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Un trait ancien pourrait être la clé de l'avenir de l'agriculture
Jenna Gallegos*
L'histoire ancienne des plantes cultivées modernes révèle un fait surprenant sur l'évolution de leurs relations avec les champignons et les bactéries. Décrypter cette histoire pourrait être la clé pour libérer notre dépendance aux engrais de synthèse.
Le développement des engrais azotés au début du XXe siècle a révolutionné l'agriculture en augmentant les rendements de céréales comme le maïs d'environ 200 % et en permettant de nourrir une population croissante d'environ 7,7 milliards de personnes aujourd'hui.
Mais l'utilisation d'engrais entraîne des coûts environnementaux et économiques importants. Une grande partie de l'azote épandu dans les exploitations ne se retrouve jamais dans les plantes, mais s'infiltre dans le sol. Une partie de cet excès d'azote aboutit dans les cours d'eau, créant des zones mortes.
Et les coûts de transport élevés rendent les engrais excessivement coûteux, en particulier dans de nombreux pays africains. Cela a empêché les agriculteurs des régions éloignées des pays les plus pauvres de bénéficier des augmentations de rendement de même ampleur que celles qui ont transformé l'agriculture dans les pays développés.
En réponse, la Fondation Bill & Melinda Gates finance un projet collaboratif – ENSA (Engineering Nitrogen Symbiosis for Africa – produire la symbiose pour l'azote pour l'Afrique) – avec une vision simple : davantage de nourriture pour les petits exploitants, sans engrais.
Alors, pourquoi les plantes ont-elles besoin d'engrais en premier lieu ? La majeure partie de l'azote présent dans le sol n'est pas sous une forme pouvant être absorbée par les plantes. Mais certaines plantes ont évolué pour résoudre ce problème. Les légumineuses, comme le pois, le haricot et la luzerne, forment dans leurs racines des nodules hébergeant des bactéries. Ces bactéries convertissent l'azote du sol en une forme digestible pour la plante en échange d'autres éléments nutritifs. Cette relation « symbiotique », appelée fixation de l'azote, est ce que l'ENSA espère recréer dans toutes sortes de plantes, en particulier les céréales.
Plutôt que de réinventer la roue fixatrice d’azote, l’équipe de l'ENSA a décidé de se plonger profondément dans la génétique des plantes qui ne forment pas de nodules pour en apprendre davantage sur l’évolution de ce trait.
Ils ont découvert que la symbiose de la fixation d'azote s'est développée à partir d'un partenariat de plantes encore plus ancien. Il y a quelque 450 millions d'années, avant que les plantes n'aient colonisé les terres, elles ont commencé à partager des nutriments avec des champignons. Les plantes s'appuient sur cette relation, appelée symbiose mycorhizienne, pour extraire le phosphore de leur environnement.
En examinant les gènes des plantes, l'équipe de l'ENSA a déterminé que la symbiose pour la fixation de l'azote avait évolué à partir de la symbiose mycorhizienne il y a déjà 100 millions d'années.
Mais beaucoup de plantes qui ne forment pas de nodules ont des relations symbiotiques avec leurs amis fongiques. Alors pourquoi ces plantes ont-elles manqué le bateau évolutif de l'azote ?
L’équipe de l'ENSA suggère que ce n’est pas le cas. Certaines espèces ligneuses plus modernes, telles que les pommiers et les noyers, ont en réalité évolué à partir de fixateurs d'azote, mais ont ensuite perdu la capacité de former des nodules. Pour rompre avec leurs partenaires bactériens fixateurs d'azote, ces espèces pré-agricoles n'ont en réalité perdu que trois gènes.
Il n’est pas simple de savoir pourquoi une plante voudra jamais renoncer à une relation aussi bénéfique pour les deux parties. Il n’y a peut-être pas eu suffisamment de pression évolutive pour maintenir la fixation de l’azote. Dans de nombreux environnements naturels, l'eau, le phosphore et d'autres nutriments s'épuisent avant l'azote. Et tout ce qu'une plante veut vraiment faire, c'est juste croître suffisamment pour répandre ses graines.
Mais dans les fermes, l’eau et les nutriments sont contrôlés afin que les plantes puissent atteindre leur plein potentiel. Et les plantes cultivées sont sélectionnées dans des sols contenant des engrais. Cela signifie que la plupart des plantes perdent leur capacité à former des nodules et investissent de l'énergie dans d'autres activités, comme la production de gros fruits juteux ou une croissance suffisante pour échapper à l'ombre.
Découvrir que des capacités de formation de nodules étaient présentes chez les ancêtres de la plupart des plantes cultivées change notre perception de la fixation de l'azote et des gènes impliqués. La réintroduction des principaux gènes responsables de la formation de nodules perdus au cours de l’histoire de l’évolution pourrait constituer un premier pas décisif vers l’ingénierie de la fixation de l’azote dans les céréales et d’autres cultures.
Cela signifie également que beaucoup de gènes nécessaires à la fixation de l'azote peuvent déjà être présents dans les céréales. Avec des approches modernes telles que le génie génétique et la biologie synthétique, la réanimation de ces gènes anciens est une possibilité réelle.
L'ENSA n’est pas le seul groupe à s’attaquer à ces problèmes. Des chercheurs du monde entier repoussent les limites en matière de céréales fixatrices d'azote, depuis la découverte d'espèces sauvages possédant davantage de voies génétiques intactes jusqu'à l'ingénierie de bactéries du sol destinées à devenir de meilleurs alliés pour la fixation de l'azote.
Les engrais azotés ont révolutionné l'agriculture. Il est maintenant temps de trouver de nouveaux moyens de rompre notre dépendance et d’obtenir des rendements encore plus élevés. L'archéologie génétique issue de projets tels que l'ENSA nous rapproche beaucoup plus de la question de savoir si les ancêtres de nos cultures domestiques détiennent la clé.
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* Source : https://allianceforscience.cornell.edu/blog/2019/05/ancient-trait-may-hold-key-agricultures-future/
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