Assimilation du carbone et de l’azote en relation avec le rendement : les mécanismes sont la clé de la compréhension des systèmes de production

Abstract

L’amélioration de la compréhension des systèmes de production végétale en relation avec l’approvisionnement en azote est venue d’une connaissance de la biochimie et de la physiologie de base des plantes. L’expression génétique conduit à la synthèse des protéines et à la formation de systèmes métaboliques ; le métabolisme qui en découle détermine la capacité de croissance, de développement et de production de rendement. Ceci constitue le potentiel génétique. Ces processus déterminent les exigences en matière d’approvisionnement en ressources. Les interactions entre l’assimilation du dioxyde de carbone (CO2) et du nitrate (

) et leur dynamique sont d’une importance capitale pour la production végétale. En particulier, un apport adéquat de

, son assimilation en acides aminés (pour lesquels des composés carbonés photosynthétisés sont nécessaires) et leur disponibilité pour la synthèse des protéines, sont essentiels au métabolisme. Un apport adéquat de

stimule la croissance des feuilles et la photosynthèse, la première via la croissance et la division cellulaire, la seconde par des teneurs plus importantes en composants des réactions lumineuses, et celles de l’assimilation du CO2 et des processus connexes. Si l’offre de ressources dépasse la demande fixée par le potentiel génétique, la production est maximale, mais si elle est inférieure, le potentiel n’est pas atteint ; l’adéquation des ressources au potentiel est le but de l’agriculture. Cependant, le lien entre le métabolisme et le rendement est mal quantifié. Les caractéristiques biochimiques et les modèles de simulation doivent être mieux utilisés et combinés pour améliorer l’application des engrais N, l’efficacité de l’utilisation de l’azote et les rendements. Il est possible d’augmenter l’absorption de l’azote en cas d’apport insuffisant en augmentant le volume et la densité d’enracinement, mais l’augmentation de l’affinité l’est moins. Cela augmenterait la biomasse et le rapport N/C. Avec un apport adéquat d’azote, au plein potentiel génétique, une plus grande assimilation de carbone par unité d’azote augmenterait la biomasse, mais l’énergie serait limitante au plein couvert. L’augmentation de l’assimilation de carbone par unité d’azote augmenterait la biomasse mais diminuerait le rapport N/C, que l’apport d’azote soit important ou non. Augmenter la production de tous les composants biochimiques augmenterait la biomasse et la demande en N, et maintiendrait le rapport N/C. Pour modifier l’assimilation du carbone ou de l’azote, il faut modifier de nombreux processus afin d’améliorer l’ensemble du système ; il est peu probable que des modifications par génie génétique ou par biologie moléculaire d’une seule étape du métabolisme central permettent d’y parvenir, car les objectifs ne sont pas clairs, et aussi en raison des interactions complexes entre les processus et l’environnement. La réalisation des objectifs à long terme d’amélioration de l’utilisation de l’azote et du rendement des cultures avec moins d’intrants et moins de pollution, par l’agronomie, la sélection ou le génie génétique, nécessite une meilleure compréhension de l’ensemble du système, des gènes au rendement en passant par le métabolisme.

Introduction : le cadre conceptuel

Durant le cycle autocatalytique de croissance et de reproduction des plantes supérieures, l’embryon dans la graine se développe, dans des conditions appropriées, pour former une plante avec des feuilles et des racines. Les feuilles contiennent la machinerie biochimique complexe de la photosynthèse capable de capter la lumière et d’utiliser l’énergie pour l’assimilation réductrice du dioxyde de carbone (CO2) et des ions nitrates (

) avec la formation de glucides et d’acides aminés, respectivement (Foyer et al., 2001 ; Lawlor, 1994). Les racines captent l’eau et les nutriments minéraux qui sont nécessaires au métabolisme ; ici, l’accent est mis sur l’apport d’azote. Pour simplifier, seuls l’apport et le métabolisme du nitrate sont abordés : les rôles de l’ammoniac sous forme de NH3 ou de

(Macduff et al., 1987 ; Ter Steege et al., 2001), la fixation de N2 par les associations plantes-rhizobium et l’absorption de N organique ne sont pas pris en compte. Les assimilats de C et de N produits sont exportés vers les régions de croissance de la plante où ils sont incorporés dans de nouvelles cellules et tissus végétatifs, donnant naissance aux organes reproducteurs et aux graines, complétant ainsi le cycle de croissance (Ourry et al., 2001).

