Our database is built from selected references from journal sites (such as Ingenta, PubMed, WoK) using the keyword ‘transgene and (plant or crop)’. This data bank is maintained by the analyses of tables of contents of journals received as alerts from collections such as BioOne, Elsevier, Science Direct, Springer, etc. (507 journals), by the monitoring of 352 journals not covered by these collections (these include Chinese journals with automatic on-line translators, proceedings of symposia, etc.), and the by monitoring of 530 other journals. Our database contained 16,703 references as of the 23rd of June, 2009.

For this review the references were sorted using keywords related to agronomical aspects of plant biotechnology. Using the keyword ‘dispersal OR flow OR pollen’, we found 1909 references ranked as follows: 1873 references relate to ‘transgene dispersal’ AND/OR ‘transproteins’ in all GMOs. Among them, 562 publications were selected using the keywords ‘maize OR corn OR zea’. Furthermore, the number of symposia (over 20) shows the interest of scientists for this topic (see Supplementary Electronic Material).

The adventitious presence of transgenes in crops may be due to several factors. The transgene may be:

• • transported by pollen migration. In maize, this migration is due mainly to wind. Indeed, as female flowers do not produce nectar, bees do not visit them. Therefore, they cannot participate in cross-fertilization;
• • transported by seeds that can be mixed with non-GM seeds during harvest and post-harvest processes;
• • perpetuated by the presence of volunteers in fields or by the presence of seeds that have dispersed and germinated out of the GM-field. Volunteers of maize are rare and well controlled by cultural practices.

Many publications dealt with the dispersal of maize pollen.

The pollen-mediated gene flow from a source-site to a sink-site can be evaluated by counting pollen grains that land on a sticky surface at the sink-site. However, counting pollen grains does not mean necessarily that cross-fertilization occurred due to several factors interfering or not (i.e. mortality, competition, landing of pollen on the female stigma, non-receptiveness of females, abortion in the ovaries, and survival of pollen). Survival of pollen may be limited to less than an hour under certain conditions but in other circumstances, it can survive more than 24 h. To correct these uncertainties, the effective pollen flow can be estimated by measuring the rate of cross-fertilization (crFe) using either morphological or phenotypical markers or the content of the DNA of transgene (transDNA) in plants of the sink-site.

Eventually, since pollen grains can be considered as particles, we can assume that the pollen dispersal is subject to weather conditions (i.e. direction and strength of wind and/or rain).

The European program ‘Sustainable Introduction of GM Crops into European Agriculture’ (SIGMEA) showed that the pollen flow is major in the first meters adjacent to the emission source and decreases greatly as the source-to-sink distance increases. The observed rate of cross-fertilization is 0.98% in the first 10 m from the source-plot, 0.34% between 10 m and 20 m, and 0.11% between 50 m and 60 m.

In the UK, experimental data obtained from 55 plots have be modelled as an exponentially decreasing function with average values less than 0.9% at 25 m, less than 0.3% at 80 m and less than 0.1% at 200 m and beyond. This statistical model allows calculating separation distances between source- and sink-fields to avoid a specific cross-fertilization rate. This helps establish rules of co-existence between GM and non-GM cropping systems.

Thus, in the 2000s, the idea of a mechanistic model came out and models such as MAPOD have been developed. This type of model takes into account cultural practices and climate, and involves GIS data. In a case of intensive presence of Bt maize, two factors must be considered: the source-to-sink distance and synchronized flowering. A rate of presence of fortuitous GM maize (CrFe) is 0% if both factors are considered appropriately. It could reach more than 2% if none of these factors are considered. However, in a recent review (2008) the authors suggested that “models must be retrospectively critiqued based on new field data and knowledge, and not be allowed to become axiomatic. The level of rigor in validating pollen flow models has varied widely, depending in part on the robustness of datasets”. Indeed the authors added “Accurately modelling pollen-mediated gene movement is challenging. Numerous biological, environmental, and crop management factors and their interactions influence the frequency and distance of pollen flow between donor and receptor fields, including type of vector (wind and/or insect), genotype or cultivar, fertility (e.g. male-fertile or male-sterile receptor plants), pollen viability and longevity, synchrony of flowering or pollen production, wind speed and direction, air turbulence/convective air currents, temperature, humidity, and area and plant density of donor and receptor populations. At a landscape or regional scale, additional factors influencing pollen flow are topography, vegetation, distribution and abundance of volunteer and feral populations, and number, shape, and spatial arrangement of pollen donor and receptor fields”.

