit en termes de temps consacré ou du coût élevé des analyses. A l’impact économique direct résultant des récoltes dépassant les seuils de contamination tolérés et les surcoûts importants liés au contrôle, il faut ajouter les frais supplémentaires de logistiques, de transports et de nettoyage des grains.

    Des avancées scientifiques et progrès agronomiques ont été obtenus au cours des cinq dernières années. Une gestion rigoureuse des résidus, le choix variétal ainsi qu’une utilisation adaptée de traitements fongicides sont les principaux leviers sur lesquels l’agriculteur peut agir pour limiter le risque DON. Cependant, ces préconisations ne sont pas suffisantes pour garantir avec certitude et en toutes circonstances une qualité des récoltes compatible avec la réglementation européenne.

    La performance des modèles de prédiction doit encore être améliorée au regard des écarts observés certaines années entre teneur en contaminant dans le grain prédite et observée. Cette amélioration nécessite une meilleure connaissance de l’épidémiologie des champignons en cause. Ceci appelle en parallèle une capacité analytique fiable et précise pour un diagnostic le plus précoce possible pour l’identification et la quantification des espèces fongiques en présence.

    • Travaux antérieurs

    Les  progrès les plus significatifs réalisés au cours de ces cinq dernières années ont concerné l’analyse des maillons de la chaîne de contamination des grains par les fusariotoxines, de la caractérisation de l’inoculum jusqu’à l’expression de sa toxinogénèse. Les résultats acquis ou en cours d’acquisition qui semblent  les plus prometteurs en terme de prédiction ou gestion du risque appartiennent à 4 domaines : (1) Une connaissance approfondie des agents toxinogènes et de leurs interactions avec la microflore totale du grain, (2) Une connaissance approfondie des mécanismes de production des mycotoxines in planta et des évènements de régulation, (3) L’importance de la gestion des résidus et le rôle du compartiment sol dans la conservation et mobilisation de l’inoculum, (4) Une première évaluation de pratiques alternatives aux fongicides.

    (1) Une connaissance approfondie des agents toxinogènes et de leurs interactions avec la microflore du grain

    Les cinq premières années d’existence du RMT Quasaprove ont permis des avancées significatives quant à la définition d’outils biomoléculaires. Ont ainsi été définis et validés (pour certains par des approches comparatives interlaboratoires) des outils de quantification des producteurs de toxines majeures et émergentes ainsi que des outils spécifiques des espèces fusariennes les plus fréquemment retrouvées dans les récoltes de céréales françaises.

    L’exploitation de ces outils permet d’envisager plusieurs applications qui permettront une meilleure anticipation et gestion du risque mycotoxines sur céréales :

    -  Une estimation du niveau de risque de contamination en toxines des récoltes et de leur conformité aux données réglementaires par l’analyse quantitative des teneurs en ADN des agents fongiques producteurs.

    -  La définition d’outils de diagnostic précoces, applicables avant récolte et permettant de prévoir le niveau de contamination en toxines des grains récoltés.

    -  De nouveaux outils de phénotypage dans les programmes de sélection variétale.

    -  L’identification des équilibres d’espèces dont la présence conditionne les niveaux de contamination en mycotoxines.

    -  L’enrichissement des modèles de prévision de risque par l’apport de données sur la contamination fongique.

    Les travaux réalisés au cours des 5 premières années d’existence du RMT ont mis en évidence la contamination fréquente des récoltes de blé et maïs par des espèces fongiques produisant d’autres toxines que le DON et ses dérivés (cf. supra). Concernant l’orge de brasserie, l’IFBM a réalisé des observatoires « moisissures et mycotoxines de champ » sur l’orge de brasserie. De ces observatoires annuels, il a été constaté que la principale moisissure de champ infestant l’orge était Fusarium tricinctum avec production d’enniatines qui est pour l’orge un marqueur de la qualité sanitaire.

    Des premiers développements en métagénomique ont aussi été initiés. Appliqués à l’étude de la flore de l’épi ou de produits fermentés (ensilages), ils devraient permettre d’identifier de potentiels agents microbiens (levures, bactéries ou espèces fongiques) dont le développement limite celui des espèces toxinogènes et/ou la contamination en toxines. Ces agents seront de bons candidats dans les stratégies de biocontrôle.

