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Répercussions potentielles des cultures moléculaires sur la biodiversité

Les opinions et vues contenues dans cette publication n'engagent que leur auteur et ne reflètent pas nécessairement les vues et positions de l'Agence canadienne d'inspection des aliments.

Table des matières

Résumé

1.0 Introduction

1.1 Qu'est-ce que la culture moléculaire et quels en sont les produits?

1.2 Qu'est-ce qui différencie les produits de la culture moléculaire des autres végétaux à caractères nouveaux?

1.3 Quel est l'objet du présent rapport?

2.0 Entrée des PVI dans l'environnement

2.1 Ingestion directe des protéines exprimées

2.2 Décomposition des résidus de cultures

2.3 Lixiviation dans le sol et les écosystèmes aquatiques

2.4 Invasion des cultures moléculaires (resemis spontanés) dans d'autres cultures ou habitats

2.5 Flux génique

3.0 Effets des PVI dans l'environnement

3.1 Effets sur la faune

3.2 Effets sur les populations/la structure des communautés

3.3 Effets sur l'agriculture

3.4 Effet global de la culture moléculaire sur la biodiversité

4.0 Réduction des répercussions de la culture moléculaire

5.0 Résumé et conclusions

Remerciements

Bibliographie

Résumé. Par « agriculture moléculaire », on entend la production, dans des plantes et des animaux, de produits végétaux intéressants (PVI) transgéniques en vue de s'en servir comme substances biopharmaceutiques (p. ex. anticorps, vaccins comestibles et autres agents thérapeutiques) ou comme composés industriels (p. ex. plastiques biodégradables et huiles lubrifiantes). Le premier produit de l'agriculture moléculaire utilisant des plantes a été fabriqué en 1989.

La présente étude porte plus particulièrement sur les applications dans le règne végétal ainsi que sur les macromolécules biologiques destinées à des fins pharmaceutiques et autres. Les plantes, on le sait, peuvent fournir d'énormes quantités de ces biomolécules, et cela sans danger et à des coûts bien moindres que les technologies fondées actuellement sur les bactéries ou les cellules animales. Selon la plante utilisée, un système de production agricole approprié peut déjà être en place et pourrait s'adapter spontanément aux forces économiques et à la dynamique du marché.

Tout dépendant du composé, des végétaux à caractères nouveaux (VCN) exploitables éventuellement en culture moléculaire peuvent être produits en laboratoires, dans des serres ou sur le terrain. Si, pour certains produits de l'agriculture moléculaire, la superficie nécessaire peut être très petite (quelques serres pourraient répondre à l'essentiel de la demande mondiale de certains médicaments pharmaceutiques dispendieux), pour d'autres, des milliers, voire des millions d'hectares pourraient être requis (p. ex. pour la production de plastiques biodégradables). L'agriculture moléculaire pourrait simplement s'insérer dans le paysage rural existant et trouver sa place dans la diversification agricole; à l'autre extrême, elle pourrait imposer un paysage ou une configuration régionale dans les types de cultures et les méthodes agraires utilisées. Étant donné les forts incitatifs économiques à pratiquer des cultures moléculaires, ce nouveau secteur d'activités pourrait changer la façon dont se fait l'agriculture. Cela pourrait modifier la biodiversité locale et régionale tant à l'intérieur qu'à l'extérieur du paysage agricole.

Les changements qui s'opéreront en agriculture sous l'effet de l'agriculture moléculaire seront probablement propres à la région, au type de plante cultivée et, probablement, au produit moléculaire recherché. Étant donné que différents types de cultures sont associés à différents régimes agraires (p. ex. usage plus ou moins intensif de pesticides et d'engrais, grandeur des champs) et à différents facteurs physiques comme l'état des sols, ces changements pourraient se répercuter sur la biodiversité, surtout s'ils devaient entraîner une intensification accrue des systèmes d'exploitation.

Les cultures moléculaires peuvent créer d'autres voies d'exposition de l'environnement aux composés industriels et pharmaceutiques susceptibles de se répercuter sur la biodiversité. Certains PVI peuvent avoir des effets toxiques sur des animaux en particulier (selon les composés et les concentrations en cause) ou, encore, des effets sublétaux altérant le comportement ou la physiologie, ou ils sont théoriquement capables d'augmenter la résistance des pathogènes aux antibiotiques. Un de ces voies d'exposition consiste en l'ingestion directe des cultures moléculaires (pollen, fleurs, feuilles, fruits, graines et racines) par la faune et en l'entrée potentielle de ces molécules dans la chaîne alimentaire. D'autres résulteraient de la décomposition des résidus des cultures moléculaires après la récolte ou, encore, de l'élimination des déchets de culture et de déversements accidentels durant la récolte et le transport. Des PVI issus de cultures moléculaires peuvent aussi s'introduire dans les écosystèmes aquatiques ou devenir accessibles à la faune du sol par : ruissellement des eaux, percolation des matières fécales et de l'urine excrétées par la faune qui se nourrit de ces cultures et désorbtion à partir des racines au moyen des exsudats du sol. Dans certains types de sol, il se pourrait que les PVI se lient aux surfaces des particules (argile et substances humiques). Ce phénomène ralentirait la biodégradation et provoquerait la persistance dans l'environnement.

Si des gènes codant pour les PVI étaient transférés par le pollen des cultures moléculaires aux mêmes espèces ou à d'autres, l'exposition de l'environnement à ces PVI eux-mêmes pourrait être accrue, même à l'extérieur de systèmes agricoles. De nombreuses méthodes de confinement des gènes exprimant des PVI font l'objet d'études, y compris l'apomixie, la maîtrise de la dormance des semences ou de l'égrenage prématuré, les barrières d'infertilité, la stérilité mâle, les systèmes gène-clé et la transformation des chloroplastes.

Les resemis spontanés à l'extérieur des systèmes agricoles sont une autre source potentielle d'exposition accrue de l'environnement aux PVI. Ils risquent peu d'être un problème dans beaucoup d'applications de la culture moléculaire aux plantes cultivées, mais pourraient l'être davantage lorsqu'on utilise des espèces végétales non cultivées.