Concerning man manageable factors modifying the travel and amount of pollen from a source to a sink as well as the cross pollination rates, some data can be cited:

• • an area of separation between source-plots and sink-plots can significantly reduce the amounts of pollen carried into the sink plots. This area is more effective if non-GM maize is sown;
• • discrepancies in flowering dates vary from a cross-fertilization rate of 14.2% with 1 day of flowering lag between source-plot and sink-plot to a cross-fertilization rate of 0.05% with a 20 day flowering lag;
• • respective areas of conventional plots and GM-plots.

Among other factors to be taken into account are the strength and direction of wind which are less manageable. This data is well demonstrated using new methods based on modelling of pollen dispersal. The advantage of modelling using GIS data is that it can predict the possibility of co-existence between cropping systems based on density of GM crops and socio-economic issues, and landscape structure, which allows to prioritize the importance of factors involved in pollen flow and cross-fertilization.

Pollen flow can occur over long distances but obviously with very small amounts of pollen, and with pollen grains which are less and less viable over time of travel. Under certain conditions of wind and temperature, theoretically maize pollen could travel up to 180 km along the upper atmosphere. In models the pollen from a source of a 12-km² area may emit grains up to 79 km away (0.005 pollen grains/m²). At only a few kilometres (below 5 km) from the source, the cross-fertilization rate is 0.05% if the maize receiver is not castrated, and 0.25% if castrated as no competition occurs with autochthonous pollen. At 5 km from the source, the pollen viability is 30%. This led to highlight the concept of pollen background at the regional scale.

A second way of adventitious presence of transgenes in the production of non-GM maize is the presence of GM-seeds in consignments of non-GM seeds. This mixture can be done through the pollen flow between non-GM seed production and surrounding GM-cultures but also during harvest – transport process which can account for 0% of presence with dedicated harvesters and 0.4% in the case of shared harvesters and lack of cleaning practices.

All this knowledge is used to develop measures that allow co-existence of multiple cropping systems with a specific threshold of cross-fertilization. Thus, it follows that the mixture with GM seeds should be kept under control during the process of harvesting and post-harvesting.

The first factor used for managing co-existence between GM crops and other cropping systems is the geographical isolation of fields. These separation distances between GM and non-GM maize are widely accepted as an effective measure to reduce cross-fertilization. Several EU countries proposed different separation distances ranging from 25 m to 800 m. However, regulations should be revisited on the basis of scientific criteria including the rate of cross-fertilization. They might help to define separation distances. To keep GM inputs in the final product below the 0.9% labelling threshold prescribed by the EU, separation distances of 20 m and 50 m for silage and grain maize respectively were proposed using statistical data of maize areas and aerial photographs with geographic information systems. Furthermore other important factors that determined cross-pollination are synchrony of flowering and distance between donor-field and receiver-field. In the case of a fully synchronous flowering, a separation distance of 20 m approx. should be sufficient to maintain the presence of GM as a result of pollen flow below the 0.9% labelling threshold.

However, it is necessary to take into account the possibility of adventitious presence of GM seeds in lots of non-GM seed. On the basis of model simulations of case studies, co-existence is technically manageable with a 0.5% threshold of adventitious presence of GM seeds with little or no change of conventional practices.

However, for seed production, the co-existence of non-GM with GM maize should lead to changes in conventional practices, namely the introduction of larger separation distances (from conventional distances of 200–300 m to distances of 400–600 m). For maize, additional measures are necessary to account for climate, landscape and agronomic parameters. The latest versions of models of gene flow take into account spatial distributions of landscapes and agricultural practices.