    (2) Une connaissance approfondie des mécanismes de production des mycotoxines in planta et des évènements de régulation

    Des progrès considérables ont été obtenus sur l’identification de facteurs inducteurs, répresseurs ou modulateurs de la production de toxines, mais aussi sur les mécanismes moléculaires à l’origine de l’action de ces facteurs (Picot et al., 2010, Merhej et al., 2011). Ces connaissances devraient permettre l’identification de cibles moléculaires fongiques mais aussi de molécules naturelles qui pourraient être exploitées dans les stratégies de maîtrise du risque. L’étude des acides phénoliques a été particulièrement approfondie et des premiers essais d’application à la parcelle ont été initiés. Ces essais n’ont pas permis de confirmer l’intérêt (mis en évidence au laboratoire) de ces molécules en tant que biofongicides. Par contre, il a été observé que les génotypes de maïs les moins sensibles à F. graminearum et à l’accumulation de DON sont ceux contenant des niveaux élevés d’acides phénoliques dans les premiers stades de remplissage du grain. Pour aller plus loin dans la recherche de métabolites des plantes inhibiteurs de la toxinogénèse, des approches beaucoup moins ciblées, non orientées autour d’une famille de composés chimiques et surtout non focalisées sur des molécules de structure connue (approches métabolomiques) ont été initiées ; elles devraient permettre de préciser la ou les signature(s) métabolomique(s) d’un grain associé à un génotype résistant.

    (3) L’importance de la gestion des résidus et le rôle du compartiment sol dans la conservation et mobilisation de l’inoculum

    La gestion des résidus est un facteur agronomique décrit comme essentiel dans la gestion du risque DON. Cette affirmation a été étayée par les études récentes menées par ARVALIS-Institut du végétal même si des problèmes méthodologiques restent à lever. Ainsi, en 2012, trois essais sur 3 sites en France ont été réalisés. Des échantillons de résidus ainsi que des grains de blés ont été suivis pour leurs teneurs en mycotoxines et en espèce fongique.

    L’analyse des teneurs en toxines sur grains a confirmé l’absence de contamination. L’analyse QPCR sur grains confirme par ailleurs les résultats de mycologie, le témoin sans résidu est infecté par M.nivale et M. majus ; en revanche l’ADN de F. graminearum est quantifié à des niveaux inférieurs à 1 pg/ng. Une bonne corrélation entre M. nivale et M. majus est observée sur les grains, il n’y aurait donc pas de compétition entre les deux espèces. Par contre, aucune corrélation entre la quantité de chaque espèce fongique sur résidus et sur grains, ainsi les pathogènes sur grains ne proviennent a priori pas des résidus de culture.

    Pour l’effet de l’enfouissement des résidus, le projet s’est appuyé sur un essai existant de comparaison de travail du sol en précédent maïs. Les grains prélevés à la récolte sont suivis pour leur teneur en mycotoxines et de la flore. Malheureusement, sur l’essai travail du sol, les niveaux de contamination étaient trop faibles pour tirer des conclusions.

    En complément des observations de terrain, il était indispensable d’en comprendre les bases scientifiques  pour pouvoir exploiter au mieux ce levier. Une première étape a consisté à mettre au point les outils nécessaires au suivi de F. graminearum et du DON dans la matrice sol. L’analyse de l’effet de différents résidus sur la survie de F. graminearum dans le sol a mis en évidence la capacité des résidus de moutarde à limiter la disponibilité de l’inoculum. Le suivi du DON a montré que cette toxine n’était rapidement plus quantifiable (piégeage ou métabolisation ?), que la présence de vers de terre accélérait cette disparition et que le DON dans le sol n’avait pas d’impact significatif sur les différentes populations microbiennes. Ces études n’ont pas permis non plus de conclure à l’éventuel avantage conféré par la production de DON à une souche F. graminearum pour sa survie en présence de souches compétitrices.

    (4) Une première évaluation de pratiques alternatives aux fongicides

    Dans le cadre du programme EcoFusa, des molécules naturelles possédant une efficacité anti-fongique et "anti-mycotoxines" suffisante pour pouvoir se substituer aux fongicides synthétiques, et dont l’approvisionnement permet une application in vivo ont été évaluées. L’efficacité de ces biomolécules a été appréciée en conditions in vitro et en plein champ sur deux paramètres, la croissance du champignon et sa capacité à produire des toxines.

    Les résultats in vitro ont montré que le chitosane inhibe la germination des spores mais pas la croissance fongique, cette molécule n’a donc pas été étudiée au champ. Parmi les acides phénoliques testés, l’acide férulique semble être le meilleur inhibiteur de la croissance de Fusarium et plus particulièrement de F. graminearum. Concernant l’inhibition de la biosynthèse des mycotoxines par Fusarium, l’acide caféique ressort comme étant le meilleur inhibiteur parmi les molécules testées.

