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Effets sublétaux de l'Acétamipride et du Thiamethoxam sur le comportement de l'abeille (Apis mellifera)

Authors:
Effets sublétaux de l’Acétamipride et du Thiamethoxam sur le
comportement de l’abeille (Apis mellifera)
Abdessalam Kacimi El Hassani, Matthieu Dacher, Vincent Gary, Michel Lambin,
Monique Gauthier, Catherine Armengaud
Résumé
Chez les insectes, l’acétamipride et le thiamethoxam sont des néonicotinoïdes qui
agissent sur les récepteurs cholinergiques nicotiniques. Nous avons recherché des effets sub-
létaux de ces pesticides sur la sensibilité au sucre, sur la motricité et sur la mémoire des
abeilles qui ont été contaminées soit par application topique sur le thorax soit par
administration orale. À la suite d’une consommation orale d’acétamipride à 1µg/abeille, la
sensibilité des abeilles au sucre augmente. L’acétamipride à la dose de 0,1µg/abeille, induit
une baisse de la mémoire à long terme. Ces effets ne sont pas observés après application
topique d’acétamipride. Par ailleurs, à la dose de 0,1 et 0,5µg/abeille, l’acétamipride
augmente l’activité locomotrice et la sensibilité à l’eau.
Contrairement à l’acétamipride, le thiamethoxam ne montre aucun effet sur les
comportements étudiés dans les conditions testées. Nos résultats suggèrent une vulnérabilité
particulière des abeilles à des doses sub-létales de l’acétamipride.
Mots clé : Abeilles, acétamipride, thiamethoxam, mémoire, activité locomotrice, sensibilité
au sucre, néonicotinoïdes.
Introduction
Les néonicotinoïdes sont des insecticides largement utilisés en agriculture pour lutter
contre les insectes nuisibles, mais peuvent aussi affecter d’autres insectes comme les abeilles.
Les néonicotinoïdes nitro-substitués (imidaclopride et thiamethoxam) en application topique
sont les plus toxiques pour les abeilles avec des valeurs de DL50 de 18ng/abeille pour
l’imidaclopride et de 30ng/abeille pour le thiamethoxam. Les néonicotinoïdes cyano-
substitués présentent une toxicité beaucoup plus faible avec une DL50 de 7,1 mg/abeille pour
l’acétamipride (Iwasa et al., 2004). Il est largement prouvé que les néonicotinoïdes ciblent les
récepteurs cholinergiques nicotiniques et agissent comme des agonistes pleins ou partiels
(Déglise et al., 2002 ; Tomizawa et Casida, 2003 ; Tan et al., 2007). L’acétylcholine est un
neurotransmetteur important dans le cerveau des insectes (Breer, 1987 ; Bicker, 1999) et les
sites de liaison de ce neurotransmetteur sont présents dans le cerveau de l’abeille (Kreissl et
Bicker, 1989 ; Scheidler et al., 1990). Chez ces insectes, différentes fonctions semblent être
dépendantes de la neurotransmission cholinergique (Michelsen et Braun, 1987 ; Cano Lozano
et al., 2001 ; Dacher et al., 2005 ; Thany et Gauthier, 2005). Par conséquent, même des doses
sub-létales de néonicotinoïdes peuvent affecter le comportement des abeilles.
Il a été précédemment démontré que des abeilles qui ont reçu une dose d’imidaclopride
supérieur à 5ng/abeille présentent une altération de l’activité locomotrice et de la sensibilité
au sucre (Lambin et al., 2001). En outre, l’imidaclopride en administration orale
(12ng/abeille) diminue les performances de rétention d’une information mémorisée par les
abeilles (Decourtye et al., 2004). En revanche, il a été observé que l’application topique de
cette drogue à faible dose (1,25 ng/abeille) induit une facilitation d’apprentissage simple non
associatif et une augmentation de l’activité locomotrice (Armengaud et al., 2002). Outre les
études sur les effets toxiques de l’imidaclopride sur les insectes, on sait peu de choses sur les
effets physiologiques et comportementaux de l’acétamipride et du thiamethoxam à des doses
sub-létales.