Ce qui inquiète particulièrement, c'est qu'un très large éventail de substances biologiquement actives seront produites par l'agriculture moléculaire. Or, on en sait relativement peu sur le sort ou les effets de nombreux produits pharmaceutiques et produits de soins personnels (PPSP) dans l'environnement. Cependant, on sait qu'ils peuvent être extrêmement persistants et biocumulateurs et qu'ils pourraient causer des changements subtils à long terme dans des communautés naturelles. Tout dépendant du type et du niveau d'expression du produit sur le terrain, l'agriculture moléculaire pourrait venir grossir la charge de ces composés dans l'environnement en raison d'une expansion possible de l'interface entre le médicament et les écosystèmes naturels ou semi-naturels (auparavant, ce phénomène s'opérait en grande partie par les eaux d'égout - aussi bien les déjections des humains que des animaux domestiques - et par le milieu aquatique).

Du point de vue de la biodiversité, il est crucial d'évaluer l'importance de ces effets au niveau de la population ou de la communauté malgré les difficultés que cela peut poser, plutôt qu'aux niveaux de la molécule, de la cellule ou de l'individu seulement.

1.0 Introduction

1.1 Qu'est-ce que la culture moléculaire et quels en sont les produits?

Par « culture moléculaire », on entend spécifiquement la production de plantes cultivées ou non qui ont été génétiquement modifiées pour exprimer des produits végétaux intéressants (PVI), comme des substances biopharmaceutiques (anticoagulants, hormones, inhibiteurs de protéines ou de peptides, enzymes recombinantes, anticorps thérapeutiques et diagnostiques, vaccins comestibles pour les animaux domestiques ou les humains [p. ex. contre l'hépatite B]), ainsi que des enzymes industrielles, des plastiques biodégradables et des huiles lubrifiantes (Whitelam et coll. 1993, Whitelam 1995, Ma et coll. 1995, May et coll. 1996, Kusnadi et coll. 1997, Miele 1997, Cramer et coll. 1999, Fischer et Emans 2000, Fisher et coll. 1999, 2000, 2001, Giddings et coll. 2000, Daniell et coll. 2001). Le terme « culture moléculaire » inclut parfois les « aliments fonctionnels » ou « nutraceutiques », plantes alimentaires dont la composition en éléments nutritifs ou en composés bons pour la santé a été modifiée. Cependant, dans la présente étude, sa signification se limite à la production, chez les plantes, de PVI à des fins médicales ou industrielles ou à d'autres usages non alimentaires.

Bien que l'usage des plantes à des fins médicinales existe depuis des milliers d'années, l'introduction comme telle d'un gène pour exprimer un produit est une innovation (Fischer et coll. 2001). En 1989 et en 1990, la fusion de la médecine moléculaire à la biotechnologie végétale a démontré qu'on pouvait réussir à cultiver chez les plantes des médicaments et des vaccins moléculaires (Hiatt et coll. 1989, Düring et coll. 1990); cette technologie est maintenant commercialement viable. La majeure partie de cette recherche se fait encore en grande partie dans les laboratoires (avec des essais sur le terrain), mais la production commerciale de certains systèmes a déjà commencé aux États-Unis.

Un large éventail de plantes cultivées ou non ont été mises à l'essai en Amérique du Nord et ailleurs pour servir en agriculture moléculaire. Mentionnons le maïs, le tabac, le riz, la luzerne, le canola, le soja, le blé, l'orge, le dolique, la pomme de terre, la tomate, le navet, la laitue, le carthame, le lin, l'épinard ainsi que des plantes non cultivées comme l'arabette ou Arabidopsis (Harr 1998, Baez et coll. 2000, Giddings et coll. 2000, Staub et coll. 2000, Parmenter et coll. 1995, Boothe 1997, Gomez et coll. 1998, Zeitlan et coll. 1998, Khoudi et coll. 1999, Daniell et coll. 2001, Stoger et coll. 2000, Arntzen et Mason 1997, Artsaenko et coll. 1998, Cramer et coll. 1999, Kapusta et coll. 1999, Ma 2000, Mason et Arntzen 2001).

Le tabac est l'une des cultures les plus communément utilisées comme plate-forme pour la recherche dans le domaine de l'agriculture moléculaire et il a fait l'objet de manipulations génétiques pour la fabrication de nombreux produits : antibiotiques, nouveaux polymères, traitement contre la carie dentaire (Ma et coll. 1995) et médicaments anticancéreux (p. ex. interleukine 10 - Menassa et coll. 2001, Brandle et coll. 2001 [ébauche]). Le maïs est employé pour la production d'anticorps (Stoger et coll. 2000), le soja, pour de nouveaux lubrifiants qui sont renouvelables et biodégradables (Davies et Chambers 2001) et Arabidopsis, pour des monomères de plastique (www.biotech-info.net/plants_plastics.html).

1.2 Qu'est-ce qui différencie les produits de la culture moléculaire des autres végétaux à caractères nouveaux?

Une différence apparente entre les fameux végétaux « de première génération » dotés de caractères nouveaux et les cultures moléculaires, c'est que, en culture moléculaire, les plantes sont génétiquement manipulées pour exprimer un caractère de qualité de la production qui peut avoir un effet biologique direct sur les organismes non visés. La raison en est que certains PVI, comme les médicaments pharmaceutiques, ont été produits pour être biologiquement actifs chez les humains ou les animaux domestiques (Halling-Sørenson et coll. 1998). Par conséquent, strictement parlant, des plantes génétiquement modifiées pour des caractères de productivité peuvent aussi avoir des effets biologiques sur des organismes non visés, par exemple des caractères de résistance non spécifique à des insectes.