La plante fonctionne comme un système complet avec un équilibre entre la pousse et la racine dans la capture des ressources et l’échange d’assimilats sur le long terme, mais la compréhension quantitative de ces processus et de leur régulation est limitée. La figure 1 résume les interactions. Les processus et les flux d’assimilats de N et de C dépendent de l’approvisionnement en ressources et des conditions de l’environnement. La discussion du rôle du métabolisme de base est souvent séparée de celle de la détermination du rendement des cultures, en raison de l’orientation des praticiens et de la nécessité d’aborder des points spécifiques du système à des fins de recherche. Cependant, comme le rendement est une conséquence de la biochimie, les deux sont étroitement liés (Lawlor et al., 2001). Du point de vue de la production agricole, le rendement est l’aspect le plus important, car la production annuelle mondiale d’environ 1,6 milliard de tonnes de grains de blé, de maïs et de riz fournit l’essentiel de l’énergie et des nutriments pour la consommation humaine. La production de grands rendements de produits de haute qualité avec un apport minimal de ressources, en particulier d’engrais N, est l’objectif principal.

Cette revue tente de rassembler différents aspects du métabolisme et de la physiologie des plantes et le rôle de N dans les processus conduisant à la production de rendement. Elle souligne l’importance d’une compréhension mécaniste de toutes les parties du système et, en particulier, de l’intégration des connaissances si l’on veut atteindre les objectifs globaux d’une plus grande production végétale avec une utilisation minimale de N sans pollution environnementale. On soutient qu’une concentration excessive sur des parties particulières du système conduit à une mauvaise évaluation des processus potentiellement limitants et à la négligence de processus importants.

Les engrais N et l’amélioration de l’agriculture

La nécessité d’une meilleure compréhension des mécanismes de base liés à l’azote sur la production végétale et d’une amélioration de l’utilisation de l’azote est démontrée en considérant la situation actuelle de l’agriculture mondiale et sa dépendance aux engrais N produits industriellement (Bacon, 1995). L’agriculture exploite aujourd’hui une grande partie des terres les plus fertiles de la planète, utilise une grande partie de l’eau disponible et nécessite des apports substantiels d’engrais. Certains d’entre eux (par exemple les phosphates) sont extraits de mines, mais l’azote inorganique provient de la conversion industrielle de N2 en NH3 pour fabriquer de l’urée, des nitrates, etc. La fixation industrielle de N est proche de la fixation naturelle de N2 dans la biosphère. Il est nécessaire de produire davantage de denrées alimentaires sans étendre les terres agricoles (limitées par d’autres facteurs tels que l’approvisionnement en eau) et avec moins d’engrais, dont la synthèse utilise de grandes quantités d’énergie provenant de combustibles fossiles. L’utilisation réduite d’engrais azotés permettra de diminuer les coûts et la pollution, qui est une conséquence des méthodes de synthèse et de l’inefficacité de l’application et de l’absorption par les cultures ; il est urgent d’atteindre ces objectifs (Ter Steege et al., 2001). Cependant, la réduction de l’utilisation des engrais est en contradiction avec la nécessité d’augmenter le rendement des cultures. Les rendements des principaux aliments de base, par exemple le blé, n’ont pas augmenté au cours de la dernière décennie (Evans, 1998). Ainsi, avec la demande croissante de nourriture de la part d’une population humaine qui augmente rapidement, le risque de pénurie alimentaire dans le monde doit augmenter. Pour surmonter les problèmes sociaux potentiellement dangereux que sont les pénuries alimentaires et la dégradation et la pollution de l’environnement, les rendements agricoles par unité de surface doivent être augmentés en même temps que la dépendance aux engrais appliqués est réduite (Evans, 1998). Une grande partie de l’agriculture mondiale utilise les engrais azotés de manière très inefficace (même dans les économies développées), souvent parce que d’autres conditions environnementales sont limitantes. L’amélioration de l’environnement des cultures et de la technologie d’application de l’azote, ainsi que l’application des meilleures pratiques actuelles, pourraient réduire les pertes et augmenter la production (Bacon, 1995). Les connaissances actuelles sur la façon dont les plantes métabolisent l’azote et sur le comportement de l’azote dans l’environnement sont probablement suffisantes pour cela, bien qu’il faille améliorer la compréhension du système dans son ensemble (voir la discussion ultérieure sur la modélisation). Il serait souhaitable d’améliorer le potentiel génétique du rendement, qui n’a pas été amélioré par des décennies de sélection, afin d’obtenir une meilleure production totale avec moins de N et d’autres ressources (voir les discussions relatives à l’augmentation de la production de riz dans Sheehy et al., 2000). Cependant, même si cela était possible, il faudrait intensifier la sélection. Dans le cas de la modification génétique, un apport beaucoup plus important d’expertise et de soutien financier, et de nouveaux développements technologiques sont probablement nécessaires, malgré certaines preuves de succès (Ku et al., 2000) car la technologie actuelle est relativement peu testée (Matsuoka et al., 2000) et le temps nécessaire à une application efficace est probablement long. La probabilité de succès est difficile à évaluer ; ceci s’applique également à la sélection variétale étant donné les taux beaucoup plus lents, voire inexistants, d’augmentation des rendements et du potentiel de rendement. Les caractéristiques génétiques peuvent être spécifiquement modifiées pour augmenter la production et son efficacité, mais les cibles de la modification doivent être clairement identifiées. L’application des techniques moléculaires y contribuera, ainsi que les programmes de sélection, les principaux gènes et loci quantitatifs contrôlant les caractères agronomiques étant identifiés et localisés dans des cartes génétiques complètes (Snape, 1996). Cependant, le rôle de l’azote dans les cultures est si fondamental que ces approches doivent être combinées avec une compréhension détaillée de la biochimie et de la physiologie des plantes.

