A un enfant, le sol n'est que de la terre – une maison pour les vers. A un jardinier, Le sol est un ensemble de matière organique et de nutriments. Mais aux plantes, le sol est un foyer d'activité chimique. Et les plantes ne font pas qu'observer, ils participent activement à cette activité.

Les plantes libèrent des produits chimiques dans le sol, appelés exsudats, qui indiquent aux microbes d'activer ou de désactiver certains processus chimiques. Les scientifiques commencent à comprendre ces signaux et espèrent les exploiter pour améliorer l'efficacité, la durabilité et l'impact environnemental de l'industrie agricole de mille milliards de dollars.

Les trois principaux nutriments dont les plantes ont besoin pour pousser sont le carbone, l'azote et le phosphore. Les besoins en carbone d'une plante proviennent de l'air sous forme de dioxyde de carbone, mais les besoins en azote et phosphore viennent du sol, et souvent l'azote est l'élément naturellement le plus rare - et ainsi augmenter leurs rendements, les agriculteurs ajoutent de l'azote au sol.

L'engrais azoté artificiel est une composante essentielle d'un système agricole qui nourrit plus de 7 milliards de personnes, mais cela a un coût environnemental énorme. Au fur et à mesure que la population augmente, et à mesure que les habitudes alimentaires évoluent vers des régimes plus carnés, la pollution à l'azote devrait devenir encore plus problématique.

Lutte contre la pollution azotée

« La mesure dans laquelle nous nous sommes mêlés du cycle de l'azote à l'échelle mondiale est étonnante, " dit le professeur Herbert Kronzucker, directeur de la School of BioSciences de l'Université de Melbourne.

« 210 millions de tonnes d'azote par an sont extraites de l'atmosphère et transformées en une forme solide d'azote par les activités humaines. Et la plupart de cela finit comme engrais dans les sols agricoles.

"Mais moins de la moitié de cela peut être capturé par les plantes. Le reste est perdu dans l'atmosphère sous forme d'azote gazeux ou d'oxyde nitreux, un gaz à effet de serre, ou s'infiltre dans les cours d'eau où c'est un polluant majeur.

"Aux Etats-Unis, plus de la moitié de tous les lacs sont gravement touchés par trop d'azote ou de phosphore."

Mais si au lieu d'ajouter de plus en plus d'azote au sol, aidons-nous les plantes à mieux utiliser l'azote déjà présent ?

Le professeur Kronzucker et ses collègues de l'Université de Toronto, L'Université Laval et l'Académie chinoise des sciences recherchent des cultures qui communiquent avec le sol de manière à réduire leurs besoins en azote.

"Nous nous sommes intéressés à la relation entre les produits chimiques des plantes et l'impact qu'ils ont sur les microbes du sol, " dit le professeur Kronzucker.

L'ingérence humaine

L'azote prend de nombreuses formes chimiques. Les formes les plus utiles pour la croissance des plantes sont le nitrate (NO3-) et l'ammoniac (NH3). Les processus chimiques dans le sol transforment l'azote entre ces formes et d'autres.

Un exemple est un processus appelé nitrification, qui transforme l'ammoniac en nitrate. Le nitrate est problématique dans le sol car, alors que les plantes adorent ça, il ne colle pas comme le fait l'ammoniac. Il a tendance à se dissoudre dans l'eau et est éliminé du sol par la pluie et les eaux souterraines. Aussi, les microbes du sol transforment le nitrate en azote gazeux, ce qui est inutile aux plantes.

Tous ces processus sont réversibles, et finalement l'azote gazeux est renvoyé au sol par un autre processus microbien appelé fixation de l'azote, mais ce processus est trop lent pour les systèmes agricoles industriels. Les agriculteurs doivent continuer à ajouter de plus en plus d'azote, et généralement sous forme d'engrais azotés artificiels.

Ces engrais sont produits à l'aide d'un processus industriel énergivore qui « fixe » l'azote gazeux en le transformant en ammoniac. Ce processus, appelé procédé Haber-Bosch, a été un facteur majeur de la Révolution verte qui a commencé dans les années 1960 et fournit maintenant de la nourriture à plus de 7 milliards de personnes.