Un bon nombre des mêmes préoccupations environnementales que celles qui sont associées aux cultures transgéniques « de première génération » (celles dotées de caractères visant à en améliorer la productivité, la tolérance aux herbicides [TH] et la résistance aux insectes [RI]) sont valables pour l'agriculture moléculaire. Mentionnons le flux génique entre, d'une part, les plantes transgéniques servant à produire des PVI et, d'autre part, les cultures alimentaires, ou leurs parentes sauvages; une autre possibilité est que ces plantes sauvages apparentées, en se croisant avec les cultures moléculaires, produisent des hybrides viables, fertiles, qui perpétueraient ainsi les gènes qui codent pour les PVI. Ces problèmes sont particulièrement préoccupants en culture moléculaire dans le sens que les plantes qui sont exploitées à cette fin ou leur descendance pourraient exprimer des protéines capables de produire des effets biologiques si elles entraient dans la chaîne alimentaire. Il n'en va pas de même de tous les VCN. Par exemple, une culture tolérante à un herbicide pourrait n'avoir aucun effet néfaste sur des mammifères herbivores qui la brouteraient, alors qu'une plante contenant un vaccin comestible pourrait en avoir.

Le risque qu'un flux génique s'opère dans différents types de plantes cultivées et leurs parentes sauvages a été largement étudié; le canola, par exemple, compte dans sa parenté plusieurs plantes sauvages et envahissantes, qui peuvent le féconder. L'échelle à laquelle les cultures sont pratiquées détermine le risque de transmission de gènes des cultures moléculaires aux cultures alimentaires de la même espèce ainsi qu'à leurs parentes sauvages, que ce soit au moyen du pollen (transporté par le vent ou par des invertébrés) ou par d'autres voies d'exposition. Des distances d'isolement minimales ont été fixées pour différentes cultures transgéniques, et ces chiffres pourraient être réexaminés pour les cultures moléculaires. La contamination des cultures alimentaires ou des habitats naturels par des resemis spontanés de cultures moléculaires pourrait accroître le risque de flux génique tant dans l'espace que dans le temps.

1.3 Quel est l'objet du présent rapport?

La présente étude s'intéressera aux types de cultures qui sont utilisées en culture moléculaire, ainsi qu'à leurs produits. Elle décrira ensuite les voies d'entrée et le devenir de ces produits, ou des gènes qui les expriment, dans l'environnement, puis en examinera les effets potentiels (à différentes échelles, de l'individu aux populations et aux communautés). Ensuite seront abordées les options envisageables pour limiter ces effets et les conséquences des modifications touchant l'aire d'extension des grandes cultures. L'étude s'intéressera plus particulièrement aux applications impliquant des plantes entières, puisque ce sont elles qui présentent le plus grand potentiel du point de vue de l'interface et de l'exposition de l'environnement. À noter que comme la culture moléculaire est le poste avancé de la recherche biotechnologique, on sait en fait relativement peu de choses sur les risques pour l'environnement, autres que ceux qui sont évidents comme le broutage par un herbivore d'une plante contenant un médicament (dans ce cas, les effets physiologiques dépendront du type de produit chimique et de la concentration dans les tissus). En fait, il existe très peu de données concrètes sur les effets à grande échelle des VCN de première génération sur la biodiversité, puisque la recherche dans ce domaine ne fait que commencer. Il s'ensuit que la description de la plupart des effets éventuels de la culture moléculaire sera essentiellement spéculative.

2.0 Entrée des PVI dans l'environnement

Au lieu d'avoir acquis des caractères (p. ex. tolérance à un herbicide ou résistance à un insecte) qui pourraient conférer un avantage compétitif à une plante sauvage ou une mauvaise herbe apparentée, ou à des resemis spontanés, la culture moléculaire produirait des composés d'intérêt pharmaceutique ou industriel qui pourraient éventuellement être biologiquement actifs. Suivant leur quantité dans l'environnement, ces composés seraient susceptibles d'avoir des répercussions sur la biodiversité en compromettant la viabilité d'organismes non ciblés.

Il y a plusieurs voies par lesquelles les PVI produits par la culture moléculaire peuvent entrer dans l'environnement:

1) l'ingestion directe d'organes végétaux (feuilles, fleurs, pollen, fruits, graines ou racines) qui contiennent des PVI biologiquement actifs par les animaux sauvages (invertébrés, mammifères, oiseaux);

2) la décomposition des résidus végétaux laissés sur le champ ou l'épandage de déchets (p. ex. matières végétales ou effluents d'animaux d'élevage à qui on a administré des produits thérapeutiques issus de végétaux);

3) la lixiviation dans le sol et les écosystèmes aquatiques

4) l'invasion des cultures dans d'autres habitats

5) le flux génique

Théoriquement, la transformation des cultures moléculaires et l'utilisation de leurs sous-produits pourraient également entraîner le rejet de PVI dans l'environnement.

2.1 Ingestion directe des protéines exprimées

Les matières végétales qui contiennent des PVI peuvent être consommées directement par des animaux de la faune, invertébrés, oiseaux ou mammifères. La probabilité que les animaux ingèrent des tissus végétaux provenant de cultures moléculaires et les risques qui en découlent sont fonction d'un certain nombre de facteurs. À l'évidence, pour la majorité des animaux de la faune, ce risque est grandement réduit lorsque la culture moléculaire est pratiquée en milieu clos (serres, laboratoires). De nombreux PVI exprimés dans des cultures moléculaires peuvent être bioactifs dans le champ, tandis que d'autres peuvent être inactifs tant que les cultures n'ont pas été transformées après la récolte. Dans certains cas, la formation des PVI ne se produirait pas dans la plante sur pied, mais seulement après la récolte, lorsque les tissus végétaux subiraient un traitement particulier. De nombreux PVI seraient détruits par la digestion et deviendraient inactifs s'ils étaient ingérés par les animaux, tandis que d'autres résisteraient à la digestion et conserveraient leur activité biologique.

Quantité d'espèces fauniques (dont les invertébrés vivant sur ou dans le sol, les mammifères, les oiseaux, les reptiles et les amphibiens) utilisent les plantes cultivées comme sources de nourriture, et comme refuge et habitat pour la reproduction. Les études sur l'utilisation des cultures par les animaux sauvages montrent que ceux-ci utilisent principalement les terres agricoles pour y quêter leur nourriture; or, il ne peut y avoir exposition aux PVI que lorsque ces animaux ingèrent certains organes des plantes cultivées.