Assimilation photosynthétique du carbone et de l’azote et approvisionnement en azote

Le rôle de l’azote dans la production agricole est intimement lié à la photosynthèse. Dans la photosynthèse, l' »énergie physique » des photons est convertie en « énergie chimique » de l’ATP et des intermédiaires métaboliques réduits, principalement le NADPH, qui sont utilisés dans la synthèse d’assimilats de carbone et d’azote de nombreux types différents, notamment les glucides et les acides aminés (Foyer et al., 2001). Ceux-ci  » alimentent  » la synthèse des composants biochimiques des organes et fournissent finalement la structure de la plante entière (Lawlor et al. 2001). Les mécanismes de base de la production d’assimilats sont considérés car ils sont centraux pour la compréhension de la production végétale.

Assimilation du CO2

L’assimilation du CO2 en relation avec la composition des feuilles et l’apport en N a été largement revue (Evans, 1983 ; Sage et al., 1987 ; Lawlor et al., 2001) et peut être résumée ainsi : L’azote détermine la synthèse des acides aminés et donc des protéines (voir plus loin) et, finalement, de tous les composants cellulaires. Un taux rapide d’assimilation du CO2 nécessite des quantités importantes de nombreux composants des chloroplastes, en particulier les complexes chlorophylle-protéine (LHCP), les composants de transport d’électrons et de réduction de la NADP+ des thylakoïdes, et l’enzyme d’assimilation du CO2 ribulose bisphosphate carboxylase-oxygénase (Rubisco), ainsi que d’autres enzymes nécessaires à l’assimilation du CO2 dans le stroma. Les caractéristiques de base (masse moléculaire, structure) des protéines sont déterminées génétiquement. Cependant, de nombreuses enzymes sont régulées de manière très complexe par des facteurs environnementaux et végétaux (par exemple, la lumière et la phosphorylation des protéines, respectivement). Les quantités et les activités des protéines et des autres composants dans les organes, ainsi que la taille des organes, déterminent la capacité totale du métabolisme. Pour atteindre des taux élevés d’assimilation du CO2 par unité de surface de feuille, un grand nombre de molécules de composants est nécessaire. Certaines protéines ont une masse moléculaire élevée par rapport à leur activité, de sorte que des quantités considérables de protéines sont présentes dans les feuilles (grande masse par unité de surface foliaire). Pour capter efficacement l’énergie utilisée dans la photosynthèse, par exemple, une grande quantité de chlorophylle par unité de surface est nécessaire et est « soutenue » par des protéines (complexes chlorophylle-protéine de récolte de la lumière, LHCP, dans les thylakoïdes), de sorte que les thylakoïdes contiennent beaucoup de N. La principale protéine du chloroplaste et de la feuille (en particulier chez les plantes C3 ; Evans, 1983 ; Sage et al, 1987) est la Rubisco, qui catalyse la réaction entre le CO2 et le RuBP, donnant naissance au triose phosphate ; celui-ci est exporté du stroma du chloroplaste vers le cytosol, puis converti en saccharose. La Rubisco a un faible taux catalytique par masse de protéine, ainsi les taux d’assimilation du CO2 couramment déterminés dans les feuilles C3 nécessitent une grande quantité de Rubisco. La quantité de Rubisco peut atteindre 8 g m-2 et constituer jusqu’à 30 % de l’azote des feuilles de blé et jusqu’à 50 % des protéines solubles (Lawlor et al., 1989). Les feuilles à métabolisme actif contiennent des teneurs en N importantes. Si l’apport de N pendant la croissance des feuilles est inférieur à celui nécessaire pour soutenir le taux potentiel de synthèse des protéines, etc., la quantité de composants formés est insuffisante pour une assimilation maximale du CO2 (Lawlor et al., 1988, 1989). Bien sûr, la situation est plus complexe que ce qui est décrit, dans la mesure où l’assimilation du CO2 ne dépend pas des quantités de composants mais de leur activité, qui dépend d’autres facteurs. Si la teneur en Rubisco, par exemple, diminue, l’activité augmente, ce qui tend à compenser le changement. À basse température, il faut davantage de Rubisco (et d’autres protéines et composants) pour maintenir un taux donné d’assimilation du CO2, car l’activité métabolique diminue en raison du ralentissement des réactions enzymatiques (Lawlor et al., 1987b). Il y a donc une flexibilité considérable dans le développement du système photosynthétique et dans le métabolisme, ainsi qu’une interaction complexe avec l’environnement.

