Comment les bactéries fertilisent le soja

Les plantes ont besoin d'azote sous forme d'ammonium pour pouvoir pousser. Pour de très nombreuses cultures, les agriculteurs doivent apporter cet ammonium dans les champs sous forme d'engrais. La production d'ammonium est gourmande en énergie et coûteuse, et le mode de production actuel émet beaucoup de CO₂ libéré .

Quelques rares plantes de culture se procurent toutefois elles-mêmes leur approvisionnement en ammonium : Des bactéries capables de transformer l'azote de l'air en ammonium vivent dans les racines des haricots, des pois, du trèfle et d'autres légumineuses. Les plantes et les bactéries appelées nodosités en profitent toutes deux, et jusqu'à présent, la vision scientifique de cette symbiose était assez simple : la plante reçoit de l'ammonium des bactéries, et les bactéries reçoivent en retour de la plante des molécules d'acide carboxylique riches en carbone.

Interaction plus complexe que prévu

Des chercheurs de l'ETH dirigés par Beat Christen, professeur de biologie systémique expérimentale, et Matthias Christen, scientifique à l'Institut de biologie systémique moléculaire, ont maintenant pu montrer que l'interaction entre la plante et les bactéries est plus complexe : outre le carbone, les bactéries tirent de la plante l'arginine, un acide aminé riche en azote.

"Bien que la fixation de l'azote par les bactéries des nodosités soit étudiée depuis de nombreuses décennies, les connaissances étaient incomplètes", explique Beat Christen. "Nos nouvelles connaissances permettront de réduire la dépendance de l'agriculture aux engrais ammoniacaux et donc de rendre l'agriculture plus durable".

Les chercheurs ont étudié et décrypté les voies métaboliques des bactéries des nodosités, qui cohabitent avec le trèfle et le soja, en utilisant des méthodes de biologie systémique. En collaboration avec le professeur Uwe Sauer de l'ETH, ils ont vérifié les résultats dans des expériences de croissance de plantes et des bactéries en laboratoire. Les scientifiques supposent que les nouvelles connaissances ne s'appliquent pas uniquement au trèfle et au soja, mais que les voies métaboliques se déroulent de manière similaire chez les autres légumineuses.

Plutôt une lutte que du volontariat

Ces découvertes fournissent une nouvelle vision de la coexistence entre les plantes et les bactéries des nodosités. "Contrairement à ce qui est souvent présenté, cette symbiose ne se caractérise pas par un donnant-donnant volontaire. Au contraire, les deux partenaires s'exploitent mutuellement autant que possible", explique Matthias Christen.

Comme les scientifiques ont pu le montrer, le soja et le trèfle ne déroulent pas le tapis rouge à leurs bactéries nodulées, mais les accueillent comme un agent pathogène : les plantes tentent de priver les bactéries d'oxygène et les exposent à un environnement acide. Les bactéries se démènent pour survivre dans ce milieu inhospitalier. Elles utilisent l'arginine des plantes, car grâce à elle, elles peuvent passer à un métabolisme pour lequel elles n'ont besoin que de peu d'oxygène.

Pour neutraliser l'environnement acide, les microbes transfèrent des protons acidifiants sur des molécules d'azote de l'air. Il en résulte de l'ammonium, dont ils se débarrassent en le faisant sortir de la cellule bactérienne et en le donnant ainsi à la plante. "L'ammonium, si précieux pour la plante, n'est donc pour les bactéries qu'un déchet issu de leur lutte pour la survie", explique Beat Christen.

La transformation de l'azote moléculaire en ammonium n'est pas seulement gourmande en énergie pour l'industrie, elle l'est aussi pour les bactéries des nodosités. Le mécanisme nouvellement décrit explique pourquoi les bactéries dépensent autant d'énergie : Il leur permet de survivre.

Vers une agriculture durable grâce à la biotechnologie

Les nouvelles connaissances pourront être utilisées dans l'agriculture et la biotechnologie pour transférer la fixation bactérienne de l'azote à des plantes cultivées qui ne sont pas des légumineuses, par exemple le blé, le maïs ou le riz. Les scientifiques ont certes déjà essayé à plusieurs reprises - mais avec un succès modeste, car une pièce importante du puzzle du métabolisme n'était pas encore connue. "Maintenant que nous avons décrypté le mécanisme en détail, les chances de mener cette approche à bien devraient augmenter", déclare Beat Christen.

Il est envisageable d'insérer directement dans les plantes cultivées tous les gènes nécessaires à la voie métabolique par des procédés biotechnologiques. Une autre approche consisterait à transférer ces gènes dans des bactéries qui interagissent avec les racines du blé ou du maïs. Actuellement, ces bactéries ne transforment pas l'azote de l'air en ammonium ; on pourrait les y aider par biotechnologie. Les chercheurs de l'ETH poursuivront cette approche.