     

    Pour mémoire, les principaux résultats issus des actions du RMT Quasaprove sur la période précédente :

     

    Chantiers

    Actions

    Principaux résultats

    Chantier 3 : Mycotoxines et mycoflore phytopathogène

    - Mise au point d’outils biomoléculaires de quantification des producteurs de trichothécènes, fumonisines, zéaralénone et trichothécènes A, enniatines et beauvericine

    - Définition et mise en place de programmes de recherche sur l’impact des traitements phytosanitaires et à plus longue échéance, du réchauffement climatique sur la flore fusarienne inféodée aux blés français

    - Rôle des résidus de culture dans la sévérité des attaques de fusariose

    - Outils biomoléculaires de quantification des producteurs de trichothécènes, fumonisines, zéaralénone et trichothécène A

    - Programmes DON&Co, EcoFusa, Mycotek, blé dur

    - Rôle des résidus de cultures dans la sévérité de la maladie des épis

     

    •  Questions scientifiques et techniques

    Si les résultats obtenus ou espérés dans les projets de recherche récemment terminés ou en cours de réalisation permettent d’envisager des issues positives pour limiter les niveaux de contamination des récoltes céréalières en mycotoxines, les efforts demandent cependant à être poursuivis. Il est aussi indispensable de garder en mémoire que la problématique « mycotoxine » n’est pas une problématique figée et que de nouveaux défis se dessinent. En ce qui concerne le DON, la question du développement de nouveaux systèmes de culture (vers une agriculture plus durable) ainsi que celle de l’impact du changement climatique reste très peu abordée. Dans toute stratégie de lutte contre un pathogène fongique, les questions d’acquisition de résistance aux fongicides et de contournement des résistances variétales ne doivent pas non plus être négligées. Un nouveau défi réside aussi dans la prise en considération de mycotoxines décrites comme émergentes (beauvericin, enniatine et moniliformine), pour lesquelles peu de données d’occurrence et de prévalence sont disponibles. Il s’agit aussi de la ré-émergence de toxines, censées avoir disparu de nos récoltes, comme les alcaloïdes de l’ergot. Le développement des bandes enherbées -les graminées étant des réservoirs de claviceps purpurea- est fréquemment incriminé dans cette "ré-apparition". Il s’agit aussi de mycotoxines dont la présence sur grains avant récolte était jusqu’à aujourd’hui considérée comme très peu probable. En 2009, s’inquiétant de l’impact de modifications climatiques sur la qualité des récoltes, l'Autorité Européenne de Sécurité des Aliments a lancé un appel à propositions afin d'étudier l'augmentation potentielle des aflatoxines B1 dans les céréales au sein de l’Union Européenne.

    Enfin, si les céréales ont été l’objet principal des travaux de recherche, d’autres productions végétales sont aussi concernées par ces évènements de contamination en mycotoxines, comme les pommes à cidre par exemple.

    Les futurs travaux entrepris dans le cadre du RMT Quasaprove s’intégreront ainsi autour de 4 axes majeurs :

    1)   Approfondir la connaissance sur les mécanismes de contamination par le DON et dérivés pour augmenter la fiabilité et précision des outils de prédiction des risques, développer de nouveaux outils de maîtrise.

    -  Flore

    -  Régulation toxinogénèse

    -  Les leviers : gestion des résidus de culture, sélection variétale

    -  Les outils : biofongicides, biocontrôle

    2)   Identifier et comprendre les modifications de flore et toxines induites par les modifications de systèmes de culture.

    3)   Acquérir des connaissances sur les mécanismes de contamination des céréales par les toxines dites émergentes : beauvéricin, enniatines, moniliformine.

    4)   Elargir les études aux autres productions végétales : pommes à cidre/patuline, maïs/aflatoxines.

    • Moyens d’expérimentation

    Parcelles, vergers et serres expérimentales des partenaires en plus du réseau de parcelles Quasaprove ; laboratoires scientifiques INRA ; laboratoires d’analyse des partenaires ; plateformes génomique et métabolomique INRA ; stations expérimentales d’ARVALIS-Institut du végétal ; laboratoire de Pathologie Végétale d’ARVALIS-Institut du végétal ; plateforme d’essais malterie-brasserie de l’IFBM.

