Rapport final sur l'incidence écologique du pollen de maïs Bt sur les populations de monarque en Ontario 1999 - 2001

Table des matières

1. Introduction
2. Méthodes
3. Résultats

I. Introduction

Détermination des risques

La protéine Bt active chez les lépidoptères qui est exprimée dans le maïs pose un risque pour les espèces sensibles qui se trouvent à l'intérieur ou à proximité des champs de maïs. Les monarques se sont montrés sensibles à certaines protéines Bt présentes dans le pollen de certains types de maïs qui se répand à l'intérieur ou à proximité des champs durant l'anthèse. L'asclépiade (Asclepias spp.), unique source de nourriture des chenilles de monarque, est abondante dans toutes les régions maïsicoles d'Amérique du Nord. Les risques écologiques pour les populations de monarques migrateurs posés par les dépôts de pollen de maïs Bt sur le feuillage des plants d'asclépiade poussant à l'intérieur et à proximité des champs de maïs doivent donc être pris en compte.

Modèle conceptuel

L'évaluation des risques comporte les quatre composantes essentielles suivantes : i) l'identification des risques; ii) l'étude de la relation dose-réponse à une toxine; iii) le risque d'exposition à une concentration efficace; iv) la caractérisation du risque. La figure 12 illustre les composantes de l'évaluation des risques posés par l'exposition au pollen de maïs Bt pour le monarque.

Figure 12. Modèle conceptuel des composantes de l'évaluation des risques pour les populations de monarque posés par l'exposition au pollen de maïs Bt.

Pour bien comprendre les rapports qui existent entre le risque, l'exposition et les effets, il convient de répondre aux quatre questions suivantes : 1) Le pollen de maïs Bt se dépose-t-il en quantités suffisantes sur les feuilles des plants d'asclépiade pour avoir des effets létaux ou sublétaux chez les chenilles de monarque ou les stades de développement subséquents? 2) Quelle proportion du pollen de maïs Bt déposé sur les feuilles des plants d'asclépiade croissant à l'intérieur ou à proximité des parcelles de maïs excède le seuil de toxicité pour les chenilles de monarque? 3) Quelle proportion des populations de monarque utilisent les plants d'asclépiade qui poussent à l'intérieur ou à proximité des parcelles de maïs? 4) Quel est le degré de chevauchement entre les stades phénologiques des chenilles de monarque et l'anthèse du maïs dans l'aire de répartition commune aux deux espèces? Dans la présente étude, nous nous sommes employés à répondre en partie à chacune de ces questions en vue de poser les bases d'une évaluation des risques du pollen Bt pour le monarque.

II. Méthodes

Comme la période de libération du pollen du maïs est relativement limitée dans le temps, le risque d'exposition des stades larvaires sensibles du monarque à ce pollen dépend du synchronisme des phases de développement du lépidoptère et du maïs. Un modèle phénologique de l'interaction du monarque et du maïs en Amérique du Nord a été mis au point (Calvin et Taylor 2000). Ce modèle s'appuie sur l'intégration de trois éléments : 1) la date d'arrivée des premiers monarques migrateurs dans une région donnée; 2) le nombre de degrés-jours nécessaires à la ponte et au développement larvaire du monarque; 3) le nombre de degrés-jours nécessaires à la croissance des hybrides de maïs. Nous avons recueilli des données sur ces trois paramètres clés à quatre endroits différents de la ceinture de maïs afin de déterminer la date d'apparition des premiers monarques migrateurs et la phénologie du développement des populations de monarque et des cultures de maïs et de corroborer le modèle.

Dans les régions où il existe un chevauchement important de l'aire de répartition du monarque et de la zone de culture du maïs, nous avons déterminé les superficies des cultures de maïs, en particulier de maïs Bt, par rapport à la superficie totale des habitats à partir de statistiques culturales et d'observations directes sur le terrain. Aux fins des calculs, nous avons utilisé les données d'inventaires de divers habitats composant la ceinture de maïs, y compris les terres consacrées à la culture d'autres espèces, les jachères, les terres protégées et les bords de route. La densité et l'étendue des peuplements d'asclépiade dans ces habitats donnent une indication de l'utilisation possible de cette source de nourriture par rapport aux asclépiades qui se trouvent dans les champs de maïs Bt.