Based on recent data, some stakeholders require a lower threshold (0.1%) than the 0.9% regulatory labelling threshold to guarantee GMO-free products. For low thresholds (0.1%), isolation distances between GM fields and non GM fields may be difficult to implement and a geographical separation between GM zones and GMO-free zones is viewed as a solution. However, in practice it would be in contradiction with the concept of co-existence mentioned in EU Directive and would restrict the freedom of farmers to opt for GM crops.

However, as on one hand, the situation may vary (climate, winds, area ratio between GM and non-GM fields, landscape and agronomic parameters) and on the other hand taking into account the great progress in models and simulation systems, it seems advisable to replace the national value of separation distance by a value fitting to the local or regional context.

It is essential to conclude a review on mediated-pollen transgene dispersal by indicating methods that avoid this dispersal. We can cite male sterility, restriction technologies, and transgene integration in plastids. Research efforts should be supported to develop these biotechnologies.

Le flux de pollen entre un site source qui émet le pollen et un site puits qui le reçoit peut être évalué en dénombrant les grains de pollen qui se fixent sur une surface collante au niveau du puits. Mais le dénombrement des grains de pollen ne signifie pas nécessairement que la FeCr ait eu lieu, à cause d'aléas tels que la mortalité, la compétition, l'atterrissage du pollen ailleurs que sur les stigmates femelles, la non réceptivité des organes femelles et l'avortement dans les ovaires. De plus, dans certaines variétés GM comme le maïs Mon810, un grain de pollen sur deux ne porte pas de transgène cry [6,7]. Pour corriger ces aléas, on peut estimer le flux efficace :

• • en dosant l'ADN du transgène (transDNA) dans les pieds de maïs de la parcelle puits ; dans ce cas le ‘transDNA’, qu'il soit d'origine Bt ou tolérant à un herbicide, renseignera de la même façon pour la problématique de la dispersion des transgènes [8,9]. Pour différentes raisons, il peut être difficile de convertir les analyses quantitatives de transDNA avec les analyses qualitatives [7,10]. De plus, la plupart des mesures actuelles sont faites sur la base d'un seul transgène par PGM. Or, comme on utilise de plus en plus de PGM comprenant un empilement de transgènes, il faut se demander comment tenir compte de cet empilement dans la détermination du taux de FeCr [11].
• • en utilisant des marqueurs morphologiques ou phénotypiques de type couleur de graines [12].

En mécanique des fluides, le grain de pollen est considéré comme une particule, on peut alors concevoir que la dispersion de pollen (flux de pollen) est soumise aux aléas météorologiques (direction et force des vents, régime des pluies), ce qui a été vérifié expérimentalement ([13,14] pour revue).

Parmi les publications, on relève des revues bibliographiques bien documentées [7,15] ou des rapports et comptes-rendus de symposium centrés sur des résultats expérimentaux obtenus par l'intermédiaire de programmes de recherches internationaux. Sans être exhaustifs ici, on peut citer les travaux du programme européen SIGMEA (‘Sustainable Introduction of GM crops into European Agriculture’) [16]. Les résultats obtenus montrent que le flux de pollen est important dans les premiers mètres jouxtant la source d'émission et que ce flux diminue très fortement quand la distance source – puits augmente. Cette expérimentation met en jeu de nombreux sites dans lesquels les parcelles sources (dont la surface peut atteindre 23 ha) sont entourées de parcelles puits, les taux de FeCr sont de 0,98% à 0–10 m, 0,34% à 20–30 m et 0,11% à 50–60 m de la parcelle source [17]. Autre exemple, dans des conditions réelles en Espagne, une parcelle de maïs conventionnel entourée par 4 parcelles de maïs Bt présente un taux de fécondation FeCr de 2,76% dans les 10 premiers mètres, puis de 0,69% entre 10 et 20 m et enfin de 0,3% entre 20 et 30 m [17]. De nombreuses publications donnent des résultats tout à fait concordants, quelques articles sont parus en 2007 [19–22] et en 2008 [23] (pour une vue plus exhaustive, voir le supplément électronique).