Nous faisons l’hypothèse que l’acétamipride et le thiamethoxam à des doses non toxiques
peuvent affecter la fonction gustative, motrice et mnémonique de l’abeille. Il a déjà été
démontré que dans des conditions de laboratoire, le réflexe d’extension du proboscis (REP)
déclenché par une stimulation des antennes par une solution sucrée pouvait être utilisé comme
outil pour évaluer différentes fonctions biologiques qui sont mises en jeu dans le
comportement des abeilles. Le test de conditionnement olfactif du REP peut être utilisé pour
évaluer les effets sub-létaux des pesticides sur l’apprentissage et la mémoire olfactive chez les
abeilles (Lambin et al., 2001 ; Decourtye et al., 2004 ; El hassani et al., 2005). L’intégrité de
ces fonctions est nécessaire pour le comportement de butinage. Par exemple, la perception de
la solution sucrée est importante pour les abeilles afin de prendre la décision de butiner
(Pankiw et Page, 1999). De plus, une association des paramètres floraux (odeur, couleur,
forme) à la récompense alimentaire (nectar ou pollen) est réalisée lors du butinage.
Matériel et méthodes
Animaux : Les abeilles butineuses sont récupérées du rucher et maintenues dans des boîtes
en plexiglas. Les tests (activité locomotrice, perception d’une solution sucrée et
conditionnement olfactif) sont alisés en trois fois durant la période de Septembre 2003 à
Juillet 2004.
Drogues : Acétamipride (99% pureté) et thiamethoxam (97% pureté) (Cluzeau Info labo,
Sainte-Foy-La-Grande, France). L’acétamipride ayant été dissout dans l’acétone et le
thiamethoxam dans l’acétonitrile, les abeilles ont reçu des solutions contenant respectivement
1% et 10% de solvant pour les contaminations orales et topiques. L’acétamipride est utilisé à
des doses de 0,1 ; 0,5 et g/abeille et le thiamethoxam est utilisé à des doses de 0,1 ; 0,5 et 1
ng/abeille.
Test de l’activité locomotrice : L'effet de l'acétamipride et du thiamethoxam sur l'activité
locomotrice a été étudié 60 min après une application topique unique ou par consommation
orale. L'activité locomotrice a été analysée dans un dispositif de (30*30*4cm) éclairé par le
haut (Lambin et al., 2001).
La sensibilité au sucre : Dans cette expérience, le REP est utilisé pour tester la sensibilité des
abeilles à des concentrations ascendantes de solution de sucrée (CASS). Chaque animal a été
testé à deux reprises avec les CASS: 60 min avant et 60min après le traitement. L'effet de la
soif sur la sensibilité au sucre a été contrôlé en permettant aux abeilles de boire de l'eau ad
libitum 1h avant chaque présentation de CASS. Les concentrations des solutions sucrées sont
de 0,1%, 0,3%, 1%, 3%, 10% et 30% (poids/volume).
Pour l'évaluation de REP à l'eau toutes les abeilles ont été prises en compte. Le REP à l'eau
a été testé 3 min avant de tester le REP au sucre en touchant l'antenne de l’abeille avec une
goutte d'eau avant chaque CASS.
Conditionnement olfactif du REP : 3h de jeûne sont cessaires pour renforcer l’état de
motivation des animaux. Les traitements par voie orale ou topique ont été réalisés 3h avant le
conditionnement olfactif. Un paradigme avec 5 essais était utilisé avec un intervalle inter-
essai de 1 min. Les abeilles ont été conditionnées à associer le stimulus conditionné (SC),
représenté par une odeur de café avec un stimulus inconditionnel (SI), représenté par une
goutte de solution sucrée (40% p/v). Au cours des tests de rappel, le CS a été présenté seul
1h, 24h et 48h après la session d'apprentissage.
Résultats
Activité locomotrice : L’acétamipride augmente la longueur de marche totale dans le
dispositif, 60 min après le traitement (figure 1A). Une différence significative a été révélée
entre les abeilles contrôles et les abeilles traitées (0,1 et 0,5 µg/abeille) par contamination
topique. En revanche, après une administration orale ou une application topique de
thiamethoxam, l'activité locomotrice des animaux n'a pas été significativement modifiée par
rapport aux abeilles contrôles (figure 1B).
Fig.1 Moyennes (+ES) des distances parcourues par les abeilles traitées par l’acétamipride (A) et le
thiamethoxam (B).
REP au sucre : Dans les expériences menées avec l’acétamipride par application topique, la
sensibilité au sucre du groupe contrôle (10% d’acétone) baisse significativement. Par contre,
le groupe d’abeilles traitées avec de l’acétamipride à g/abeille, présente un même taux de
réponse au premier et au deuxième CASS (Fig. 1A).
Les abeilles traitées avec du thiamethoxam présentent des réponses aux solutions sucrées
similaires avant et après le traitement (Résultats non montrés).