    • Productions et valorisation

    1. Ajustement des modèles et nouvelle version des systèmes d'aide à la prévision des risques mycotoxines  

    2. Grille d'analyse de l'influence du système de culture sur la distribution des communautés d'espèces fongiques sur l'épi   

    3. Publication de données d'inventaire sur l'occurrence et les teneurs en mycotoxines émergentes sur céréales à paille  

    4. Résultats des recherches sur de nouveaux couples champignons / végétal hôte (P. expansum  / pomme ; F. tricinctum / orge brasserie ; C. purpurea / triticale)

    Publications destinées au grand public et scientifiques ; publications dans PHYTOMA-santé du végétal ; publications dans Perspectives agricoles à destination des agriculteurs ; séminaires d’informations pour l’ensemble des filières et congrès scientifiques ; sessions de formation (utilisation des outils de prévision des risques –gestion préventive des risques par des choix raisonnés de conduite et des pratiques culturales raisonnées, etc.).

    • Partenariat

    FranceAgrimer, ARVALIS-Institut du végétal, INRA et en particulier le réseau Fusatox (http://www6.inra.fr/fusatox), CETIOM, IFBM, IFPC, ANSES, GEVES

     

    1.2 Eléments-traces et transfert sol-plante

    Les éléments-traces (Arsenic, Cadmium, Plomb, Cuivre, Zinc, etc.) sont naturellement présents dans les sols car ils proviennent en partie de la roche. A cela s’ajoutent la pollution diffuse des retombées atmosphériques et les intrants agricoles (engrais, produits phytopharmaceutiques, effluents d’élevage) pour expliquer la présence dans les sols d’éléments-traces. Cette accumulation résulte en partie de la présence de ligands forts tels que les matières organiques. Or, l’incorporation de produits organiques tels que des effluents d’élevage ou des composts particulièrement utilisés en agriculture biologique, va conduire à augmenter la teneur en matière organique des sols.

    Les végétaux, quant à eux, accumulent différemment les éléments-traces. Les espèces de grande culture les plus accumulatrices en cadmium dans leurs grains ou graines sont le tournesol, le lin, le riz, le blé dur et les légumes-feuilles tels que la laitue ou les épinards pour les espèces légumières.

    • Eléments de contexte

    Sauf dans le cas de contaminations atmosphériques élevées, la majorité des éléments-traces accumulés dans les grains de céréales proviennent du sol (Smolders 2001). Mais la totalité des éléments présents dans le sol n’est pas disponible pour les végétaux. Il est maintenant très clairement établi qu'il n'y a que très rarement de relations entre la teneur totale du sol en métal et la concentration dans les plantes, notamment les concentrations dans les grains de céréales ou les graines oléagineuses (Grant et al. 1998). Pour qu’un élément-trace soit absorbé par un végétal, il faut qu’il soit libéré de la matrice solide du sol (dont la matière organique) et qu’il passe en solution. Des paramètres tels que le pH, la teneur en matières organiques ou la spéciation de l’élément (formes physico-chimiques sous lesquelles il se trouve) jouent un rôle plus important sur la biodisponibilité que la teneur totale : l’acidification des sols accroît la biodisponibilité des métaux alors qu’une augmentation de la teneur en matières organiques du sol va limiter leur mobilité et biodisponibilité (McLaughlin and Singh 1999). L’association des métaux avec la matière organique dissoute contribue aussi à ralentir, ou au contraire à augmenter leur mobilité et leur transfert à la plante, selon la force de l’association et les caractéristique physico-chimiques des ligands .L’agriculture biologique, du fait d’un usage plus important de fertilisants d’origine organique, a un effet positif sur la teneur en matières organiques des sols (Fliessbach et al. 2007) mais en contre-partie les flux de métaux apportés aux sols par les amendements organiques utilisés ne sont pas négligeables (Zaccone et al. 2010). De plus, si une acidification des sols intervient, c’est à l’inverse une augmentation de la biodisponibilité et donc in fine de l’accumulation des métaux dans les végétaux qui peut se produire (Conacher and Conacher 1998). Le rôle de la fertilisation, minérale ou organique, sur les transferts de métaux vers les plantes est un sujet à éclaircir.

    • Enjeux et intérêts

    L’étude EAT2 de l’Anses a permis de reposer la problématique de la contamination de l’alimentation, en rendant publics le 1er juillet 2011 les résultats obtenus sur l’exposition des consommateurs aux contaminants présents sous forme de résidus dans l’alimentation. Cette étude pointe notamment des risques de dépassement des seuils toxicologiques pour le plomb, le cadmium, l’arsenic inorganique. A travers cette étude, l’Anses  insiste sur le fait de poursuivre les actions de gestion des risques dans le sens de la réglementation et auprès des filières afin de réduire les teneurs de ces contaminants dans les aliments principalement contributeurs. Les productions végétales issues de grandes cultures et les cultures maraichères sont fortement concernées.

