Une étude révolutionnaire présentée dans Scientific Reports montre comment les microbes modifiés génétiquement offrent une nouvelle source d'azote aux agriculteurs
Ces résultats constituent la première preuve, évaluée par des pairs, que des microbes génétiquement modifiés fournissent une part importante de l'azote utilisé par les producteurs de maïs dans le cadre d'une production commerciale
BERKELEY, Californie, 14 novembre 2024 /PRNewswire/ -- Une étude évaluée par les pairs et publiée aujourd'hui dans Scientific Reports décrit une nouvelle technologie qui pourrait révolutionner une approche centenaire de l'apport d'azote aux cultures. Réalisée en collaboration avec des chercheurs de l'université du Wisconsin-Madison, de l'université de Purdue et de Pivot Bio, un chef de file de l'agriculture durable, l'étude présente des preuves inédites montrant comment l'édition de gènes améliore la capacité des microbes à fixer l'azote atmosphérique et à le transférer aux cultures céréalières.
En utilisant de l'azote à marcage isotopique, les chercheurs ont tracé l'azote présent dans l'air jusqu'à la chlorophylle des feuilles de maïs, ce qui prouve que l'azote a été fixé à partir de l'air par les microbes génétiquement modifiés. Des études sur le terrain ont également montré que ces microbes pouvaient fixer et fournir de l'azote comparable à 40 livres d'engrais azoté synthétique par acre avec des rendements similaires.
L'amélioration de l'efficacité des engrais azotés est un défi de longue date. « Bruno Basso, professeur de sciences de l'environnement à la Michigan State University, qui n'a pas participé à l'étude, explique que le système sol-plante-atmosphère est extrêmement complexe. En raison des conditions météorologiques imprévisibles, il est difficile de faire correspondre l'apport d'éléments nutritifs à la demande des plantes, de déterminer avec précision la quantité d'azote dont une culture aura besoin et de savoir si l'élément nutritif restera dans le sol. « Mon laboratoire d'étude a passé des années à aider les agriculteurs, en utilisant des technologies de détection avancées et des modèles informatiques pour les aider à mieux comprendre leurs champs et à utiliser les engrais azotés plus efficacement afin d'augmenter les bénéfices et de réduire l'impact sur l'environnement, tel que les pertes de nutriments dans les eaux souterraines et les émissions de gaz à effet de serre dans l'atmosphère. »
Les diazotrophes, des types particuliers de bactéries présentes dans la nature, ont la capacité unique de transformer l'azote atmosphérique en ammonium, l'élément constitutif des acides aminés et des protéines. Ce processus, communément appelé fixation biologique de l'azote (FBA), a été la principale forme de nutrition azotée des cultures pendant des milliers d'années avant l'invention des engrais azotés synthétiques.
« Les diazotrophes indigènes du sol perdent leur capacité à réaliser la FBA lorsqu'ils sont exposés à des concentrations élevées d'azote dans le sol pendant des périodes prolongées. Il s'agit d'une réponse évolutive visant à conserver l'énergie, car la FBA est un processus très énergivore », explique Jean-Michel Ané, professeur de bactériologie et de sciences des plantes et des agroécosystèmes à l'université du Wisconsin-Madison, coauteur de l'étude. « Nous devons convaincre ces bactéries de maintenir des niveaux élevés de FBA dans des environnements riches en azote, tels que les sols fertilisés synthétiquement. »
Les chercheurs de Pivot Bio ont développé des microbes génétiquement modifiés en utilisant des méthodes non transgéniques pour permettre aux diazotrophes de continuer à fournir de l'azote aux cultures, même dans des conditions à forte teneur en azote. « Avec les modifications génétiques, nous rendons les microbes aveugles à la présence d'azote dans leur environnement, de sorte qu'ils continuent à fixer l'ammonium, le délivrant directement sur le système racinaire », déclare Karsten Temme, directeur de l'innovation et cofondateur de Pivot Bio et coauteur de l'étude. « Nous avons également introduit d'autres modifications afin que les bactéries puissent transférer l'azote fixé aux cultures au lieu de le garder pour elles-mêmes. »
Le document présente des preuves de l'existence de ce processus en laboratoire et sur des parcelles d'essai sur le terrain. Il s'agit également du premier article évalué par des pairs portant sur PROVEN® 40, le produit commercial de deuxième génération de Pivot Bio pour le maïs contenant des microbes fixateurs d'azote génétiquement modifiés.