Nous avons réalisé des bioessais en laboratoire afin d'établir la concentration létale moyenne (CL₅₀) du pollen de chaque variété de maïs pour les chenilles des premier et troisième stades. Nous avons également déterminé une concentration sans effet sur le taux de mortalité et sur divers paramètres de la croissance comme le gain pondéral et la vitesse du développement larvaire. Nous avons aussi effectué un bioessai sur le terrain en vue de déterminer les effets de l'exposition des chenilles des premier et troisième stades au pollen de maïs déposé sur les feuilles de plants d'asclépiade placés sur le terrain.

III. Résultats

Caractérisation des effets du pollen de maïs Bt

Les bioessais réalisés en laboratoire avec des chenilles de monarque du premier stade exposées pendant 2 à 4 jours à du pollen de maïs déposé sur des disques de feuilles ou des feuilles entières détachées d'asclépiade commune (A. syriaca) ont montré que le pollen de la variété Bt-176 a des effets létaux et sublétaux (p. ex. inhibition de la croissance) à des concentrations aussi faibles que 10 grains/cm². Le pollen de toutes les autres variétés, y compris Mon810 et Bt-11 ainsi que d'autres variétés qui ne sont pas cultivées actuellement comme Dbt418, Cbh351 et Tc1507 (exprimant les protéines Cry1Ac, Cry9C et Cry1F, respectivement), n'a aucun effet létal ou sublétal, même à des densités supérieures à 1 000 grains/cm² (Hellmich et al., 2001). Nous nous sommes fondés sur ces données pour établir une concentration sans effet observé (CSEO) sur la croissance des chenilles pour le pollen des variétés de maïs Bt-176, Bt-11 et Mon810.

Nous avons réalisé un bioessai sur le terrain afin de déterminer les effets d'une exposition naturelle des chenilles sur des asclépiades poussant ou placées dans des champs. Les concentrations de pollen Bt utilisées correspondaient à celles normalement observées en milieu naturel. Ni le pollen de maïs Bt-11 ni le pollen de maïs Mon810 n'ont eu un effet aigu mesurable sur la survie ou sur la croissance des chenilles de monarque.

Figure 13. Inhibition de la croissance (%) des chenilles de monarque exposées au pollen des hybrides du maïs Bt-176 ou des hybrides de maïs Bt-11/Mon810. Ce graphique illustre également la proportion cumulée moyenne de pollen déposé sur les feuilles d’asclépiade échantillonnées en Iowa et en Ontario en 1999 - 2000.

Les courbes dose-réponse décrivant le gain pondéral des chenilles néonates exposées au pollen des hybrides de maïs Bt-176 et Bt-11/Mon810 montrent clairement les différents niveaux d'expression de la protéine toxique dans les deux types de pollen (figure 13). Pour l'hybride Bt-176, la CL₅₀ estimée correspondant à la perte de poids relative due à l'exposition s'établit à environ 10 à 12 grains/cm² (Hellmich et al., 2001). Pour le Bt-11, le Mon810 et les autres variétés, aucun effet mesurable n'a été relevé, sauf lorsque les données des effets de concentrations supérieures à 1 000 grains/cm² ont été regroupées aux fins de l'analyse. La courbe dose-réponse correspondant aux maïs Bt-11 et Mon810 est une courbe hypothétique obtenue par extrapolation à partir de la réaction des chenilles au pollen Bt-176 (figure 13).

Caractérisation de l'exposition au pollen de maïs Bt

Le degré d'exposition dépend 1) du chevauchement phénologique entre la présence des populations de monarque et l'anthèse du maïs; 2) du chevauchement spatial entre les plants d'asclépiade utilisés par les monarques et les parcelles de maïs; 3) des densités de pollen déposées sur le feuillage des plants d'asclépiade à l'intérieur et à proximité des parcelles de maïs.

Chevauchement phénologique

La période de libération du pollen dans une parcelle de maïs donnée dure 7 à 15 jours et survient entre la mi-juillet et la mi-août. Le développement larvaire du monarque s'étale sur une période plus longue, et le risque d'exposition des stades sensibles au pollen de maïs dépend du synchronisme de leur développement avec la période de libération du pollen. La phénologie des stades de développement des populations de monarque et de l'anthèse du maïs a été étudiée dans quatre régions maïsicoles (Oberhauser et al., 2001) réparties en Iowa, au Maryland, au Minnesota/Wisconsin et en Ontario. Aux fins de l'évaluation des risques, nous avons déterminé le degré de chevauchement des stades de développement les plus sensibles du monarque, principalement les premier et deuxième stades, avec la période de libération du pollen.

