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Nature Food volume 4, pages 148–159 (2023)Citer cet article

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Des pratiques durables qui réduisent les pertes alimentaires sont essentielles pour améliorer la sécurité alimentaire mondiale. Nous rapportons une plate-forme de traitement des semences « envelopper et planter » pour protéger les cultures contre les agents pathogènes transmis par le sol. Développés à partir des déchets abondamment disponibles de la récolte de bananes et des vieilles boîtes en carton ondulé recyclées via une pâte sans produits chimiques, ces emballages de graines biodégradables semblables à du papier présentent une intégrité et une biodisponibilité réglables des fractions chargées. Ces enveloppes ont été utilisées pour le contrôle des nématodes sur les plantons d'igname (Dioscorea cayenensis-rotundata) au Bénin, un important producteur de cette culture de base dans la «ceinture de l'igname» d'Afrique subsaharienne. Nos emballages de semences chargés d'abamectine à très faible volume (1/100 ≤ formulation commerciale) ont contrôlé de manière constante les populations de nématodes de l'igname (Scutellonema bradys) tout en augmentant considérablement le rendement à divers endroits de 2015 à 2018. Une réduction substantielle de la perte de poids et de la fissuration des tubercules après récolte a été observée après 3 et 5 mois de stockage, contribuant à l'augmentation de la valeur, de la nutrition et de la préférence des parties prenantes pour l'emballage et le traitement des plantes.

Le secteur agricole doit adopter des approches holistiques de la production alimentaire, car l'approvisionnement alimentaire mondial doit être durablement amélioré pour une population en croissance exponentielle. Ceci est particulièrement pertinent dans les régions dominées par les petites exploitations agricoles, par exemple l'Afrique subsaharienne (ASS)1,2,3. La population de l'ASS devrait presque tripler d'ici 2100 (réf. 3) ; cependant, sa productivité agricole ne suit pas4. Cela est dû aux changements climatiques défavorables, à la faible fertilité des sols, à la culture continue, à la pression des agents pathogènes et, dans une large mesure, au manque de connaissances et de ressources des petits exploitants agricoles, qui représentent environ 80 % de la population5,6,7,8,9. Parmi les diverses cultures de tubercules et de racines, l'igname (Dioscorea rotundata et D. alata) est extrêmement précieuse en Afrique de l'Ouest, ayant un impact sur le sort économique de millions de petits exploitants agricoles10,11,12,13,14. Divers facteurs climatiques, culturels et édaphiques dictent le rendement et la qualité de la culture de l'igname11 ; plus important encore, 17 à 50 % de la récolte est perdue chaque année à cause des nématodes phytoparasites (PPN)13,15,16,17.

Les PPN, en particulier le nœud racinaire (Meloidogyne spp.), l'igname (Scutellonema bradys) et la lésion (Pratylenchus spp.)13,14,18, jouent un rôle majeur dans la réduction de la valeur des cultures d'igname, principalement en raison du manque d'options de contrôle disponibles et abordables6,9 ,11. Le nématode de l'igname S. bradys est probablement le parasite le plus important en raison de sa présence omniprésente dans les plantations d'ignames14. En tant qu'endoparasite migrateur (présent dans les racines et les tubercules, ainsi que dans le sol) de l'igname, il est généralement transporté au niveau régional avec des morceaux de graines d'igname18,19. Sa reproduction continue dans l'igname stockée entraîne la perte de produits alimentaires de valeur et contribue également à la densité de la population de nématodes au moment de la plantation, car le stock de plantons d'igname provient de tubercules stockés infestés13,19,20. Alors que la densité de pré-plantation PPN est négativement corrélée avec le rendement des cultures, dans le pathosystème igname-Scutellonema, la densité initiale des nématodes résulte souvent des nématodes dans les plantons21,22 plutôt que dans le sol au moment de la plantation.

La protection précoce des PPN est essentielle au succès des cultures. Une méthode d'application de nématicide consiste à traiter les semences, en réduisant la quantité d'ingrédient actif (IA) par rapport aux applications à la volée ou en ligne, en exposant le PPN à une concentration d'IA plus élevée uniquement dans la zone racinaire de la culture et en réduisant considérablement les effets non ciblés et impact sur l'environnement23. En explorant diverses options pour un agent de livraison biodégradable et rentable, nos études précédentes indiquent des attributs prometteurs de matrices de type papier développées via une voie sans produits chimiques à partir de déchets de récolte de banane (Musa acuminata) comme plate-forme pour une livraison contrôlée et ciblée de petites molécules8 ,24,25. Outre son abondance, sa rentabilité, sa composition et sa durabilité24,26,27,28,29, la structure hiérarchique poreuse ouverte tridimensionnelle unique et sa densité relativement faible font de la fibre de banane (BF) un substrat idéal pour charger de petites molécules. Ici, nous présentons une plate-forme unique "wrap and plant" (W&P) pour générer de manière durable des matrices biodégradables à libération contrôlée sous forme d'emballages de graines/morceaux de graines. Pour affiner la résistance et le profil de libération du BF, nous avons utilisé des matériaux d'emballage recyclés, anciens, en carton ondulé (OCC) développés à partir de l'un des types de papier les plus consommés, le carton30,31,32,33,34,35. Après avoir déterminé une composition appropriée, nous avons utilisé ces matrices avec et sans volumes ultra-faibles d'abamectine nématicide (Abm) comme enveloppes de graines d'igname dans plusieurs essais sur le terrain dans trois districts différents du Bénin de 2015 à 2018. Le Bénin est l'un des cinq principaux ignames- pays producteurs d'Afrique de l'Ouest (la « ceinture de l'igname ») qui produisent environ 92 % des ignames dans le monde10. En supposant que le contrôle en début de saison pourrait se traduire par une réduction des pertes post-récolte principalement causées par S. bradys12,22,36,37, nous avons également évalué la qualité des tubercules en termes de facteur de reproduction de S. bradys, de poids des tubercules et d'étendue de la pourriture sèche et de la fissuration après 3 ans. et 5 mois de stockage.

Nous avons créé des matrices biodégradables sans aucun additif chimique en déshydratant simplement une suspension de BF haché (Fig. 1a, b) et d'OCC (Fig. 1c, d) individuellement ou mélangés dans diverses proportions de BF: OCC comme suit : BF, BF uniquement ; BO82, 80:20 ; BO64, 60:40 ; BO46, 40:60 ; BO28, 20:80 ; et OCC, OCC uniquement. L'augmentation de la grossièreté et des structures fibreuses distinctes avec une teneur en BF plus élevée dans les feuilles à main (feuilles circulaires d'un diamètre de 15,2 à 16,5 cm; Fig. 1a supplémentaire) peut être attribuée à l'absence de tout traitement chimique agressif généralement utilisé pour dissoudre les fibres . Alors que la teneur en lignine augmente légèrement avec l'augmentation de la fraction OCC (Fig. 1b supplémentaire), l'absence de pics supplémentaires dans les spectres de spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier des hybrides indique qu'aucun nouveau groupe fonctionnel n'est introduit par l'OCC (Fig. 1c supplémentaire).

a, b, photographie du pseudotronc de bananier (a) et des coupes transversales SEM représentatives de papier BF (b ; trois échantillons de papiers BF différents ont été scannés à cinq grossissements différents pour vérifier la reproductibilité des données). c, d, photographie des boîtes OCC (c) et coupe transversale SEM du papier OCC (d ; trois échantillons de papiers OCC différents ont été scannés à cinq grossissements différents pour vérifier la reproductibilité des données). e, Photographies montrant des morceaux de papiers BF et hybrides (BO82, BO64, BO46 et BO28) retirés du sol après 4, 5, 6 et 7 semaines. f–i, Tracés stress–déformation sur papier fabriqués à partir de BF, BO82, BO64, BO46, BO28 et OCC avant enfouissement dans le sol (f) et après 1 (g), 2 (h) et 3 (i) semaines d'incubation avec des racines de plants de tomates vivants dans le sol. Les encarts montrent des photographies du BF correspondant après le retrait du sol. j, Graphique montrant les modules de Young cumulés des papiers BF, BO82, BO64, BO46, BO28 et OCC avant et après incubation dans le sol pendant 1, 2 et 3 semaines. k, images SEM à fort et faible grossissement montrant des particules de sol recouvrant la surface et l'intérieur creux d'une fibre de banane à partir de papier BF enterré dans le sol pendant 21 jours.

