11Animation scientifique - TCEM - 27 mai 2011 1 Lintensification écologique en nutrition minérale P et K : mécanismes et résultats Pierre-Henri GUIRAL

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L’intensification écologique

en nutrition minérale P et K :

mécanismes et résultatsPierre-Henri GUIRAL


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Introduction

L’intensification écologique en agriculture ?

• Inspirée de l’agroécologie et de l’agriculture de conservation.• L’expression a vu le jour lors du Grenelle de l’environnement

en 2007. • Mode d’agriculture utilisant les fonctions naturellement

productives d’un écosystème et en les optimisant. Il apparaît possible d’obtenir des rendements comparables à ceux de l’agriculture conventionnelle tout en réduisant le recours aux intrants chimiques et la dégradation de l’environnement. (d’après CIRAD)

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Oh mon dieu !Que ça ?

Hé oui,Je me suis mis à

l’agriculture écologiquement

intensive…


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Prélèvement de P prédit en fonction du prélèvement de P observé. D’après Schenk et Barber (1979)

• Augmentation du prélèvement et/ou augmentation de la biodisponibilité des formes chimiques dans les sols pauvres

• Trois hypothèses :– La morphologie racinaire

– L’impact chimique des racines

– Les mycorhizes et/ou bactéries

Introduction


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Introduction

Différences inter spécifiques au niveau du prélèvement :

Effet des différents types de plantes sur le prélèvement du K. Wang et al. 2000

• Meilleur prélèvement par rye-grass par rapport à la luzerne.

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Introduction

Différences intra spécifiques au niveau du prélèvement :

Prélèvement du P en milieu pauvre par rapport au milieu riche.Brunel et al., 2010

• Traitement :Low P : 0.04 mg P/l High P : 2.36 mg P/l

•Différences entre génotypes d’une même espèce de maïs


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• Quels sont les mécanismes qui augmentent l’efficience de prélèvement de P et K dans les sols pauvres ?

• Quels sont les mécanismes qui expliquent les différences de prélèvement entre espèces ou variétés ?

• La transposition à grande échelle est-elle possible ?

• L’intensification écologique peut elle remplacer la fertilisation ?

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Plan

Rappel de nutrition minérale en P et K

I) Mécanismes

II) Applications agronomiques et biotechnologiques

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Rappel de nutrition minérale en P et K

• Le pH intervient sur la biodisponibilité

• Le potentiel redox agit sur la biodisponibilité

•La majorité des échanges se fait par diffusion

Potassium :

• Toujours sous forme inorganique

• Assimilable par les plantes sous forme : K+

• Peut être libre (CEC, Solution), fixé (Argiles) ou cristallisé (feldspath et micas)

Phosphore :

• P inorganique ; P organique

• Seuls les orthophosphates sont assimilables par les plantes

• Spéciation du P complexe

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Gradient de diffusion :

Profil de concentrations à la surface de la racine après 10 jours de prélèvement.Barber, 1984


P et K sont des minéraux peu labile

On suppose la racine comme un puits infini.


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I) Mécanismes

1. La morphologie racinaire

Le Root sur Shoot : R/S La structure racinaire Les poils absorbants

L’assimilation des éléments minéraux est directement corrélée à la surface d’échange.


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Le rapport R/S :

D’après Ericsson, 1995

Ressources (% de l’optimum)

R R+S

« L'organe le plus proche du site d'absorption d'un élément déficient ou de synthèse d'un métabolite déficient est prioritaire dans l'allocation des ressources »

Augmente pour P

Diminue pour K

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Différences de rapport R/S entre espèces :


Taux de croissance de la partie aérienne sur la longueur moyenne des racines.Dessougi et al. 2002

La betterave alloue environ trois fois plus à la partie aérienne que le blé ou l’orge.

~ exigence ?


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La morphologie racinaire est directement liée à la biodisponibilité des nutriments.

D’après Lopez-Bucio et al., 2003

Carence en P :

• Racine primaire moins développé

• Développement des racines latérales

• Développement des poils absorbants

Effet de l’auxine

Réponse du système racianire d’Arabidopsis thaliana en fonction de P


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Les poils absorbants

• Jusqu’à 70% du prélèvement

– Augmentation de la longueur– Augmentation de la densité

(Lopez-Bucio et al., 2003)

Low K Moderate K

D’après Hogh-Jensen et Pedersen, 2003Longueur des poils absorbants


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2. L’activité racinaire – absorption racinaire

• L’activité racinaire a un fort impact sur les propriétés physiques et chimiques de la rhizosphère grâce à de nombreux mécanismes.