Dans les années récentes, l'activité humaine a plus que doublé la quantité d'azote entrant dans le sol de la Terre. Et la moitié de cet azote supplémentaire est gaspillée. Mais le professeur Kronzucker dit que cela ne doit pas nécessairement être ainsi.

Les plantes qui poussent dans des zones où la disponibilité d'azote est faible ou intermittente produisent des exsudats qui peuvent bloquer ou améliorer les transformations de l'azote du sol pour améliorer l'absorption d'azote lorsque la disponibilité de l'azote du sol est faible.

Le potentiel des exsudats végétaux

Le professeur Kronzucker a commencé à étudier comment les exsudats végétaux interagissent avec la chimie de l'azote du sol dans les arbres forestiers du Canada. Mais il s'est depuis intéressé de plus en plus à la manière dont cette interaction fonctionne avec les principales plantes cultivées du monde.

L'année dernière, son groupe a publié ses recherches sur les exsudats végétaux du riz.

« Le riz nourrit trois milliards de personnes, mais il n'avait pas été étudié pour ses exsudats végétaux, " dit le professeur Kronzucker.

Ils ont découvert que toutes les souches de riz qu'ils ont testées avaient des exsudats qui pourraient avoir un impact sur l'azote du sol.

"C'est un changement de paradigme. Partout où nous regardons, nous trouvons quelque chose, " dit le professeur Kronzucker.

L'équipe a ensuite entrepris de passer en revue toutes les études existantes sur les exsudats végétaux dans le riz, blé et maïs. Ils étaient particulièrement intéressés par les produits chimiques qui inhibent spécifiquement la nitrification, le processus qui transforme l'ammoniac en nitrate.

Cet ouvrage est publié dans Plantes naturelles .

Ils ont découvert que l'on sait très peu de choses sur ces inhibiteurs biologiques de nitrification (INB) dans les exsudats racinaires du blé et du maïs, les deux plus grandes cultures mondiales après le riz. En réalité, on ne sait rien des INB du maïs.

De son expérience avec le riz, Le professeur Kronzucker pense que ces exsudats se retrouveront dans le blé et le maïs, nous avons juste besoin de les chercher.

À mesure que nous comprenons mieux comment les plantes communiquent avec le sol, ces découvertes pourraient conduire à de nouvelles techniques agricoles, additifs de sol artificiels, ou la modification génétique pour produire des souches de cultures qui peuvent limiter la perte d'azote. Cependant, Le professeur Kronzucker dit qu'il y a "un énorme potentiel" dans le simple criblage des cultivars de riz existants, blé et maïs pour les "superstars de l'azote".

« Si vous faites bien le travail de dépistage avec les types de génotypes qui existent, vous n'avez pas à regarder la modification génétique, " il dit.

Une nouvelle révolution verte

Le professeur Kronzucker n'est pas surpris que la racine exsude du riz, le blé et le maïs sont si mal compris. Dans les pays développés, les engrais azotés sont relativement bon marché et les agriculteurs ont été peu incités à consacrer du temps ou des efforts à réduire leur utilisation d'engrais. Par conséquent, il y a eu peu d'incitations, ou de financement, pour que la recherche y contribue. Le professeur Kronzucker pense que cela va changer.

« Maintenant, nous avons des plafonds de carbone – nous avons des moyens de réduire les émissions de carbone. Nous avons besoin de moyens similaires pour réduire les émissions d'azote. Les bonnes pratiques doivent être récompensées, et les mauvaises pratiques devraient être sanctionnées. »

Il espère que cela conduira à une nouvelle révolution verte.

« Depuis le début de la révolution verte dans les années 1960, nous avons connu un succès phénoménal en termes de rendement. Mais parce que les engrais étaient si facilement disponibles, la plupart des cultivars ont été développés dans des systèmes riches en azote et en phosphore, pas sous limitation nutritionnelle.

"Maintenant, il y a une évolution vers des cultivars efficaces en nutriments. Dans certaines parties de la planète, les agriculteurs le font par nécessité, ils n'ont pas le choix. En Afrique, il est typique de travailler dans des conditions limitées en nutriments. »

Le professeur Kronzucker dit que des endroits comme l'Afrique sont l'endroit où les "superstars de l'azote" seront trouvées.

"Dans ces endroits, il y a beaucoup de trésors que les agriculteurs ont sélectionnés."