La communication chimique : une fonction-clé chez les insectes

L’olfaction est une modalité sensorielle particulièrement importante chez les insectes. qui permet la reconnaissance à distance du  site de ponte, d’ un hôte ou d’un partenaire sexuel, puis leur localisation. Neurobiologiste de formation, je me suis intéressé très tôt à la physiologie sensorielle et au comportement animal avec pour motivation de comprendre comment un organisme appréhende son environnement et déploie les réponses comportementales adaptées. Au cours de ma formation doctorale dans l’équipe de Charles Descoins, confronté à un environnement multidisciplinaire associant chimistes, physico-chimistes, et biologistes, j’ai été sensibilisé à spécificité des odeurs et aux méthodes permettant de les isoler. Par la suite, une formation post-doctorale dans le laboratoire du Professeur Schneider, au Max Planck Institut für Verhaltensphysiologie de Seewiesen, m’a permis de développer mes compétences en neurobiologie de l’olfaction.

Une biologie appliquée à l’identification de phéromones

Durant les premières années qui suivirent mon recrutement à l’INRA j’ai participé à l’identification de phéromones et à la caractérisation de leur activité biologique par des approches sensorielles (criblage de molécules par électroantennographie) et comportementales (mise au point de mélanges attractifs par olfactométrie). J’ai ainsi contribué à l’identification de phéromones chez 24 espèces de papillons nocturnes et de coléoptères phytophages. Des applications en biocontrôle  ont été développées pour les filières fruitières ou horticoles grâce à la conception d’attractifs sexuels. Désirant valoriser ce savoir-faire en abordant d’autres contextes de communication, j’ai étudié le rôle de signaux chimiques dans les relations hôtes-parasites chez des Hyménoptères parasitoïdes utilisés en lutte biologique. En collaboration avec Nicole Hawlitzky, nous avons pu montrer l’importance de signaux cuticulaires pour la reconnaissance de l’hôte chez les Trichogrammes (Renou et al 1989) ou une mouche tachinaire (Rahal et al, 1996).

Communication chimique et phylogénie

Les connaissances acquises sur la composition chimique des phéromones d’une diversité d’espèces m’ont amené à réfléchir sur leur valeur chimio-taxonomique et leur évolution chez les lépidoptères. J’ai ainsi étudié des espèces d’intérêt écologique ou phylogénétique (Zygènes et Ecailles par exemple) par une approche originale permettant le criblage d’un grand nombre d’espèces, avec un petit nombre d’individus capturés au sein d’un même milieu (piégeage lumineux couplé à l’électrophysiologie). Grâce à des analyses multifactorielles combinant données expérimentales (Renou, Lalanne-Cassou et al 1986, 1988) et données de la littérature, ces travaux ont révélé un conservatisme des structures chimiques au sein des groupes taxonomiques (familles et sous familles de Noctuelles ; Renou, Lalanne-Cassou, Michelot et al 1988), signe d’une forte composante phylogénétique pour expliquer la nature chimique des phéromones , une absence apparente d’influence du milieu physique, et des variations structurales autour d’un même squelette moléculaire assurant la spécificité de la communication entre espèces sympatriques.

Codage olfactif

La spécificité de la communication phéromonale est directement liée à la détection du signal par des récepteurs spécialisés. Avant l’avènement des approches moléculaires l’étude de relations structure-activité ne pouvait se faire que grâce à la caractérisation fonctionnelle des neurones récepteurs olfactifs (NROs) par électrophysiologie. J’ai monté un poste dédié à l’enregistrement de l’activité des NROs au niveau des sensilles, unités morpho-fonctionnelles de l’olfaction portées par les antennes. J’ai alors étudié les mécanismes de reconnaissance des constituants phéromonaux, première étape du codage sensoriel aboutissant à la discrimination du bouquet phéromonal. La phéromone sexuelle est un bouquet de quelques constituants détectés par des NROs spécialistes selon un codage de type « labelled line ». En associant morphologie (microscopie électronique à balayage) et électrophysiologie j’ai pu mettre en évidence des plans d’organisation à l’échelle de l’espèce et  comparables  entre espèces apparentées de Noctuelles (Renou, Lucas et al 1991).  De plus, la présence de NROs spécialisés dans la détection d’inhibiteur interspécifique (un composé présent dans le mélange phéromonal d’une espèce sympatrique et qui inhibe l’attraction) est fréquente. Le constituant majoritaire est aussi celui pour lequel il existe le plus de NRO spécifiques (Lucas et Renou, 1989, 1991, Renou et Lucas, 1994).