Récemment, de nombreuses publications ont été analysées en tenant compte des caractéristiques expérimentales qui peuvent expliquer les plages de variation des résultats enregistrés [24]. Les auteurs ont établi qu'en moyenne la dispersion du pollen mesurée par le taux de FeCr peut être représentée par le graphique (Fig. 1). En résumé, les résultats montrent que jusqu'à 10 m des parcelles sources les résultats sont très hétérogènes avec une moyenne de 5,72% de FeCr. Ensuite, la FeCr diminue fortement pour atteindre 0,35% entre 10 et 25 m, 0,23% entre 25 et 50 m, et 0,19% au-delà de 50 m sans atteindre 0%. Des résultats du même ordre ont été trouvés en Espagne [18]. Un travail relativement voisin d'analyse des données bibliographiques et de résultats expérimentaux a été effectué dans le cadre du programme européen SIGMEA [25]. Celui-ci, qui présente des résultats portant sur des distances plus grandes entre les parcelles GM et non GM, montre que le flux de pollen peut atteindre plusieurs kilomètres (Fig. 2). A ces grandes distances, les quantités de pollen mises en jeu sont très réduites et concernent des grains de pollen qui sont de moins en moins viables avec le temps de parcours. Dans certaines conditions de vent et de température, théoriquement le pollen de maïs pourrait se déplacer jusqu'à 180 km en empruntant la haute atmosphère [26]. Par modélisation il est montré que le pollen d'une source qui s'étend sur 11 km peut émettre des grains de pollen jusqu'à 79 km (0,005 grains de pollen/m²) [27]. On ne devrait plus trouver de pollen à 95 km. En Suisse, dans des conditions de faible pression de parcelles sources et pour des distances séparant les parcelles sources et puits allant de 50 à 4500 m, les taux de FeCr ne sont jamais supérieurs à 0,02% (Fig. 2B) [12]. De plus, dans 89% des cas, le taux de FeCr résulte d'un seul événement de fécondation sur un seul épi [28]. Des résultats du même ordre ont été trouvés en Espagne [18].

Ces chiffres sont à relativiser par rapport au fait qu'en arrivant à destination ces quelques grains de pollen vont être en compétition pour la fécondation avec les grains de pollen autochtone beaucoup plus nombreux. En effet, le maïs produit environ 4,5 à 25 millions de grains de pollen par plante [29], alors que le pollen migrateur prélevé entre 1000 m et 2000 m d'altitude représente une concentration de 1 grain/m³ en moyenne, ce qui donne 10 millions de grains par hectare de culture [30]. Cette compétition indique qu'à quelques kilomètres de la source (moins de 5 km), le taux de FeCr est de 0,05% si le maïs récepteur est non castré et de 0,25% s'il est castré, car il n'y a pas de compétition avec le pollen autochtone [31]. Ces données doivent être rapportées à celles qui estiment qu'à 5 km de la source la viabilité du pollen est de 30% [32]. Ceci a conduit à mettre en évidence la notion de bruit de fond pollinique au niveau régional [13,32]. Bien que ce bruit de fond soit faible [16,33], il faudra en tenir compte si les surfaces en maïs GM deviennent relativement importantes par rapport aux surfaces de maïs conventionnel.

La survie du pollen est aussi un facteur important de FeCr entre parcelles GM et non GM de maïs. Elle dépend fortement des conditions environnementales et en particulier de l'humidité atmosphérique [34,35]. Les travaux expérimentaux ont établi qu'en conditions « normales » le pollen de maïs ne survit qu'entre une heure [36] et quatre heures [37] après sa libération dans l'atmosphère. Cette survie est fonction de la distance de la source émettrice et de la hauteur de capture de ce pollen [38]. Ainsi, au niveau du sol il y a 92% de pollen viable à 0,5 m de la source et 49% à 4 m, en revanche à 2,1 m de hauteur il y a 59% de pollen viable à 0,5 m de la source et 28% à 4 m. Un bilan bibliographique [26] fournit des résultats comparables mais ajoute qu'en conditions très favorables le pollen peut survivre pendant 24 heures et que, conservé au froid, son activité peut être maintenue pendant 9 jours. L'impact de la force et de la direction des vents sur la dispersion du pollen est important [20,39] comme le montre le Tableau 3. Cet impact est bien imagé avec les nouvelles méthodes de modélisation de la dispersion du pollen [36,40–42] comme le montre la Fig. 4 illustrant la déformation du nuage pollinique dans la direction du vent.