Comme les types de culture diffèrent par la proportion dans laquelle elles sont utilisées par la faune, la probabilité que l'environnement soit exposé aux PVI varie selon les végétaux exploités en culture moléculaire. L'utilisation des cultures par les oiseaux, par exemple, est déterminée localement par le type de culture, les travaux agricoles effectués dans les champs et la nature de l'habitat bordant les champs (p. ex. Kirk et coll. 2001), ainsi que par le type de paysage dont les champs font partie (Best et coll. 2001). La probabilité que les oiseaux ingèrent des PVI est plus élevée quand ceux-ci s'expriment dans les organes de la plante les plus consommés par les oiseaux, c'est-à-dire les graines ou les fruits.

Un autre facteur est celui des caractéristiques temporelles de l'utilisation des terres agricoles par les animaux sauvages (voir Freemark et coll. 1991). Selon le système de production, l'expression des PVI dans les plantes sur pied peut se limiter à une période particulière de l'année, ce qui déterminera l'exposition des diverses espèces sauvages aux PVI.

Certains mammifères pourraient être exposés aux PVI qui s'expriment dans les végétaux sur pied. De nombreuses espèces de mammifères utilisent les terres cultivées, dont le cerf de Virginie (Nixon et coll. 1991), le raton laveur (Pedlar et coll. 1997), la marmotte (Henderson et Gilbert 1978), le rat de Norvège (Neave et Neave 1998), l'écureuil gris (Jones 1974) et la souris sylvestre (Marinelli et Neal 1995). De nombreux animaux omnivores et granivores exploitent les terres arables directement pour y trouver leur nourriture; par exemple, l'ours noir visite les cultures fruitières telles que les vergers de pommiers. Ces espèces pourraient manger directement des plantes exploitées pour la culture moléculaire ou leurs produits, et il conviendrait de les distinguer des mammifères plus carnivores qui pourraient ingérer des PVI secondairement (p. ex. le loup gris, le coyote ou le renard roux). Dans ce dernier groupe on pourrait éventuellement inclure certaines espèces menacées d'extinction telles que le renard véloce; quoique l'on rencontre généralement cette espèce dans les prairies à herbes basses ou mixtes, on la rencontre aussi aux abords des terres agricoles et urbaines (Cotterill 1997).

2.2 Décomposition des résidus de cultures

La décomposition des résidus de cultures moléculaires (racines, feuilles, tiges, etc.) dans les champs pourrait augmenter le risque d'exposition de l'environnement aux PVI en libérant ceux-ci d'une éventuelle compartimentation tissulaire ou cellulaire, ou en les rendant assimilables par les invertébrés et les microorganismes. L'épandage sur les champs des déchets résultant de la récolte des cultures ou de leur transformation pour extraire les PVI pourrait aussi accroître le risque d'exposition de l'environnement.

2.3 Lixiviation dans le sol et les écosystèmes aquatiques

Les PVI peuvent pénétrer dans les milieux pédologiques par suite de la décomposition des résidus des cultures ou d'écoulements des racines dans les exsudats du sol. Comme la majorité des composés exploités par la culture moléculaire sont des protéines, celles-ci peuvent se fixer à la surface des particules de sol (substances argileuses et humiques) lorsque leur charge électrique est positive (G. Stotzky, comm. pers.). Étant ainsi fixées, les protéines résisteraient à la biodégradation et persisteraient plus longtemps dans le sol, comme cela a été constaté dans le cas de la toxine Bt (Koskella et Stotzky 1997, Stotzky 2000). Des chercheurs se sont également penchés sur le devenir des pesticides microbiens, des agents de transformation de la biomasse et des agents de biorestauration dans plusieurs systèmes existants (voir l'étude par Watrud et Seidler 1998). D'autres exemples concernent notamment un inhibiteur de la protéinase, présent dans un tabac transgénique en décomposition, qui a persisté pendant 57 jours dans le sol (Donegan et coll. 1997).

D'autres composés peuvent se retrouver dans le sol, puis dans les eaux de surface et souterraines par suite de l'enfouissement de la biomasse végétale après la récolte. La plupart des produits pharmaceutiques et de soins personnels qui se retrouvent dans l'environnement y sont apportés par les réseaux d'égouts et les ruissellements (Daughton et Ternes 1999). Les PVI présents dans une culture moléculaire sont susceptibles de gagner des milieux aquatiques par l'intermédiaire de l'eau de ruissellement ou de la consommation par les vertébrés suivie du rejet de leurs effluents dans l'environnement.

2.4 Invasion des cultures moléculaires (resemis spontanés) dans d'autres cultures ou habitats

Les resemis spontanés sont des plantes cultivées qui se ressèment et persistent dans d'autres environnements. Les resemis de végétaux à caractères nouveaux peuvent nuire à la biodiversité s'ils ont un avantage compétitif sur d'ordres organismes. Les resemis de cultures moléculaires peuvent avoir des répercussions supplémentaires sur la biodiversité s'ils accroissent l'exposition de l'environnement aux PVI en dehors des systèmes agricoles.

Le risque qu'une plante modifiée à des fins de culture moléculaire puisse envahir d'autres cultures ou habitats naturels est fonction de l'échelle à laquelle elle est produite et du degré de confinement dont elle fait l'objet (de l'interface entre le végétal et les autres habitats), ainsi que de sa propension naturelle à l'envahissement. La mesure dans laquelle une culture transgénique peut devenir envahissante dépend de la façon dont les modifications génétiques qu'elle a subies ont augmenté son aptitude à cet effet, c'est-à-dire, lui ont conféré des caractères qui constituent un avantage sélectif (Wolfenbarger et Phifer 2000). Bien que l'insertion de gènes de la résistance aux insectes ou de la tolérance aux herbicides puisse rendre les plantes plus robustes dans certaines situations, il semble improbable que les gènes qui expriment les PVI y soient pour quelque chose. Cependant, il y aurait une exception si le PVI confère à la plante un effet protecteur, par exemple un agent antifongique ou antibactérien.

