L'orge ordonne aux bactéries du sol de fabriquer un engrais ammoniacal

L'orge ordonne aux bactéries du sol de fabriquer un engrais ammoniacal

Crop Science Centre*

Actualités, avril 2022, orge

Des scientifiques ont franchi une étape clé dans l'ambition à long terme d'intégrer la fixation de l'azote dans les cultures céréalières, non légumineuses, en démontrant que l'orge peut demander aux bactéries du sol de convertir l'azote de l'air en engrais ammoniacal.

Ce développement permet aux cultures non légumineuses de communiquer directement avec les bactéries fixatrices d'azote et nous rapproche de la réduction de notre dépendance aux engrais de synthèse.

La population mondiale consomme plus de la moitié de ses calories grâce à trois cultures : le riz, le blé et le maïs. Or, ces cultures sont fortement tributaires de l'application d'engrais de synthèse tels que l'azote. La production industrielle d'azote sous forme d'ammoniac nécessite une forte consommation de combustibles fossiles et l'engrais appliqué de manière excessive peut également s'infiltrer dans les masses d'eau et libérer de puissants gaz à effet de serre dans l'atmosphère.

L'atmosphère terrestre étant composée de 78 % d'azote, ne serait-il pas formidable que les plantes puissent convertir l'azote de l'air en leur propre engrais ? C'est possible.

Les légumineuses produisent leur propre engrais azoté en s'associant à des bactéries du sol, les rhizobiums, présentes dans la nature. Les bactéries fixent l'azote de l'air en ammoniac, qu'elles échangent avec les plantes contre des sucres.

Le professeur Giles Oldroyd, qui dirige les recherches sur la nutrition durable des cultures au Crop Science Centre et au Sainsbury Laboratory de l'Université de Cambridge, coordonne un effort mondial visant à transférer la capacité de fixation de l'azote des légumineuses dans les céréales (non légumineuses) afin que des cultures comme le blé, le maïs et le riz puissent, en fait, produire leur propre engrais.

« En analysant la génétique des plantes légumineuses et non légumineuses, nous avons découvert que les non-légumineuses possèdent déjà bon nombre des gènes nécessaires à la formation des nodules racinaires qui abritent les bactéries fixatrices d'azote », a déclaré le professeur Oldroyd. « Il existe un chevauchement important des programmes de développement utilisés par les plantes pour les racines latérales et les nodules fixateurs d'azote. L'étude de l'évolution des gènes végétaux indique également que de nombreuses non-légumineuses ont autrefois formé des relations symbiotiques avec les bactéries du sol fixatrices d'azote, mais ont perdu cette capacité au fil du temps. »

Des centaines de processus sont nécessaires pour réussir à établir une symbiose fixatrice d'azote entre une plante et ses bactéries colonisatrices – tant du point de vue de la plante que de celui des bactéries –, c'est pourquoi il faut la collaboration de plusieurs équipes de scientifiques pour travailler sur ce problème. Une collaboration entre le groupe du professeur Oldroyd et l'Université d'Oxford et le Massachusetts Institute of Technology (MIT) porte sur un élément clé : la communication intime entre la plante et la bactérie.

Leurs derniers travaux, publiés dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences, s'appuient sur la conception et l'ingénierie d'un dialogue moléculaire unique entre les plantes et les bactéries. Le réseau de signalisation synthétique qu'ils ont développé utilise des composés de rhizopine comme signaux chimiques, qui agissent comme un langage intime qui n'est compris que par la plante et la bactérie cibles.

Ils ont maintenant montré que l'orge, une plante non légumineuse, peut communiquer directement avec les bactéries libres fixatrices d'azote en utilisant les signaux chimiques de la rhizopine pour indiquer aux bactéries de commencer à fixer l'azote de l'atmosphère et de le transformer en ammoniac.

Le Dr Ponraj Paramasivan, du groupe du professeur Oldroyd, qui a contribué à l'ingénierie de l'orge pour qu'elle synthétise puis exsude la rhizopine à partir de ses racines, a déclaré qu'il s'agissait d'un avantage clé, car seule la culture cible en bénéficierait. « Actuellement, les mauvaises herbes bénéficient également de l'application d'engrais azotés, mais cette tactique signifie que seule la plante cultivée spécifique qui est modifiée pour produire le signal de la rhizopine en bénéficiera », a-t-il déclaré.

Les recherches, menées par le Dr Timothy Haskett et le professeur Philip Poole, au Département des Sciences Végétales de l'Université d'Oxford, ont montré que les plantes sécrétant de la rhizopine contrôlaient la fixation de l'azote par la bactérie sur leurs racines. La bactérie ne fixait l'azote que sur l'orge qui libérait de la rhizopine et sur aucune autre plante.

L'étape suivante consiste à s'assurer que l'ammoniac produit par la bactérie est libéré et fournit un engrais azoté suffisant à la plante cible.

« La fixation biologique de l'azote est l'un des processus clés permettant des pratiques agricoles plus durables et fait l'objet de recherches approfondies depuis des décennies », a déclaré le professeur Poole. « Ce travail sur le développement du contrôle par les plantes de la fixation bactérienne de l'azote est un élément clé d'un vaste effort visant à transférer la nodulation racinaire et la fixation de l'azote aux céréales. Cela n'a été possible que grâce à un grand effort de collaboration rassemblant le travail effectué par de multiples laboratoires pendant de nombreuses années. »

Le professeur Oldroyd a déclaré que d'autres cultures de base telles que le maïs, le riz, le sorgho et le manioc seraient incluses dans les recherches futures visant à transférer la fixation de l'azote aux non-légumineuses.

Référence

Timothy L. Haskett, Ponraj Paramasivan, Marta D. Mendes, Patrick Green, Barney A. Geddes, Hayley E. Knights, Beatriz Jorrin, Min-Hyung Ryu, Paul Brett, Christopher A. Voigt, Giles E. D. Oldroyd, and Philip S. Poole. (2022) Engineered plant control of associative nitrogen fixation. PNAS

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* Source : Barley orders soil bacteria to manufacture ammonia fertiliser | Crop Science Centre

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