    Parallèlement, en 2009, l’EFSA a produit un avis sur le cadmium proposant de réviser fortement à la baisse les seuils de l’OMS. La même année, un avis sur l’arsenic a conclu à la possibilité d’une exposition d’origine alimentaire trop élevée pour certaines populations. Ces conclusions ont conduit la commission européenne à réfléchir à un abaissement des seuils réglementaires pour l’alimentation humaine. Il est donc crucial de comprendre les raisons des niveaux de contamination élevés, non encore clairement identifiés à l’échelle de la parcelle ou du bassin versant. Pour exemple, les plans et campagnes de surveillance mis en place par les instituts techniques agricoles (CETIOM, ARVALIS-Institut du Végétal) ont révélé des concentrations élevées en éléments-traces pouvant dépasser la règlementation actuelle ou future  pour certaines productions (blé dur, tournesol), alors que les sols sur lesquels ils sont cultivés ne sont pas pollués et n’ont pas reçu de déchets ou amendements particuliers. L’agriculture biologique est souvent mise en avant par les consommateurs comme synonyme de produits sains et de qualité. Cependant, en ce qui concerne les contaminants minéraux et les mycotoxines, les résultats contradictoires enregistrés nécessitent un approfondissement des causes de la variabilité observée, ce qui n’est possible qu’à partir d’un réseau expérimental de parcelles pérennes suivi sur plusieurs années consécutives. Les conclusions des études publiées divergent fortement, mettant en avant l’impact positif ou négatif du mode de culture biologique sur les teneurs en contaminants des céréales voire aucun effet. Ainsi, des études comparant des modes de culture biologique ou conventionnel concluent à des résultats contradictoires quant à la teneur en contaminant métallique dans les productions végétales ou les produits végétaux transformés (Hernandez-Martinez and Navarro-Blasco 2013; Malmauret et al. 2002).

    • Travaux antérieurs

    Au cours des dernières années, la constitution d’un réseau de parcelles gérées par les fermes expérimentales des lycées agricoles, les unités expérimentales INRA et les instituts techniques agricoles partenaires du RMT QUASAPROVE a permis une meilleure caractérisation des niveaux de contamination en éléments traces en conditions de plein champ. Le projet CasDAR « Multicontamination » s’est appuyé sur ce réseau pour mieux caractériser et comprendre le transfert sol-plante des métaux.

    Une base de données a été réalisée pour centraliser et analyser les données collectées. Des synthèses annuelles ont permis de donner des valeurs de référence des contaminations en arsenic, cadmium, césium, chrome, cobalt, cuivre, molybdène, nickel, plomb zinc et uranium du blé tendre, blé dur et du tournesol, dans des conditions pédoclimatiques variées.

    Dans le cadre du précédent RMT Quasaprove, des méthodes de prélèvements, de préparation et d’analyse multicontaminants ont été développées et testées pour le suivi des cultures blé et tournesol. Ces méthodes permettent de conserver la représentativité de l’échantillon du champ au résultat de mesure.

    Des progrès ont été réalisés dans l’estimation de la biodisponibilité du cadmium et du plomb. Ainsi le capteur passif DGT a été testé, comparé à d’autres indicateurs chimiques et relié à l’accumulation dans le blé dur (projet Cadur, INRA-Arvalis).

    Parallèlement, des relations de pédotransfert ont été testées sur des jeux de données sol-plantes pour le blé dur, la laitue et la carotte. Cependant, aucune relation prédictive généralisable n’a pu être dégagée.

    Des travaux ont porté sur la modélisation du prélèvement du cadmium par le tournesol. Ainsi il a été démontré que le prélèvement du cadmium se faisait majoritairement au niveau des apex racinaires et que les différences variétales ne pouvaient être expliquées par des différences de morphologie racinaire (Thèse M.A. Laporte – CETIOM –INRA).

    Pour mémoire, les principaux résultats issus de des actions du RMT Quasaprove sur la période précédente :

    Chantiers

    Actions

    Principaux résultats

    Chantier 2 : Contamination par les éléments-traces métalliques et transfert sol-plante – Du prélèvement à l’analyse, vers une approche multicontaminants

     

    - Définition des modalités de prélèvement des échantillons végétaux

    - Rédaction du protocole de traitement de l’échantillon

    - Rédaction du cahier des charges de la banque d’échantillons

    - Constitution d’un recueil des méthodes d’analyse

    - CASDAR IP Multicontamination

    - Modalités de prélèvement des échantillons végétaux

    - Protocole de traitement de l’échantillon

    - Cahier des charges de la banque d’échantillons

    - Recueil des méthodes d’analyse

     