La carence en azote a un grand impact sur les chloroplastes, en taille, composition et fonction. Par rapport à ceux des plantes cultivées avec beaucoup d’azote, ils sont plus petits et plus plats, avec moins de membranes thylakoïdes mal empilées et une proportion plus faible de thylakoïdes granaires par rapport aux thylakoïdes intergranaires, et la proportion de stroma augmente, par exemple chez le riz (Laza et al., 1993) et la betterave à sucre (Kutik et al., 1995). Il y a moins de LHCP, de Rubisco et d’ATP synthase (Theobald et al., 1998). Cependant, Evans et Terashima ont montré que la composition des thylakoïdes est relativement peu affectée par l’apport d’azote, les composants des thylakoïdes, les activités de transport d’électrons et les taux d’évolution de l’oxygène à saturation de CO2 exprimés sur une base chlorophyllienne étant très similaires dans les épinards cultivés avec des apports d’azote très différents (Evans et Terashima, 1987). En revanche, les teneurs en Rubisco et en protéines solubles par unité de chlorophylle étaient plus importantes à forte teneur en N, ce qui montre qu’avec une faible teneur en N, la capacité d’assimilation du CO2 était inférieure à celle du transport des électrons. Chez le blé, le rapport Rubisco/chlorophylle est relativement constant sur une gamme de traitements N, bien qu’il augmente à forte teneur en N (Evans, 1983 ; Lawlor et al., 1989). D’autres auteurs ont montré que les rapports massiques de la Rubisco à la chlorophylle totale augmentaient avec l’augmentation de l’apport en N, plus que le rapport de l’ATP synthase à la chlorophylle (Nakano et al., 1997 ; Theobald et al., 1998). Le rapport chlorophylle a/b n’est pratiquement pas affecté par l’apport de N, malgré la forte diminution de la chlorophylle, ce qui suggère que l’apport de N ne régule pas de manière différentielle l’expression de LHCP (qui contient la chlorophylle b) par rapport aux autres composants des complexes de récolte de la lumière et du centre de réaction. Une généralisation est que l’alimentation en azote modifie de manière différentielle l’expression de l’information génétique contrôlant la composition du chloroplaste, en particulier l’expression de la Rubisco et de l’ATP synthase, mais pas celle des composants de la membrane du thylakoïde (Fig. 2). Les possibilités de modifier les mécanismes photosynthétiques pour augmenter l’assimilation du CO2 sont activement étudiées (Paul et Lawlor, 2000). Certaines augmentations ont été obtenues en modifiant la composition des feuilles, de manière inattendue, en modifiant le métabolisme du tréhalose, probablement par la régulation du développement (Paul et al., 2001). Etant donné la flexibilité de la composition et de la fonction des feuilles en réponse aux conditions environnementales telles que la lumière, des modifications pour améliorer l’utilisation de l’azote pourraient être possibles. Cependant, si celles-ci impliquent d’augmenter le nombre mais pas les caractéristiques des enzymes, etc., alors la masse de protéines augmentera, ainsi que la teneur en N et la demande en N. L’augmentation de la teneur en Rubisco n’augmente pas nécessairement l’assimilation du CO2 par unité de surface dans les feuilles C3, même en pleine lumière, en raison d’autres contraintes (par exemple l’approvisionnement en CO2) (Lawlor et al, 1987,a, b ; Millard, 1988 ; Millard et Catt, 1988), de sorte que l’augmentation de la quantité de composants n’est pas toujours efficace.