Les resemis spontanés sont rares chez la majorité des plantes cultivées (Crawley et coll. 2001), mais comme il est possible que la culture moléculaire implique des plantes non traditionnellement cultivées (p. ex. Arabidopsis), le risque de resemis spontanés ainsi que les répercussions sur la biodiversité pourraient croître si ces espèces se révélaient très compétitives dans des situations naturelles.

2.5 Flux génique

Comme il a été dit plus haut, les végétaux exploités en culture moléculaire posent les mêmes questions de flux génique que la culture des autres végétaux à caractères nouveaux. Une des grandes préoccupations qui se posent avec les VCN de « première génération » concerne l'apparition possible de mauvaises herbes nouvelles résultant d'un flux génique, par échange de pollen, entre des végétaux cultivés et des espèces sauvages apparentées (Ellstrand 2001). Pour ce qui concerne les végétaux utilisés en culture moléculaire, on peut aussi craindre que d'éventuels hybrides viables, persistants, nés d'un croisement entre le végétal cultivé et ses parents sauvages, puissent accroître le risque d'entrée des PVI dans l'environnement. Le risque de croisements hétérogènes s'élèvera de pair avec la superficie occupée par les végétaux transgéniques et l'adoption de cultivars particuliers; plus l'échelle spatiale augmente, plus la possibilité de contact avec des espèces indigènes apparentées augmente, de même que les effets sur le paysage (US EPA 1998).

La probabilité d'un transfert de gène horizontal, soit le passage de gènes de plantes à des microorganismes ou à la faune, est considérée comme très faible (Smalla et coll. 2000).

Le risque de flux génique peut être réduit chez les végétaux utilisés en culture moléculaire par les mêmes méthodes que chez les autres végétaux à caractères nouveaux. Ces méthodes incluent les mécanismes physiques, biologiques et génétiques telles que l'observation de distances de séparation minimales, l'apomixie, la maîtrise de la dormance des graines ou de l'égrenage, les barrières d'infertilité, la stérilité mâle, les systèmes de verrouillage des gènes et la technique de la transformation des chloroplastes (Danielle et coll. 2001). Ces méthodes sont d'une fiabilité variable.

3.0 Effets des PVI dans l'environnement

3.1 Effets sur la faune

Il existe peu de données sur les effets des PVI sur les organismes qui les ingèrent. Laconsommation directe de tissus végétaux (tels que les feuilles, les graines ou les racines) pourrait provoquer des effets toxiques, des effets toxiques sublétaux et des effets physiologiques ou comportementaux. Lorsqu'ils ne sont pas détruits par la digestion, ces produits pourraient également entrer dans la chaîne alimentaire.

Les PVI peuvent influer sur la biodiversité s'ils nuisent à la viabilité d'une espèce ou à sa population. Un PVI peut être toxique pour un organisme dans le champ ou dans des conditions de laboratoire sans avoir d'effets sensibles sur les populations dans le champ ou inversement. À preuve, la controverse entourant le pollen du maïs Bt. La toxine présente dans certains hybrides de maïs Bt est spécifique aux lépidoptères et toxique pour la pyrale du maïs. Des recherches en laboratoire ont confirmé que le pollen de ces hybrides est toxique pour le papillon monarque, un autre lépidoptère (Losey et coll. 1999). Par contre, d'autres études ont montré qu'au taux d'exposition existant dans le champ, le pollen n'affecte pas la survie du papillon monarque (p. ex. Sears et coll. 2001).

La mesure dans laquelle la culture moléculaire pourrait entraîner une disponibilité accrue de ce genre de composés dans l'environnement dépend du mode d'expression de ceux-ci dans le végétal. Alors que dans certains cas, les PVI ne s'obtiennent qu'au prix d'une extraction par solvant ou procédé mécanique et d'une purification à l'aide d'une série de traitements chimiques, dans d'autres, ils seront directement disponibles dans les tissus végétaux (feuilles, semences, fleurs ou racines). Les risques d'exposition de l'environnement aux PVI varient en fonction du type de tissu végétal dans lequel ces protéines s'expriment et de leur disponibilité métabolique (de l'assimilabilité des protéines et de la période où elles s'expriment). Certains PVI deviendront disponibles seulement après la récolte de la culture. Les risques d'exposition de l'environnement aux PVI sont réduits quand ceux-ci sont fixés à d'autres molécules et ont besoin de subir une activation; par exemple, des PVI peuvent s'exprimer, chez le canola, sous forme d'une protéine de fusion inactive liée à l'oléosine (une protéine présente dans les corps lipidiques des graines) et doivent être extraits par flottage et centrifugation (Booth 1997, Parmenter et coll. 1995). En conséquence, on croit que les espèces fauniques qui ingèrent les graines de canola ne seront pas exposées au PVI actif (J. Brandle op. cit.).

Si les produits sont assimilables tels qu'ils sont dans les tissus végétaux, leurs effets précis dépendront alors des propriétés écotoxicologiques du composé (à différentes concentrations) et de la sensibilité de l'organisme touché. On sait peu de choses sur les niveaux d'exposition chronique à la majorité des anticorps et des vaccins, que soit pour les humains ou les animaux (Miele 1997); on ne sait pratiquement rien sur les niveaux d'exposition sub-thérapeutique (US EPA 2001). Par exemple, si une plante alimentaire produisait de l'albumine du sérum humain, le mammifère herbivore qui la mangerait n'en subirait probablement aucun effet, puisque 60% du sang des mammifères est composé de cette protéine ou d'une protéine semblable. Toutefois, si le produit exprimé était une forme active d'insuline et que celle-ci était disponible dans des graines de plantes cultivées que des mammifères ou des oiseaux mangent, ceux-ci s'exposeraient à une baisse du taux de sucre dans le sang et à l'hyperglycémie. Certains produits chimiques tels que les cytokines posent des risques élevés pour la faune qui les ingérerait.