     

    • Questions scientifiques et techniques
    1. Prélèvements et analyses

    Il est important pour assurer la comparabilité des résultats d’analyse pour des échantillons provenant de producteurs différents de définir des protocoles de prélèvement et de préparation génériques de référence (multi-contaminants et multi-espèces) pour les professionnels. Si des recommandations existent pour le prélèvement et l’analyse des fruits et légumes dans le cadre de jardins potagers contaminés (Denys et al. 2007), il manque d’un protocole de référence pour le prélèvement représentatif des fruits et légumes produits en conditions de plein champ ou sous abris. Il s’agira de définir quel prélèvement réaliser (répartition sur la parcelle, quantité de matière prélevée) afin de maintenir à la fois la représentativité et l’intégrité de l’échantillon ? Les développements réalisés dans le cadre du RMT Quasaprove 2 s’appuieront sur l’expérience acquise dans le cadre du RMT Quasaprove 1, sur les résultats produits dans le cadre du projet ANR « JASSUR » en cours.

    D’autre part, la préparation des échantillons une fois prélevés est complexe surtout si l’on souhaite se rapprocher des pratiques courantes de la ménagère ou de l’industrie qui in fine traitera ces produits à destination de la consommation humaine (laver, éplucher, parer). Il s’agira donc de proposer une méthode de préparation de l’échantillon destiné à l’analyse, pour assurer la représentativité par rapport au traitement subi lors de sa transformation ménagère ou industrielle. Comment limiter les contaminations (au cours de l’épluchage par exemple) ou les pertes (au cours du lavage par exemple) ?

             2.  Meilleure caractérisation et quantification de la biodisponibilité des éléments-traces.

    La concentration totale en éléments-traces dans un sol n’est pas un indicateur prédictif du prélèvement des éléments-traces par les végétaux. Il faut donc utiliser des indicateurs de la biodisponibilité. Il s’agit alors de tester différentes méthodes de mesures de la biodisponibilité, dont les nouvelles méthodes des capteurs passifs, afin de trouver la meilleure méthode pour prédire la biodisponibilité des métaux pour les végétaux. Certains de ces capteurs, déjà opérationnels au laboratoire tels que la DGT (Diffusive Gradient in Thin films) ou des capteurs électrochimiques developpés au LCABIE, ou en cours de développement et de validation tels que les nano-capteurs (à base d’Hydrogels Nano-Composites (Thèse M. Peres- LCABIE, projet NanoVin, région Aquitaine), doivent être testés pour des productions végétales de grande culture et dans des conditions de terrain. Il sera en particulier intéressant d’utiliser conjointement capteurs passifs (DGT et nano-capteurs) et capteurs électrochimiques afin de développer la stratégie d’évaluation de la biodisponibilité des éléments- trace la mieux adaptée aux conditions de grande culture.

             3.  Quantification des flux d’éléments traces à la parcelle

    A partir de la mesure de la composition des intrants (minéraux et organiques), les flux entrant à la parcelle seront calculés. La mesure des rendements et la concentration dans les produits exportés permettra de calculer les exportations. Ainsi, en confrontant exportation et importation, nous pourrons établir un bilan. En confrontant l’historique des parcelles et ce bilan, nous chercherons à comprendre le niveau des stocks accumulés dans les sols. Nous analyserons également le flux de « recyclage », à savoir la quantité de contaminants apportés par les résidus de culture laissés à la parcelle. Cette analyse vise à construire un modèle d’accumulation des éléments traces dans les sols pour tester in fine des scénarios (passage en agriculture biologique, fertilisation uniquement minérale, etc.).

                4.   Identification de situations ou de modes de conduite « à risque »

    Toutes les mesures et informations qualitatives collectées (cf. Action 1) viendront alimenter une base de données déjà en cours de constitution (cf. § II.1). L’acquisition d’un jeu de données sur plusieurs années en amont et au cours du projet permettra un traitement statistique des informations, par une analyse a priori corrélative ou sans a priori en cherchant à dégager des facteurs explicatifs des niveaux de contamination élevés. Ainsi nous tenterons d’identifier des situations plus « à risque » de transfert pour proposer un guide de bonnes pratiques vis-à-vis des éléments traces.

                5.   Evaluation de l’effet de la fertilisation sur la biodisponibilité et la composition des cultures en éléments traces

    L’apport de matières organiques, la fertilisation minérale ont des effets sur les teneurs totales ou les teneurs biodisponibles en éléments traces. En effet, les matières organiques sont pour les éléments traces à la fois, un piège car elles constituent des surfaces sorbantes, et une source car elles peuvent contenir des éléments-traces. Il peut s’agir de matières organiques exogènes, apportées en grande quantité sur les parcelles cultivées en agriculture biologique, ou de résidus de culture laissés sur place ou enfouis après récolte.