REP à l’eau : Les données ont été présentées sous forme d’un indice de réponse à l’eau
(WRI). (Fig. 2B). Les valeurs positives indiquent que le traitement induit une augmentation
de la activité à l'eau lorsque les abeilles reçoivent de l’acétamipride en application topique.
Cet effet de l’acétamipride n’a pas été constaté après traitement par voie orale et aucune
modification significative de la réponse à l’eau n’est observée avec le thiamethoxam.
Apprentissage et mémoire olfactive : L’administration orale d’acétamipride n’induit aucun
effet sur les performances d’apprentissage (Fig. 3A). Toutefois, le pourcentage de REP testé
48h après d'apprentissage est nettement plus faible dans le groupe traité à 0,1g/abeille que
dans le groupe contrôle (Fig. 3B). Les performances des animaux qui ont reçu 0,5g et 1,0g
ne sont pas différents des autres groupes.
Le traitement topique avec de l’acétamipride n’induit aucun effet significatif sur
l'apprentissage et la mémoire.
Les performances des animaux qui ont consommé du thiamethoxam oralement ne sont pas
significativement différentes de celles des contrôles.
Fig.2
A
:
REP au CASS avant (en noir) et après (en
pointillé) une application d’acétamipride sur le
thorax. B : Indice des réponses à l’eau. Cet indice
correspond au nombre total d'abeilles présentant un
REP à l'eau avant la deuxième CASS moins le
nombre total d'abeilles présentant un REP à l'eau
avant la première CASS
Fig. 3 Apprentissage olfactif (A) et la mémoire des abeilles après absorption d’acétamipride.
Discussion
Nous avons recherché des effets sublétaux d’un traitement aigü d’acétamipride ou de
thiamethoxam sur la physiologie et le comportement de l’abeille.
Les doses de pesticides qui
ont été utilisées sont de l’ordre de LD50/100 à LD50/10. Vingt-quatre heures et 48 h après la
contamination par voie orale ou topique, la mortalité dans les groupes acétamipride et
thiamethoxam était identique à celle du groupe contrôle. La conclusion majeure de cette étude
est que la physiologie et le comportement des abeilles sont plus affectés par l’acétamipride
que par le thiamethoxam. En effet, contrairement à l’acétamipride, le thiamethoxam n’induit
aucun effet significatif sur l'activité locomotrice, sur le REP au sucre et à l'eau ou sur
l'apprentissage et la mémoire.
L'activité locomotrice de l'abeille a été stimulée par l’acétamipride à des doses de 0,1 et
0,5 µg/abeille, alors que le déplacement n'a pas été affecté par la dose de l µg/abeille. Ce
résultat confirme celui qui a été obtenu avec l’imidaclopride (Lambin et al. 2001).
De plus, il semble que la dose de 1 µg / abeille augmente la sensibilité au sucre. Le REP à
l'eau a augmenté d’une manière dose dépendante après l'application topique d’acétamipride.
Les expériences sur l'apprentissage indiquent que le traitement par voie orale avec de
l’acétamipride (0,1 µg/abeille = LD50/100) induit une baisse de la mémoire à long terme.
L’acétamipride et l’imidaclopride sont des néonicotinoïdes agonistes des récepteurs de l’ACh
(Tan et al. 2007) et partagent le même site de liaison (Kayser et al. 2004). Le traitement oral
des abeilles à l'imidaclopride (12 ng/abeille = LD50/2,5) réduit la mémoire olfactive. Des
doses plus faibles n'ont pas d'effet sur l'apprentissage et la mémoire (Decourtye et al. 2004).
Une facilitation de la mémoire non associative a également été induite par l'imidaclopride
(Lambin et al. 2001; Guez et al. 2003 ; Thany et Gauthier 2005). Plusieurs études montrent les
effets différentiels des antagonistes nicotiniques sur les processus de mémoire (Cano Lozano
et al. 1996; Lozano Cano et al. 2001; Dacher et al. 2005, Gauthier et al. 2006). Ces résultats
soulignent l'existence de différents sous-types de récepteurs nicotiniques, qui pourraient être
affectés différemment par les néonicotinoïdes.
L'effet de l’acétamipride sur le comportement n’est pas dose/réponse. En effet, des doses
d’acétamipride intermédiaires (0,1 ou 0,5 µg/abeille) affectent l'apprentissage et l'activité
locomotrice, alors que la dose la plus élevée (1 µg/abeille) n'a pas eu d’effet. Une explication
de ce phénomène pourrait être l'existence de deux récepteurs pour l’acétamipride, comme cela
a é suggéré pour l'imidaclopride (Nauen et al. 2001; Guez et al. 2003). Dans la présente
étude, le thiamethoxam ne provoque aucun effet sur le comportement des abeilles. Ces
résultats sont en accord avec les enregistrements en patch-clamp (Tan et al. 2007). Dans cette
étude, contrairement aux autres néonicotinoïdes testés, le thiamethoxam n'a pas évoqué de
courant entrant et n'a pas montré d'interaction avec les autres néonicotinoïdes sur nAChRs
(Tan et al. 2007).