Organisation fonctionnelle des organes de l’olfaction 

L’association de l’anatomie (microscopie électronique à balayage pour définir les types de sensilles, et microscopie électronique à transmission pour décrire leur ultrastructure) à l’électrophysiologie, m’a été très utile pour étudier les adaptations particulières au mode de vie des organes olfactifs chez d’autres groupes d’insectes. Chez la punaise Nezara viridula, le développement post-embryonnaire est de type hétérométabole. Contrairement aux papillons, larves et adultes  ont un même mode d’alimentation et la morphologie générale de leurs antennes est très semblable. Cependant leurs antennes sont fonctionnellement différentes, seuls les adultes perçoivent la phéromone sexuelle. Patrick Brézot (Thèse sous ma direction, soutenue en 1994) a suivi l’évolution de la sensibilité et le développement du système olfactif au cours du développement post-embryonnaire et mis en évidence un développement de type allométrique des antennes, certains types de sensilles augmentant plus vite en nombre d’un stade à l’autre (Brézot et al 1996). Chez les coléoptères du genre Oryctes les antennes en lamelle portent des sensilles en placodes, dont la cuticule très contournée et les dendrites très ramifiées assurent une grande surface d’échange avec l’atmosphère, compensant la faible surface disponible en raison de la compacité de l’antenne (Renou et al 1998). Une bonne connaissance de l’organisation périphérique de l’olfaction incluant des données quantitatives est indispensable pour interpréter les différences d’activité électroantennographique entre odorants et les mécanismes de leur codage au niveau central, ou pour la caractérisation fonctionnelle et la dé-orphanisation des récepteurs olfactifs (ORs).

Physiologie de l’olfaction

Il m’est apparu indispensable de mieux connaitre les facteurs affectant la sensibilité olfactive chez les espèces que nous étudions. J’ai ainsi abordé dès 1988 des aspects physiologiques de l’olfaction sur le modèle Noctuelle. Dans le contexte de l’Unité de Phytopharmacie, il était naturel de s’intéresser aux effets des insecticides sur l’olfaction, les neurones récepteurs olfactifs apparaissant particulièrement exposés aux xénobiotiques de par leur fonction. J’ai initié des travaux originaux en écotoxicologie visant à étudier comment des insecticides pouvaient affecter la sensibilité des NROs (PhD Philippe Lucas, 1990). Nous avons montré que les insecticides pyréthrinoïdes provoquent des « bursts » d’activité, perturbant la transmission du signal vers le lobe antennaire (Lucas et Renou, 1992). Par la suite, nous nous sommes intéressés aux régulations endogènes de l’olfaction et la gustation en collaboration avec Frédéric Marion-Poll. Nous avons mis en évidence une modulation de la sensibilité olfactive par les amines biogènes (thèse de Xavier Gromaitre, 2001). L’octopamine modifie le potentiel de sensille et augmente l’intensité de la réponse et l’activité spontanée des NROs (Grosmaitre et al, 2001). Un récepteur à l’octopamine est exprimé dans les antennes. L’activité locomotrice déclenchée par une stimulation phéromonale est amplifiée en présence d’octopamine. Ces travaux ont souligné le besoin d’ études mécanistiques du fonctionnement du système olfactif périphérique et pour cela d’un investissement fort dans de nouvelles approches et en nouvelles compétences. Cette nouvelle thématique a fait l’objet du projet de recherche proposé à Philippe Lucas qui à la suite de son recrutement à l’INRA en 1990 a introduit dans l’équipe des approches d’électrophysiologie moléculaire (patch clamp), puis développé avec succès des recherches mécanistiques sur la transduction olfactive à partir d’un système original de neurones olfactifs en culture (Pézier et al, 2007). Parallèlement aux progrès significatifs dans la compréhension de mécanismes de la transduction apportés par P. Lucas, Emmanuelle Jacquin-Joly développait dans notre Unité la génomique fonctionnelle de l’olfaction. Dans ce nouveau contexte, je me suis intéressé à l’imagerie fonctionnelle que je pensais pouvoir mettre au service de la caractérisation fonctionnelle de récepteurs olfactifs et utiliser pour mes projets en complément des approches électrophysiologiques in vivo. J’ai donc monté un poste d’imagerie calcique (Fura 2) et ai pu enregistrer des signaux calciques in-vitro. Cependant, en raison des difficultés à stimuler in vitro avec des molécules très hydrophobes, d’autres stratégies comme l’expression hétérologue dans le système Drosophile se sont avérées plus efficaces. Cette expérience en imagerie m’a cependant été utile dans mes projets ultérieurs où l’imagerie in-vivo, développée par Nina Deisig, nous a permis de tracer des cartes d’activation glomérulaire dans le lobe antennaire en réponse à des mélanges d’odeurs.