Données source

Les images de microscopie électronique à balayage (SEM) des coupes de surface BF (Extended Data Fig. 1a) et OCC (Extended Data Fig. 1b) montrent une morphologie analogue avec des fibres lâches, résultant de la fabrication similaire des handsheets. Cependant, les coupes transversales des feuilles à main correspondantes montrent un contraste marqué dans la morphologie des fibres et le motif de garnissage (Fig. 1b, d). Alors que le BF est abondant dans les fibres creuses peu emballées, l'OCC manque complètement de fibres tubulaires creuses et est abondant dans les structures en couches. Lorsqu'ils sont combinés dans des proportions différentes, les hybrides résultants présentent une perte progressive du nombre de fibres creuses de bananier avec une teneur croissante en OCC (Extended Data Fig. 1c – f). En plus de sa rentabilité et de sa facilité de disponibilité, nous avons utilisé OCC avec BF pour ajuster la résistance et le profil de libération des matrices hybrides, car la morphologie en couches apportée par OCC30,33 pourrait faciliter le collage et l'uniformité du papier BF.

Alors que la morphologie des fibres et la composition du papier peuvent aider à dicter les propriétés de libération de la cargaison, l'étendue de la protection fournie à la graine en germination sans compromettre la croissance des racines est un autre paramètre critique pour la sélection de la matrice pour les essais sur le terrain. Nos investigations préliminaires ont montré la relation entre l'indice d'éclatement (pression minimale requise pour rompre par gramme de papier) et le profil de pénétration des racines de l'enveloppe de la graine24. Le papier BF montre un indice d'éclatement de 3,8 kPa m2 g−1 (Extended Data Fig. 1g), presque 3,5 fois inférieur à l'indice d'éclatement du papier OCC (13,4 kPa m2 g−1). Cette différence de résistance peut être attribuée à l'étendue de la liaison due à l'emballage et à la nature des fibres dans chacun des papiers, c'est-à-dire que des fibres plus compactes améliorent la liaison hydrogène dans le papier OCC, tandis que les fibres creuses peu emballées réduisent la résistance du BF. papier38,39,40. Fait intéressant, avec l'ajout de BF, la résistance des hybrides BO diminue considérablement, par exemple, il y a une réduction de 61 % de l'indice d'éclatement OCC après l'ajout de 20 % de BF dans BO28, indiquant le rôle des fibres de banane creuses relativement plus faibles dans la réduction de la résistance. de fibres OCC. Une interaction entre la morphologie, la résistance et la libération de la cargaison ainsi que la biodégradabilité dictent les performances et le devenir ultimes d'une matrice W&P dans un environnement de terrain.

Nous avons évalué la résistance et l'intégrité de diverses matrices en les incubant dans le sol avec un plant de tomate en croissance pendant la période étudiée (Extended Data Fig. 2a – e). Veuillez noter que la tomate n'a été utilisée que comme un simple bio-indicateur de la capacité des racines des plantes à pénétrer à travers diverses compositions de papier. Les papiers à haute teneur en BF (BF, BO82, BO64) ont commencé à perdre de leur résistance (Fig. 1f – j et Extended Data Fig. 2f) au cours des trois premières semaines, avec une perte nette de l'intégrité et de la résistance des fibres lorsqu'ils sont conservés dans le sol pendant de plus longues périodes (Fig. 1e – k et tableau supplémentaire 1). La valeur inférieure du module de Young des échantillons à teneur élevée en BF (indiquant une meilleure flexibilité) peut être attribuée au plus grand diamètre des BF (Fig. 1b)41, ce qui réduit la surface disponible pour la liaison des fibres par rapport à celles des fibres OCC. Les images SEM d'échantillons prélevés dans le sol après trois semaines (données étendues Fig. 2g – l) montrent la formation de fissures distinctes et la perte de morphologie des fibres. BO82 et BO64 suggèrent une enveloppe viable qui perd progressivement son intégrité dans le sol tout en restant intacte au début de la période de croissance. En revanche, le papier développé uniquement à partir de BF se désintègre rapidement. Nous avons également remarqué que même l'intérieur de la fibre creuse de bananier est recouvert de particules de terre après trois semaines (Fig. 1k). Ce revêtement peut encore accélérer le processus de dégradation en raison de la grande surface disponible pour les micro-organismes du sol. Fait intéressant, nous avons également remarqué des structures ressemblant à des spores sur BF, BO82 et BO64 après trois semaines (représentées par des pointes de flèches dans Extended Data Fig. 2g – i), qui indiquent l'environnement de soutien fourni par BF pour la croissance de micro-organismes du sol qui peuvent faciliter la biodégradation de Matrices enrichies en BF dans le sol. Alors que diverses études ont récemment indiqué que la décomposition des lignocellulosiques dans le sol est une action synergique de plusieurs paramètres, notamment diverses familles d'enzymes sécrétées par différents microorganismes du sol, la composition des lignocellulosiques et la nature du sol42,43, une faible teneur en lignine dans notre polymère synthétique- les hybrides BF libres combinés à la grande surface (contribuée par la lumière creuse) exposée au biote du sol peuvent contribuer à sa biodégradation dans un délai raisonnable.

La diffusion de petites molécules (par exemple, AI) dans une matrice en phase solide est dictée par divers facteurs, notamment les interactions entre la matrice et le diffusant ainsi que les voies aqueuses (sorption et diffusion) déterminées par la nature et la teneur en eau dans le matrice. Un débit d'eau plus élevé dans BF et BO82 (Fig. 2a) peut être attribué à leur faible densité et à leur porosité élevée (indiquée par une faible résistance à l'air dans les données étendues Fig. 1h) et à l'abondance de fibres tubulaires creuses agissant comme une autoroute pour molécules d'eau44,45. De plus, l'analyse thermogravimétrique des matrices montre une grande quantité d'eau difficile à éliminer (liée et piégée46) (56,5 mg g-1) et de composés volatils (15,4 mg g-1) par gramme dans BO82 par rapport à l'OCC élevé. -les papiers à contenu, qui présentent une teneur élevée en eau faiblement liée (eau libre, indiquée par une perte de poids entre 25 et 50 ° C; Fig. 2a supplémentaire). Généralement, l'eau difficile à éliminer dans une matrice est responsable de la diffusion des molécules dissoutes/suspendues au sein des fibres, tandis que l'eau libre (piégée à l'intérieur de la structure poreuse41) a un impact sur les phénomènes de surface tels que l'adsorption et le séchage. Une teneur comparativement plus élevée en eau difficile à éliminer ainsi qu'un écoulement plus rapide de l'eau dans les papiers à haute teneur en BF (BF et BO82) indiquent leur tendance à absorber et à diffuser rapidement les petites molécules (pesticides, nutriments) dissoutes/suspendues dans l'eau, ce qui facilite la pulvérisation et la diffusion de l'IA dans les enveloppes de graines.

a, Eau sorbée et vitesse de déplacement de l'eau par diverses matrices (n = 5, les barres d'erreur indiquent l'écart type par rapport aux valeurs moyennes de quantité (%) et de vitesse d'eau sorbée par BF, OCC et divers hybrides). b, teneur en Abm fortement et faiblement liés, dans BF, OCC et papier hybride (n = 3, les barres d'erreur représentent l'écart type par rapport aux valeurs moyennes d'Abm fortement et faiblement sorbé sur les matrices respectives). c, thermogramme ITC affichant la chaleur libérée résultant des interactions entre Abm avec OCC, BF, lignine et cellulose.

Données source

Pour une biodisponibilité à plus long terme des PPN, la matrice doit libérer lentement l'IA (ici Abm) pour assurer une exposition continue à la population de nématodes, en particulier au début de la période de croissance. De plus, l'excès d'Abm se lie au sol, entraînant une perte de biodisponibilité24,25. Comme le montre la figure 2b, la teneur en Abm facilement disponible diminue avec l'augmentation de la teneur en OCC dans les hybrides, tandis que BF montre la quantité maximale (32% de la charge totale) d'Abm facilement disponible. Les papiers OCC et BO28 ne présentent aucun Abm faiblement lié détectable, ce qui n'est pas l'attribut souhaité pour contrôler les populations de PPN au cours des premières périodes de croissance des plantes.