•La capacité de prélèvement de la plante est un facteur important dans le prélèvement.

•Exemple du Lupin


Le pH de la rhizosphère :

Li et al., 2007

Réponse de l’activité racinaire sur le pH de la rhizosphère dans un milieu déficient en P.

Acidification de la rhizosphère

Sol déficient en P ou K

Diminution de la nutrition minérale nitrique(Synergies/ions accompagnateurs)

Libération de protons


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Les exsudats racinaires :

Acides organiques :Citrate Malate Oxalate

La phosphatase :

Exsudation de citrate par les racines protéoïdes de Lupin blanc cultivé en sol calcaire pauvre en P.D’après Dinkelaker et al, 1989.

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Les paramètres décrivant l’absorption racinaire :


Taux de prélèvement du K racinaire de deux espèces en fonction de la concentration :

La capacité de prélèvement est le facteur limitant. D’après Wang et al. (2011)

Vmax Vmax

Cmin

Cmin??


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• Exemple du Lupin : les racines protéoïdes

Partie racinaire spécialisé dans l’absorption de P

Racine protéoïdechez le lupin

Morphologie racinaire :

Libération de substances :Acides organiquesPhosphatases

Surexpression de gènes :Transporteurs Pi


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3. Les microorganismes

– Symbiotiques/non symbiotiques

– Les microorganismes ont un fort impact sur les plantes.

Morphologie racinaire

L’activité racinaire

Le prélèvement en P et K

– Significatif dans les milieux pauvres


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• Symbioses mycorhiziennes

– 80% des plantes vasculaires présentent ou sont susceptibles d’être colonisés par les mycorhizes

– Symbiose : carbone vs minéraux

– Mycorhizes arbusculaires ou endomycorhizes sont les plus communes


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La voie des hyphes :

– D’après Smith et Read (1997), les mycorhizes augmentent la surface de contact de la plante avec le sol de plusieurs dizaines de fois.

– Les mycorhizes ont la capacités de d’utiliser le phosphore organique grâce à l’excrétion de phosphatases Représentation schématique des deux voies de

prélèvement des orthophosphates. Bucher, 2006.

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Symbiose endomycorhizienne : Maïs + Glomus mosseae

D’après Berthelin et Leyval, 1982

Influence des microorganismes symbiotiques sur la croissance et le prélèvement du maïs.

• Augmentation de la biomasse aérienne

•Augmentation du prélèvement du K



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• Microorganismes non symbiotiques

D’après Berthelin et Leyval, 1982

Influence des microorganismes non symbiotiques sur la croissance et le prélèvement du maïs.

Les bactéries :Grand pouvoir d’oxydoréduction sur les rochesMeilleure surface d’échange : 100cm²/cm3

Meilleure prospection du sol et/ou une libération d’auxines


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II) Applications agronomiques et biotechnologiques

• Exacerber ces mécanismes en agriculture.

• Applications de ces mécanismes pour augmenter la nutrition minérale des plantes cultivées.

• Diminuer l’utilisation d’intrants en conservant les rendements

• Mener la révolution « doublement verte » (Bruno Parmentier)


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• Micromaize

Effets contradictoires, positifs ou négatifs, de l’inoculation du même complexe microbien.

100

110

120

130

140

150

60-0 140-30 220-60

témoin

CRT1 + Pf153 + GI

100

110

120

130

140

150

0-0 80-60 160-120

témoin

CRT1 + Pf153 + GI

S

NS

NS

NS NS

S

CRT1 = bactérie Azospirillum, Pf153 = bactérie Pseumonas,

GI = Mycorhizes

q /ha 15% H2O

Fertilisation N P (kg N et P2O5 ha-1)


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• Bactéries PGPR (Plant Growth Promoting Rhizobacteria)

– Produit des phytohormones– Solubilisatrice de phosphore– Fixatrice d’azote– Libère des métabolites antifongiques

Effets positifs en conditions contrôlées : (Jacoud et al., 1998 ; Riggs et al., 2001)

Aucune expérimentation en plein champ n’a donné de résultats significatifs :

– Sur maïs : Mehnaz et al. (2009)– Sur banane : Kavino et al. (2010)


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• Organismes Génétiquement Modifiés

• Surexpression du gène sur tabac qui code pour la production de citrate. Lopez-Bucio et al., 2000

Couplage avec une mycorhize

• Surexpression du gène Pht1 d’Arabidopsis thaliana sur tabac qui code pour les transporteurs du phosphore.