Perturber l’olfaction

Désireux de maintenir un lien fort entre recherche cognitive et contexte agronomique, je me suis interrogé sur les potentialités de lutte contre les insectes ravageurs par perturbation de leur système olfactif. Une collaboration avec le laboratoire d’Angel Guerrero au CSIC de Barcelone a permis d’étudier le mode d’action d’analogues structuraux, ce laboratoire ayant réussi la synthèse de dérivés fluorés de phéromone. Ces dérivés inhibent in vitro les estérases antennaires responsables du catabolisme des molécules odorantes (ODEs) mais leurs modes d’action in vivo n’étaient pas connus. Ces molécules me semblaient intéressantes à étudier par les approches électrophysiologiques que je maitrisais, à la fois en tant qu’outils pharmacologiques, le rôle des ODEs n’étant pas complètement établi, et pour en évaluer les potentialités pratiques. Nous avons ainsi mis en évidence des effets antagonistes, réversibles, sur la réponse à la phéromone (Renou et al 2002 ; Quero et al 2004) et corrélés à des effets comportementaux (d’abord en tunnel de vol, Quero et al 1996, puis grâce à un actographe développé spécialement : Renou et al 1999). Les dérivés fluorés de phéromone ne sont également révélés de bons outils pour aborder les relations structure-activité au travers de la modélisation moléculaire (Hayase et al, 2005, 2009 ; Itoh et al, 1998, 1999, 2004). En ce qui concerne leur utilisation agronomique, il reste cependant un questionnement sur leurs impacts environnementaux, bien que des tests d’ingestion orale sur souris n’aient pas mis en évidence de toxicité sur Vertébrés. De plus, leurs effets étant réversibles à court terme, il semble difficile de garantir un taux de protection efficace et durable. Contrairement à la relative simplicité d’utilisation d’un attractif au sein d’un piège, ou de répulsifs dont l’application peut être focalisée sur la cible à protéger, la protection de surfaces cultivées par masquage olfactif à l’aide d’antagonistes me semble plus complexe à réaliser avec les molécules actuellement disponibles.

Multimodalitarité de la communication

L’olfaction, modalité sensorielle dominante pour la communication sexuelle chez les papillons nocturnes, est particulièrement efficace en termes de distance d’action, de faible coût de production du signal et de faible exposition à la prédation. Mais la communication est aussi souvent multi-modalitaire. Bien que les mâles de la punaise verte, Nezara viridula, émettent une phéromone sexuelle, mâles et femelles produisent des vibrations pour communiquer sur une même plante. J’ai initié une collaboration avec le laboratoire d’Andrej Čokl à Ljubljana pour étudier conjointement ces modalités. Nadège Miklas (PhD 2002) a montré que la perception de vibrations femelles stimule la production de phéromone chez le mâle (Miklas et al, 2003). Cette phéromone déclenche en retour une attraction chez les femelles. Chez cette punaise la communication sexuelle ne peut se décrire comme une succession stéréotypée de phases au cours desquelles chaque modalité jouerait un rôle indépendant mais l’insecte intègre des informations issues de ces modalités complémentaires. Cet exemple souligne l’importance d’approches éthologiques, la caractérisation d’un signal odorant dans un contexte simplifié ne suffisant pas à comprendre sa fonction précise pour l’utiliser ensuite en protection des cultures.

