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Les plantes ont besoin d'azote sous forme d'ammonium pour pouvoir se développer. Dans le cas de nombreuses plantes cultivées, les agricultrices et agriculteurs sont obligé·es d'épandre cet ammonium sur leurs champs comme engrais. La fabrication d'ammonium est un processus coûteux et à forte intensité énergétique. Les méthodes de production actuelles rejettent également de grandes quantités de CO2.
Cependant, une poignée de cultures approvisionnent leur propre réserve d'ammonium. Les racines des haricots, des pois, du trèfle et d'autres légumineuses abritent des bactéries (rhizobia) qui peuvent convertir l'azote de l'air en ammonium. Cette symbiose profite à la fois aux plantes et aux rhizobia dans une interaction que les scientifiques considéraient jusqu'à présent comme relativement simple : les bactéries fournissent à la plante de l'ammonium ; en retour, la plante leur fournit des molécules d'acide carboxylique carboné.
Une interaction étonnamment complexe
Sous la direction de Beat Christen, professeur de biologie systémique expérimentale, et de Matthias Christen, scientifique à l'Institut de biologie systémique moléculaire, des chercheuses et chercheurs de l'ETH ont maintenant réussi à démontrer que l'interaction plante-bactérie est en fait étonnamment complexe. Outre le carbone, la plante donne aux bactéries l'acide aminé arginine, riche en azote.
«Bien que la fixation de l'azote dans les rhizobia ait été étudiée pendant de nombreuses années, il y avait encore des lacunes dans nos connaissances», explique Beat Christen. «Nos nouvelles découvertes permettront de réduire la dépendance des agricultrices et agriculteurs à l'égard des engrais à base d'ammonium, rendant ainsi l'agriculture plus durable».
À l'aide de méthodes de biologie systémique, les chercheuses et chercheurs ont étudié et élucidé les voies métaboliques des rhizobia qui cohabitent avec le trèfle et le soja. En collaboration avec le professeur Uwe Sauer de l'ETH Zurich, ils et elles ont vérifié les résultats des expériences de croissance avec les plantes et les bactéries en laboratoire. Les scientifiques pensent que leurs nouvelles découvertes ne s'appliqueront pas uniquement au trèfle et au soja, et que les voies métaboliques d'autres légumineuses sont régulées de la même manière.
Une bataille royale, pas une symbiose volontaire
Ces découvertes jettent un nouvel éclairage sur la coexistence des plantes et des rhizobia. «Cette symbiose est souvent présentée à tort comme un échange volontaire. En fait, les deux partenaires font tout leur possible pour s'exploiter mutuellement», déclare Matthias Christen.
Comme les scientifiques ont pu le démontrer, le soja et le trèfle ne déroulent pas exactement le tapis rouge pour leurs rhizobia, mais les considèrent plutôt comme des agents pathogènes. Les plantes tentent de couper l'approvisionnement en oxygène des bactéries et de les exposer à des conditions acides. Pendant ce temps, les bactéries peinent sans cesse à survivre dans cet environnement hostile. Elles utilisent l'arginine présente dans les plantes car elle leur permet de passer à un métabolisme qui ne nécessite pas beaucoup d'oxygène.
Pour neutraliser l'environnement acide, les microbes transfèrent des protons acidifiants à des molécules d'azote prélevées dans l'air. Cela produit de l'ammonium, dont ils se débarrassent en le conduisant hors de la cellule bactérienne et en le transmettant à la plante. «L'ammonium qui est si crucial pour la plante n'est donc qu'un déchet dans la lutte pour la survie de la bactérie», explique Beat Christen.
La conversion de l'azote moléculaire en ammonium est un processus à forte intensité énergétique, non seulement pour l'industrie mais aussi pour les rhizobia. Le mécanisme nouvellement caractérisé explique pourquoi les bactéries dépensent autant d'énergie dans ce processus : il assure leur survie.
Ouvrir la voie à une agriculture durable
L'agriculture et la biotechnologie pourront utiliser ces nouvelles connaissances pour transférer le processus de fixation de l'azote bactérien aux cultures non légumineuses, telles que le blé, le maïs ou le riz. Les scientifiques ont fait de nombreuses tentatives pour réaliser ce transfert, mais ont toujours rencontré un succès limité car une pièce importante du puzzle métabolique manquait. «Maintenant que nous avons cartographié le mécanisme dans ses moindres détails, cela devrait améliorer nos chances d'obtenir un résultat favorable», déclare Beat Christen.
Une approche possible consiste à utiliser des méthodes biotechnologiques pour insérer tous les gènes nécessaires à la voie métabolique directement dans les cultures. Une autre ligne d'action consisterait à transférer ces gènes dans des bactéries qui interagissent avec les racines du blé ou du maïs. Ces bactéries ne convertissent pas actuellement l'azote de l'air en ammonium, mais la biotechnologie a les moyens de le faire - et les chercheuses et chercheurs de l'ETH Zurich vont maintenant poursuivre cette approche.