Pour découpler les interactions d'Abm avec les composants de BF et d'OCC, et les principaux éléments constitutifs des lignocellulosiques (cellulose et lignine), des mesures préliminaires de calorimétrie de titrage isotherme (ITC) ont été effectuées (Fig. 2c et Fig. 2b supplémentaire). Toutes les expériences montrent des interactions exothermiques d'Abm avec BF, OCC, lignine et cellulose. Les thermogrammes ITC entre Abm et OCC et la lignine montrent une liaison similaire en deux étapes, où un changement de chaleur abrupt initial se transforme en changements de chaleur plus petits à chaque titrage, indiquant la saturation des sites de liaison. Au contraire, BF montre des interactions en plusieurs étapes avec Abm, montrant la liaison d'Abm sur divers sites de BF. Lorsque les chaleurs des interactions sont comparées, la cellulose ne libère que 6,9 ​​μJ de chaleur, ce qui peut être attribué aux groupes -OH abondants dans la cellulose, ce qui entraîne des interactions plus faibles avec la molécule hydrophobe Abm (structure de la Fig. 2c supplémentaire). OCC, en revanche, libère ~ 28 μJ de chaleur, indiquant une liaison plus forte avec Abm, tandis que BF et la lignine présentent une étendue similaire de liaison avec Abm, comme indiqué par des valeurs similaires de chaleur d'interaction de 23 μJ et 21 μJ, respectivement. Pris ensemble, l'étendue de la liaison Abm et la forme isotherme (Fig. 2b, c) indiquent que plusieurs facteurs sont impliqués dans la détermination du profil de libération de ces matrices. Alors qu'une teneur en OCC plus élevée améliore la résistance et la liaison à l'IA de la matrice, BF apporte une diffusion plus rapide des molécules dissoutes/suspendues et une flexibilité mécanique appropriée nécessaire pour un emballage de graine. De plus, la structure fibreuse creuse BF augmente la surface disponible pour l'adsorption et la diffusion des molécules de cargaison (AI) dissoutes/suspendues dans l'eau.

Les études menées dans les sections précédentes indiquent que le BO82 est un candidat approprié en termes d'équilibre de biodégradabilité, de libération, de sorption d'eau et de résistance. Pour les essais sur le terrain, un rouleau de papier de 25, 4 cm de large (appelé BP) a été préparé en déshydratant une suspension fibreuse de 0, 3 à 0, 5% en poids composée de BF et d'OCC dans une composition 80: 20 (Fig. 3a – d). L'orientation aléatoire de la fibre en vrac et de la morphologie de la fibre creuse a été vérifiée par tomographie à rayons X et micrographies SEM (données étendues Fig. 3a, b), tandis que l'indice d'éclatement, la porosité et les performances mécaniques ont été optimisés pour rester dans une plage similaire à BF et BO82 (données étendues Fig. 3c et tableau supplémentaire 2). La pénétration des racines de tomates à travers un papier intact (Fig. 3e) a indiqué un équilibre entre la résistance et le profil de pénétration des racines. Fait intéressant, nous avons remarqué que BP révélait d'abondantes spores de micro-organismes du sol après un mois dans le sol (Fig. 3f). Cette observation indique sa propension à se biodégrader en composés de faible poids moléculaire par l'activité de micro- et macro-organismes47.

a–d, photographies montrant la production de papier sur une machine Fourdrinier à partir d'une suspension de fibres de la caisse de tête (a), qui est uniformément répartie et déshydratée pour produire une feuille fibreuse humide sur la section de fil (b) et, lors de l'élimination supplémentaire de l'eau dans les sections de presse et de séchage (c), est converti en un rouleau de papier (d). e, Photographie d'un papier de banane avec des racines de tomate pénétrées après avoir été maintenu dans le sol avec un plant de tomate pendant 21 jours. f, images SEM à fort et faible grossissement de la section de surface du papier de banane conservé dans le sol pendant 28 jours. Les pointes de flèche dans la micrographie du bas et les zones encerclées dans la partie supérieure indiquent la présence de spores de micro-organismes du sol. g, graphique montrant la distribution des données et l'écart type de la valeur moyenne de la biodisponibilité de l'Abm de BF, OCC, BO82 et BP après maintien dans le sol pendant 25 jours (n = 3).

Données source

Pour comprendre l'impact de l'environnement du sol sur la biodisponibilité de l'IA, nous avons comparé la bioactivité de l'Abm de BP, OCC, BF et BO82 (Fig. 3g) dans les essais biologiques de Caenorhabditis elegans24,49, après avoir enterré les matrices chargées d'Abm dans le sol pour divers intervalles. La rétention prolongée de la bioactivité montrée par BP indique que la formulation W&P a partiellement séquestré l'Abm, limitant son interaction avec l'environnement du sol. Ces résultats, combinés aux études de sorption d'eau démontrées dans la section précédente, suggèrent que, par rapport à l'OCC et au BF, la plupart des Abm appliqués sur le BP s'associent à la matrice à travers l'eau piégée (difficile à éliminer), plutôt que restant en surface, et se libère donc lentement quels que soient les cycles d'hydratation (Extended Data Fig. 3d) et l'environnement du sol. De plus, nos études préliminaires indiquent une stabilité accrue aux ultraviolets (UV) d'Abm48,49 autrement photolytique lorsqu'il est chargé sur BP (Fig. 3 supplémentaire), indiquant la nature stable à la conservation de la matrice BP – Abm.

Nous avons mis en place des essais de terrain en milieu réel dans les comtés de Savè et Glazoué au Bénin en 2015 (Extended Data Fig. 4). Tous les essais ont montré une amélioration considérable du poids et de la qualité des tubercules en utilisant le traitement W&P par rapport à la pratique conventionnelle des agriculteurs (PF : pas de BP, pas d'Abm ; Fig. 4a–e et vidéo supplémentaire). La figure 4f montre également une augmentation impressionnante du rendement, c'est-à-dire de 28 à 57 % avec du BP chargé d'Abm (BP – Abm) et de 27 à 53 % avec du BP non traité en tant qu'emballage de graines. Les parcelles témoins (FP) étaient les moins productives et de la moins bonne qualité dans tous les cas. En 2016, une augmentation du rendement a été observée pour les traitements BP-Abm et BP uniquement dans tous les essais des régions de Savè et de Glazoué (Fig. 4g). Cependant, de plus petites différences sont observées entre les traitements PF et W&P en raison des fortes pluies (Extended Data Fig. 5) et des inondations des champs. En 2017, nous observons une augmentation substantielle du rendement des cultures traitées (BP–Abm et BP) des mêmes champs à Savè et Glazoué (Fig. 4h). Six champs du comté de Savalou ont également été inclus dans l'étude ; nous remarquons une augmentation de 9 à 22 % du rendement après les traitements W&P. En 2018, les six essais menés à Savalou montrent une augmentation de 16 à 40 % du rendement par rapport à l'AF (Fig. 4i). Notamment, les essais sur le terrain menés dans presque tous les endroits montrent une augmentation globale du rendement de 2015 à 2018, par exemple, pour les traitements BP-Abm, le rendement est passé de 13,2 tonnes métriques par hectare (t ha-1) en 2015 à 15,2 t ha-1 en 2018 avec une augmentation concomitante de la qualité des tubercules.

a–e, photographies montrant du papier pulvérisé avec Abm sur le site de gazon de l'Université d'État de Caroline du Nord (a), un morceau de graine d'igname enveloppé dans du papier (b), la récolte dans des champs d'igname (c), des tubercules sains obtenus après traitement W&P avec BP–Abm (d) et tubercules produits à l'aide de FP. (e). f–i, Graphiques montrant la distribution des données et l'écart type de la valeur moyenne (indiquée sous forme d'étiquettes individuelles pour chaque barre) du rendement des cultures d'ignames en t ha−1 à Glazoué (Gl-1, Gl-2, Gl-3, Gl-4, Gl-5), Savè (Sa-1, Sa-2, Sa-3, Sa-4, Sa-5) et Savalou (Sv-1, Sv-2, Sv-3, Sv-4, Sv-5, Sv-6) à la suite d'essais sur le terrain menés en 2015 (f), 2016 (g), 2017 (h) et 2018 (i ; n = 5 pour chaque traitement (FP, BP–Abm et BP) dans chaque domaine). j–m, Parcelles montrant la population de S. bradys par gramme de pelures de tubercules à la récolte à Glazoué, Savè et Savalou à partir d'essais au champ menés en 2015 (j), 2016 (k), 2017 (l) et 2018 (m ; n = 3 pour les pelures retirées de chaque traitement (FP, BP–Abm et BP) dans chaque parcelle). Les lettres dans les acronymes renvoient aux noms des départements, tandis que les chiffres indiquent le numéro de ferme dans le département respectif, c'est-à-dire Glazoué, Save et Savalou, qui faisaient partie de cette étude. FP = pratique des agriculteurs (pas d'emballage, pas d'Abm) ; BP = papier uniquement ; BP–Abm = papier chargé Abm. Les barres d'erreur dans tous les tracés indiquent l'écart type par rapport aux moyennes arithmétiques.