L’apport de CO2 pour la photosynthèse en C3 est insuffisant dans l’atmosphère actuelle (360 μmol mol-1) et les taux de photosynthèse ainsi que la croissance et les rendements des cultures sont augmentés d’environ 30 % dans les conditions du Royaume-Uni si cette quantité est doublée. Ainsi, par ce simple changement environnemental, le potentiel génétique (voir plus loin) est atteint. Si l’efficacité de l’assimilation du CO2 pouvait être augmentée chez les plantes C3 en éliminant la photorespiration, la productivité par unité d’azote accumulé augmenterait. Dans l’atmosphère actuelle de CO2, on a souvent remarqué la présence d’une grande quantité de Rubisco, de faible activité catalytique, dans les feuilles cultivées avec de l’azote en abondance, ce qui a conduit à l’idée de diminuer la quantité de Rubisco ou de modifier ses caractéristiques (réduction de la quantité de protéines par site actif, augmentation du niveau d’activation, etc. ) pour réduire les besoins en azote. Cependant, rien ne prouve que cela soit réalisable (et il est prouvé que de tels changements inhibent profondément la photosynthèse). En raison de la grande quantité et de la faible activité de la Rubisco dans les feuilles, en particulier en cas d’apport abondant d’azote, elle a été considérée comme une protéine de stockage : elle est remobilisée à partir des feuilles plus anciennes et constitue une grande partie des protéines dans les feuilles en croissance lorsque l’azote est limitant et pour la synthèse des protéines de stockage, par exemple, dans les céréales et les tubercules de pomme de terre (Lawlor et al., 1987,a, 1989 ; Millard, 1988 ; Millard et Catt, 1988) soutenant une fonction de stockage. On a fait valoir que la synthèse des protéines est une utilisation inefficace de l’énergie, mais étant donné la nécessité d’une grande teneur en Rubisco dans les plantes C3 pour l’assimilation du CO2, en particulier à haute lumière, et les effets ioniques et osmotiques du stockage

, et des acides aminés, il peut y avoir des avantages dans la synthèse de Rubisco comme un stockage transitoire de N abondant (Heilmeier et Monson, 1994). Ces considérations ne doivent pas être négligées lorsqu’il est suggéré de diminuer la teneur en Rubisco pour améliorer l’efficacité de l’utilisation de l’azote, par exemple, sous un taux élevé de CO2 (Mitchell et al., 2000). La complexité du rôle de la Rubisco, et son intégration étroite dans l’économie de l’azote du blé, est illustrée par l’équilibre variable entre le maintien de la capacité d’assimilation du CO2 dans les vieilles feuilles et la remobilisation de la Rubisco pendant la sénescence et le remplissage des grains. Les changements dans cet équilibre ont des effets importants sur le rendement et la composition des grains. La carence en azote influence particulièrement ces processus, en diminuant l’assimilation totale car les feuilles ont une durée de vie plus courte, elles sénescent et perdent leur compétence photosynthétique plus rapidement que lorsque l’azote est abondant, en raison de la remobilisation de l’azote vers les organes en croissance (Brouqisse et al., 2001) ; l’amélioration de la durée de vie effective des feuilles par l’application d’azote (Lawlor et al., 1989) ou la sélection (Sheehy et al., 2000) est une méthode éprouvée pour augmenter le rendement. Bien que ces interactions aient été bien décrites, il est nécessaire d’améliorer la quantification de la relation entre l’apport de N sur les systèmes photosynthétiques et connexes et d’optimiser l’apport de N, les quantités de Rubisco et le taux de photosynthèse.