Le décalage de floraison entre les parcelles sources et puits est un facteur important influençant la présence fortuite de transgènes cry dans les parcelles de maïs conventionnel. Ce type de données est confirmé par les résultats obtenus dans le cadre du programme européen SIGMEA (voir compte rendu dans [16,43]). Ils indiquent que dans une situation de présence intensive de maïs Bt, deux facteurs doivent être pris en compte : la distance source puits et la synchronisation de la floraison. De nombreuses parcelles puits entourées de parcelles sources ont un faible taux de PrFo, voire un taux de 0%, si ces deux facteurs sont appliqués. En revanche, le taux de PrFo peut atteindre plus que 2% si on n'utilise aucune de ces conditions [44]. D'autres données expérimentales confirment ces résultats [45–47]. Ainsi un taux de FeCr de 14,2% est observé avec un décalage de floraison d'un jour entre parcelle source et parcelle puits, en revanche si ce décalage de floraison est de 20 jours le taux de FeCr chute à 0,05% [47]. Des différences de dates de floraison, allant de 5 à 15 jours, peuvent être obtenues en faisant des semis décalés [48].

3.1.1 Les modèles statistiques

De nombreuses publications montrent qu'on peut modéliser le flux de pollen. On peut citer le travail au Royaume-Uni [49], qui montre que les données expérimentales obtenues dans 55 parcelles sont raisonnablement modélisables sous forme de décroissance exponentielle dont les valeurs moyennes sont inférieures à 0,9% à 25 m, inférieures à 0,3% à 80 m, inférieures à 0,1% à 200 m et au-delà (Fig. 3). En fait, ce type de modèle statistique permet de calculer des distances de séparation qui devraient être respectées entre parcelles sources et parcelles puits pour éviter de dépasser un taux de fécondation croisée donné [31]. Mais les types de données utilisées occultent des facteurs importants qui modifient la dispersion du pollen comme la direction et la force du vent ou qui modifient les capacités de fécondation du pollen comme sa durée de vie après libération par les soies ou le décalage de floraison entre parcelles sources et parcelles puits.

3.1.2 Les modèles mécanistiques

Une seconde voie de présence fortuite de transgènes dans les productions de maïs non transgéniques est la présence de semences GM dans les lots de semences non GM [11].

Ce mélange peut se faire par l'intermédiaire du flux de pollen entre production de semences non GM et cultures GM avoisinantes (voir données dans le paragraphe 3 et [7]). Depuis longtemps les producteurs de semences de maïs se sont préoccupés de la pureté des semences surtout avec l'utilisation de maïs hybrides dès les années 1950. La séparation des cultures de maïs semences peut être aménagée pour éviter ce mélange [24,46].

Le mélange peut aussi avoir lieu lors du processus de récolte, de séchage et de stockage du maïs. Plusieurs méthodes de séparation des filières récoltes et post-récoltes, dans le temps ou dans l'espace, sont préconisées pour éviter ce problème [59–61]. D'après une analyse bibliographique et des avis d'experts, la filière récolte – transport intervient pour 0% de présence fortuite avec des récolteuses dédiées à la ségrégation des filières GM et non GM et pour 0,4% dans le cas d'un partage des récolteuses et en absence de pratiques de nettoyage.

L'UE pourrait établir un seuil de 0,5% de présence de graines GM dans les lots de semences conventionnelles pour pouvoir classer ces lots en tant que semences non GM [24].