Données source

Les modèles de précipitations ont considérablement varié au cours de l'étude de 4 ans (données étendues Fig. 5). Une tendance générale a été observée selon laquelle moins de précipitations entraînaient de plus grandes différences de rendement entre les parcelles traitées et PF. Cela a été particulièrement visible au cours de la saison 2015 (Fig. 3 et Extended Data Fig. 5). Les précipitations ont été beaucoup plus importantes au cours des saisons 2016-2018 et, dans certains cas, les champs ont été inondés pendant un certain temps. Par exemple, de fortes pluies en août 2016 à Savè ont provoqué des inondations. À Glazoué, les précipitations en 2016 ont été nettement plus élevées qu'en 2015, et de très fortes pluies sont tombées juste après les semis en 2017. De plus, une forte pluie de septembre a également entraîné des inondations (Extended Data Fig. 5). Les dommages causés par les nématodes aux systèmes racinaires peuvent interférer avec la capacité d'absorber l'eau dans le sol, mais peuvent souvent être compensés en fournissant un excès d'eau. Il est probable que les plus petites différences de rendement entre les traitements observées pendant les saisons plus humides étaient dues à ce phénomène. Les précipitations juste après la plantation peuvent avoir entraîné la dilution de la microdose d'Abm déjà transportée dans le traitement W&P, le rendant moins efficace au fil du temps. Malgré les plus faibles augmentations de rendement au cours des années plus humides, l'amélioration de la qualité de l'igname avec les traitements W&P a été substantielle dans tous les essais46,47.

L'analyse statistique des données (données étendues Fig. 6 et tableau supplémentaire 3) indique que les rendements en igname ont augmenté toutes les années (P ≤ 0, 01) par les traitements W&P par rapport au PF (Fig. 5a). Bien que BP – Abm soit généralement supérieur au papier non traité (BP), la différence entre les deux était souvent indiscernable (données étendues Fig. 6a, b), ce qui suggère que le BP seul offrait un avantage distinct par rapport au FP. Des études antérieures ont démontré que BP interfère avec les communications chimiques hôte-nématode en liant les exsudats de la racine de l'hôte et en affectant la capacité du nématode à localiser la racine10. La pourriture sèche était plus importante (P ≤ 0,01) dans les traitements FP que dans W&P (Extended Data Fig. 6c). La différence de qualité des tubercules (poids, calibre et santé) est ici remarquable ; les agriculteurs ont indiqué que le traitement BP – Abm produisait toujours des tubercules plus longs et plus gros qui semblaient exempts d'infection PPN (Fig. 4d, e). Dans tous les essais sur le terrain, une réduction considérable des populations de nématodes de l'igname a été observée dans les pelures de tubercules par rapport à la PF (Fig. 4j – m). Comparé au BP seul et aux témoins (FP), le traitement BP-Abm à la plantation a entraîné des réductions considérables des populations finales de nématodes. Nous avons observé une réduction de 80% des populations finales de nématodes de l'igname dans les pelures de tubercules (Fig. 4j – m). Non seulement cela était largement responsable de la qualité élevée des tubercules, mais cela indique également des risques considérablement réduits de dommages et de pertes de tubercules après récolte dus à ce nématode. La variation des populations finales de nématodes était constamment faible d'un essai à l'autre au cours des 4 années d'essais sur le terrain.

a, Rendement de l'igname en t ha−1 influencé par les traitements W&P pour les essais sur le terrain 2015–2018 (lsd = 0,34, α = 0,01). b, Données statistiques montrant l'influence des traitements BP–Abm, BP et FP dans les essais sur le terrain de 2015 à 2018 sur la densité de population de S. bradys par gramme de peau d'igname à la récolte et 3 mois après la récolte (lsd = 1,41 et 2,95, respectivement , α = 0,01). c–e, Parcelles montrant la population finale de S.bradys (Pf) après stockage des tubercules (produits après traitements FP, BP et BP–Abm) pendant 3 et 5 mois dans les régions de Glazoué (c), Savè (d) et Savalou (e) (n = 3 pour chaque traitement). Les chiffres 3 et 5 après chaque année sur les étiquettes de l'axe des x indiquent la durée de stockage en mois. Les tubercules collectés sur différents sites ont été stockés dans la même grange à ignames, de sorte que l'expérience de stockage a été menée dans les mêmes conditions climatiques pour éviter l'influence sur les résultats. f–h, photographies montrant des tubercules d'igname stockés pour évaluer le poids, la qualité et la population de S. bradys des tubercules (f), des récipients poreux étiquetés individuellement remplis de tubercules d'igname produits après traitement et PF (g) et des tubercules dont la peau a été retirée pour l'échantillonnage (h) . L'analyse des données dans les panneaux a et b consiste en une ANOVA unidirectionnelle pour une conception en bloc complet randomisé avec trois traitements et cinq répétitions. L'analyse combinée a été effectuée comme pour un plan factoriel avec trois traitements (BP–Abm, BP et FP), cinq répétitions, 26 fermes et 4 ans sans ajustements. Toutes les analyses de données ont été réalisées à l'aide de la procédure de modèles linéaires généraux du logiciel PC/SAS (SAS Institute). La séparation moyenne a été effectuée par le test t du rapport k de Waller-Duncan. Les cases sont délimitées par le quartile 1 (bas, 25e centile) et le quartile 3 (75e centile), les moustaches étant le minimum (quartile 1 − 1,5 × intervalle interquartile) et le maximum (quartile 3 + 1,5 × intervalle interquartile), la médiane définie par la ligne dans la boîte (intervalle interquartile), la moyenne représentée par X et les valeurs aberrantes représentées par des points. Les barres d'erreur dans les panneaux a à e indiquent l'écart type par rapport aux moyennes arithmétiques (indiquées sous forme d'étiquettes respectives).

Données source

L'igname est également considérée comme une culture commerciale génératrice de revenus car elle peut être commercialisée, stockée et consommée pendant les « mois de la faim » lorsque la production d'autres cultures n'est pas possible11. Les tubercules sains des ignames stockées sont également utilisés comme semences pour la récolte de la saison suivante. Le maintien de la santé des tubercules après la récolte est un défi crucial, avec environ 1 million de tonnes d'igname perdues chaque année pendant le stockage50. Bien que divers facteurs jouent un rôle dans les pertes après récolte, le nématode de l'igname est considéré comme un contributeur majeur, provoquant la pourriture sèche et prédisposant les tubercules aux infections fongiques et bactériennes14,20.

Le poids des tubercules d'igname à la récolte a été augmenté par les traitements W&P (Fig. 5a; P ≤ 0, 01) de 2016 à 2018 avec une amélioration substantielle par rapport à FP (différence la moins significative (lsd) = 31, 2, α = 0, 01). Après 3 mois de stockage, le poids des tubercules a diminué, avec des poids moyens des tubercules des traitements BP–Abm > BP > FP (lsd = 26,5, α = 0,01). Le pourcentage de perte de poids des tubercules a été affecté par les traitements W&P (données étendues Fig. 6a, b; P ≤ 0,01). Les tubercules issus de PF ont perdu un plus grand pourcentage de poids par rapport aux traitements BP–Abm, tandis que le pourcentage de perte de poids BP était supérieur à BP–Abm (lsd = 0,81, α = 0,01).

Dans les trois régions, nous avons remarqué une réduction considérable de la population finale de S. bradys dans les pelures de tubercules traitées (BP – Abm et BP seul) par rapport à la FP (Fig. 5b). L'analyse statistique des données de stockage des tubercules indique que les traitements W&P ont entraîné une densité de population de S. bradys inférieure (P ≤ 0,01) par gramme de pelures à la récolte par rapport à la FP (Fig. 5b et tableau supplémentaire 4). Le traitement BP-Abm avait des densités de population de nématodes sensiblement inférieures à celles de BP non traité, qui étaient également inférieures à FP (lsd = 1,41, α = 0,01). Alors que le facteur de reproduction et le nombre de S. bradys dans les pelures de tubercules d'igname ont augmenté dans les tubercules après stockage (Fig. 5b – e), des différences de traitement dans la densité de population étaient toujours présentes (P ≤ 0, 01). FP avait un plus grand nombre que les traitements BP, qui à son tour était plus grand que le traitement BP-Abm (lsd = 2,95, α = 0,01).