Il existe des différences substantielles entre les plantes C3 et C4 dans le contenu des composants photosynthétiques dans les feuilles, comme cela a souvent été discuté (Sage et al., 1987 ; Evans et von Caemmerer, 2000 ; Lawlor et al., 2001). Comme la photosynthèse en C4 fournit une concentration élevée de CO2 dans laquelle la Rubisco fonctionne, moins de Rubisco est nécessaire pour l’assimilation du CO2 en C4 qu’en C3, malgré les taux d’assimilation du CO2 plus élevés chez les plantes en C4, même à un flux de photons important. Par conséquent, la teneur en azote par unité de feuille est plus faible que chez les plantes C3, et les besoins en azote sont moindres pour une production plus importante, ce qui améliore l’efficacité de l’utilisation de l’azote. Modifier les plantes C3 pour atteindre cet état heureux est une ambition de longue date de la biochimie végétale, mais nécessite la production d’une Rubisco avec une capacité oxygénase moindre, voire nulle, ce qui minimise ou élimine la photorespiration (la cause de l’inefficacité relative des plantes C3). Comme nous l’avons mentionné plus haut, la possibilité de modifier la Rubisco pour éliminer la photorespiration est faible. Il a donc été suggéré de modifier les caractéristiques structurelles et métaboliques des plantes C3 pour obtenir un environnement à forte teneur en CO2 pour la Rubisco, comme c’est le cas chez les plantes C4 (Sheehy et al., 2000). Il sera difficile d’imiter chez les plantes C3 la complexité du syndrome C4, en raison de son importante complexité enzymatique et anatomique. Il est peu probable que des progrès rapides soient réalisés en modifiant la biochimie et l’anatomie des plantes C3 en C4. Malgré les améliorations apparentes de la photosynthèse C3 du riz dues à l’incorporation d’enzymes susceptibles d’augmenter la concentration de CO2 à proximité de la Rubisco (Matsuoka et al., 2000) et un certain succès dans l’augmentation de l’assimilation du CO2 (Ku et al, 2000), cet objectif souhaitable semble encore une perspective très lointaine (Evans et von Caemmerer, 2000).

Amortissement et assimilation du nitrate

Amortissement du

par les racines dépend (Engels et Marschner, 1995) de la concentration de

dans la solution du sol, du volume de sol exploité par les racines et de la densité d’enracinement, ainsi que de l’efficacité des racines à absorber

. Cette dernière est affectée par la demande métabolique et des conditions telles que la température (Macduff et al., 1987, 1993). Le flux de

à la surface des racines dépend de l’étendue du contact avec le sol et l’eau, du taux de diffusion à partir du sol en vrac dans l’eau, et particulièrement important pour

, du transport dans le flux de masse de l’eau. Ceci est lié à la transpiration des cultures et à la teneur en eau du sol. La taille des racines est une fonction de la croissance et donc de l’apport en azote, un exemple des forts effets d’entraînement dans la production végétale. Pour une absorption totale importante de N par une culture à partir d’une faible

concentration, des transporteurs à haute affinité

sont nécessaires, ainsi qu’un plus grand nombre de transporteurs par unité de surface racinaire, et une plus grande longueur et surface des racines par volume de sol pour minimiser la limitation de diffusion. La capacité de stockage de

dans les cellules doit être importante, notamment lorsque le métabolisme est limité, par exemple à basse température lorsque la photosynthèse est lente. L’efficacité intrinsèque d’utilisation de l’azote de la plante entière (production de biomasse par unité d’azote accumulée) est déterminée par les processus biochimiques intégrés dans la plante. La courbe unique reliant la production à l’azote sur une large gamme de conditions d’absorption de l’azote et de conditions environnementales montre (Fig. 3) que l’efficacité des processus est génétiquement déterminée. Cependant, la capacité de production de biomasse et d’absorption de N peut être très dépendante des conditions environnementales, y compris

l’approvisionnement. L’augmentation de la production totale nécessite suffisamment de N pour atteindre l’asymptote, mais la plus grande production avec le moins de N nécessite une optimisation, qui se produit à un niveau inférieur à la production maximale (Lawlor et al., 2001).