Importance de l’arrière-plan odorant

Ces réflexions m’ont convaincu d’étudier la communication à un niveau plus intégratif  tout en me recentrant sur les interactions entre odeurs contextuelles et signal. Les insectes évoluent dans un environnement olfactif complexe et changeant, constitué d’une très grande diversité de composés organiques volatils émis par les végétaux terrestres. Quelques travaux ayant mis en évidence des interactions inattendues entre phéromone sexuelle et odeurs de plante-hôte, sans que les mécanismes en soient clairement identifiés, j’ai choisi de développer les études de la perception d’un signal olfactif au sein d’un environnement odorant. Les phéromones sont perçues dans un environnement olfactif composé des émissions volatiles des communautés végétales au sein desquelles les insectes évoluent. Ces émissions volatiles peuvent être des signaux écologiquement significatifs (par exemple des odeurs florales permettant la localisation d’une source de nectar dont beaucoup de papillons se nourrissent) mais dans leur globalité elles constituent un arrière-plan odorant (beaucoup de molécules n’ont pas de signification écologique mais peuvent créer un « bruit » olfactif altérant la perception de molécules-signal). Outre son intérêt écologique propre, le système phéromone/odeurs de plantes est un très bon modèle pour étudier comment un système sensoriel peut extraire un signal au sein d’un environnement complexe et changeant.

Interactions odeurs de plante et codage phéromonal

Au cours de ces dernières années nous avons montré que des composés volatils de plante (VPC) affectent le codage des signaux phéromonaux. Différentes modalités d’interactions ont été mises en évidence, et varient selon l’espèce et selon le composé. Le linalool est un antagoniste de la phéromone chez Spodoptera littoralis (Thèse de Virginie Party, 2011 ; Party et al 2009). En revanche, l’heptanal, un constituant majoritaire de l’arôme des fleurs de tilleul, excite les neurones phéromonaux chez Agrotis ipsilon (Rouyar et al 2015). Une analyse de l’activité neuronale dans différentes ambiances olfactives a permis de caractériser quantitativement les effets d’un bruit olfactif sur le codage intensitif, quantitatif et la cinétique de la réponse (Renou et al 2015). Les dynamiques de présentation des VPC et de la phéromone sont déterminantes et la présence de VPC modifie également la dynamique de la réponse des NROs (cinétique de réponse et codage des stimuli intermittents – Thèse d’Angéla Rouyar, 2013, Rouyar et al 2011). Grâce à la collaboration avec Sylvia Anton pour les enregistrements unitaires et de Nina Deisig pour l’imagerie calcique, les réponses à la phéromone en présence de VPC des neurones des lobes antennaires (premier centre d’intégration des signaux olfactifs) ont été analysées, permettant de décrire les effets de l’arrière-plan olfactif sur le codage olfactif dans le cerveau (Deisig et al 2014, Rouyar et al 2015, Dupuy et al 2017).