Après 5 mois de stockage, une multiplication par 2,5 à 3 de la population de S. bradys a été observée dans les tubercules produits à partir du traitement FP, tandis que la multiplication de la population était comprise entre 1,5 et 2 fois pour les tubercules produits avec le traitement BP-Abm, placés dans des conditions et des durées similaires (Fig. 5c – e). Combiné avec les populations de départ plus faibles dans les tubercules traités avec W&P au début du stockage, il s'agit d'une réduction impressionnante de la charge de nématodes de l'igname. La perte de poids des tubercules pendant le stockage peut être partiellement associée à la perte d'humidité due au séchage des tubercules à des températures ambiantes élevées (25–30 °C). Cependant, le principal contributeur à la perte de poids des tubercules d'igname pendant le stockage est S. bradys, qui compromet dans une large mesure la qualité, la valeur alimentaire et la qualité marchande des tubercules. Par rapport aux témoins (FP), les tubercules traités montrent moins de perte de poids en stockage pendant 3 et 5 mois (Données étendues Figs. 6a–b et 7a–c). Nous observons également une réduction de la pourriture sèche et des fissures dans les tubercules traités avec W&P sur 3 et 5 mois de stockage dans les trois régions (données étendues Figs. 6c et 7d – f).

Pour évaluer la perception des agriculteurs de la technologie W&P et de sa commercialisation, trois études majeures ont été menées dans les régions de Savè, Savolou et Glazoué (Vidéo supplémentaire). Un ratio coût-bénéfice moyen de 79,3 % pour les ignames produites après les traitements BP-Abm contre 59,93 % générés via PF indique que la production d'ignames via le traitement W&P est économiquement rentable en termes de coûts de production variables et fixes51. La marge nette de 1 112 080 Francs de la Communauté Financière Africaine par hectare (FCFA ha−1) générée par le traitement BP–Abm est supérieure de 153,7 % à celle du PF (723 498 FCFA ha−1), tandis que les ignames traitées au BP seul ont généré une marge nette de 768 515 FCFA ha−1. Dans l'ensemble, les agriculteurs ont reçu un prix beaucoup plus élevé pour les tubercules traités par W&P que pour les tubercules produits par PF, en raison d'une qualité et d'une apparence supérieures51. Ce qui reste à voir, c'est le coût de commercialisation de cette technologie. C'est une voie qui est explorée avec un engagement à rendre cette technologie aussi peu coûteuse et accessible que possible pour les petits exploitants agricoles.

Nous avons également évalué l'effet du traitement BP-Abm sur les qualités organoleptiques des tubercules d'igname en examinant des attributs tels que la végétation, la récolte, la transformation des aliments et la palatabilité des tubercules d'igname produits via le traitement W&P52. Les indices d'appréciation élevés de l'igname bouillie et pilée produite via le traitement W&P ont fortement soutenu les consommateurs en faveur de l'adoption de la technologie W&P pour une meilleure production d'igname en Afrique de l'Ouest52. La réponse de diverses parties prenantes, y compris les agriculteurs, les transformateurs d'aliments à base d'igname et les commerçants, a été enregistrée sur la base des stades végétatifs, de récolte et de transformation des tubercules de l'igname traitée par W&P par rapport à l'AF. À Savalou et Savè, la qualité sensorielle/organoleptique des aliments dérivés des tubercules traités au BP-Abm et les aspects nématologiques et agronomiques ont représenté des éléments clés de la préférence des acteurs de l'igname pour l'adoption de cette innovation liée à la production d'igname. À Glazoué, cependant, les descripteurs nématologiques et agro-morphologiques étaient plus importants dans la sélection de BP pour la production d'igname52. Globalement, l'étude montre la préférence des acteurs de l'igname de la région centrale du Bénin pour le traitement W&P BP–Abm, en fonction de la qualité des tubercules et des aliments dérivés (par exemple, la farine).

En résumé, nous avons développé une plate-forme robuste et flexible pour la protection durable des cultures pour les petits exploitants agricoles en recyclant les déchets de la récolte de bananes et les vieilles boîtes en carton ondulé via une voie simple et sans produits chimiques. Des essais sur le terrain dans trois régions différentes du Bénin ont montré une augmentation considérable du rendement et de la qualité des cultures produites à partir de tubercules traités avec du papier de banane chargé d'Abm ou non traité. Des réductions considérables des facteurs de reproduction du nématode de l'igname (S. bradys) dans les pelures de tubercules après des périodes de stockage de trois et cinq mois indiquent l'efficacité de la plateforme W&P pour réduire les pertes après récolte. De plus, le papier banane chargé d'Abm offrait la meilleure protection contre la pourriture sèche et la fissuration, suivi du papier banane seul. En plus d'une libération prolongée, d'une résistance ajustable, de l'intégrité du sol et d'une photolyse AI réduite, la technologie W&P est un traitement en phase solide qui ne nécessite pas d'équipement supplémentaire pour l'application. Un seul traitement avec un volume ultra-faible d'IA (1/100e ou moins d'une formulation commerciale) réduit les dépenses tout en minimisant les effets non ciblés. Les perceptions des agriculteurs et des consommateurs sur la technologie W&P, la qualité des aliments et la préparation de la farine d'igname ont révélé une forte préférence pour les ignames traitées au papier Abm-banane, le papier banane à lui seul surpassant également les pratiques des agriculteurs en termes de qualité et de stockage. À l'avenir, cette plate-forme se prêtera à des modifications structurelles telles que des sachets, des barbotines et des plateaux de semis pour l'évolutivité, la facilité d'application et la livraison de l'IA. La nature accordable de nos emballages de semences est également une caractéristique prometteuse pour la fourniture d'autres fractions de production végétale, telles que les macro et micronutriments, les produits biologiques ou les insecticides et fongicides, avec une application aux petites exploitations agricoles, aux producteurs biologiques et potentiellement aux producteurs à plus grande échelle.

La fibre de bananier (Musa acuminé) a été obtenue auprès de l'unité industrielle agricole de l'Université de la Terre, au Costa Rica. Les boîtes OCC ont été achetées à l'usine pilote de papier de l'État de Caroline du Nord. Abm (97%) a été fourni par Alfa Aesar. La souche N2 de Caenorhabditis elegans (type sauvage) a été obtenue auprès du Caenorhabditis Genetics Center. L'acétone de qualité réactif (99,5 %) et l'acétonitrile de qualité chromatographie liquide haute performance (HPLC) (99,8 %) ont été achetés auprès de Millipore Sigma. Le colorant rhodamine B (≥ 95 %) a été acheté auprès de Millipore Sigma et utilisé sans autre purification. Pour la mesure de la teneur en lignine, une solution de thiosulfate de sodium (0,2 N), une solution d'iodure de potassium (1 N), de l'acide sulfurique (4 N), une solution de permanganate de potassium (0,1 N) et un indicateur d'amidon ont été fournis par Fisher Scientific. De l'eau déionisée (DI) (pH 5,77 ± 0,13) a été utilisée tout au long des expériences, sauf lors de la fabrication du papier et de la pulvérisation pour les essais sur le terrain.

Pour préparer des feuilles à partir de boues de fibres BF, OCC et hybrides, les fibres ont été trempées dans de l'eau séparément ou dans diverses compositions (tableau supplémentaire 1) pendant la nuit et diluées à 1,57% de consistance avant d'être battues dans le batteur de vallée pendant 3 min, selon Association technique de la méthode standard T200 de l'industrie des pâtes et papiers (TAPPI). Un moule à main britannique standard de laboratoire a été utilisé pour préparer au moins dix feuilles à main circulaires par composition (diamètre de 15,88 cm avec un grammage de 70 gm-2) à partir de la pâte, selon la méthode standard TAPPI T205. Après avoir sélectionné la composition finale de la matrice W&P, l'OCC et le BF ont été mélangés et transformés en une bouillie de pâte à consistance de 1,57 % en coupant mécaniquement (raffinage) les fibres dans l'eau pendant 3 minutes dans un batteur de vallée. Une machine à papier Fourdrinier de 30, 48 cm a été utilisée pour préparer un rouleau de papier de 25, 4 à 30, 48 cm de large (Fig. 3a – d). La bouillie de fibres préparée a été stockée dans le réservoir pendant une nuit. Cette bouillie a ensuite été transformée en une feuille via une caisse de tête ouverte (Fig. 3a) pour répartir uniformément la suspension sur la section de fil pour la déshydratation initiale (Fig. 3b). L'eau a ensuite été retirée de la bande humide dans la section de presse, suivie d'un séchage par des cylindres chauffés dans la section de séchage, similaire au processus dans les machines à papier à l'échelle industrielle. Le papier était enroulé en continu sur un rouleau (Fig. 3d). Le grammage cible (poids par surface) était de 70 à 80 gm-2. Le papier (feuilles et rouleau de papier) a été conditionné à 23 °C et à une humidité relative de 50 % avant de tester la densité, la résistance à l'air (méthode Gurley), la résistance à l'éclatement et la teneur en lignine, conformément aux tests TAPPI T410, T460, T810 et T236, respectivement. .

