Relation symbiotique entre plantes et bactéries ou fixation biologique
L’azote est indispensable aux plantes. Car, il intervient dans la constitution de nombreuses biomolécules telles que : les protéines, les acides nucléiques, les nucléotides ou la chlorophylle. Après la disponibilité en eau, la disponibilité en azote est le second facteur limitant de la croissance des plantes. Les plantes se procurent l’azote dont elles ont besoin en l’absorbant par les racines sous forme de NO3 ou NH3 . Mais, certaines espèces de plantes sont également capables d’établir une relation avec des bactéries pouvant utiliser l’azote de l’air : c’est la fixation biologique.
La relation symbiotique fixatrice d’azote
Le processus symbiotique
Seuls les bactéries réalisent la fixation biologique de l’azote atmosphérique. Outre les cyanobactéries marines, il existe des bactéries libres dans le sol. Elles seraient alors responsables de 5 à 10 % de la fixation biologique de l’azote. Elles sont aérobies ou anaérobies, phototrophes ou chimiotrophes. La troisième catégorie de bactéries comprend les bactéries du sol. Elles vivent alors en symbiose, en relation, avec le système racinaire des plantes, dont le type rhizobium rentrant en symbiose avec les légumineuses.
Le processus symbiotique commence par la reconnaissance mutuelle entre partenaires. La sécrétion de flavonoïdes par les racines attirent alors les bactéries vers elles. Puis, elles synthétisent des lipo-chito-oligosaccharides appelés facteurs nod. A la surface des racines, les bactéries s’attachent au poil absorbant. L’extrémité se courbe sous forme d’une crosse du berger. Au sein de laquelle, les microsymbiotes se rassemblent. Une structure tubulaire nommée cordon d’infection, contient les bactéries qui progressent vers le cortex racinaire. Les facteurs nod provoquent la dédifférenciation de cellules de ce même cortex racinaire, conduisant donc à la création d’un méristème à l’origine d’un nouvel organe : la nodosité. Les bactéries symbiotiques en envahissent alors la nodosité de manière progressive.
Les nodosités
Certaines nodosités à croissance indéterminée ont une structure divisée en plusieurs zones :
- la première est une zone de division : les cellules se divisent et la nodosité croit,
- la deuxième est une zone d’infection : les bactéries rentrent dans les cellules végétales,
- la troisième est une zone de fixation : l’azote atmosphérique est réduit en ammoniac,
- la quatrième est une zone de sénescence.
Au sein de la nodosité, la concentration en oxygène est réduite, par rapport à la teneur atmosphérique. Ces conditions permettent donc à l’enzyme responsable de la fixation d’azote, la nitrogénase bactéroïdienne d’être active.
Dans le fonctionnement de la symbiose, la plante approvisionner les partenaires microbiens en nutriments carbonés pour alimenter leur métabolisme énergétique. En échange, les bactéries fournissent à la plante de l’ammoniac. Ce dernier s’incorpore alors dans les protéines végétales.
Dans ce cas, la plante est finalement capable de puiser dans l’atmosphère le carbone (via la photosynthèse) et l’azote (via la fixation symbiotique), dont elle a besoin pour la synthèse de ses biomolécules.
Aujourd’hui, l’estimation de la fixation biologique est entre 150 et 250 millions de tonnes par an, dont environ 50 millions de tonnes par les légumineuses en symbiose. A titre de comparaison, la production industrielle d’engrais azotés représente environ 100 millions de tonnes par an.
Les nombreux intérêts de cette symbiose plantes-bactéries
Du fait de la symbiose avec les bactéries fixatrices d’azote, les légumineuses constituent donc un engrais naturel. A leur mort, lors de la dégradation des parties racinaires et aériennes, la minéralisation de la matière organique libère donc l’azote sous des formes facilement assimilables pour les espèces voisines ou la culture suivante (nitrate, ammoniac, acides aminés). Les légumineuses ne nécessitant pas ou peu de fertilisation. Elles permettent une forte économie en engrais. En outre, le coût de fabrication des engrais est élevé. Il faut l’équivalent de deux tonnes de pétrole pour produire une tonne d’engrais azoté. Elles ont également un effet positif sur le bilan des émissions de gaz à effet de serre.
En plus des effets positifs dus à leur symbiose avec Rhizobium, les légumineuses présentent également d’autres atouts :
- qualité nutritionnelle pour l’alimentation humaine et animale,
- amélioration du prélèvement du phosphore des sols par une symbiose mycorhizienne,
- effet sur le sol,
- effet précédent à l’échelle de la rotation…
Les légumineuses peuvent être semées seules ou en association. Pour ces dernières, l’obtention des bénéfiques est étroitement liée à la proportion des légumineuses au sein de l’association. Ainsi, dans les prairies, les optima de fonctionnement sont d’environ 30 à 40 % de légumineuses fourragères pour les associations pâturées et de 50 à 70 % pour les associations destinées à la fauche. Dans tous les cas, les associations permettent alors de stabiliser les rendements quand l’azote est le facteur limitant pour la culture.
Source :
BROUQUISSE Renaud, PUPPO Alain (2020), Des plantes qui vivent de l’air du temps, Encyclopédie de l’Environnement, [en ligne ISSN 2555-0950]
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