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

2 22Animation scientifique - TCEM - 27 mai Introduction Lintensification écologique en agriculture ? Inspirée de lagroécologie et de lagriculture de conservation. Lexpression a vu le jour lors du Grenelle de lenvironnement en Mode dagriculture utilisant les fonctions naturellement productives dun écosystème et en les optimisant. Il apparaît possible dobtenir des rendements comparables à ceux de lagriculture conventionnelle tout en réduisant le recours aux intrants chimiques et la dégradation de lenvironnement. (daprès CIRAD)

3 3 Oh mon dieu ! Que ça ? Hé oui, Je me suis mis à lagriculture écologiquement intensive…

4 44Animation scientifique - TCEM - 27 mai Prélèvement de P prédit en fonction du prélèvement de P observé. Daprès 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 –Limpact chimique des racines –Les mycorhizes et/ou bactéries Introduction

5 55Animation scientifique - TCEM - 27 mai Introduction Différences inter spécifiques au niveau du prélèvement : Effet des différents types de plantes sur le prélèvement du K. Wang et al Meilleur prélèvement par rye-grass par rapport à la luzerne.

6 66 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 dune même espèce de maïs

7 77Animation scientifique - TCEM - 27 mai Quels sont les mécanismes qui augmentent lefficience 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 ? Lintensification écologique peut elle remplacer la fertilisation ?

8 88 Plan Rappel de nutrition minérale en P et K I)Mécanismes II)Applications agronomiques et biotechnologiques Animation scientifique - TCEM - 27 mai 2011

9 99 9 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

10 10 Gradient de diffusion : Profil de concentrations à la surface de la racine après 10 jours de prélèvement. Barber, 1984 Animation scientifique - TCEM - 27 mai 2011 P et K sont des minéraux peu labile On suppose la racine comme un puits infini.

11 11 Animation scientifique - TCEM - 27 mai I) Mécanismes 1.La morphologie racinaire Le Root sur Shoot : R/S La structure racinaire Les poils absorbants Lassimilation des éléments minéraux est directement corrélée à la surface déchange.

12 12 Animation scientifique - TCEM - 27 mai Le rapport R/S : Daprès Ericsson, 1995 Ressources (% de loptimum) 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

13 13 Différences de rapport R/S entre espèces : Animation scientifique - TCEM - 27 mai 2011 Taux de croissance de la partie aérienne sur la longueur moyenne des racines. Dessougi et al La betterave alloue environ trois fois plus à la partie aérienne que le blé ou lorge. ~ exigence ?

14 14 Animation scientifique - TCEM - 27 mai La morphologie racinaire est directement liée à la biodisponibilité des nutriments. Daprès Lopez-Bucio et al., 2003 Carence en P : Racine primaire moins développé Développement des racines latérales Développement des poils absorbants Effet de lauxine Réponse du système racianire dArabidopsis thaliana en fonction de P

15 15 Animation scientifique - TCEM - 27 mai Les poils absorbants Jusquà 70% du prélèvement –Augmentation de la longueur –Augmentation de la densité (Lopez-Bucio et al., 2003) Low KModerate K Daprès Hogh-Jensen et Pedersen, 2003 Longueur des poils absorbants

16 16 Animation scientifique - TCEM - 27 mai Lactivité racinaire – absorption racinaire Lactivité 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

17 17 Animation scientifique - TCEM - 27 mai 2011 Le pH de la rhizosphère : Li et al., 2007 Réponse de lactivité 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

18 18 Animation scientifique - TCEM - 27 mai 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. Daprès Dinkelaker et al, 1989.

19 19 Les paramètres décrivant labsorption racinaire : Animation scientifique - TCEM - 27 mai 2011 Taux de prélèvement du K racinaire de deux espèces en fonction de la concentration : La capacité de prélèvement est le facteur limitant. Daprès Wang et al. (2011) V max C min ?

20 20 Animation scientifique - TCEM - 27 mai Exemple du Lupin : les racines protéoïdes Partie racinaire spécialisé dans labsorption de P Racine protéoïde chez le lupin Morphologie racinaire : Libération de substances : Acides organiques Phosphatases Surexpression de gènes : Transporteurs Pi

21 21 Animation scientifique - TCEM - 27 mai Les microorganismes –Symbiotiques/non symbiotiques –Les microorganismes ont un fort impact sur les plantes. Morphologie racinaire Lactivité racinaire Le prélèvement en P et K –Significatif dans les milieux pauvres

22 22 Animation scientifique - TCEM - 27 mai Symbioses mycorhiziennes –80% des plantes vasculaires présentent ou sont susceptibles dêtre colonisés par les mycorhizes –Symbiose : carbone vs minéraux –Mycorhizes arbusculaires ou endomycorhizes sont les plus communes

23 23 Animation scientifique - TCEM - 27 mai La voie des hyphes : – Daprès 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 dutiliser le phosphore organique grâce à lexcrétion de phosphatases Représentation schématique des deux voies de prélèvement des orthophosphates. Bucher, 2006.