Un microscope électronique à balayage à émission de champ (Verios FE1) a été utilisé pour caractériser la morphologie de divers échantillons, qui ont été rendus conducteurs par revêtement d'une couche d'or de 10 nm avant la caractérisation, tandis que la tension d'accélération était maintenue à 2,0 kV. En règle générale, trois coupes transversales d'échantillons différents de chaque type de papier ont été numérisées à cinq grossissements différents pour vérifier la reproductibilité des données. Les données de spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier ont été recueillies à l'aide d'un spectromètre Perkin Elmer Frontier, équipé d'un étage de réflexion totale atténuée en diamant/ZnSe. Soixante-quatre scans ont été effectués dans chaque cas tandis que les données étaient accessibles via le logiciel OMNIC. Un analyseur thermogravimétrique TA Instruments SDT a été utilisé pour mesurer la teneur en eau libre et difficile à éliminer de chaque échantillon via une analyse thermogravimétrique. Un échantillon de 10 à 12 mg a été chauffé à une vitesse de 10 °C min−1 pour déterminer la perte de poids à 50, 90 et 120 °C. Les performances mécaniques des échantillons ont été examinées à l'aide d'un accessoire d'analyse mécanique dynamique sur un rhéomètre hybride HR-3 de la série Discovery de TA Instruments. Des éprouvettes rectangulaires d'une longueur de 30 mm et d'une largeur de 10 mm ont été serrées aux deux extrémités avec un écart de chargement fixé à 15 mm et une vitesse de traction constante de 3 mm min-1. La force minimale d'enregistrement pour éliminer tout relâchement des échantillons a été fixée à 0,1 N. L'épaisseur de chaque échantillon a été mesurée par une jauge à vis micrométrique. Au moins trois spécimens de chaque échantillon ont été évalués et moyennés pour tous les échantillons.

Pour estimer l'étendue de la liaison entre les matrices et AI (Abm dans ce cas), nous avons soniqué un morceau de matrice de 1 cm2 chargé avec 10 ppm d'Abm dans 10 ml d'eau DI pendant 5 min. Le même morceau de papier a ensuite été transféré dans 10 ml d'acétone et agité vigoureusement pendant 30 min pour assurer la dissolution complète d'Abm. L'analyse HPLC des aliquotes nous a donné une estimation de l'AI faiblement lié libéré dans l'eau DI au cours des 5 premières minutes et de l'Abm fortement adhéré qui a été recueilli dans l'acétone. Toutes les expériences ont été réalisées en triple. Pour comprendre la nature des interactions entre Abm et les composants des matrices hybrides (BF et OCC) et leurs éléments constitutifs (lignine et cellulose), l'ITC a été réalisée via un calorimètre de titrage isotherme TA Instruments (NanoITC, TA Instruments) à 298 K. A 2,5 Une solution d'Abm × 10−6 M dans du solvant DI:acétone (95:5 en volume) a été titrée dans une cellule de 170 ml contenant initialement les dispersions de titrant (BF, OCC, lignine ou cellulose) (0,001% en poids) dans le même solvant (DI:acétone) via 20 injections de 2,45 µl chacune. Les injections ont été préprogrammées et effectuées automatiquement à des intervalles de 250 s sous une vitesse d'agitation de 350 tr/min. L'intervalle de temps entre les injections a été choisi pour s'assurer que l'équilibre thermodynamique a été atteint avant la prochaine injection. La ligne de base avant la première injection et après la finale a été recueillie pendant 100 s. Une expérience de dilution de la solution d'Abm dans le solvant (DI:acétone dans un rapport en volume de 95:5) a été réalisée pour collecter des données concernant la chaleur de dilution du titrant. La dépendance de la chaleur d'interaction sur le rapport Abm:titrant a été obtenue en calculant l'aire des pics obtenus à chaque injection. Chaque expérience de titrage a été réalisée en triple.

Une lampe UV INTELLI-RAY 400 d'une intensité de 50 mW cm−2 a été utilisée pour exposer trois réplicats d'échantillons Abm uniquement (sur papier copie), BP–Abm, Abm–BF et Abm–OCC à la lumière UV pendant 30, 60 , 120 et 180 min (Fig. 3 supplémentaire). La teneur en Abm a été maintenue à environ 10 ppm par gramme d'échantillon. Les échantillons ont été agités dans de l'acétone pendant 1 heure pour assurer une dissolution complète d'Abm, qui a été déterminée par HPLC.

L'étude de terrain a été menée de 2015 à 2018 dans la zone de transition Guinée-Soudan du Bénin (centre du Bénin, Afrique de l'Ouest) dans trois districts : Glazoué (site de Houin), Savalou (site d'Agbadogo) et Savè (site de Gobé) . Des expériences ont été menées pendant trois années consécutives dans un total de 16 champs paysans à Glazoué (Gl-1, Gl-2, Gl-3, Gl-4 et Gl-5) et Savè (Sa-1, Sa-2, Sa-3, Sa-4 et Sa-5), et pendant deux années consécutives à Savalou (Sv-1, Sv-2, Sv-3, Sv-4, Sv-5 et Sv-6). Les acronymes renvoient aux noms des différentes fermes qui ont fait partie de cette étude. Le climat où les essais ont été conduits est la savane humide tropicale guinéo-soudanaise, avec un régime de transition entre une distribution bimodale des précipitations (sud Bénin) et une distribution unimodale des précipitations (nord Bénin). La pluviométrie annuelle moyenne dans la zone de transition est comprise entre 900 et 1 200 mm avec des variations saisonnières et une répartition inégale, exacerbées par l'augmentation du changement climatique. La plupart des sols de cette région sont classés comme sols ferrugineux tropicaux53 avec une texture limono-sableuse (tableau complémentaire 5). Les sites d'Agbadogo et de Gobé sont situés sur des terres basses (sols moyennement drainés), tandis que Houin est situé sur un plateau (sols bien drainés).

Les activités de terrain ont été menées dans la zone agro-écologique de savane subhumide, l'une des principales régions de production d'ignames du Bénin (Extended Data Fig. 4a). Des échantillons de sol ont été prélevés pour une évaluation préliminaire des niveaux d'infestation par les nématodes. Après analyse des échantillons, le champ avec la densité de population de nématodes la plus élevée a été sélectionné. Au total, dix champs (cinq par emplacement) ont donc été sélectionnés pour l'essai. Les champs ont été débarrassés de la végétation et des monticules ont été construits selon les pratiques de culture de l'igname. Les monticules ont été étiquetés selon la conception de l'expérience (Données étendues Fig. 4b – d). Chaque essai sur le terrain a été organisé selon une conception en blocs complets randomisés avec cinq répétitions et trois traitements (données étendues, Fig. 4e) : des parcelles, espacées de 2 m, accueillaient quatre rangées de six monticules. Dans chaque champ, l'essai a été organisé selon une conception en blocs complets randomisés avec cinq répétitions et trois traitements (données étendues Fig. 4d): (1) papier banane + Abm (BP – Abm); (2) papier banane seul (BP); et (3) contrôle non traité (appelé pratique des agriculteurs, PF), où les ignames de semence ont été plantées sans papier de banane. Chaque enveloppe BP-Abm (15,25 × 20,25 cm2) contenait 10 µg d'Abm. Cela a abouti à des parcelles avec Abm au taux de 1,0 g ha−1 ou 4,54 ppb.

Une fois les monticules préparés pour la plantation et étiquetés après les traitements, des échantillons de sol ont été prélevés pour estimer les densités de population de nématodes avant la plantation. Quatre carottes de sol ont été prélevées par parcelle de 5 à 30 cm de profondeur à l'aide d'une truelle à main, en suivant un schéma d'échantillonnage en zig-zag54. Les carottes de sol de la même parcelle ont été combinées et soigneusement mélangées avant qu'un échantillon composite de 250 cm3 ne soit prélevé pour l'extraction des nématodes en utilisant la technique de centrifugation décrite dans la réf. 55. Les PPN récupérés dans les champs appartenaient à au moins un des trois genres les plus importants : Scutellonema spp., Meloidogyne spp. et Pratylenchus spp. Les champs abritaient une densité initiale de nématodes d'au moins 500 nématodes par 250 cm3 de sol.