    Il s’agira ici de mieux comprendre l’effet d’apports cumulés dans le temps sur la biodisponibilité des éléments traces. Pour cela, l’analyse de la base de données sera complétée par des expérimentations plein champ sur des dispositifs dédiés gérés par les instituts techniques. Nous porterons une attention particulière aux parcelles conduites en agriculture biologique par rapport aux parcelles en agriculture conventionnelle. Afin de mieux comprendre les mécanismes, des études complémentaires seront réalisées au laboratoire en conditions de température et d’humidité contrôlées. Des études plus fondamentales de spéciation, utilisant des techniques telles que les méthodes électrochimiques et les méthodes de fractionnement en ligne FFF (Field-Flow Fractionation) pourront également être utilisées pour mieux comprendre le transfert sol-solution-plante et le déterminisme de la composition des récoltes en éléments traces.

    • Moyens d’expérimentation

    Le défi est donc de prédire la concentration des éléments-traces dans les productions agricoles à destination de l'alimentation humaine. Il s’avère crucial d’obtenir des références en conditions de plein champ. Ainsi le réseau QUASAPROVE, constitué de parcelles gérées par les fermes expérimentales des lycées agricoles, les unités expérimentales INRA et les Instituts Techniques Agricoles partenaires, est le meilleur outil pour obtenir des valeurs de référence sur les teneurs dans les sols et les végétaux et pour tester les hypothèses proposées. Ce réseau, créé autour de parcelles en grande culture sera complété par des parcelles cultivées en production légumière.

    Des expérimentations en conditions contrôlées viendront compléter cette approche. Elles nous permettront de mieux mettre en évidence les mécanismes de contamination des végétaux.

    Ainsi les serres et laboratoires expérimentaux des différents partenaires seront utilisés dans le projet.

    Les analyses d’éléments en traces pourront être réalisées dans les deux laboratoires : USRAVE (accrédité par le COFRAC pour cette activité) et LCABIE pour les contaminants émergeants.

    •  Productions et valorisation

    1. Protocole de référence pour le prélèvement représentatif des fruits et légumes produits en conditions de plein champ ou sous abri et méthode de préparation de l'échantillon 

    2. Capteurs utilisables sur le terrain pour mesurer la biodisponibilité des métaux - Protocoles pour une utilisation en routine - Grilles d'interprétation des résultats   

    3 et 5. Gamme de teneurs en ETM dans les différents intrants et résidus de culture - Estimateurs des effets cumulatifs à moyen et long terme sur les stocks de métaux dans les sols agricoles   

    4 et 5. Recommandations de bonnes pratiques agricoles et conduite cultures pour la prévention des risques  

    1+2+3+4+5. Développement d'un outil de prévision du rsique d'accumulation des ETM dans le grain à la récolte

    •  Partenariat

    INRA TCEM et USRAVE, CETIOM, ARVALIS-Institut du végétal, Lycées Agricoles, LCABIE, CTIFL, ITAB, ANSES

     

     

    1.3 Approche multicontaminants

    • Eléments de contexte

    Les enquêtes sur la contamination de l’alimentation, telle l’EAT2, mettent en évidence des niveaux élevés pour le cadmium, le plomb et le DON. Jusqu’à présent, les travaux de recherche se sont intéressés séparément à ces contaminants pour comprendre leur occurrence ou expression. Les enquêtes menées par les Instituts Techniques Agricoles ou FranceAgriMer se focalisent généralement sur un contaminant cible. Très peu de données existent sur les contaminations croisées. Or il est possible que le stress métallique qui induit un stress oxydant au niveau du végétal, favorise le développement de champignons mycotoxinogènes ou la production de mycotoxines. A contrario, l’apport de matières organiques qui limite le transfert des éléments traces vers la plante, peut être un foyer de développement pour les champignons mycotoxinogènes.

    • Enjeux et intérêts

    Les productions végétales se doivent de respecter la règlementation concernant les niveaux de contaminants à ne pas dépasser pour l’alimentation humaine. Ainsi, des recommandations sont élaborées pour limiter les risques, notamment le risque d’infestation par les champignons mycotoxinogènes et en conséquence, le risque de contamination en mycotoxines. Or, les contaminations croisées sont mal connues et il est essentiel de mieux comprendre les mécanismes de multicontamination afin de valider les préconisations faites pour limiter la contamination et vérifier que les mesures proposées pour réguler la contamination par un type de contaminant limite ou n’a pas de conséquence négative sur un autre type de contaminant. Un dernier point relevant d’un enjeu majeur est celui de la toxicité cumulée des contaminants (cadmium et DON par exemple) susceptibles d’être présents en mélange dans les grains de blé, toxicité qui n’a, jusqu’à présent, jamais été évaluée.