L'avidine, une protéine naturelle du blanc d'oeuf, a été produite chez le maïs (Hood et coll. 1999) et est actuellement vendue par un fournisseur commercial de produits chimiques comme constituant d'une trousse de diagnostic médical (rapport provisoire de Tokar 2001). Comme l'avidine est également un inhibiteur de la croissance des insectes, sa production par la culture moléculaire pourrait toucher la biodiversité des invertébrés. L'avidine est également employée comme biopesticide et est actuellement l'objet d'expériences à ce titre par l'USDA. Le maïs exprimant l'avidine peut être entreposé pendant de plus longues périodes sans le recours à des pesticides (McGraw 2000). On l'a présenté comme une substance plus efficace que la toxine de Bacillus thuringiensis (Bt), car elle aurait une force destructrice sur un plus large éventail d'insectes (McGraw 2000), alors que les toxines Bt n'affectent que quelques espèces particulières de lépidoptères et de coléoptères. Ainsi, comme l'avidine est moins sélective que le Bt, son expression par le maïs peut avoir un plus grand effet sur la biodiversité des invertébrés que Bt. Certains ont soutenu que l'avidine n'affectera pas les insectes utiles, car elle ne touche que les espèces qui se nourrissent directement du maïs; cette assertion ne tient pas compte de l'ingestion possible d'invertébrés herbivores par des prédateurs invertébrés (consommateurs tertiaires).

Les résultats d'essais sur les produits pharmaceutiques et les produits de soins personnels (PPSP) sont disponibles sur les sites Internet des monographies canadiennes de produits (Santé Canada), de la Food and Drug Administration (FDA 2001) et de l'Agence européenne pour l'évaluation des médicaments (EMEA 1999). Cependant, il est bon de noter que ces documents portent principalement, d'une part, sur le déversement par les usines de transformation dans les eaux souterraines et dans les écosystèmes aquatiques et, d'autre part, sur les teneurs associées aux applications thérapeutiques et non sur leur devenir dans les écosystèmes terrestres (exception faite des biosolides).

3.2 Effets sur les populations/la structure des communautés (y compris les aliments et l'habitat)

En matière de biodiversité, la question clé est de savoir si les effets à l'échelle individuelle sont significatifs aux échelons de la population ou de la communauté. À ce jour, les seules études réalisées montrent que les effets sur la communauté de la première génération de VCN se sont exercés sur la faune du sol; des études récentes révèlent que les exsudats de biopesticides provenant des racines des végétaux peuvent affecter la structure de la communauté édaphique (Donegan et coll. 1997, 1999; Griffiths et coll. 2000). Souvent, ces effets ne sont que temporaires, et l'un des grands obstacles à l'évaluation de leur ampleur tient dans la différenciation entre la variation spatio-temporelle des communautés fauniques du sol et les effets des VCN (Doyle et coll. 1995). Cette évaluation réclamerait peut-être des études à plus long terme que celles qui ont été conduites à ce jour. De la même façon dans le cas des systèmes aquatiques, la plupart des essais sur la toxicité des PPSP sont effectués hors contexte (études écotoxicologiques en laboratoires); on connaît très peu les effets synergiques ou antagonistes sur les communautés (U.S. EPA 2001).

Les structures naturelles des populations ou des communautés pourraient être altérées par les composés antibiotiques ou antifongiques issus de la culture moléculaire si cette production s'implantait à l'avenir. Par exemple, la production par des végétaux de composés antifongiques qui agissent sur les champignons mycorhiziens pourrait exercer un effet en profondeur sur la biodiversité végétale et, partant, sur celle d'autres taxa (van der Heijden et coll. 1998). Selon les systèmes d'expression des antibiotiques, leur production dans les végétaux pourrait accroître la charge d'antibiotiques dans l'environnement. La plus sérieuse crainte associée aux antibiotiques tient dans l'accélération ou la propagation de la résistance chez les pathogènes bactériens (Daughton et Ternes 1999). Si les antibiotiques devaient atteindre de très fortes concentrations, ils pourraient induire des effets aigus chez les bactéries, ce qui pourrait altérer la structure des communautés microbiennes et, de la sorte, avoir des ramifications sur la chaîne alimentaire supérieure (Daughton et Ternes 1999).

3.3 Effets sur l'agriculture

L'une des grandes questions tient dans l'effet possiblement intense de la culture moléculaire sur l'économie agricole et, partant, sur les pratiques agricoles. La demande de médicaments thérapeutiques recombinants connaît une progression considérable, et la culture moléculaire recèle le potentiel de répondre à cette demande (Fischer et coll. 2001). Il est donc possible que les régimes culturaux changent à l'avenir et qu'un style d'agriculture fortement rentable se développe et s'étende (Fischer et coll. 2001). Ce résultat pourrait agir sur la biodiversité de diverses façons (voir plus loin).

Selon le produit d'intérêt, les plantes moléculaires cultivées peuvent occuper une très petite superficie ou peuvent réclamer des milliers, voire des centaines de milliers, d'hectares. Dans certains cas, des quantités suffisantes de PVI peuvent être produites sur une très petite superficie. De la même façon, 0,1 p. 100 des terres agricoles des États-Unis pourrait permettre de satisfaire à la demande d'albumine sérique humaine (Fischer et coll. 2001). Dans certains cas, les aspects liés au confinement peuvent limiter les superficies cultivées, par exemple lorsque la sécurité exige que les cultures moléculaires soient isolées des cultures alimentaires et de l'environnement. Par ailleurs, la faisabilité économique de certains produits comme les bioplastiques peut commander de plus vastes superficies. Cumulativement, les opérations de la culture moléculaire pourraient avoir un effet sensible sur les denrées: par exemple, on prévoit que la culture moléculaire pourrait absorber 10 p. 100 des superficies sous maïs (Zitner 2001).

La culture moléculaire peut conduire à la diversification des systèmes d'exploitation agricole, permettant aux agriculteurs de réserver des superficies précises à des cultures fortement profitables. Cependant, elle pourrait conduire 1) à une agriculture plus intensive (par exemple, il est possible que les rotations soient réduites ou que l'utilisation d'herbicide augmente pour que les espèces végétales spontanées provenant des végétaux moléculaires soient éliminées après la récolte pour ne pas contaminer les cultures alimentaires); 2) à l'empiétement des terres cultivées sur les bordures des champs (qui sont un habitat d'importance de la faune), en raison des plus grandes incitations économiques à consacrer des terres marginales à la production moléculaire; 3) à la conversion des habitats naturels ou semi-naturels en terres cultivées; ou 4) à des modifications de la composition et de la superficie relative de différents types de cultures dans le paysage cultivé.