Remerciements
Ce travail a été réalisé dans le cadre du projet (ONIFLHOR, 407), ministère français de
l’agriculture.
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Thesis
Depuis une dizaine d'années, les inquiétudes concernant l'avenir du cheptel apicole mondial ne cessent d'augmenter. Le déclin des abeilles est un sujet d'actualité très médiatisé par lequel tout un chacun est concerné, et les hypothèses avancées pour expliquer le phénomène sont nombreuses. Notre travail vise à dresser un état des lieux de la situation actuelle en France, de l'abeille domestique Apis mellifera Linne, 1758. A cet effet, il reprend les éléments principaux de la biologie de l'abeille, dont la connaissance est indispensable à la compréhension de son importance écologique et de l'impact de ses ennemis. Parmi eux, les produits phytosanitaires, les maladies et autres parasites, la diminution de ressources alimentaires et les facteurs climatiques sont les plus souvent incriminés, et il est admis aujourd'hui que l'origine des mortalités est multifactorielle. La filière apicole est très complexe et très hétérogène et la situation sanitaire de l'abeille domestique est fragile, principalement en raison du faible nombre de spécialistes en apiculture formés (y compris parmi les vétérinaires) et du peu de médicaments disposant d'une autorisation de mise sur le marché "Abeilles" disponibles. Pour faire face à cette crise, de nombreux projets sont initiés, à différentes échelles, et de nombreux acteurs, du grand public aux hommes politiques, se mobilisent afin de lutter pour la sauvegarde de ce précieux insecte.
Article
Full-text available
The role of honeybee central brain structures, suspected to be cholinergic, has been studied in learning and memory. The nicotinic antagonist mecamylamine and the muscarinic antagonist scopolamine were locally injected into the calyces and the &#33-lobes of mushroom bodies, and their effects on memory acquisition and retrieval were investigated using one-trial olfactory conditioning of the proboscis extension reflex. A strong impairment of the olfactory learning was noticed following mecamylamine injection into the mushroom body calyces. Mecamylamine and scopolamine disturbed retrieval processes when injected into the &#33-lobes of mushroom bodies but remain without effect on these processes when injected into the mushroom body calyces. These results emphasise the role of the cholinergic networks of the mushroom bodies in the formation and recall of memory in the honeybee. They suggest that the role of the brain structures in these processes is sequential. Mushroom body calyces involved in the associative process of olfactory learning could be relayed by the &#33-lobes for information retrieval.
Article
Full-text available
Imidacloprid is a chloronicotinyl insecticide which interacts with insect nicotinic acetylcholine receptors. Thirty minutes after oral treatment of honeybees with imidacloprid, the olfactory learning performances in a proboscis extension reflex (PER) procedure were impaired. In parallel, an increase of the cytochrome oxidase labelling was found into the calyces of the mushroom bodies. Imidacloprid administered 15 min or 1 h after a one-trial conditioning of PER impaired the medium-term olfactory memory. By contrast, the short-term (30 s or 3 min conditioning-treatment time interval) and long-term (24 h conditioning-treatment time interval) memories were unaffected. The impairment of medium-term olfactory memory by imidacloprid is discussed in the context of neural circuits suspected to mediate memory formation in the honeybee brain.
Chapter
Important efforts to control insects that are agricultural pests or vectors of infectious and parasitic diseases employ chemicals that attack the nervous system, and in many cases obviously synapses are the sites of action (Brooks 1980). Synapses are the regions where neural communication takes place and furthermore they are the sites where the electrical and chemical activity of neurons are inexorably interlinked and are clearly open to pharmacological interruption in a variety of ways.
Article
Bees derived from artificially selected high-and low-pollen-hoarding strains were tested for their proboscis extension reflex response to water and varying sucrose concentrations. High-strain bees had a lower response threshold to sucrose than low-strain bees among pre-foragers, foragers, queens and drones. Preforaging low-strain workers showed ontogenetic changes in their response threshold to sucrose which was inversely related to age. High-strain foragers were more likely to return with loads of water compared to low-strain foragers. Whereas low-strain foragers were more likely to return with loads of nectar. Low-strain nectar foragers collected nectar with significantly higher sucrose concentrations than did the high-strain nectar foragers. Alternatively, low-strain foragers were more likely to return empty compared to high-strain foragers. These studies demonstrate how a genotypically varied sensory-physiological process, the perception of sucrose, are associated with a division of labor for foraging.
