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Les microbes du sol nourrissent les plantes

La très grande majorité des plantes forment de multiples associations souterraines avec les microbes du sol. Grâce à ces microorganismes, les plantes peuvent utiliser l'azote de l'air, mais aussi les éléments minéraux dont elles ont besoin pour leur développement. Focus sur les derniers travaux et découvertes sur la microflore du sol.

Visuel regards d'expert : Comment optimiser la microflore du sol ?
Article de présentation de la revue de l’Académie d’agriculture : « Quelques apports de la microbiologie des sols à l’agronomie et au développement des plantes cultivées », par Jean-Claude Germon. 15 pages, 28 octobre 2013.. © Inra, Véronique Gavalda
Par Pascale Mollier
Mis à jour le 15/06/2016
Publié le 28/12/2015

Cet article présente la revue réalisée par Jean-Claude Germon pour l'Académie d'agriculture de France.

 Optimiser le cycle de l’azote

Alors que les plantes peuvent synthétiser des composés carbonés à partir du gaz carbonique de l’air, via le mécanisme de photosynthèse, elles sont incapables de fixer l’azote de l’air. Pourtant, sans azote, pas de synthèse de protéines, pas de vie possible !

On distingue deux grands types de solutions :

  • L’association avec des bactéries du sol qui fixent l’azote de l’air et le transforment en formes assimilables pour les plantes, nitrates ou ammonium. Cette solution concerne seulement les légumineuses.  Les symbioses entre les bactéries (du genre rhizobium essentiellement) et les légumineuses enrichissent le sol en azote assimilable pour les autres plantes.
  • Ces autres plantes reçoivent aussi l’apport d’engrais azotés, dont la synthèse chimique a pu être développée à l’échelle industrielle à partir de l’invention du procédé Haber Bosch en 1913.

Sur la planète, les symbioses Rhizobium-légumineuses produisent autant d’ammoniac que toute l’industrie des engrais (chiffres 2009) :

  • Azote fourni par la fixation biologique : 120 millions de tonnes de N par an (+ 20 millions grâce aux procédés d’amélioration), soit au total 140 millions de tonnes de N par an.
  • Azote fourni par les fertilisants : 125 millions de tonnes par an (depuis la révolution industrielle).

La fixation symbiotique d'azote optimisée

Culture de soja. Nodosités sur racines. Rhizobium.. © Inra, BRUNEAU Roland
Culture de soja. Nodosités sur racines. Rhizobium. © Inra, BRUNEAU Roland

 Afin d’optimiser ce don du ciel (ou plutôt du sol !), qu’est la fixation symbiotique d’azote, on pratique l’inoculation des légumineuses par des cultures de rhizobium depuis la fin du 19ième siècle. Ces procédés ont été améliorés grâce aux travaux menés sur les mécanismes de la symbiose :

  • Années 60-80 : caractérisation de l’enzyme bactérienne de fixation de l’azote : la nitrogénase (1).
  • Années 2000 : mise en évidence du dialogue moléculaire plante/bactérie qui permet l’installation de la symbiose : émission de flavonoïdes par la plante, qui attirent les bactéries, émission de facteurs NOD par la bactérie, qui conduisent à la formation des nodules dans les racines de plante, dans lesquels la bactérie s’installe.
  • Caractérisation des deux sortes de gènes : gènes de nitrogénase et gènes de nodulation.

Ainsi, on a pu sélectionner les souches de rhizobium les plus compétitives pour la nodulation et enrichir les inocula avec des solutions de facteurs NOD purifiés. Des millions d’hectares sont inoculés ainsi chaque année avec des rhizobium dans le monde.

Réduire les émissions de N2O

La fixation symbiotique d’azote est plus avantageuse que l’usage d’engrais  en termes d’émissions de gaz à effet de serre :

  • économie d’énergie fossile nécessaire à la synthèse des engrais.
  • meilleure utilisation de l’azote : moins de pertes d’azote sous forme d’ammoniaque ou de nitrates (une forme facilement lessivée dans les sols), et  pas de rejet de N2O, gaz à effet de serre.

Cependant, quand il est nécessaire de recourir à l’utilisation d’engrais (pour les plantes non-légumineuses en particulier), on peut tout de même réduire les pertes d’azote en jouant sur une étape clé du cycle de l’azote : la nitrification (2). Des travaux récents (2007, 2009 et 2010) ont mis en évidence des inhibiteurs de la nitrification chez  une plante sauvage apparentée au blé. Transférés à des blés cultivés, les gènes de ces inhibiteurs confèrent la capacité d’assimiler l’ammonium en limitant la production de nitrates. D’autre part, la découverte d’une plante fourragère tropicale particulière (3) ouvre la voie au contrôle de la flore nitrifiante : cette plante utilise l’ammoniaque, réduit la population microbienne qui oxyde l’ammoniaque en nitrates et supprime les émissions de N2O.