Même si de nombreux produits seront cultivés dans le paysage actuel, les superficies proportionnelles des cultures peuvent changer dans certaines régions, ce qui peut toucher de diverses façons la biodiversité. Tout d'abord, l'attrait pour la faune de différents types de cultures peut varier de façon appréciable, et par conséquent leur contribution à la biodiversité. Par exemple, l'abondance et le type des espèces d'oiseaux ont varié considérablement avec quatre types de cultures (maïs, soja, pommes et raisins) dans le sud de l'Ontario (Kirk et coll. 2001).

Deuxièmement, les pratiques agricoles varient considérablement selon le type de culture. Le tabac, qui est considéré comme idéal pour la culture moléculaire (Harr 1998, Giddings et coll. 2000), est associé à la perte de sol et à un fort taux de diminution des éléments nutritifs du sol (U.S. EPA 2001). Le tabac est aussi vulnérable à de nombreuses maladies et par conséquent réclame de nombreuses applications de pesticide dont certains produits chimiques responsables de la déplétion de la couche d'ozone comme le bromure de méthyle (qui doit disparaître en 2005) et d'autres fortement toxiques pour les oiseaux comme le carbofurane, l'aldicarbe, le fénamiphos, le disulfoton et l'éthoprophos (Hickey et Chan 2001). L'augmentation des superficies sous tabac par rapport aux superficies consacrées à d'autres cultures réclamant moins de traitements chimiques pourrait influer sur la biodiversité. De plus, relativement peu d'espèces d'oiseaux sont associées au tabac (environ cinq espèces entretiennent une relation positive avec le tabac en Amérique du Nord), alors que les petites céréales sont liées à beaucoup plus d'espèces, car elles leur procurent leur nourriture, des proies invertébrées et une couverture (p. ex. le maïs). Si les superficies plantées en tabac devaient augmenter sous l'effet des incitations économiques à fabriquer des produits biopharmaceutiques, il en résulterait peut-être un effet sur la biodiversité aviaire locale ou régionale. Au Canada, ces effets se feraient probablement sentir davantage dans les régions du sud comme l'Ontario où se retrouve 90 p. 100 des cultures de tabac.

À titre d'exemple spectaculaire d'effets sur la biodiversité des modifications des profils de distribution des cultures, on peut citer l'augmentation exponentielle considérable des superficies sous canola dans l'Ouest canadien depuis les années 1970. La culture du canola exige des applications de carbofurane, un pesticide granulaire fortement toxique utilisé contre les altises, qui pourrait avoir contribué au déclin des populations d'oiseaux dans les prairies canadiennes (manuscrit non publié de P. Mineau, E. Bayne, D. Kirk et C. Downes).

3.4 Effet global de la culture moléculaire sur la biodiversité

Il est possible que les promoteurs de la culture moléculaire tireront des leçons des expériences acquises avec la première génération de VCN. De la sorte, si la production commerciale s'accompagne d'une pleine connaissance des risques pour l'environnement et de nombreuses applications en confinement, alors les effets sur la biodiversité pourraient être faibles. Cependant, peu de travaux à grande échelle ont été réalisés sur les effets de la première génération de VCN sur la biodiversité. Ces travaux s'imposent pour évaluer les risques potentiels de rares cas de pollinisation à grande distance (Manasse 1992). De la même façon, les expériences de courte durée sur le flux génétique vers les microorganismes du sol pourraient ne pas mettre ces effets en évidence comme le font certes des expériences à plus long terme (Doyle et coll. 1998).

Certains croient que la culture moléculaire pourrait produire des substances d'origine biologique utilisant des ressources naturelles et renouvelables et que, par conséquent, elle pourrait réduire la pollution dans le monde (p. ex. dans le cas de la production des huiles lubrifiantes, des plastiques ou des carburants). Cependant, face aux composés industriels, cette vision a été récemment mise en doute: Gerngross (1999) a examiné la production de polymères biodégradables (polyhydroxyalcanoates ou PHA) à partir de plantes fourragères (maïs) et a constaté que la consommation d'énergie et la production de gaz à effet de serre étaient plus élevées que durant la production de polymères pétrochimiques. Donc, indirectement, si la production de polymères pétrochimiques était délaissée au profit d'une production fondée sur les végétaux, cela pourrait contribuer à modifier la biodiversité par l'augmentation des émissions de gaz à effet de serre, avec des effets subséquents sur le climat mondial et des répercussions sur la flore et la faune.

Antérieurement, les écotoxicologues ont insisté sur les polluants persistants, biocumulatifs et toxiques (PBT) ou les polluants organochlorés rémanents (POR). Cependant, jusqu'à récemment, les PPSP ont été largement ignorés par les écotoxicologues des États-Unis (Daughton et Ternes 1999, US EPA 2001), contrairement à ceux d'Europe (p. ex. Jorgensen et Halling-Sørenson 2000), sauf pour ce qui est de la résistance des pathogènes aux antibiotiques et aux produits chimiques perturbant le système endocrinien.

D'après l'US EPA (2001), les sources possibles de PPSP dans l'environnement sont, entre autres, le lessivage des décharges municipales, les eaux de ruissellement provenant d'exploitations confinées d'engraissement d'animaux et d'excréments médicamentés d'animaux familiers, les pertes de l'aquaculture, le déversement direct d'eaux d'égout brutes (trop-plein d'orage et conduites résidentielles) ainsi que la production transgénique de substances thérapeutiques protéiniques par des végétaux génétiquement modifiés.

Plusieurs PPSP sont fortement rémanents dans l'environnement. La plupart ne sont ni sujets à l'accumulation biologique ni volatils. Une préoccupation particulière tient dans ce que les PPSP pourraient avoir des effets cumulatifs à long terme qui peuvent passer inaperçus à court terme (Daughton et Ternes 1999). Les effets cumulatifs peuvent aussi prendre la forme d'une synergie de nombreux médicaments aux modes d'action semblables.