24 24 Symbiose endomycorhizienne : Maïs + Glomus mosseae Daprès 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 Animation scientifique - TCEM - 27 mai 2011

25 25 Animation scientifique - TCEM - 27 mai Microorganismes non symbiotiques Daprès Berthelin et Leyval, 1982 Influence des microorganismes non symbiotiques sur la croissance et le prélèvement du maïs. Les bactéries : Grand pouvoir doxydoréduction sur les roches Meilleure surface déchange : 100cm²/cm 3 Meilleure prospection du sol et/ou une libération dauxines

26 26 Animation scientifique - TCEM - 27 mai II) Applications agronomiques et biotechnologiques Exacerber ces mécanismes en agriculture. Applications de ces mécanismes pour augmenter la nutrition minérale des plantes cultivées. Diminuer lutilisation dintrants en conservant les rendements Mener la révolution « doublement verte » (Bruno Parmentier)

27 27 Animation scientifique - TCEM - 27 mai Micromaize Effets contradictoires, positifs ou négatifs, de linoculation du même complexe microbien. S NS S CRT1 = bactérie Azospirillum, Pf153 = bactérie Pseumonas, GI = Mycorhizes q /ha 15% H 2 O Fertilisation N P (kg N et P 2 O 5 ha -1 )

28 28 Animation scientifique - TCEM - 27 mai Bactéries PGPR (Plant Growth Promoting Rhizobacteria) –Produit des phytohormones –Solubilisatrice de phosphore –Fixatrice dazote –Libère des métabolites antifongiques Effets positifs en conditions contrôlées : (Jacoud et al., 1998 ; Riggs et al., 2001) Aucune expérimentation en plein champ na donné de résultats significatifs : –Sur maïs : Mehnaz et al. (2009) –Sur banane : Kavino et al. (2010)

29 29 Animation scientifique - TCEM - 27 mai 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 dArabidopsis thaliana sur tabac qui code pour les transporteurs du phosphore. Prélèvement de phosphore par des cellules de tabac transgéniques. Mitsukawa et al., 1997

30 30 Animation scientifique - TCEM - 27 mai Associations et rotations de cultures Maïs/féveroles : en association dans lespace (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…

31 31 Conclusion La transposition à grande échelle na 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 : Lallocation de carbone (R/S) La morphologie racinaire Lactivité racinaire Labsorption Lactivité des microorganismes La facilitation

32 32 Conclusion Prélèvement de P prédit en fonction du prélèvement de P observé. Daprès Schenk et Barber (1979) Objectif de lintensification écologique : Couplage des mécanismes pour augmenter les prélèvements Obtenir les mêmes rendements que dans un sol riche Animation scientifique - TCEM - 27 mai 2011

33 33 Animation scientifique - TCEM - 27 mai 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 …)

34 34 Rotation culturale Résidus de cultures Labour – Non labour Gestion de lirrigation Promouvoir lenracinement profond Gestion de la fertilisation Promouvoir une bonne structure du sol Faciliter léchange sol – plante Perspectives agronomiques : Promouvoir laltération des minéraux primaires

35 35 Bibliographie : Animation scientifique - TCEM - 27 mai 2011 Schenk M. K. & Barber S.A. Phosphate uptake by corn as affected by soil characteristics and root morphology 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 Ericsson T. Growth and shoot: root ratio of seedlings in relation to nutrient availability Mitsukawa N. & al., Overexpression of an Arabidopsis thaliana high-affinity phosphate transporter gene in tobacco cultured cells enhances cell growth under phosphate-limited conditions J.C. Wang et al. Effect of plant types on release of mineral potassium from gneiss Lopez-Bucio J. & al. Enhanced phosphorus uptake in transgenic tobacco plants that overproduce citrate Nguyen C. Rhizodeposition of organic C by plants: mechanisms and controls Hogh-Jensen H. & Pedersen M.B. Morphological plasticity by crop plants and their potassium use efficiency. 2003

36 36 Lopez-Bucio et al. The role of nutrient availability in regulating root architecture Bucher M. Functional biology of plant phosphate uptake at root and mycorrhiza interfaces Wu L. et al. Developing existing plant root system architecture models to meet future agricultural challenges Li et al. Diversity enhances agricultural productivity via rhizosphere phosphorus facilitation on phosphorus-deficient soils Kavino M. Effect of chitinolytic PGPR on growth, yield and physiological attributes of banana (Musa spp.) under field conditions 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 Martinefsky M.J. et al. Analysis of the response of two tall fescue cultivars of different origin to P deficiency Dinkelaker et al. Citric acid excretion and precipitation of calcium citrate in the rhizosphere of white lupin (Lupinus albus L.) Animation scientifique - TCEM - 27 mai 2011

37 37 Wu P. et al. Root morphological plasticity and biomass production of two Chinese fir clones with high phosphorus efficiency under low phosphorus stress Wang H.Y. et al. Plant use alternative strategies to utilize nonexchangable potassium in minerals Smith, S.E. & Read D.J. – Mycorrhizal Symbiosis. Academic Press, London Projet Micromaize : Coordinateur : Moënne-Loccoz, CNRS/UCBL Animation scientifique - TCEM - 27 mai 2011


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