    • Travaux antérieurs

    Face au constat d’un manque de données en conditions climatiques réelles, spatialisées et regroupant une analyse multicontaminants, la nécessité s’est dégagée de construire dans le cadre du RMT Quasaprove un réseau de parcelles pérennes dont les caractéristiques pédo-géochimiques seraient parfaitement connues et permettraient ainsi de tester en grandeur réelle, les hypothèses et les modèles. La constitution de ce réseau a été initiée par le projet CASDAR (2011-2013) « Etude de la multicontamination des productions végétales de grande culture en conditions de plein champ » qui a permis de lancer la première campagne de prélèvements en 2011. Les résultats obtenus indiquent que les récoltes de blé sont effectivement susceptibles de contenir les deux types de contaminants (résultats corroborés par les enquêtes d’ARVALIS-Institut du végétal et France Agrimer). Des études préliminaires menées en parallèle par les équipes INRA TCEM (UMR 1220) et MycSA (UR1264) sur des parcelles plus fortement contaminées suggèrent que les mécanismes de contamination des grains en cadmium et DON ne sont pas indépendants. Ces études indiquent qu’un blé cultivé sur un sol contaminé en cadmium est plus sensible à l’accumulation de toxines dans ses grains, vraisemblablement du fait des modifications physiologiques induites par le stress cadmium. Enfin, l’effet du cadmium sur la croissance de Fusarium et sur sa toxinogénèse n’est pas anodin.

    Pourmémoire, les principaux résultats issus de des actions du RMT Quasaprove sur la période précédente :

     

    Chantiers

    Actions

    Principaux résultats

    Chantier 6 : Réseau d’expérimentation multisites et multicontaminants

     

    - Constitution d’un réseau de parcelles multisites

    - Construction et alimentation d’une base de données des niveaux de contamination des cultures en éléments-traces et mycotoxines

    - Elargissement du spectre des contaminations et des conditions agropédoclimatiques

    - CASDAR IP Multicontamination

    - Un réseau de parcelles multisites (29) et multicontaminants

    - Une base de données des niveaux de contamination des cultures en éléments-traces et mycotoxines (2010-2013)

    - Intégration de parcelles conduites en AB

     

    •  Questions scientifiques et techniques
    1. Les relations possibles entre les deux mécanismes :

    à Effet du cadmium sur la croissance fongique et production de toxines chez Fusarium graminearum avec un point important sur la relation cadmium/stress oxydant/toxines

    à Sensibilité des plantes cultivées sur un sol contaminé en cadmium à Fusarium graminearum

          2.   La recherche de solutions agronomiques permettant de limiter ces contaminations

    à Quel est l’impact des recommandations agronomiques visant à limiter le risque DON sur le risque cadmium ?

    à Les variétés peu sensibles à Fusarium et accumulant peu de DON sont-elles également des variétés accumulant peu de cadmium ?

         3.   La toxicité du mélange cadmium/DON

    à Ces études seront réalisées par les laboratoires INRA partenaires des équipes du réseau Fusatox et en particulier TOXALIM (INRA Toulouse).

    •  Moyens d’expérimentation

    Le réseau de parcelles Qusaprove sera l’instrument privilégié pour quantifier en plein champ la multicontamination. A cela s’ajouteront des expériences d’inoculation en plein champ et des expériences ex situ, sur plantes cultivées en conditions contrôlées :

    - Analyse des modifications physiologiques induites par la présence de cadmium sur la plante et l’épi (et en particulier le stress oxydant)

    - Impact de ces modifications sur la sensibilité de l’épi à l’infection fongique et accumulation de DON

    •  Productions et valorisation

    1. Décryptage de l'interaction entre contamination au cadmium et sensibilité variétale à la fusariose et à l'accumulation de fusariotoxines dans le grain  

    2. Recommandations de bonnes pratiques agronomiques pour réduire les risques de contaminations croisées (ETM/fusariotoxines)

    3. Eléments de réponse sur la toxicité du mélange cadmium/DON

    • Partenariat

    INRA MycSA et TCEM – ARVALIS-Institut du végétal - ITAB – ANSES – Lycées agricoles (réseau de parcelles)