Autre fait d'importance également, la culture moléculaire pourrait entraîner une diminution considérable des coûts de production et du prix de certains produits biopharmaceutiques et accroître leur disponibilité globale, ce qui pourrait donner lieu à une intensification de l'usage. Cette augmentation de l'usage pourrait accroître la charge de PPSP dans les déchets des êtres humains et des animaux domestiques; de la sorte, même si la fuite de la substance est empêchée durant toutes les étapes de la culture moléculaire, les forces économiques pourraient conduire à une hausse des teneurs de PPSP dans l'environnement.

4.0 Réduction des répercussions de la culture moléculaire

Plusieurs mesures peuvent être appliquées pour réduire les effets de la culture moléculaire sur la biodiversité. Manifestement, il faut déterminer au cas par cas les gènes et les produits géniques qui peuvent être exposés à l'environnement et ceux qui doivent être strictement contenus (Miele 1997). Par exemple, nul ne serait autorisé à libérer dans l'environnement un végétal qui peut exprimer une neurotoxine dans l'environnement. De la même façon, les cytokines présenteraient un risque élevé si elles étaient introduites dans l'environnement. Ces produits devront probablement être développés et fabriqués en milieu confiné et ne devraient jamais être exposés en milieu ouvert (Fischer et coll. 2001).

La réduction de l'échelle de production pourrait diminuer la consommation possible, directe ou indirecte, par la faune, la pollinisation croisée ou les espèces spontanées.

Comme il a été souligné précédemment, il existe de nombreuses méthodes de confinement moléculaire ou biologique des végétaux à caractères nouveaux (voir la section 2.6). Le transport du pollen ou la dissémination des graines peuvent être évités en récoltant les cultures avant la floraison. Grâce à l'incorporation d'un mécanisme inducteur après récolte, on pourrait parvenir à ce que le PVI ne soit pas disponible avant la récolte. Probablement, il est important de ne pas cultiver de végétaux moléculaires très près de plantes alimentaires ou d'autres types de la même culture. De plus, l'usage de végétaux cultivés qui coexistent avec des espèces apparentées sauvages et sexuellement compatibles devrait peut-être être déconseillé à moins que des mécanismes d'isolement rigoureux ne soient prévus (comme des distances d'isolement, la stérilité mâle ou autres technologies de restriction génétique de l'usage). Ces mécanismes réduiront les effets sur la biodiversité en atténuant les possibilités de transfert de gènes codant pour les PVI à la même espèce ou à d'autres.

5.0 Résumé et conclusions

Il est important que les prévisions des effets de la culture moléculaire sur la biodiversité reposent sur une comparaison des voies actuelles d'exposition de composés comme les produits pharmaceutiques (p. ex., dans les systèmes d'égout ou les déchets d'animaux domestiques) et des effets cumulatifs de l'exposition attribuable à la culture moléculaire. Quel risque additionnel accompagnera la culture moléculaire? Elle pourrait accroître l'interface d'exposition des PVI avec l'environnement (par l'ingestion directe de PVI par la faune, par le flux génique par l'intermédiaire du pollen ou par le transport direct des PVI par les exsudats du sol vers la faune édaphique et les écosystèmes aquatiques); elle pourrait accroître la disponibilité de PPSP dans l'environnement par les voies conventionnelles (eaux usées des êtres humains, etc.).

La culture moléculaire pourrait aussi modifier les régimes culturaux, par exemple en contribuant à une augmentation des superficies consacrées à des cultures associées à une faible biodiversité et/ou à de fortes applications de pesticide. L'effet de ces modifications à grande échelle sur la biodiversité agricole est actuellement inconnu, mais il faut les données scientifiques pour comparer la biodiversité (végétaux, invertébrés, vertébrés et faune édaphique) dans différents systèmes culturaux (culture moléculaire, produits génétiquement modifiés, GM, produits conventionnels et biologiques); cette comparaison n'a présentement pas lieu, et la plupart des études écologiques sur les cultures transgéniques portent principalement sur de petites parcelles.

Sur le plan de la biodiversité, quel repère pourrions-nous utiliser pour la comparaison? Quelles sont les espèces et les populations/les communautés utiles aux êtres humains en agriculture et dans d'autres habitats? Manifestement, si la culture moléculaire ou la dissémination d'autres VCN devaient avoir sur la faune ou la microfaune édaphiques des effets tels que la fonction de l'agro-écosystème serait compromise (au-delà d'une certaine réponse seuil), alors on pourrait démontrer qu'elles ont un effet délétère sur la biodiversité. Dans l'évaluation d'effets moins délétères, il pourrait être nécessaire de porter des jugements de valeur.

Remerciements

Je tiens à remercier l'Agence canadienne d'inspection des aliments (ACIA) qui a financé cette revue; Kirsten Finstad qui a géré le contrat et m'a apporté son aide et ses conseils à toutes les étapes du travail et Stephen Yarrow qui m'a donné l'occasion de l'accomplir. Je tiens aussi à remercier Charles Benbrook (Benbrook Consulting), Jim Brandle (Centre de recherche du sud sur la phytoprotection, Agriculture et Agroalimentaire Canada), Ann Clark (Université de Guelph), Henry Daniell (Université de Floride), Christian Daughton (US EPA), Norman Ellstrand (Université de Californie), Glennis Lewis (Santé Canada, biosécurité), Jim Louter (Nouvelles substances, LCPE), Anthony Ridgeway (Santé Canada), Brent Selinger (Université de Calgary) et Guenther Stotsky qui m'ont orienté vers la documentation pertinente et fait des recommandations. Beth Burrows (The Edmonds Institute) m'a transmis l'ébauche d'un manuscrit sur les risques biologiques de l'agriculture moléculaire. Pour son aide dans la recherche documentaire, je remercie Jean-Francois Bélanger de la bibliothèque d'Environnement Canada. Ma gratitude va également à Kirsten Finstad et Phil MacDonald pour les commentaires précieux qu'ils m'ont fait sur les premières ébauches du manuscrit et à Marla Sheffer qui m'a aidé pour l'édition.

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