Voir le diaporama sur le cycle de l'azote :

Diaporama Gilles Billen 15/12/2015 colloque a

Puiser les autres éléments du sol grâce aux mycorhizes

Ectomycorhizes sur racines de chêne: l'extremité de la racine courte est recouverte par le champignon dont les filaments partent explorer le sol.. © Inra, GARBAYE Jean
© Inra, GARBAYE Jean

 Les mycorhizes sont des symbioses plantes-champignons à bénéfices réciproques : les champignons fournissent à la plante les éléments minéraux puisés dans le sol, la plante fournit aux champignons  les métabolites dérivés de photosynthèse. Ces mycorhizes concernent 95% des plantes. On en compte actuellement au moins 7 types, fournissant aux plantes du phosphate, mais aussi du calcium, du potassium, du magnésium, du cuivre, du zinc, etc.

L’efficacité de ces mycorhizes dépend des caractéristiques du sol et des bactéries qui « travaillent » avec les champignons (bactéries auxiliaires de mycorhization). Un dialogue moléculaire analogue à celui des associations fixatrices d’azote a été mis en évidence, avec des facteurs MYC comparables aux facteurs NOD.

Des inocula fongiques sont utilisés en pépinières forestières, depuis 20 ans sur le pin Douglas. Autre exemple, l’inoculation des arbres truffiers, qui doit beaucoup aux travaux de l’Inra…

Microflore du sol et protection phytosanitaire

  Symptôme de piétin verse sur blé, tâche ocellée.. © Inra, CAVELIER Nadine
© Inra, CAVELIER Nadine

Certains inocula sont utilisés comme moyen de lutte biologique (4).

D’autres souches produisent des antibiotiques, telles que Pseudomonas fluorescens, utilisée contre l’agent responsable du piétin du blé.

D’autres souches non pathogènes très compétitives permettent de lutter contre des souches pathogènes par leur pouvoir de compétition au niveau nutritif (Fusarium).

Une piste prometteuse consiste aussi à renforcer les réactions de défense de la plante en la mettant en présence d’organismes non pathogènes.

 

 

(1) La nitrogénase catalyse la réaction : N2 → NH3 (ammonium)+ hydrogène

(2) Nitrification : NH4 → NO2-, qui donne NO3- (nitrate), perdu par lessivage, ou N2O (gaz à effet de serre).

(3) Braccharia humidicola.

(4) Par exemple, Coniothyrium minitans contre Sclerotinia.

La revue complète

Lire la revue de l’Académie d’agriculture : « Quelques apports de la microbiologie des sols à l’agronomie et au développement des plantes cultivées », par Jean-Claude Germon. 15 pages, 28 octobre 2013.

Revue de l’Académie d’agriculture Microbiolog

Sommaire :

  • Résumé 
  • Le rôle clé de la fixation biologique de l’azote dans le fonctionnement de la biosphère.
  • Le déterminisme de l’association Rhizobium-Légumineuses.
  • La microflore fixatrice, la diversité des Rhizobia et l’inoculation à l’aide de souches sélectionnées.
  • La microflore fixatrice : une voie possible de limitation des émissions de N2O.
  • La nitrification, étape clé du cycle de l’azote : une voie de maîtrise possible.
  • Les apports de la symbiose mycorhizienne au développement des plantes.
  • La microflore du sol et la protection phytosanitaire des plantes cultivées.
  • En guise de conclusion.
  • Remerciements
  • Bibliographie

Avancées de l’Inra dans le domaine

Sol et microorganismes

- Analyser les microorganismes du sol. Lire les articles : Genosol, ITW SIA 2015, Plateforme-phenotypage-Dijon

- Dossier métagénomique du sol

 Rhizobium

 - Caractérisation des facteurs Nod, synthétisés par les Rhizobium(bactéries fixatrices d’azote qui vivent en symbiose avec les légumineuses). Lire l'article.

- Travaux sur les symbioses racinaires et leur lien avec l’alimentation des plantes en eau et en minéraux. Jean Dénarié. Laurier Inra 2007. Lire l'article.

Mycorhizes

- Découverte des facteurs Myc, qui favorisent croissance du système racinaire des plantes et la formation de mycorhizes, associations symbiotiques d’un champignon avec les racines des végétaux. Lire l'article.

- Truffe : obtention de plants de chêne mycorhizés. 90% de la production actuelle de truffe noire du Périgord provient de ce procédé.  Lire l'article.

Portrait de Jean-Claude Germon
Directeur de recherche honoraire, UMR Agroécologie, centre Inra de Dijon, et membre de l’Académie d’agriculture de France.. © Académie d'agriculture de France

L'auteur

Jean-Claude Germon est directeur de recherche honoraire, UMR Agroécologie, centre Inra de Dijon, et membre de l’Académie d’agriculture de France.