La présence de chenilles sensibles à l'époque de l'anthèse du maïs varie considérablement selon la région (Oberhauser et al., 2001). Dans les régions plus nordiques (Minnesota/Wisconsin et Ontario), la proportion des chenilles exposées au pollen s'établit à environ 40 et 62 %, respectivement, tandis que plus au sud (Iowa et Maryland), elle atteint environ 15 et 20 %, respectivement. Les résultats d'une simulation par ordinateur de la phénologie du développement du monarque et du maïs confirment l'observation générale selon laquelle le chevauchement augmente aux latitudes plus élevées dans la ceinture de maïs. Toutefois, les projections du chevauchement tirées de ces simulations sont probablement surestimées parce que le modèle s'appuie sur des températures moyennes calculées sur 30 ans, alors que nos mesures ont été effectuées sur le terrain en 2000 dans 3 à 5 parcelles particulières de chacun des quatre sites.

Chevauchement spatial

En comparant la densité des peuplements d'asclépiade dans les parcelles de maïs et les milieux non cultivés ainsi que la proportion du paysage occupée par les maïsicultures et les habitats naturels, il est possible d'estimer la proportion des asclépiades qui se trouvent dans des parcelles de maïs (Oberhauser et al., 2001). Dans tous les emplacements étudiés, les densités étaient plus élevées dans les habitats non cultivés que dans les champs de maïs, mais l'étendue des différences relevées était considérable. Au Minnesota/Wisconsin et en Iowa, la densité des asclépiades était environ 4 à 7 fois plus grande dans les habitats non cultivés que dans les champs de maïs, tandis qu'en Ontario cette densité pouvait être jusqu'à 115 fois plus élevée. Dans les régions où le maïs fait l'objet d'une culture plus intensive, comme en Iowa et dans le sud du Minnesota/Wisconsin, la proportion des terres non cultivées est moindre, et la proportion globale des asclépiades présentes par unité de paysage est plus grande dans les champs de maïs et les autres terres cultivées que dans les habitats non cultivés. Dans les régions maïsicoles où les habitats mixtes sont plus communs, comme au Maryland et en Ontario, les asclépiades sont plus abondantes dans les habitats non cultivés et procurent aux monarques un habitat proportionnellement plus vaste que les peuplements se trouvant dans des champs de maïs (Oberhauser et al., 2001).

La probabilité pour une chenille de monarque de se trouver sur une asclépiade poussant dans une parcelle de maïs dépend non seulement de la proportion des asclépiades qui croissent dans des champs de maïs, mais également de l'utilisation relative que font les monarques des asclépiades qui poussent dans les parcelles de maïs par rapport à celles qui croissent dans les autres habitats. Les observations réalisées dans les quatre régions étudiées montrent que les monarques peuvent localiser les plants d'asclépiade dans les parcelles de maïs et y pondre leurs oeufs même si ceux-ci sont dissimulés sous le feuillage du maïs. Des échantillonnages réalisés dans des parcelles de maïs et dans des habitats non cultivés de ces régions donnent à conclure que la densité des oeufs pondus par plant d'asclépiade est plus élevée dans les maïsicultures que dans les habitats non cultivés en Iowa et au Minnesota/Wisconsin, alors que les densités sont comparables dans les champs de maïs et dans les habitats non cultivés au Maryland et en Ontario (Oberhauser et al., 2001). En Iowa, la densité des oeufs pondus sur les asclépiades était également plus élevée dans les parcelles de soja que dans les habitats non cultivés.