Article
Acute oral and contact toxicity tests of imidacloprid, an insecticide acting agonistically on nicotinic acetylcholine receptors (nAChR), to adult honeybees, Apis mellifera L var carnica, were carried out by seven different European research facilities. Results indicated that the 48-h oral LD50 of imidacloprid is between 41 and >81 ng per bee, and the contact LD50 between 49 and 102 ng per bee. The ingested amount of imidacloprid-containing sucrose solution decreased with increasing imidacloprid concentrations and may be attributed to dose-related sub-lethal intoxication symptoms or to antifeedant responses. Some previously reported imidacloprid metabolites occuring at low levels in planta after seed dressing, ie olefine-, 5-OH- and 4,5-OH-imidacloprid, showed lower oral LD50 values (>36, >49 and 159 ng per bee, respectively) compared with the concurrently tested parent molecule (41 ng per bee). The urea metabolite and 6-chloronicotinic acid (6-CNA) exhibited LD50 values of >99 500 and >121 500 ng per bee, respectively.
Article
Mecamylamine, a nicotinic receptor antagonist, was injected into the honeybee brain haemolymph. The effects of the drug were investigated on Pavlovian conditioning of the proboscis extension reflex. The conditioned response was acquired after a one-trial learning session, consisting of an olfactory-conditioned stimulus combined with a gustatory antennal unconditioned stimulus. The drug was injected at different times before or after the learning session in order to dissociate its effects on acquisition, consolidation and retrieval processes. The performance was evaluated in short-delayed recall tasks. To control potential effects on sensory-motor activity, the effects of the drug were also investigated on sensory processes (through olfactory and gustatory functions) and on motor processes of proboscis extension. The results of conditioning experiments showed that pretrial injection induced a decrease of retention performance 1 h after the learning trial. Mecamylamine injected 20 min after the learning session induced a time-dependent impairment of retention performance, as has been shown by the performance level registered from 10 to 80 min after injection. A 5-min post-trial injection had no effect on retention performance. Control experiments did not reveal any effect of mecamylamine on the response reflex of proboscis extension and on responsiveness to olfactory stimuli (geraniol, lavender and vanillin). The absence of effects on sensory perception combined with the amnestic effect induced by pre- or late post-trial injections lead us to conclude that mecamylamine specifically impaired acquisition and retrieval processes. The involvement of nicotinic-like receptors in these processes is discussed.
Article
Laboratory bioassays were conducted to determine the contact honey bee toxicity of commercial and candidate neonicotinoid insecticides. The nitro-substituted compounds were the most toxic to the honey bee in our laboratory studies with LD50 values of 18 ng/bee for imidacloprid, 22 ng for clothianidin, 30 ng for thiamethoxam, 75 ng for dinotefuran and 138 ng for nitenpyram. The cyano-substituted neonicotinoids exhibited a much lower toxicity with LD50 values for acetamiprid and thiacloprid of 7.1 and 14.6 μg/bee, respectively. Piperonyl butoxide, triflumizole and propiconazole increased honey bee toxicity of acetamiprid 6.0-, 244- and 105-fold and thiacloprid 154-, 1,141- and 559-fold, respectively, but had a minimal effect on imidacloprid (1.70, 1.85 and 1.52-fold, respectively). The acetamiprid metabolites, N-demethyl acetamiprid, 6-chloro-3-pyridylmethanol and 6-chloro-nicotinic acid when applied topically, produced no mortality at 50 μg/bee. These results suggest that P450s are an important mechanism for acetamiprid and thiacloprid detoxification and their low toxicity to honey bees. When honey bees were placed in cages in forced contact with alfalfa treated with acetamiprid and the synergist, triflumizole, in combination at their maximum recommended application rates, no mortality was detected above that of the control.
Article
Binding sites for the nicotinic acetylcholine receptor antagonist, [125I]alpha-bungarotoxin, were localized in the honeybee brain by in vitro autoradiography. Highest binding site densities were localized in the suboesophageal ganglion, the optic tubercles, optic lobes medulla and lobula, antennal lobes, dorsal lobes and the alpha-lobes of the mushroom bodies. The distribution pattern of these putative nicotinic acetylcholine receptors suggests that acetylcholine is involved in several sensory pathways and in central information processing in the honeybee brain.