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Dossier | Plantes

Les légumineuses, reines de la symbiose

Les pois, le soja ou encore la luzerne vivent en symbiose avec des bactéries qui leur permettent de fixer l’azote de l’atmosphère sans passer par les nitrates du sol. Une cohabitation que certains aimeraient bien transférer à d’autres familles de plantes

Si toutes les plantes étaient capables de suivre la même stratégie que les légumineuses pour s’alimenter en nitrates, les engrais seraient moins chers et les sols moins pollués. Les pois, le soja, luzerne et autre ont en effet réussi, au cours de leur évolution, une symbiose précieuse avec des bactéries, les rhizobia, qui leur permet de fixer l’azote directement depuis l’atmosphère. Contrairement au reste du règne végétal, cette famille de plantes ne dépend donc plus de la teneur des sols en nitrates

Cette cohabitation fructueuse est au centre des recherches de Xavier Perret, maître d’enseignement et de recherche au Département de botanique et de biologie végétale. Lui et son équipe s’intéressent plus particulièrement à une souche de bactéries surprenante par sa polyvalence. A elle seule, Sinorhizobium fredii NGR234 est en effet capable de fixer l’azote en symbiose avec 135 espèces de légumineuses différentes alors que la plupart des rhizobia ne possèdent que quelques hôtes potentiels. L’objectif des recherches consiste, entre autres, à découvrir les bases génétiques à l’origine d’une telle souplesse.

Essentielles à la survie

Les ressources en nitrates sont essentielles à la survie et à la croissance des plantes. L’azote, tout comme le carbone, l’oxygène et l’hydrogène, fait partie des éléments de base de la chimie organique, donc de la vie. Cet élément se trouve en abondance dans l’atmosphère (78% de l’air est composé de N₂, la molécule d’azote) mais sous une forme chimiquement inerte qu’aucun organisme supérieur n’est capable d’assimiler. Seules des microorganismes sont capables de casser cette molécule. Ces bactéries réduisent – ou fixent – l’azote et produisent ainsi des nitrates (NO₃) qu’elles relâchent dans le sol au profit essentiellement des plantes, suivies des animaux qui les mangent.

Il existe pourtant une exception à la règle: l’être humain. Aidé par sa science et son pouvoir industriel, il a commencé à fabriquer des nitrates en grandes quantités dès le début du XX^e siècle pour fertiliser les champs mais aussi pour fabriquer des explosifs. Le procédé, baptisé Haber-Bosch en l’honneur des chimistes allemands qui l’ont développé, est toutefois très gourmand en énergie et explique en bonne partie le coût actuel des engrais.

Choix idéal

Le problème avec les engrais artificiels, c’est que les cultures ont été suralimentées. La majorité des nitrates étendus n’ont pas été assimilés par les plantes. Lessivés par les pluies, ils ont provoqué l’eutrophisation de quantités de lacs et de cours d’eau. Ces composés, toxiques au-delà d’une certaine concentration, ont aussi pollué les nappes phréatiques.

De ce point de vue, les légumineuses se présentent comme un choix de culture idéal, puisqu’il est inutile de les arroser de nitrates. En plus d’apporter une nourriture rassasiante et équilibrée, elles sont capables de fixer l’azote par elles-mêmes. Il suffit qu’elles soient plantées en compagnie de leur bactérie fixatrice d’azote et le tour est joué. Les champs de soja sont ainsi gérés de cette façon au Brésil, l’un des plus grands producteurs de cette plante.

La symbiose entre la bactérie et la plante commence par un processus infectieux. Si la plante laisse entrer ce visiteur particulier, elle doit veiller à ce que tous les autres microorganismes, dont beaucoup sont des agents pathogènes, restent dehors. Ce mode de sélection, aujourd’hui bien connu, met en jeu tout un mécanisme génétique et moléculaire subtil sur lequel Xavier Perret a beaucoup travaillé. Le processus infectieux «choisi» conduit ensuite le rhizobia du sol jusqu’au cytoplasme de cellules situées au centre d’organes spécialisés appelés nodosités. Ces dernières se développent sur les racines ou, plus rarement, la tige des légumineuses.

Tout au long de ce cheminement, qui passe par la création d’un «cordon infectieux» reliant le point d’infection au centre des cellules de la nodosité, bactéries et plante s’échangent des signaux moléculaires. Une fois arrivés à destination, les rhizobia se différencient en bactéroïdes qui, grâce à une enzyme appelée nitrogénase, réduisent l’azote atmosphérique en ammonium (NH₄ ⁺). En échange, elles reçoivent de leur hôte de quoi produire l’énergie nécessaire pour fabriquer et alimenter la nitrogénase.

Plantes pionnières

«Grâce à cette symbiose, les légumineuses sont des plantes pionnières ou colonisatrices, précise Xavier Perret. Elles sont en effet capables de pousser partout, et en particulier sur des sols pauvres, impropres à l’agriculture, comme certains terrains en Afrique tropicale, où le cycle de l’azote est rapide et qui ont été longtemps surexploités.»

D’aucuns – dont la Fondation Bill et Melinda Gates – rêvent d’ailleurs de transférer un jour cette capacité d’entrer en symbiose avec les rhizobia à d’autres familles de plantes comme les céréales. Comprendre les spécificités génétiques qui rendent la souche Sinorhizobium fredii NGR234 si polyvalente pourrait sans doute contribuer à réaliser un jour cet objectif. Un objectif qui, aux yeux de Xavier Perret, est toutefois encore bien lointain: «Fruit de millions d’années d’évolution, la machinerie que j’étudie est tellement complexe et finement organisée qu’elle semble vraiment difficile à transposer. En tout cas, je souhaite bonne chance à ceux qui veulent essayer.»