Prélèvement de phosphore par des cellules de tabac transgéniques. Mitsukawa et al., 1997


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• Associations et rotations de cultures

Maïs/féveroles : en association dans l’espace (Li et al., 2007)

– Augmentation des rendement de 43 % pour le maïs.

– Augmentation des rendement de 26 % pour la féverole.

Légumineuse/non légumineuse :

– Soja/sorgho

– Orge/luzerne

– etc…

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Conclusion

• La transposition à grande échelle n’a pas fait ses preuves

• De nombreux mécanismes agissent sur le prélèvement des plantes et sur la biodisponibilité des éléments minéraux

• Rétroactions positive dans les sols de faible fertilité :L’allocation de carbone (R/S)

La morphologie racinaire

L’activité racinaire

L’absorption

L’activité des microorganismes

La facilitation

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Conclusion

Prélèvement de P prédit en fonction du prélèvement de P observé. D’après Schenk et Barber (1979)

Objectif de l’intensification écologique :

• Couplage des mécanismes pour augmenter les prélèvements

• Obtenir les mêmes rendements que dans un sol riche



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Axes de recherche

• Changement de critère dans la sélection variétale.Efficience de prélèvement

• Études des interactions entre microorganismes du sol.Quels sont les facteurs qui limitent les résultats en conditions réelles ?

• Études des facilitations entre espèces agricoles

• Prise en compte des interactions (N X P, K X eau, K X P, …)

• Modélisation du prélèvement dans des systèmes plus extensifs (plantes pérennes, travail simplifié du sol, cultures associées …)

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Rotation culturale

Résidus de cultures

Labour – Non labour

Gestion de l’irrigation

Promouvoir l’enracinement profond

Gestion de la fertilisation

Promouvoir une bonne structure du sol

Faciliter l’échange sol – plante

Perspectives agronomiques :

Promouvoir l’altération des minéraux primaires

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Bibliographie :


• Schenk M. K. & Barber S.A. Phosphate uptake by corn as affected by soil characteristics and root morphology. 1979

• Berthelin, J. & Leyval, C. Ability of symbiotic and non-symbiotic rhizosphere microflora of maize (Zea mays) to weather micas and to promote plant growth and plant nutrition. 1982

• Ericsson T. Growth and shoot: root ratio of seedlings in relation to nutrient availability. 1995

• Mitsukawa N. & al., Overexpression of an Arabidopsis thaliana high-affinity phosphate transporter gene in tobacco cultured cells enhances cell growth under phosphate-limited conditions. 1997

• J.C. Wang et al. Effect of plant types on release of mineral potassium from gneiss. 2000

• Lopez-Bucio J. & al. Enhanced phosphorus uptake in transgenic tobacco plants that overproduce citrate. 2000

• Nguyen C. Rhizodeposition of organic C by plants: mechanisms and controls. 2003

• Hogh-Jensen H. & Pedersen M.B. Morphological plasticity by crop plants and their potassium use efficiency. 2003

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• Lopez-Bucio et al. The role of nutrient availability in regulating root architecture. 2003

• Bucher M. Functional biology of plant phosphate uptake at root and mycorrhiza interfaces. 2006

• Wu L. et al. Developing existing plant root system architecture models to meet future agricultural challenges. 2005

• Li et al. Diversity enhances agricultural productivity via rhizosphere phosphorus facilitation on phosphorus-deficient soils. 2007

• Kavino M. Effect of chitinolytic PGPR on growth, yield and physiological attributes of banana (Musa spp.) under field conditions. 2010

• Brunel-Muguet S., Pellerin S., Mollier A. How does early leaf reduction impact on development of adaptation strategies to low phosphorus availability in Zea Mays L.? 2010

• Mehnaz S. Growth promoting effects of corn (Zea mays) bacterial isolates under greenhouse and field conditions. 2010

• Martinefsky M.J. et al. Analysis of the response of two tall fescue cultivars of different origin to P deficiency. 2010

• Dinkelaker et al. Citric acid excretion and precipitation of calcium citrate in the rhizosphere of white lupin (Lupinus albus L.)


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• Wu P. et al. Root morphological plasticity and biomass production of two Chinese fir clones with high phosphorus efficiency under low phosphorus stress. 2011

• Wang H.Y. et al. Plant use alternative strategies to utilize nonexchangable potassium in minerals. 2011.

• Smith, S.E. & Read D.J. – 1997. Mycorrhizal Symbiosis. Academic Press, London

• Projet Micromaize : Coordinateur : Moënne-Loccoz, CNRS/UCBL


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