Cannalome d’Apis mellifera: un outil d’analyse des contaminants des agroécosystèmes – Synaptic-Bee

Plusieurs méthodes sont utilisées :
1. isoler les gènes des canaux ioniques et analyser leur comportement face aux insecticides en les exprimant dans des cellules « hôtes » dépourvues de tels canaux (dans notre cas des ovocytes de Xénopes)
2. voir aussi ces effets (a) sur le comportement de l’abeille (olfaction, mémoire, locomotion, (b) sur des tranches de cerveaux ou des cœurs d’abeille isolés, (c) sur neurones ou cellules musculaires isolées d’abeille
3. Grâce à des outils des modélisation de structure et des outils mathématiques d’intégration numérique, essayer de modéliser le comportement de ces canaux en présence d’insecticides ainsi que la structure de leurs sites de fixation, pour prédire la toxicité des produits sur les insectes bénéfiques et la survenue d’éventuels effets cocktails.

Un des résultats les plus importants est sans doute la mise au point des enregistrements de l’effet des insecticides sur cellules cardiaques isolées et sur le cerveau, une première chez l’abeille mais aussi chez les insectes (un seul article sur la drosophile). Cela ouvre des perspectives vraiment intéressantes pour mieux comprendre la cardio- et la neurotoxicité des insecticides.
En combinaison avec les enregistrements de potentiels d’action in vitro sur cellule et in vivo sur abeille, ils devraient permettre de faire le lien entre les effets sur les canaux exprimés dans l’ovocyte et les effets enregistrés in vivo sur l’abeille vigile (locomotion, mémoire, vol).
Plusieurs nouveaux gènes de canaux ioniques ont aussi été isolés et leurs produits caractérisés. Ils constituent des outils importants pour la compréhension des effets des insecticides au niveau moléculaire, et la connaissance de leur structure permettra de comprendre la spécificité, ou l’absence de spécificité, des insecticides pour différentes espèces d’insectes. De manière générale, cette démarche donnera donc des clés pour concevoir des tests toxicologiques permettant de mieux caractériser la toxicité des produits pour les insectes bénéfiques.

La caractérisation de nouveaux canaux ioniques renforce la panoplie d’outils nécessaire pour comprendre la physiologie de l’abeille et sa perturbation par les insecticides. La connaissance de leur structure permet de mieux comprendre les problèmes de spécificité des insecticides envers différentes espèces d’insectes et ouvre la voie à de nouveaux tests plus discriminant, mais peut être aussi à un usage raisonné qui se cantonne aux produits les plus respectueux des insectes bénéfiques.

Un jalon majeur dans notre programme de recherche est la sortie en 2022 d’un ouvrage intitulé « Les abeilles face au risque toxique » (CNRS-édition) faisant le point sur les données actuellement disponibles sur les effets des insecticides neurotoxiques sur l’animal in vivo mais aussi au niveau, cellulaire et moléculaire. Plusieurs conférences/débats grand public ont aussi été donnés localement (Poitiers, Le Vigan, St Mathieu de Tréviers). Le travail déjà réalisé a permis la publication de 6 articles dans des journaux internationaux et de 8 communications (orales ou affichées) à des congrès internationaux.

Le déclin des pollinisateurs est en partie dû aux intrants chimiques présents dans l’environnement. Les effets de ces intrants, principalement des pesticides (herbicides, fongicides, insecticides, antiparasitaires), sur les insectes sont le plus souvent évalués par des tests de mortalité, mais l'impact de faibles doses sur la physiologie des insectes reste peu connu. Ces pesticides agissent rarement seuls, plus de 50 résidus distincts pouvant être retrouvés au sein d’une ruche, dans le pollen, la cire ou le miel. Des effets synergiques (effet cocktail) de mélanges sont supposés exister, augmentant le pouvoir toxique des molécules prises individuellement, mais leur études, principalement sur la survie ou les performances des abeilles, se sont rarement intéressées aux mécanismes moléculaires. Les insecticides les plus utilisés (néonicotinoïdes, pyréthrinoïdes et phénylpyrazoles) sont neurotoxiques et touchent directement des canaux ioniques ou des récepteurs ionotropiques, modifiant la transmission des influx nerveux. Les travaux antérieurs sur leurs effets se sont surtout intéressés à l’étude de leurs cibles primaires (les canaux sodiques pour les pyréthrinoïdes par exemple), mais rarement à leurs actions combinées, ou à des effets sur des canaux supposément non ciblés. Les mécanismes moléculaires des effets de ces pesticides sont donc peu connus.
Le projet Synaptic-Bee (SBp) est la première initiative dédiée à l’analyse in vitro et in vivo d‘un panel de pesticides largement utilisés dans l’agriculture sur l’ensemble des canaux ioniques (i.e. le canalome) du système nerumusculaire l’abeille. Par le clonage et la caractérisation de ces canaux dans des systèmes d‘expression, SBp fournira une image complète au niveau moléculaire de la sensibilité synaptique de l’abeille à ces contaminants ainsi que des outils uniques pour comprendre la toxicité et la sélectivité des pesticides. La simulation numérique de l’activité des canaux ioniques, seuls ou en combinaison avec d’autre canaux, permettra à SBp d’accroître notre connaissance des effets de la modulation des canaux ioniques sur les potentiels d’action, la transmission synaptique et le comportement des abeilles.

L’approche choisie dans SBp propose:
(1) D’identifier et de cloner tous les canaux ioniques de l’abeille, de caractériser leurs propriétés biophysiques et pharmacologiques et leur sensibilité aux pesticides. De construire pour chacun un modèle numérique grâce auquel l’intoxication pourra être reproduite in silico ;
(2) D’évaluer leur profil d’expression dans 4 types cellulaires cruciaux pour la locomotion, le vol et la mémoire olfactive, et donc pour le butinage (neurones des corps pédonculés et de projections du lobe antennaire, et myocytes squelettiques et cardiaques). Utiliser les modèles des canaux présents dans ces types cellulaires pour en reproduire l’excitabilité cellulaire sous la forme de potentiels d’action et de signaux de transmission synaptique ;
(3) Comparer des signaux de potentiels d’action et de neurotransmission enregistrés sur ces cellules avec leur contrepartie numérique en conditions contrôle et sous intoxication par un ou plusieurs pesticides dans le but d’identifier le rôle précis de chaque canal dans ces intoxications et les mécanismes d’un éventuel effet cocktail ;
(4) Quand cela est possible, construire, par modélisation moléculaire; un modèle structural de chaque canal où les pesticides pourront être dockés, pour en tirer des informations sur les dysfonctions provoquées et sur de potentielles sélectivités croisées entre canaux ou entre espèces (ravageurs versus pollinisateurs) ;
(5) Enfin interpréter ces données au regard des effets provoqués par les pesticides sur deux fonctions clé: l’apprentissage et la mémoire olfactifs et la locomotion.
SBp, programme sans équivalent à l’heure actuelle, fournira des outils et des informations uniques pour comprendre la toxicité des pesticides chez l’abeille