Ces recherches ont été précédées d’efforts importants pour se doter de nouvelles techniques ou instruments. Pour suivre le comportement d’orientation des papillons répondant à la phéromone dans des environnements olfactifs complexes nous avons tout d’abord utilisé un compensateur de locomotion. Ce dispositif permet d’enregistrer en continu les déplacements d’un papillon pendant que l’on fait varier son environnement olfactif. V. Party a montré qu’un papillon stimulé par la phéromone réagit à des changements de son environnement odorant mettant ainsi en évidence une plasticité comportementale (Party et al, 2013). Cependant, ce compensateur ne pouvant enregistrer que la marche, j’ai souhaité le compléter par un matériel d’analyse constitué d’un tunnel de vol équipé d’un dispositif pour l’enregistrement des trajectoires de vol en 3D (logiciel Trackit 2.0, de SciTracks). J’ai développé dans le langage R des outils d’analyse des trajectoires (script 3D-Track) qui permettent de mesurer les paramètres des vols et d’analyser en détail les déplacements dans le tunnel. J’ai également développé un stimulateur olfactif 16 voies, basé sur des modules DAQ USB National Instrument programmés par une interface développée sous LabVIEW. Les concentrations des odeurs à la sortie du stimulateur et leur distribution dans le tunnel de vol peuvent être mesurées en temps réel grâce à un détecteur à photoionisation (PID). Pour ces différentes applications, j’ai écrit un exécutable doté d’une interface simple qui facilite l’utilisation au sein du laboratoire par des expérimentateurs ne possédant pas la maîtrise du langage ayant été employé pour leur développement.

Communication et paysage olfactif

Si les expériences en laboratoire ont validé notre hypothèse de la modulation du signal par l’arrière-plan odorant nous sommes loin de comprendre ce qui se passe dans des agrosystèmes complexes. Les émissions volatiles des plantes forment des paysages olfactifs (odorscapes) susceptibles de subir de profondes modifications en réponse au changement climatique global. Les capacités des insectes à s’adapter à l’évolution de leurs odorscapes sont très mal connues. J’ai poursuivi mes efforts pour replacer mes travaux dans des contextes écologiques et systémiques en recherchant des collaborations avec des spécialistes de la production de VPCs au travers du montage d’un projet ANR qui a été sélectionné en 2015. Le projet ODORSCAPE, financé sur 4 ans, a réuni des physiologistes et éco-physiologistes de la plante avec des physiologistes de l’olfaction chez l’insecte. Ses objectifs étaient de mesurer les effets de facteurs de changement climatique sur les émissions de composés volatils par des mini-écosystèmes végétaux (volatolome) et d’en analyser les répercussions sur la communication olfactive de papillons. Matthieu Dacher, s’est associé à ce projet pour développer l’étude de la plasticité et l’adaptation des comportements en fonction de l’expérience olfactive et des changements de contexte. Nous avons montré un déplacement de la composition du bouquet phéromonal optimal pour l’attraction des mâles et une modification des profils de réponse des neurones du lobe antennaire codant le bouquet phéromonal en présence d’heptanal (Collaboration Sylvia Anton, Hoffmann et al 2020). Mieux connaitre les mécanismes d’extraction de l’information olfactive pour pouvoir les perturber permet certes de viser des objectifs opérationnels en biocontrôle. Mais la spécificité de la communication sexuelle est assurée par la proportion des constituants phéromonaux et une altération de la perception de ce bouquet, aura des conséquences sur la reconnaissance du partenaire sexuel et l’accouplement assortatif. Les travaux sur les espèces présentes dans les agrosystèmes contribuent ainsi à mieux connaitre la sensibilité aux modifications de leurs paysages sensoriels des insectes en général, un enjeu en biologie de la conservation. qui

Chemical communication: a key function in insects

Olfaction is particularly important in insects because it allows the remote recognition of vital resources such as an egg-laying site, a host or a sexual partner, and their location. A neurobiologist by training, I became interested very early on in sensory physiology and animal behavior with the motivation to understand how an organism apprehends its environment and deploys adapted behavioral responses. During my doctoral training in Charles Descoins’ team, faced with a multidisciplinary environment associating chemists, physico-chemists, and biologists, I was made aware of the specific nature of the odorous signal and of the methods used to isolate it. Subsequently, post-doctoral training in the laboratory of Professor Schneider, at the Max Planck Institut für Verhaltensphysiologie in Seewiesen, enabled me to develop my skills in the neurobiology of olfaction.

