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UR 1264 - MYCSA : Mycologie et securite des aliments

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Mycologie & Sécurité des Aliments
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Stress biotique et abiotique : L’exposition au cadmium protégerait le blé dur contre Fusarium graminearum ?

CD et F. graminearum
© INRAE_MycSA
La culture du blé est soumise à une diversité de contraintes biotiques et abiotiques qui peuvent affecter la qualité des récoltes. Deux contraintes spécifiques ont un impact majeur sur la qualité sanitaire et l’innocuité des grains chez le blé dur : la présence en excès de cadmium dans le sol et l’infection à floraison par Fusarium graminearum. Le cadmium du sol est prélevé par la plante et s’accumule dans les grains. F. graminearum produit des mycotoxines, en particulier le déoxynivalenol, qui contaminent les récoltes. Un dispositif expérimental en conditions contrôlées a permis de démontrer que ces deux événements de contamination n’étaient pas indépendants. L’exposition du blé dur au cadmium via le sol limiterait le développement du pathogène fongique ainsi que la production de la mycotoxine déoxynivalenol. Cette interaction serait liée à un effet du cadmium contenu dans les tissus végétaux sur la croissance et toxinogénèse de F. graminearum ainsi qu’à une amplification de la réponse de défense du blé dur à l’infection par le pathogène fongique en présence de cadmium.

Le Cadmium (Cd) et les mycotoxines sont parmi les contaminants les plus préoccupants pour la qualité sanitaire des céréales et de leurs produits dérivés. Comme souligné dans l’étude de l’alimentation totale en France (ANSES, 2011), l’exposition de l’homme à ces deux types de contaminants, qui est majoritairement liée à la consommation de produits céréaliers, nécessite d’être surveillée attentivement. Le cadmium est un élément trace présent naturellement dans les sols qui pénètre dans les végétaux par leurs racines et s’accumule dans les parties consommées. Certaines pratiques agricoles, notamment les apports d’engrais phosphatés, ont conduit à un enrichissement des sols en Cd et à une hausse de la teneur en Cd des grains chez les céréales. En ce qui concerne les mycotoxines, le deoxynivalenol (DON), qui est produit majoritairement par Fusarium graminearum au cours de la culture, est la toxine la plus fréquemment retrouvée dans les récoltes céréalières en Europe.

Parmi les espèces céréalières, le blé dur est la plus sensible à la contamination par le DON et par le Cd. Les récoltes se retrouvent ainsi fréquemment co-contaminées par ce mélange de contaminants, dont les effets toxiques combinés sont encore mal connus. Pour définir des stratégies agronomiques permettant de limiter efficacement et simultanément l’accumulation de ces deux contaminants dans les grains de blé dur, et éviter qu’une stratégie préconisée pour réduire un contaminant n’ait un effet opposé sur le deuxième, il est indispensable d’analyser le degré potentiel d’interaction entre les mécanismes de contamination des grains par le Cd et le DON. Cette analyse constituait l’un des objectifs du projet ANR CaDON, « Cadmium et DeOxyNivalenol dans les récoltes de blé dur : comprendre les évènements de contamination croisée et évaluer la toxicité du mélange ». Pour sa réalisation, du blé dur a été cultivé en serre sur un même sol contaminé à différentes doses de Cd. La moitié des plantes a été inoculée à floraison par une souche toxinogène de F. graminearum. Des prélèvements d’épis ont été réalisés à différents stades après inoculation et à maturité des grains, et soumis à une batterie d’analyses pour suivre les deux contaminants dans les tissus végétaux ainsi que la réponse de la plante à l’infection fongique dans les différentes conditions de culture.

Les résultats obtenus in planta ont permis de mettre en évidence que l’exposition du blé dur au Cd via le sol limitait les niveaux d’ADN fongique et de DON dans les grains récoltés à maturité. Pour apporter des éléments explicatifs à cette observation, deux hypothèses ont été envisagées : (i) le Cd accumulé dans les tissus végétaux serait toxique pour F. graminearum et limiterait sa production de DON, et (ii) la présence de Cd dans le sol modifierait le métabolisme des plantes et modulerait leur réponse à l’infection par F. graminearum. Des expériences conduites in vitro ont permis de souligner que des concentrations en Cd de l’ordre du µ-molaire, proches de celles quantifiées dans l’épi de blé au moment de l’infection par le pathogène fongique, inhibaient significativement la production de DON et affectaient l’expression de gènes impliqués dans un grand nombre de voies métaboliques chez F. graminearum.  Parmi les voies ciblées par Cd, le cycle respiratoire, la réponse au stress oxydant ainsi que les voies de biosynthèse de métabolites secondaires (dont celle du DON) étaient les plus impactées. Nous avons aussi démontré que l’exposition du blé dur au Cd semblait le prémunir contre l’infection par le pathogène fongique en induisant des réactions de défense plus importantes. Les composantes des mécanismes de défense affectées concernaient aussi bien des étapes très précoces telles que la reconnaissance du pathogène (récepteur de la chitine) et transmission du signal (protéine PR) que le déclenchement de la réponse oxydative et la mise en place de barrières contre la progression de F. graminearum (voies des phenylpropanoïdes et synthèse des hydroxyamides).   

Ces résultats obtenus en conditions contrôlées seront comparés aux données d’enquêtes réalisées par ARVALIS-Institut du Végétal sur la qualité sanitaire des céréales. La prise en compte de la variable contamination du sol en élément traces métalliques sera intégrée dans la recherche de facteurs explicatifs des teneurs en DON des récoltes de blé dur. Le dispositif expérimental mis en place et validé dans le cadre du projet ANR CaDON servira de modèle pour l’analyse d’autres combinaisons de stress associant fusariose et stress abiotique (stress hydrique, température…).