Abstract :
[en] Many mosquito (Diptera: Culicidae) species are vectors responsible for the transmission of infectious diseases of medical and veterinary importance. Risk for infection considerably increased during the last decades due to climate changes and increasing global trade. Vector control is essential for public health management. Integrated pest management is now promoted due to harmful side effects of the chemical insecticides classically used for mosquito control and insect resistance development.
This PhD thesis takes part in the selection process of insect pathogenic fungi. Three biological models (Aspergillus clavatus Desmazieres, Aspergillus flavus Link, and Metarhizium anisopliae (Metschnikoff) Sorokin) were selected and investigated regarding their spore insecticidal activity, mode of action, and selectivity. Throughout this scheme, the use of agricultural materials and derivatives in fermentation processes was emphasized.
Production methods and insecticidal potential of the fungi were first investigated. On the one hand, the two Aspergillus species were compared to M. anisopliae regarding their spore production when cultured on agro-industrial substrates (white rice and wheat bran) and their insecticidal effect on larvae of the southern house mosquito, Culex quinquefasciatus Say. Our results showed that both substrates are suitable to culture the three insect pathogenic fungal species; but wheat bran-based media increased from 3 to 7-fold the spore yields in solid-state compared to white rice-based media. Also, insect pathogenic Aspergillus species were suggested to yield in similar spore levels in such conditions (in a range of 10^9 spores per g of substrate) and be as virulent against mosquito larvae compared to M. anisopliae. On the other hand, a bioreactor design intended to support large-scale production on agricultural materials by combining the technological advantages of submerged and solid-state fermentations was implemented using A. clavatus. This system allowed facility in recuperation and purification of spores (confined on a packed solid substrate) that retained virulence against mosquito larvae; but also metabolites (contained in a circulating liquid medium) that showed insecticidal effect.
The mechanisms responsible for the insecticidal effects of the spores, and their selectivity were then investigated. On the one hand, the invasion routes of A. clavatus spores on mosquito larvae were investigated by light and electron microscopy. Histological observations suggest that toxins secreted by active germinating spores of A. clavatus in the digestive tract altered the larval tissues, leading to necrosis and causing larval death. Fungal proliferation and sporulation then occurred during a saprophytic phase. Such action mode also probably occurred in the case of the two other species. On the other hand, the insecticidal activity of the fungi was assessed against the pea aphid, Acyrthosiphon pisum Linnaeus. Adult A. pisum aphids were susceptible (increased mortality and decreased reproductive potential) to the three fungal species. As a consequence, these fungi would probably be able to infect a broad spectrum of insect hosts (whatever terrestrial or aquatic) once released in the environment.
The implications of the results for mosquito control and application strategies are finally discussed, and perspectives for future works proposed.
[fr] Plusieurs espèces de moustiques (Diptera : Culicidae) sont des vecteurs responsables de la transmission de maladies infectieuses d'importance médicale et vétérinaire. Le risque d'infection a considérablement augmenté au cours des dernières décennies en raison de changements climatiques et du commerce international croissant. La lutte anti-vectorielle est essentielle pour la gestion de la santé publique. La gestion intégrée des populations de moustiques est désormais promue en raison des effets secondaires nocifs des insecticides chimiques classiquement utilisés pour leur contrôle et le développement de résistances vis-à-vis de ceux-ci.
Cette thèse s'inscrit dans un processus de sélection de champignons pathogènes d’insectes. Trois modèles biologiques (Aspergillus clavatus Desmazieres, Aspergillus flavus Link et Metarhizium anisopliae (Metschnikoff) Sorokin) ont été sélectionnés et étudiés par rapport à l’activité insecticide des spores, leur mode d'action, et leur sélectivité. Tout au long de ce processus, l'utilisation des matières agricoles et dérivés dans les procédés de fermentation a été envisagée.
La production et le potentiel insecticide des champignons ont été tout d'abord étudiés. D'une part, les deux espèces d'Aspergillus ont été comparées à M. anisopliae vis-à-vis de leur production en spores sur substrats agro-industriels (riz et son de blé) et de leur effet insecticide sur les larves du moustique Culex quinquefasciatus Say. Nos résultats ont montré que les deux substrats peuvent supporter la culture des trois espèces pathogènes d'insectes ; mais les milieux à base de son de blé ont permis, à l’état solide, d’obtenir de 3 à 7 fois plus de spores comparativement aux milieux à base de riz. Aussi, nos résultats suggèrent que des espèces d'Aspergillus pathogènes d’insectes peuvent atteindre des niveaux de production en spores similaires à M. anisopliae dans de telles conditions (dans une gamme de 10^9 spores / g de substrat) et être aussi virulentes contre des larves de moustiques. D’autre part, un design de bioréacteur destiné à soutenir la production à grande échelle sur des matières agricoles, en combinant les avantages technologiques des fermentations submergées et à l'état solide, a été implémenté avec A. clavatus. Ce système a permis la récupération et la purification des spores (confinées sur un substrat solide) qui ont conservé leur virulence contre les larves du moustique ; mais aussi de métabolites (contenus dans un milieu liquide circulant) qui ont également montré un effet insecticide.
Les mécanismes responsables des effets insecticides des spores et la sélectivité de celles-ci ont ensuite été étudiés. D'une part, les voies d'invasion des spores d'A. clavatus sur les larves du moustique ont été étudiées en microscopie optique et électronique. Les observations histologiques suggèrent que des toxines sécrétées par les spores actives en germination dans le tube digestif ont altéré les tissus larvaires, conduisant à leur nécrose et causant la mort de la larve. La prolifération du champignon et la sporulation ont ensuite lieu au cours d’une phase saprophyte. Le mode d'action est probablement similaire dans le cas des deux autres espèces. D’autre part, l'activité insecticide des champignons a été évaluée contre le puceron du pois, Acyrthosiphon pisum Linnaeus. Les pucerons adultes ont été sensibles (mortalité accrue et diminution du potentiel reproducteur) aux trois espèces de pathogènes. En conséquence, ces champignons seraient probablement capables d'infecter un large spectre d'insectes hôtes (qu’ils soient terrestres ou aquatiques), une fois libérés dans l'environnement.
Enfin, les implications de ces résultats pour les stratégies de contrôle des moustiques et d'application des champignons sont discutées, et des perspectives pour des travaux futurs proposées.