A biology applied to pheromone identification 

During the first years following my recruitment at INRA, I participated in the identification of pheromones and the characterization of their biological activity by sensory (screening of molecules by electroantennography) and behavioral (development of attractive mixtures) approaches. by olfactometry). I thus contributed to the identification of pheromones in 24 species of moths or phytophagous beetles. Biocontrol applications have been developed for the fruit and horticultural sectors thanks to the design of sex attractants. Wishing to promote this know-how by approaching other communication contexts, I studied the role of chemical signals in host-parasite relationships in parasitoid Hymenoptera used in biological control. In collaboration with Nicole Hawlitzky, we were able to show the importance of cuticular signals for host recognition in Trichogramma (Renou et al 1989) or a tachineal fly (Rahal et al, 1996).

Knowing the chemical composition of pheromones of a variety of species led me to consider their chemo-taxonomic value and their evolution in Lepidoptera. I completed the pheromone data by studying species of cological or phylogenetic interest (Burnet moths and Erebidae for example) by an original approach allowing the screening of a large number of species, with a small number of individuals captured within the same medium (light trapping coupled with electrophysiology). By multifactorial analyzes combining experimental data (Renou, Lalanne-Cassou et al 1986, 1988) and data from the literature, we revealed a conservatism of chemical structures within taxonomic groups (families and subfamilies of Noctuids; Renou, Lalanne-Cassou, et al 1988), a sign of a strong phylogenetic component to explain the chemical nature of pheromones, an apparent absence of influence from the physical environment, and structural variations around the same molecular skeleton ensuring the specificity of communication between sympatric species.

 

Olfactory coding

Communication specificity is directly linked to signal detection by specialized pheromone receptors. Before the advent of molecular approaches, structure-activity relationships could only be studied through the functional characterization of olfactory receptor neurons (NROs) by electrophysiology. I built a set up dedicated to recording the activity of NROs in antennal sensilla, morpho-functional units of olfaction. I then could investigate the mechanisms of recognition of pheromonal constituents, the first step in sensory coding leading to the discrimination of the pheromonal bouquet. The sex pheromone is a bouquet of a few constituents detected by specialist NROs according to a “labeled line” type coding. By combining morphology (scanning electron microscopy) and electrophysiology, I was able to highlight organizational plans at the species level and comparable between related species of Noctuids (Renou, Lucas et al 1991). In addition, the presence of NROs specialized in the detection of interspecific inhibitors (a compound present in the pheromonal mixture of a sympatric species and which inhibits attraction) is frequent. The main constituent is also the one for which there are the most specific NROs (Lucas and Renou, 1989, 1991, Renou and Lucas, 1994).

 

Functional organization of the antennae

The association of anatomy (scanning electron microscopy to define types of sensilla, and transmission electron microscopy to describe their ultrastructure) with electrophysiology, has been very useful in studying the particular adaptations of olfactory organs in different groups of insects. In the bug Nezara viridula, post-embryonic development is of the heterometabolic type. Unlike butterflies, larvae and adults feed the same way and the general morphology of their antennae is very similar. However, their antennae are functionally different, only adults perceive the sex pheromone. Patrick Brézot (PhD 1994) followed the evolution of the sensitivity and the development of the olfactory system during post-embryonic development and demonstrated an allometric type development of the antennae, certain types of sensilla increasing. faster in number from one stage to another (Brézot et al 1996). In beetles of the genus Oryctes, the lamellae antennae carry placoid sensilla, whose very rounded cuticle and very branched dendrites provide a large area of exchange with the atmosphere, compensating for the small area available due to the compactness of the l antenna (Renou et al 1998). A good knowledge of the peripheral organization of olfaction including quantitative data remains essential to interpret the differences in electroantennographic activity between odorants and the mechanisms of their coding at the central level, or for the functional characterization and de-orphanization of olfactory receptors (ORs).

