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Le langage des légumes pourrait réduire l’usage d’engrais azotés

ActualitéClassé sous :botanique , développement durable , Sharon Long

L'usage excessif des engrais azotés cause de nombreux problèmes environnementaux et impacte le prix des productions agricoles. En découvrant un élément clef de la communication entre les légumineuses et leurs bactéries symbiotiques pourvoyeuses d'azote, les chercheurs de Stanford pensent pouvoir améliorer certaines plantes. De la sorte, les besoins en engrais seraient réduits.

Les bactéries, à gauche, vivent dans les nodosités (à droite) des racines de fabacés. Elles transforment l’azote atmosphérique en ammoniac utilisable par leur hôte. Cette particularité apporte un avantage aux légumineuses, notamment sur les sols pauvres. © Sharon Long / Stanford

L'azote est essentiel à la croissance des plantes. A l'exception des légumineuses (les fabacées), les plantes dépendent donc des ressources, souvent limitées, du sol. Pour remédier à cela, l'agriculture a recours aux engrais azotés dont l'usage excessif pollue l'environnement et provoque eutrophie des milieux, marées vertes, zones mortes et émissions de gaz à effet de serre.

Les fabacées, en revanche, sont capables de fixer l’azote atmosphérique grâce à leurs relations symbiotiques avec des bactéries particulières. Ce phénomène est connu depuis longtemps mais le processus exact reste mal compris. Les chercheurs de Stanford viennent de découvrir un élément clef du contrôle de ce processus en étudiant la communication chimique entre les légumes et leurs bactéries symbiotiques.

Ces bactéries symbiotiques capables de transformer l'azote atmosphérique (N2) en ammoniac (NH3) utilisable par la plante s'établissent dans des structures particulières des racines, les nodosités. La plante commande le comportement de ces bactéries par l'intermédiaire d'un signal chimique.

Cliquer pour agrandir. Les protubérances sur cette racine de luzerne d’Italie (Medicago italica), une légumineuse, sont des nodosités. Elles accueillent les bactéries symbiotiques qui alimentent la plante en azote. © Ninjatacoshell CC by-sa

« Nous avons découvert un nouveau processus biologique qui permet aux légumineuses de contrôler le comportement des bactéries symbiotiques, explique la biologiste moléculaire Sharon Long. Ces plantes possèdent une chaîne métabolique spécialisée qui génère des "protéines signal" spécifiques. Jusqu'à présent, celles-ci étaient inconnues, mais il s'avère qu'elles ont un rôle essentiel dans la fixation de l'azote. »

Le patron des usines d’azote a été découvert

En comparant les génomes normaux de fabacées avec ceux de mutants incapables d'utiliser l'azote atmosphérique, Dong Wang a identifié le gène responsable de ce signal chimique. Cette découverte permettrait d'améliorer à l'avenir certaines plantes pour les rendre plus efficaces. Ainsi, l'on pourrait réduire les quantités d'engrais azotés utilisées et donc le coût des récoltes, mais aussi les pollutions dues à la diffusion de l'azote excédentaire dans l'environnement.

L'équipe de Sharon Long, dont les travaux sont détaillés dans la revue Science, a en effet isolé un groupe de mutants particuliers qui ne pouvaient fixer l'azote atmosphérique. L'analyse des nodosités a révélé que les bactéries n'étaient pas en cause puisqu'elles possédaient toute la machinerie enzymatique nécessaire. Cependant, elles ne recevaient pas le message chimique qui leur commande de produire de l'ammoniac. Les plants mutants synthétisaient tous les précurseurs à la protéine signal, mais il manquait une enzyme clef.

La comparaison des génomes a permis d'identifier un gène manquant chez ces mutants. Le transfert de ce gène chez les mutants a rétabli la communication entre l'organisme végétal et les bactéries et confirmé que ce gène est bien responsable de la synthèse de cette enzyme clef.

« Les rhizobiums (bactéries symbiotiques des fabacées) sont des partenaires essentiels pour la mise en valeur des terres, conclut Sharon Long. Pour s'emparer des symbioses existantes et les aider à devenir plus performantes, les optimiser pour les rendre plus productives même lorsque les conditions se détériorent, des éléments comme la compréhension de la façon d'améliorer la fixation de l'azote chez les légumes sont cruciaux. »

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