L’azote est un nutriment essentiel à la croissance des plantes, mais la surutilisation d’engrais azotés synthétiques en agriculture n’est pas durable. Dans un post de synthèse publié dans la revue Traits in Microbiology le 26 septembre, une équipe de bactériologistes et de phytologues discute de la possibilité d’utiliser le génie génétique pour faciliter les relations mutualistes entre les plantes et les microbes fixateurs d’azote appelés « diazotrophes ». Ces associations artificielles aideraient les cultures à acquérir l’azote de l’air en imitant les mutualismes entre les légumineuses et les bactéries fixatrices d’azote.
« La conception de diazotrophes associatifs pour fournir de l’azote aux cultures est une option prometteuse et relativement rapidement réalisable aux problèmes de coût élevé et de durabilité associés aux engrais azotés synthétiques », écrit l’équipe de recherche dirigée par l’auteur principal Jean-Michel Ané de l’Université du Wisconsin. Madison.
Les diazotrophes sont des espèces de bactéries et d’archées du sol qui « fixent » naturellement l’azote atmosphérique en ammonium, une resource que les plantes peuvent utiliser. Certains de ces microbes ont noué des relations mutualistes avec les plantes, dans lesquelles celles-ci leur fournissent une supply de carbone et un foyer sûr et pauvre en oxygène, et en retour, ils leur fournissent de l’azote. Par exemple, les légumineuses abritent des microbes fixateurs d’azote dans de petits nodules sur leurs racines.
Cependant, ces mutualismes ne se produisent que dans un petit nombre de plantes et un nombre restreint d’espèces cultivées. Si davantage de plantes étaient capables de former des associations avec des fixateurs d’azote, cela réduirait le besoin d’engrais azotés synthétiques, mais ce type de relations prend des éternités pour évoluer naturellement.
Remark améliorer la fixation de l’azote dans les cultures non légumineuses est un défi long term en agriculture. Plusieurs méthodes différentes ont été proposées, notamment la modification génétique des plantes afin qu’elles produisent elles-mêmes de la nitrogénase, l’enzyme que les fixateurs d’azote utilisent pour convertir l’azote atmosphérique en ammonium, ou la conception de plantes non légumineuses pour produire des nodules racinaires.
Une méthode choice – le sujet de cette revue – impliquerait l’ingénierie à la fois de plantes et de microbes fixateurs d’azote pour faciliter les associations mutualistes. Essentiellement, les plantes seraient conçues pour être de meilleurs hôtes, et les microbes seraient conçus pour libérer as well as facilement de l’azote fixe lorsqu’ils rencontrent des molécules sécrétées par les plantes hôtes modifiées.
« Étant donné que les diazotrophes libres ou associatifs ne partagent pas de manière altruiste leur azote fixe avec les plantes, ils doivent être manipulés pour libérer l’azote fixe afin que les plantes puissent y accéder », écrivent les auteurs.
L’approche s’appuierait sur une signalisation bidirectionnelle entre les plantes et les microbes, ce qui se produit déjà naturellement. Les microbes possèdent des chimiorécepteurs qui leur permettent de détecter les métabolites que les plantes sécrètent dans le sol, tandis que les plantes sont capables de détecter les modèles moléculaires associés aux microbes et les hormones végétales sécrétées par les microbes. Ces voies de signalisation pourraient être modifiées by way of le génie génétique pour rendre la conversation additionally spécifique entre des paires de plantes et de microbes modifiés.
Les auteurs discutent également des moyens de rendre ces relations techniques additionally efficaces. La fixation de l’azote étant un processus gourmand en énergie, il serait utile que les microbes soient capables de réguler la fixation de l’azote et de ne produire de l’ammonium que lorsque cela est nécessaire. « S’appuyer sur la signalisation provenant de petites molécules dépendantes des plantes garantirait que l’azote n’est fixé que lorsque la souche modifiée est proche de l’espèce cultivée souhaitée », écrivent les auteurs. « Dans ces systèmes, les cellules effectuent une fixation à forte intensité énergétique uniquement lorsque cela est le moreover bénéfique pour la tradition. »
De nombreux microbes fixateurs d’azote pourraient apporter aux plantes des avantages supplémentaires au-delà de la fixation de l’azote, notamment en favorisant la croissance et la tolérance au strain. Les auteurs affirment que les recherches futures devraient se concentrer sur « l’empilement » de ces multiples avantages. Cependant, comme ces processus sont énergivores, les chercheurs suggèrent de développer des communautés microbiennes composées de plusieurs espèces qui apportent chacune des bénéfices différents pour « répartir la charge de generation entre plusieurs souches ».
Les auteurs reconnaissent que la modification génétique est une dilemma complexe et que l’utilisation à grande échelle d’organismes génétiquement modifiés en agriculture nécessiterait l’acceptation du general public. « Il doit y avoir une interaction transparente entre les scientifiques, les sélectionneurs, les producteurs et les consommateurs sur les risques et les avantages de ces systems émergentes », écrivent les auteurs.
Il y a aussi la problem du bioconfinement. Étant donné que les microbes échangent facilement du matériel génétique au sein et entre les espèces, des mesures seront nécessaires pour empêcher la propagation du matériel transgénique dans les microbes indigènes des écosystèmes environnants. Plusieurs de ces méthodes de bioconfinement ont été développées en laboratoire, par exemple en modifiant les microbes de manière à ce qu’ils dépendent de molécules qui ne sont pas naturellement disponibles, ce qui signifie qu’ils seront limités aux champs dans lesquels les plantes hôtes modifiées sont présentes, ou en connectant les microbes avec des « coupe-circuits ». Les auteurs suggèrent que ces mesures de contrôle pourraient être additionally efficaces si elles étaient superposées, motor vehicle chaque mesure a ses limites, et ils soulignent la nécessité de tester ces mutualismes plantes-microbes modifiés dans les conditions variables des champs dans lesquels les cultures sont cultivées.
« L’utilisation pratique des interactions plantes-microbes et leur transition du laboratoire vers la terre restent difficiles en raison de la grande variabilité des facteurs environnementaux biotiques et abiotiques et de leur influence sur les plantes, les microbes et leurs interactions », écrivent les auteurs. « Les essais dans des environnements hautement contrôlés tels que les serres se traduisent souvent mal par les circumstances sur le terrain, et nous proposons que les souches modifiées soient testées in addition facilement dans le cadre d’essais sur le terrain hautement répliqués. »