 

Olfaction physiology

Considering as essential to better understand the factors affecting olfactory sensitivity in the species we were studying, I investigated physiological aspects of olfaction in our Noctuid model. We first investigated the effects of insecticides on olfaction, the olfactory receptor neurons appearing to be particularly exposed to xenobiotics. I initiated original work in ecotoxicology aiming at studying how insecticides could affect the sensitivity of NROs (PhD Philippe Lucas, 1990). We showed that pyrethroid insecticides cause “bursts” of activity, disrupting signal transmission to the antennal lobe (Lucas and Renou, 1992). Subsequently, we focused on the endogenous regulations of olfaction and taste in collaboration with Frédéric Marion-Poll. We have demonstrated a modulation of olfactory sensitivity by biogenic amines (PhD Xavier Gromaitre, 2001). Octopamine alters the sensilla potential and increases the intensity of the response and spontaneous activity of NROs (Grosmaitre et al, 2001). An octopamine receptor is expressed in the antennae. Octopamine enhances the locomotor activity triggered by pheromonal stimulation is enhanced. This work highlighted the need for mechanistic studies of the functioning of the peripheral olfactory system and a strong investment in new approaches and new skills. This new theme was the subject of the research project proposed to Philippe Lucas who, following his recruitment at INRA in 1990, introduced molecular electrophysiology (patchclamp) approaches to the team, then successfully developed mechanistic research on olfactory transduction from an original system of cultured olfactory neurons (Pézier et al, 2007). Along with the significant progress in the understanding of transduction mechanisms provided by P. Lucas, Emmanuelle Jacquin-Joly was developing in our Unit the functional genomics of olfaction. In this new context, I became interested in functional imaging that I thought could serve the functional characterization of olfactory receptors and use for my projects in addition to electrophysiological approaches in vivo. I set up a calcium imaging station (Fura 2) and was able to record calcium signals in vitro. However, due to the difficulties in stimulating in vitro with highly hydrophobic molecules, other strategies such as heterologous expression in the Drosophila system have been shown to be more effective.

 

Olfaction disruption

Willing to maintain a strong link between cognitive research and agronomic context, I investigated strategies to disrupt olfaction. A collaboration with Angel Guerrero  at CSIC Barcelona made it possible to study the mode of action of structural analogues, this laboratory having successfully synthesized fluorinated pheromone derivatives. These derivatives inhibit in vitro the antennal esterases responsible for the catabolism of odorous molecules (ODEs) but their modes of action in vivo were not known. These molecules seemed worth to study using the electrophysiological approaches that I mastered, both as pharmacological tools, the role of ODEs not being fully established, and to assess their practical potential. We have thus demonstrated antagonistic, reversible effects on the response to the pheromone (Renou et al 2002; Quero et al 2004) and correlated with behavioral effects (first in the flight tunnel, Quero et al. 1996, then thanks to a specially developed actograph: Renou et al 1999). Fluorinated pheromone derivatives have also proven to be good tools for addressing structure-activity relationships through molecular modeling (Hayase et al, 2005, 2009; Itoh et al, 1998, 1999, 2004). Regarding their agronomic use, however, questions remain about their environmental impacts, although oral ingestion tests on mice did not show any toxicity in vertebrates. Moreover, their effects being reversible in the short term, it seems difficult to guarantee an effective and lasting rate of protection. Unlike the relative simplicity of using an attractant in a trap, or repellents whose application can be focused on the target to be protected, to achieve olfactory masking using antagonists seems more complex to achieve unless more active molecules are found.

 

 

Multimodality of communication

Olfaction, the dominant sensory modality for sexual communication in moths, is particularly  effective in terms of distance of action, low cost of signal production and low exposure to predation. But communication is also often multi-modal. Although the males of the green bug, Nezara viridula, emit a sex pheromone, males and females produce vibrations to communicate on the same plant. I initiated a collaboration with Andrej Čokl’s laboratory in Ljubljana to jointly study these modalities. Nadège Miklas (PhD, 2002) has shown that the perception of female vibrations stimulates pheromone production in males (Miklas et al, 2003). This pheromone attracts in turn females. In this bug, sexual communication cannot be described as a stereotypical succession of phases during which each modality plays an independent role, but the insect integrates information from these complementary modalities. This example underlines the importance of ethological approaches, the characterization of a scent signal in a simplified context is not sufficient to understand its precise function to then use it in crop protection.