Chaque butte a été plantée avec de l'igname monograine (cv. Klatchi du complexe Dioscorea cayenensis-rotundata) enveloppée ou non de papier de banane, selon le traitement. Les semences d'ignames pour la première année d'essais ont été produites dans un sol exempt de nématodes en utilisant la technique du miniset56. Pour les années suivantes, les semences d'ignames ont été achetées auprès d'agriculteurs préalablement formés à la production de semences d'ignames exemptes de nématodes. Brièvement, ils mettent en place la plantation d'ignames mères traitées, puis récoltent les tubercules de juillet à septembre et maintiennent les vignes sur les buttes. Les petits tubercules générés par les racines de ces vignes de septembre à décembre ont été utilisés comme ignames propres pour les années suivantes. Aucun engrais n'a été appliqué et les plantations et autres opérations culturales ont été effectuées par les agriculteurs selon les pratiques locales. La plantation a eu lieu au début de la première saison des pluies (8-11 juin 2015, 13-16 mai 2016, 26 avril-29 mai 2017, 8 mai 2018) et les tubercules ont été récoltés 7 à 8 mois plus tard, lorsque les vignes étaient complètement sèches. La PF typique consiste à planter le planton d'igname dans le monticule sans autres intrants. Les PF varient d'une ferme à l'autre, mais le contrôle des mauvaises herbes se fait par la culture manuelle lorsqu'elle se produit, et aucun engrais n'est ajouté aux monticules. Aucune application agrochimique de lutte contre les insectes ou les maladies n'est employée. La culture de l'igname nécessite très peu d'intrants et de main-d'œuvre, la gestion des cultures étant effectuée manuellement.

L'évaluation de l'efficacité post-récolte de la technologie W&P a été lancée en 2016 pour étudier l'effet des traitements sur l'augmentation de la population de nématodes, la diminution du poids des tubercules d'igname et la qualité après stockage. Les tubercules ont été récoltés et les rendements ont été déterminés en tant que poids cumulés de tous les monticules et exprimés en grammes par mètre carré. L'effet de W&P sur la capacité de stockage des tubercules a été évalué après des périodes de stockage de trois et cinq mois. Deux tubercules ont été prélevés au hasard dans des parcelles individuelles lors de la récolte, disposés dans des sacs en plastique et stockés dans une grange à ignames couverte et ouverte (Fig. 5f) pour évaluer l'accumulation de la population de nématodes et les dommages causés aux tubercules. Les poids de deux tubercules par parcelle utilisés pour les études post-récolte ont été enregistrés avant et après le stockage, et le pourcentage de perte de poids a été calculé comme suit :

Les tubercules collectés sur différents sites ont été stockés dans la même grange à ignames, de sorte que l'expérience de stockage a été menée dans les mêmes conditions climatiques pour éviter l'influence sur les résultats. Le site de l'expérience de stockage est situé dans la région de savane sub-humide avec un climat sub-équatorial caractérisé par deux saisons humides de mi-mars à mi-juillet et de mi-septembre à mi-novembre, alternant avec deux saisons sèches. La pluviométrie moyenne annuelle est comprise entre 1 000 et 1 200 mm et la température moyenne annuelle entre 25 et 30 °C.

Les densités de population de nématodes ont été estimées à la récolte à partir d'échantillons de tubercules et de sol. Pour déterminer les densités de population de nématodes des tubercules, des échantillons de pelures (cortex externe) ont été retirés d'une zone de 5 × 5 cm2 sur les quatre côtés de chacun des trois tubercules à l'aide d'un éplucheur de cuisine (modifié à partir de la réf. 18 ; Fig. 5g, h et vidéo supplémentaire) . Les pelures de tubercules de la même parcelle ont ensuite été soigneusement mélangées et 25 g de pelures ont été prélevés pour l'extraction des nématodes à l'aide de la technique de centrifugation. Pour les nématodes du sol, des sous-échantillons de sol ont été prélevés dans les zones de tubercules dans les monticules intermédiaires, et un échantillon composite de sol de 250 cm3 a été prélevé par parcelle et traité pour l'estimation de la population. Par la suite, les nématodes ont été identifiés morphologiquement et comptés sous un microscope à dissection Olympus CX31 à un grossissement de x20.

Les nématodes des tubercules entreposés ont également été extraits de 25 g de pelures d'igname selon la procédure décrite au paragraphe précédent. L'accumulation de la population de S. bradys pendant le stockage a été déterminée au moment de la récolte de l'igname et après le stockage. Le facteur de reproduction (Rf) de S. bradys pendant le stockage a ensuite été calculé comme suit :

Avant le retrait de la pelure, les échantillons de tubercules ont été soumis à une évaluation visuelle des symptômes du nématode à la récolte et après 3 ou 5 mois de stockage. La gravité des symptômes de pourriture sèche et de fissuration a été évaluée sur une échelle de 1 à 5 comme suit : 1 = tubercule propre ; 2 = 1–25 % de la peau du tubercule présentant des symptômes ciblés (faible niveau de dommages) ; 3 = 26 à 50 % de la peau du tubercule présentant des symptômes ciblés (dommages faibles à modérés) ; 4 = 51 à 75 % de la peau du tubercule présentant des symptômes ciblés (dommages modérés à graves) ; et 5 = 76 à 100 % de peau de tubercule présentant les symptômes ciblés (niveau élevé de dommages)28,57,58.

L'analyse des données pour chaque site consistait en une analyse de variance (ANOVA) pour une conception en bloc complet randomisé avec trois traitements (FP, BP et BP–Abm) et cinq répétitions. Les résultats annuels ont été combinés pour déterminer les différences entre les années. Toutes les analyses de données ont été effectuées à l'aide de la procédure de modèles linéaires généraux du logiciel PC/SAS (SAS Institute). Le lsd a été utilisé pour la séparation moyenne. Étant donné que nous avons observé des différences substantielles dans les régimes de précipitations et les pratiques de culture entre les exploitations et les années, chaque année et les données entre les exploitations au cours de chaque année ont été analysées séparément.

De plus amples informations sur la conception de la recherche sont disponibles dans le résumé des rapports sur le portefeuille Nature lié à cet article.

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article publié, sous forme de fichiers de données source distincts et de fichiers d'informations supplémentaires. Les données sources sont fournies avec ce document.

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Ce travail a été soutenu, en tout ou en partie, par la Fondation Bill & Melinda Gates (OPP1118810 et OPP1196989). Selon les conditions de subvention de la fondation, une licence générique Creative Commons Attribution 4.0 a déjà été attribuée à la version manuscrite acceptée par l'auteur qui pourrait découler de cette soumission. Ce travail a été effectué en partie à l'Analytical Instrumentation Facility (AIF) de la North Carolina State University, qui est soutenue par l'État de Caroline du Nord et la National Science Foundation (numéro de prix ECCS-1542015). L'AIF est membre du North Carolina Research Triangle Nanotechnology Network (RTNN), un site de la National Nanotechnology Coordinated Infrastructure (NNCI). Les auteurs tiennent également à remercier le Kenan Institute for Engineering, Technology & Science de la NC State University. AA remercie H. Dedehouanou, F. Chadare, A. Badou et le personnel technique de l'Unité de Nématologie de l'Université d'Abomey-Calavi pour leur contribution à l'étude sur la perception des acteurs de l'igname sur la technologie W&P et les essais au champ.

Ces auteurs ont contribué à parts égales : T. Pirzada, A. Affokpon.

Ces auteurs ont supervisé conjointement ce travail : SA Khan, CH Opperman.

Département de génie chimique et biomoléculaire, North Carolina State University, Raleigh, Caroline du Nord, États-Unis

Tahira Pirzada & Saad A. Khan

Ecole des Sciences du Végétal, Faculté des Sciences Agronomiques, Université d'Abomey-Calavi (UAC), Abomey-Calavi, Bénin

Antoine Affokpon

Département d'entomologie et de pathologie végétale, North Carolina State University, Raleigh, Caroline du Nord, États-Unis

Richard H. Guenther, Reny Mathew, Tim L. Sit, Stephen R. Koenning, Eric L. Davis et Charles H. Opperman

Département des biomatériaux forestiers, North Carolina State University, Raleigh, Caroline du Nord, États-Unis

Sachin Agate, Aitana Blevins, Medwick V. Byrd & Lokendra Pal

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TP, AA, RM, RHG, LP, AB, TLS, MVB et SA ont tous contribué aux expériences. TP et AA ont rédigé l'article. CHO et SAK ont géré le projet. TP, AA, RGH, LP, SRK, CHO et SAK ont contribué à l'analyse et à l'interprétation des données. Tous les auteurs ont contribué à la discussion et à l'examen critique du manuscrit.