Densités de pollen mesurées

Selon une étude réalisée par Raynor et al. (1972), le pollen de maïs peut se disperser jusqu'à 60 mètres à l'extérieur des parcelles. Toutefois, comme la concentration du pollen déposé diminue rapidement à mesure qu'on s'éloigne des parcelles, la présente évaluation des risques est fondée sur les densités du pollen déposé sur le feuillage des plants d'asclépiade croissant à l'intérieur des parcelles et à moins de 5 m du bord à l'extérieur de ces mêmes parcelles. Nous avons recueilli des échantillons de pollen sur des bandes adhésives et sur des feuilles d'asclépiade pendant la période de libération du pollen (Pleasants et al., 2001). Nous avons effectué les prélèvements à diverses distances à l'intérieur et à l'extérieur des parcelles de maïs afin d'estimer les concentrations de pollen auxquelles les chenilles de monarque risquent d'être exposées. Les données recueillies dans trois régions (Iowa, Maryland et Ontario) (Pleasants et al., 2001) ont démontré que la densité du pollen à 2 à3 mètres du bord d'une parcelle de maïs est cinq fois plus faible qu'immédiatement à l'intérieur de la parcelle. Selon les études consultées, les densités moyennes de pollen mesurées au pic de l'anthèse du maïs sur le feuillage de plants d'asclépiade poussant à 'intérieur des parcelles de maïs varient entre 65 et 425 grains/cm², pour une moyenne globale de 171 grains/cm². À partir de ces données, nous avons tracé des histogrammes de fréquence afin de déterminer le risque d'exposition des chenilles des premier et deuxième stades à diverses concentrations de pollen à l'intérieur et à l'extérieur des parcelles de maïs. Ces distributions de fréquence peuvent être utilisées pour établir le risque d'exposition à une concentration toxique de pollen (figure 14).

Figure 14. Dépôts cumulés de grains de pollen sur les feuilles de plants d'asclépiade croissant à l'intérieur des parcelles de maïs en proportion du total des échantillons recueillis en 1999 et en 2000 en Ontario et en Iowa. Ce graphique illustre également la variation de la densité moyenne de grains de pollen/cm² en fonction de la distance à partir des parcelles.

En 2000, le maïs Bt représentait environ 25 % des superficies totales plantées en maïs en Ontario. La proportion d'hybrides de maïs Bt contenant la transformation 176 de la protéine Cry 1A(b) était inférieure à 1 %. Le reste était principalement constitué d'hybrides Bt-11 Mon810. En Ontario, le monarque utilise indifféremment les asclépiades qui poussent à l'intérieur et à proximité des parcelles de maïs et celles qui se trouvent dans d'autres habitats, qu'ils soient cultivés ou non. On estime que la production des monarques est environ 50 fois plus élevée dans les milieux naturels non cultivés que dans les parcelles de maïs. La présence sur les asclépiades des chenilles des premier et deuxième stades de la génération des monarques migrateurs coïncide très étroitement (48 %, selon une estimation prudente) avec la période de libération du pollen de maïs. Le pollen se disperse principalement à l'intérieur et à proximité des parcelles. Environ 90 % des grains de pollen se déposent à 5 mètres ou moins du bord des parcelles à des doses largement inférieures à 100 grains/cm². Les densités moyennes de pollen mesurées sur les feuilles d'asclépiade variaient de 50 à 150 grains/cm². En Ontario, la plus forte concentration mesurée s'élevait à 819 grains/cm². De toute évidence, une partie des chenilles de monarque sont exposées au pollen de maïs pendant leur développement.

Caractérisation du risque

L'exposition des chenilles de monarque au pollen des hybrides de maïs Bt-176 représente un risque clairement limité compte tenu de la proportion relativement réduite des superficies ensemencées avec cette variété et de l'ampleur de la proportion des effectifs larvaires qui se développent à l'extérieur des champs de maïs. Les hybrides de la variété Bt-176 ne seront pas l'objet d'une nouvelle demande d'homologation, et leur culture sera graduellement abandonnée d'ici 2003. Il est difficile d'évaluer le risque que présentent les hybrides Bt-11 et Mon810 pour le monarque, l'expression de la protéine Cry 1A(b) dans le pollen de ces variétés étant faible. Même si l'on suppose que des effets sublétaux risquent de se manifester à des niveaux d'exposition supérieurs à 1 000 grains/cm², les densités moyennes de pollen sur les feuilles d'asclépiade ne dépassent pas 150 à 200 grains/cm². On estime à moins de 1 % la proportion des chenilles qui risquent d'être exposées à des concentrations de pollen supérieures à 1 000 grains/cm² durant la période de libération du pollen (Sears et al., 2001).

De plus, les superficies cultivées en maïs représentent tout au plus 20 % de la superficie totale du territoire nord-américain utilisé à des fins de reproduction par le monarque, et moins de 20 % des maïsicultures sont constituées d'hybrides de maïs Bt. Seulement 25 % des chenilles présentes dans cette aire de reproduction sont exposées au pollen pendant l'anthèse du maïs (Sears et al., 2001). De toute évidence, le risque que posent les hybrides de maïs Bt actuellement cultivés pour le monarque est extrêmement faible, sinon négligeable.