« Les engrais azotés sont sans doute l'invention la plus importante du siècle dernier et seront essentiels au développement et à la sécurité alimentaire du monde dans un avenir proche. Cependant, nous pensons qu'il peut être mieux utilisé », déclare Temme. « L'objectif de Pivot Bio est d'améliorer la productivité de l'agriculture en augmentant l'efficacité de l'azote grâce à ses microbes génétiquement modifiés et en réduisant les pertes d'engrais synthétiques dans l'environnement.
Sur le terrain, les chercheurs ont utilisé une série d'expériences isotopiques pour démontrer à nouveau la fixation de l'azote, cette fois dans des conditions réelles, et quantifier les niveaux d'azote dans la plante. Ils ont également recueilli des centaines d'échantillons d'agriculteurs qui ont réduit leur taux d'engrais azoté de 35 à 40 livres d'azote par acre et l'ont remplacé par le PROVEN 40 de Pivot Bio. En moyenne, les chercheurs ont constaté que les plantes traitées avec PROVEN 40 avaient des niveaux d'azote plus élevés en début de saison et n'avaient pas d'impact négatif sur le rendement, même si elles avaient reçu moins d'engrais synthétiques.
« Il est très difficile de suivre l'évolution de l'azote lorsqu'il passe de l'air au microbe, puis à la plante. Nous nous basons sur les signatures isotopiques des atomes d'azote provenant de l'air par rapport à ceux présents dans le sol », explique Ané. Grâce à ces mesures, les chercheurs ont détecté en laboratoire de l'azote marqué isotopiquement dans la chlorophylle des feuilles de maïs, signe que les microbes ont fourni cet azote à la plante.
« Ces recherches approfondies sont prometteuses car elles signifient que les agriculteurs peuvent commencer à réduire les engrais azotés sans compromettre la productivité : une situation gagnant-gagnant pour l'agriculteur et l'environnement », déclare Temme. « Cela est d'autant plus intéressant que la technologie est très évolutive. Depuis leur lancement commercial il y a cinq ans, nos produits ont déjà été utilisés sur plus de 13 millions d'hectares aux États-Unis, ce qui se traduit par un impact réel ».
Basso partage cet avis : « Si cette technologie continue à s'améliorer et à fournir plus d'azote aux cultures, et s'il est démontré que cela se traduit par des réductions de la pollution environnementale et de l'empreinte carbone globale de l'agriculture, elle pourrait changer la donne en matière de gestion de l'azote. Plus nous remplacerons les engrais synthétiques par des sources d'azote plus efficaces et durables pour soutenir le rendement des cultures, mieux ce sera pour les agriculteurs, les communautés et l'environnement ».
L'étude complète est disponible sur Scientific Reports. Créé en 2011, Scientific Reports est une revue en accès libre du portefeuille Nature, qui publie des recherches originales remarquables dans le domaine des sciences naturelles et cliniques et qui est réputée pour son processus rigoureux d'évaluation par les pairs.
À propos de Pivot Bio
Pivot Bio est un chef de file de l'agriculture durable qui fournit aux agriculteurs des technologies brevetées de nutrition des cultures qui exploitent la puissance de la nature pour produire de manière fiable et productive les aliments dont le monde a besoin dans un contexte de volatilité croissante. Actuellement disponibles en Amérique du Nord et bientôt au Brésil, les produits de l'entreprise constituent une innovation révolutionnaire. Ils font partie des solutions les plus prometteuses de l'industrie en matière de climat. L'azote de l'entreprise résiste aux intempéries, est plus sûr à manipuler, ne s'infiltre pas et ne contribue pas aux émissions d'oxyde nitreux. Pivot Bio a été reconnu à trois reprises par le magazine Time dans sa liste annuelle des meilleures inventions, par Fast Company dans ses listes World Changing Ideas et World's 50 Most Innovative Companies, par CNBC dans sa liste Disruptor 50 des entreprises privées, par Fortune dans sa liste Impact 20 des startups qui font du bien à la société et par MIT Tech Review comme l'une des 15 climatechs à suivre. Pour plus d'informations, visitez le site PivotBio.com.
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