 

 

Importance of the odor background

This convinced me to study communication on a more integrative level while refocusing on the interactions between contextual odors and signal. Insects evolve in a complex and changing olfactory environment, made up of a very wide variety of volatile organic compounds emitted by terrestrial plants. Some studies having highlighted unexpected interactions between sex pheromone and host plant odors, without the mechanisms being clearly identified, I chose to
develop studies of the perception of an olfactory signal within a odor environment. The pheromones are perceived in an olfactory environment composed of the volatile emissions of the plant communities within which the insects evolve. These volatile emissions can be ecologically significant signals (for example floral odors associated to a food source) but as a whole they constitute a fragrant background (many molecules do not have of ecological significance but can create an olfactory “noise” that alters the perception of signal molecules). Besides its intrinsic ecological interest, the pheromone / plant odor system is a very good  model to study how a sensory system can extract a signal within a complex and changing environment.

 

Plant odor and pheromonal coding interactions

In the recent years we have shown that volatile plant compounds (PCVs) affect the coding of pheromonal signals. Different modes of interactions have been demonstrated, and vary depending on the species and the compound. Linalool is a pheromone antagonist for Spodoptera littoralis (PhD Virginie Party, 2011; Party et al 2009). In contrast, heptanal, a major constituent of lime blossom aroma, excites pheromonal neurons in Agrotis ipsilon (Rouyar et al 2015). An analysis of neuronal activity in different olfactory atmospheres made it possible to quantitatively characterize the effects of olfactory noise on the intensive, quantitative coding and the kinetics of the response (Renou et al 2015). The presentation dynamics of PCVs and of the pheromone are decisive and the presence of PCVs also modifies the dynamics of the response of NROs (response kinetics and coding of intermittent stimuli – Angéla Rouyar PhD, 2013, Rouyar et al 2011). Thanks to the collaboration with Sylvia Anton for unit recordings and Nina Deisig for calcium imaging, the pheromone responses in the presence of PCV of the neurons of the antennal lobes (the first center for the integration of olfactory signals) were analyzed, allowing describe the effects of the olfactory background on olfactory coding in the brain (Deisig et al 2014, Rouyar et al 2015, Dupuy et al, 2017).

 

 

 

Olfactory landscapes

While laboratory experiments have validated our hypothesis of signal modulation by the odor background, we are far from understanding what happens in complex agrosystems. The volatile emissions of plants form olfactory landscapes (odorscapes) susceptible to profound modifications in response to global climate change (Conchou et al, 2019). Little is known about the ability of insects to adapt to changing odorscapes. I continued my efforts to place my work in ecological and systemic contexts by seeking collaborations with specialists in the production of VPCs through the setting up of an ANR project which was selected in 2015. The ODORSCAPE project, funded by 4 years, brought together plant physiologists and eco-physiologists with physiologists of olfaction in insects. Its objectives were to measure the effects of climate change factors on the emissions of volatile compounds by plant mini-ecosystems (volatolome) and to analyze their repercussions on the olfactory communication of butterflies. Matthieu Dacher, joined this project to develop the study of plasticity and the adaptation of behaviors according to the olfactory experience and changes of context. We have shown a shift in the composition of the pheromonal bouquet optimal for male attraction and a modification of the response profiles of the antennal lobe neurons encoding the pheromonal bouquet in the presence of heptanal (Collaboration Sylvia Anton, Hoffmann et al 2020). Better understanding the mechanisms for extracting olfactory information in order to be able to disrupt them certainly makes it possible to target operational objectives in biocontrol. But the specificity of sexual communication is ensured by the proportion of pheromonal constituents and an alteration in the perception of this bouquet will have consequences on the recognition of the sexual partner and assortative mating. Work on species present in agrosystems thus contributes to better understanding the sensitivity to modifications of their sensory landscapes of insects (Conchou et al 2021), an issue in conservation biology.