La maîtrise de la présence fortuite dans les parcelles de production de semences est bien au point actuellement suite aux règles de pureté de la production de semences de maïs hybrides F1. En ce qui concerne le mélange dans le matériel de récolte et de transport, le seuil de 0,5% est facilement gérable, car, sans prendre de précautions particulières [58,60,61], la présence fortuite de semences GM est de 0,4% dans les lots de semences non GM. En adoptant des matériels de récolte et de transport dédiés au maïs GM, cette filière intervient pour 0% de PrFo.

Pour satisfaire un taux maximum de 0,9% de PrFo de maïs GM dans des produits de consommation non GM, il faut qu'au niveau des récoltes ce taux soit au maximum égal à la différence (0,9% – le taux de PrFo dans les semences). En admettant que, dans le pire des cas, on ait un taux de PrFo de 0,4% [58,60], le taux maximum de PrFo dans les parcelles puits de maïs conventionnels ne doit pas dépasser 0,5%. Par exemple, dans une région comme Poitou-Charentes, le seuil de 0,9% de PrFo de GM dans les cultures conventionnelles n'est pas atteint dans la plupart des parcelles de maïs en utilisant des pratiques courantes et à condition qu'il y ait au plus 0,5% de semences GM dans les semences non GM [7]. Ce seuil de 0,5% de présence fortuite dans les semences serait la proposition de présence fortuite admise par l'UE [24].

Plusieurs auteurs ont fait une analyse critique des publications concernant la dispersion des transgènes via les flux de pollen [7,12,24,28,46,62,63]. Tous ces auteurs s'accordent à dire que, dans la grande majorité des cas, un taux inférieur à 0,9% de PrFo dans les produits de culture conventionnelle de maïs, pour des maïs hétérozygotes comportant un seul transgène, peut être atteint à condition de laisser une distance de séparation minimale de 10 à 50 m entre parcelles GM et non GM. Ainsi dans 33 publications analysant la présence fortuite de matériel GM au-delà de 50 m, une seule mentionne un taux supérieur à 0,5% (il est précisément de 0,55% à 57 m) [24]. Dans cet intervalle de 10 à 50 m, la distance exacte à laisser entre parcelles GM et non GM dépend de facteurs tels que :

• (i) la pureté des semences non GM ;
• (ii) les caractéristiques des parcelles GM et non GM (formes, surfaces, etc.), leur distribution et leur environnement (haies, etc.) dans le paysage ;
• (iii) le pourcentage de surfaces en maïs GM par rapport à la surface totale cultivée en maïs dans une région donnée ;
• (iv) le type de culture ;
• (v) les différences de dates de semis et de dates de floraison entre parcelles GM et non GM ;
• (vi) et les conditions météorologiques [10].

Plusieurs de ces facteurs sont pris en compte dans les modèles de simulation. En revanche, un certain nombre d'entre eux font encore l'objet de travaux de recherches (hétérogénéité paysagère, etc.) [50]. Malgré ces données expérimentales et scientifiques, les distances d'isolement préconisées officiellement varient entre 25 et 800 m [64] (Tableau 4). Il est clair que l'établissement de distances d'isolement unique pour un Etat-membre oblige à déterminer cette distance comme celle permettant d'éviter une présence fortuite de 0,9% dans les conditions les plus favorables au transport de pollen des parcelles sources de transgènes vers les parcelles puits de culture conventionnelle ou biologique (vent fort en direction des parcelles puits, floraison synchrone, fort pourcentage régional de cultures GM, taille réduite des parcelles puits, etc.). Or, on sait que l'agriculture d'un Etat-membre donné se caractérise par une diversité de situations agronomiques, climatiques et géographiques régionales, voire sub-régionales, importantes. Pour tenir compte de cette diversité, plusieurs auteurs préconisent d'établir des distances d'isolement adaptées au contexte local [10,15,62,65]. La prise en compte du contexte local voire régional permettrait d'exploiter pleinement et habilement la modélisation et les outils d'aide à la décision qui en découlent, ce qui n'est pas le cas avec une distance d'isolement déterminée à un niveau national.