Correspondance avec Charles H. Opperman ou Saad A. Khan.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

Nature Food remercie Hannah Karuri, Fathiya Khamis et les autres examinateurs anonymes pour leur contribution à l'examen par les pairs de ce travail.

Note de l'éditeur Springer Nature reste neutre en ce qui concerne les revendications juridictionnelles dans les cartes publiées et les affiliations institutionnelles.

Images SEM montrant des sections de surface de papier fabriquées à partir de (a) fibre de banane (BF) et (b) OCC. Images MEB montrant la variation de la morphologie des fibres des sections transversales des feuilles développées à partir de fibres BF: OCC mélangées dans diverses proportions, (c) BO82 (80:20), (d) BO64 (60:40), (e) BO46 (40:60) et (f) BO28 (20:80). 3 répliques indépendantes de chaque échantillon ont été scannées à 5 grossissements différents pour vérifier la reproductibilité des données. Graphiques montrant la variation des indices d'éclatement (g) et (h) de la densité et de la résistance à l'air (inversement liés à la porosité) des feuilles préparées à partir de fibres BF, OCC et hybrides (BO). Les barres d'erreur représentent l'écart type dans les valeurs moyennes respectives de 10 répétitions indépendantes. feuillets.

Données source

(ad) Photographies montrant la conception d'études sur l'intégrité du sol dans la serre en utilisant un plant de tomate comme bio-indicateur. (e) Schéma proposant la conception du test 'W&P' basé sur des études d'intégrité du sol. (f) Photographies montrant divers échantillons avant et après maintien dans le sol pendant 7, 14 et 21 jours. Images SEM montrant la section de surface de (g) BF, (h) BO82, (i) BO64, (j) BO46, (k) BO28 et (l) OCC après avoir été retiré du sol après 21 jours. Les pointes de flèches rouges montrent des spores de micro/macro-organismes du sol. En règle générale, 3 répliques indépendantes de chaque échantillon ont été numérisées à 5 grossissements différents pour vérifier la reproductibilité des données.

( a ) Tomographe à rayons X montrant une orientation aléatoire 3D et un emballage lâche de fibres dans du papier banane. Deux répliques indépendantes de papier banane ont été scannées à différents grossissements et emplacements pour vérifier la reproductibilité des données. ( b ) Images SEM à fort et faible grossissement montrant la morphologie d'une coupe transversale de papier banane. Trois répliques indépendantes du papier ont été scannées à 5 grossissements différents pour vérifier la reproductibilité des données. ( c ) Courbe de contrainte-déformation du papier de banane tel que préparé (BP-0) et après maintien dans le sol pendant 7 (BP-7), 14 (BP-14) et 21 jours (BP-21). En règle générale, trois répliques indépendantes de chaque échantillon sont testées pour vérifier la reproductibilité des données. ( d ) Parcelle montrant la biodisponibilité d'Abm de BF, OCC, BO82 et BP après 15 cycles d'hydratation (n = 3). Les barres d'erreur montrent l'écart type dans les données de biodisponibilité moyenne dans chaque cas.

Données source

(a) Carte montrant les régions de Savé (vert), Glazoué (orange) et Savalou (rouge) au Bénin. La carte de base a été appliquée sans approbation en utilisant les données de la base de données des zones administratives mondiales (GADM ; https://gadm.org/ ). (bd) Photographies montrant la préparation et la mise en place des champs d'ignames. (e) Schéma montrant la conception en blocs complets randomisés d'un champ avec des parcelles traitées avec du papier banane chargé d'abamectine (BP-Abm), du papier banane uniquement (BP) et un témoin non traité appelé pratique des agriculteurs (FP).

Données pluviométriques pour Savé (2015-2017), Galzoué (2015-2017) et Savalou (2017-2018).

Données source

Données montrant (a) le poids des tubercules d'igname (g / tubercule) à la récolte et 3 mois après la récolte (différence la moins significative (lsd) 31,2 et 26,5 respectivement α = 0,01), (b) pourcentage de perte de poids des tubercules après 3 mois de stockage. (lsd = 0,81, α = 0,01), (c) pourriture sèche de l'igname sur une échelle de 1 à 5, influencée par les traitements W&P (lsd = 0,10, alpha 0,01), et (d) facteur de reproduction 3 mois après récolte (Rf 3 = densité de population à 3 mois / densité de population initiale {récolte} / g de peau d'igname) pour Scutellonema bradys (lsd =0,12, α = 0,01), (e) Influence des traitements W&P sur la densité de population finale de Scutellonema bradys par gramme de peau d'igname de 2015 à 2018 (différence la moins significative = 1,41, α = 0,01), et (f) densité de population (Pf3/g de peau d'igname) 3 mois après la récolte pour Scutellonema bradys tel qu'affecté par les traitements W&P de 2016 à 2018 (lsd = 2,95, a = 0,01). L'analyse des données consistait en une analyse de la variance (ANOVA) unidirectionnelle pour une conception en blocs complets randomisés avec trois traitements et cinq répétitions. L'analyse combinée a été effectuée comme pour un plan factoriel avec trois traitements (BP-Abm, BP et FP), cinq répétitions, 26 fermes et quatre années sans ajustement. Toutes les analyses de données ont été réalisées en utilisant la procédure de modèles linéaires généraux (PROC GLM) du logiciel PC/SAS (SAS Institute, Cary, NC). La séparation moyenne a été effectuée par le test t du rapport K de Waller-Duncan. Les cases sont délimitées par Q1 (bas, 25e centile) et Q3 (75e centile), moustaches au minimum (Q1-1,5*IQR) et maximum (Q3 + 1,5*IQR), médiane définie par une ligne dans la case (IQR), moyenne représenté par X, les valeurs aberrantes représentées par des points.

Données source

Données post-récolte montrant la perte de poids et la santé des tubercules (pourriture sèche et fissuration) après 3 et 5 mois de stockage à (a) & (d) Glazoué (2016-2017), (b) & (e) Savé (2016 -2017) et (c) & (f) régions de Savalou (2017-2018). Les barres d'erreur dans la partie ac indiquent l'écart type par rapport aux moyennes arithmétiques.

Données source

Discussion supplémentaire, figures supplémentaires. 1–3, tableaux supplémentaires 1–5 et références.

Vidéo montrant la mise en place et la récolte d'essais au champ au Bénin.

Fichier Excel montrant les données sources pour les graphiques présentés dans les Figs supplémentaires. 1–3.

Données sources pour les diagrammes de contrainte-déformation et de module de Young.

Données sources pour la sorption d'eau, la liaison de l'abamectine et les résultats de titrage isotherme.

Données sources sur la rétention de la bioactivité.

Données sources sur le rendement et la population de nématodes.

Données sources pour toutes les parcelles.

Données brutes pour l'indice d'éclatement, la densité et la résistance à l'air.

Données brutes utilisées pour tracer les rétentions de stress et de bioactivité.

Données sources pour les modèles de précipitations.

Source de données pour analyser divers effets du traitement.

Date source sur la santé des tubercules et pourcentage de perte de poids pendant le stockage.

Libre accès Cet article est sous licence Creative Commons Attribution 4.0 International License, qui permet l'utilisation, le partage, l'adaptation, la distribution et la reproduction sur n'importe quel support ou format, tant que vous donnez le crédit approprié à l'auteur ou aux auteurs originaux et à la source, fournissez un lien vers la licence Creative Commons et indiquez si des modifications ont été apportées. Les images ou tout autre matériel tiers dans cet article sont inclus dans la licence Creative Commons de l'article, sauf indication contraire dans une ligne de crédit au matériel. Si le matériel n'est pas inclus dans la licence Creative Commons de l'article et que votre utilisation prévue n'est pas autorisée par la réglementation légale ou dépasse l'utilisation autorisée, vous devrez obtenir l'autorisation directement du détenteur des droits d'auteur. Pour voir une copie de cette licence, visitez http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Réimpressions et autorisations

Pirzada, T., Affokpon, A., Guenther, RH et al. Les enveloppes de semences hybrides à base de biomasse végétale atténuent les pertes de rendement et après récolte chez les petits exploitants agricoles d'Afrique subsaharienne. Nat Food 4, 148-159 (2023). https://doi.org/10.1038/s43016-023-00695-z

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Reçu : 07 juillet 2022

Accepté : 10 janvier 2023

Publié: 16 février 2023

Date d'émission : Février 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s43016-023-00695-z

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