Améliorer l’absorption de N à partir de faibles

concentrations dans le sol nécessite l’exploitation d’un plus grand volume total de sol, et une plus grande longueur et surface de racines par volume de sol pour minimiser la résistance à la diffusion qui peut être une limitation majeure. En outre, un plus grand nombre de transporteurs par unité de surface racinaire augmentera les caractéristiques de transport de la racine. Augmenter l’affinité du système de transport pour

serait une avancée majeure ; cependant, celle-ci est déjà grande puisque

peut être éliminé à partir d’une concentration micromolaire dans des solutions bien agitées (Engels et Marschner, 1995) et peut être très difficile à réaliser.

Le métabolisme du nitrate, qui peut se produire dans les feuilles et les racines selon l’espèce de la plante, est bien étudié (voir les articles de Lea et Morot-Gaudry, 2001). En se concentrant uniquement sur les cellules des feuilles,

est réduit en NH3 par les nitrates et nitrites réductases en utilisant les électrons du transport d’électrons photosynthétique. Le NH3 est converti en acides aminés par la réaction enzymatique GS/GOGAT, et les  » squelettes de carbone  » sont fournis par les acides organiques dérivés du cycle de l’acide tricarboxylique dans la mitochondrie. Les glucides pour la synthèse des acides organiques proviennent, en fin de compte, de l’assimilation photosynthétique du CO2 et l’ATP pour la réaction GS/GOGAT est générée par la photosynthèse et la respiration. Il existe donc une interaction étroite dans les toutes premières phases du métabolisme de l’azote et du carbone, les deux utilisant l’énergie lumineuse, avec environ 10 % du flux d’électrons dans les feuilles photosynthétisantes utilisé dans la

réduction (Foyer et al., 2001). Cependant, le rapport entre le carbone et l’azote assimilés n’est pas rigidement fixé, car si l’apport de

augmente par rapport au CO2, alors plus d’acides aminés et de protéines s’accumulent par rapport au taux d’assimilation du CO2 et à la teneur en glucides qui peut diminuer lorsque la croissance est stimulée (Lawlor et al., 1987,a, b, c). Il existe une compétition entre les processus : dans les feuilles, un apport limité de

a diminué la teneur en ribulose bisphosphate (RuBP) le substrat pour l’assimilation du CO2, mais a augmenté le rapport ATP/ADP, ce qui suggère qu’il peut y avoir une compétition pour le réducteur (Mächler et al., 1998). En raison du plus grand potentiel d’assimilation du CO2 dans les feuilles cultivées avec un grand apport de N, l’étendue de la compétition entre le CO2 et

l’assimilation peut être cachée. Le rapport N/C varie en fonction de la disponibilité des ressources, notamment de N mais aussi de CO2, diminuant lorsque l’offre de CO2 augmente (Theobald et al., 1998), et est très dépendant de la température. Par exemple, en conditions fraîches, la croissance des organes ralentit plus que l’assimilation et l’utilisation de N, donc le rapport N/C augmente par rapport aux conditions chaudes. Lorsqu’une quantité suffisante de

est disponible, une grande partie de l’azote est « stockée » (c’est-à-dire métaboliquement inactive) sous forme de protéines et, dans une moindre mesure, d’acides aminés et de

dans des bassins à court ou long terme jusqu’à ce que leur capacité soit saturée. Leur capacité doit être déterminée génétiquement, bien que la façon dont elles sont régulées ne soit pas bien comprise (Heilmeier et Monson, 1994).

L’importance de la synthèse des protéines et des facteurs génétiques et environnementaux régulant les quantités et les proportions relatives des différentes protéines est centrale à toute discussion des effets de l’azote sur le métabolisme et la croissance. Le taux de synthèse des protéines, lorsque tous les autres facteurs ne sont pas limitatifs, dépend de la température. Il s’arrête à de très basses températures, augmente jusqu’à un maximum lorsque la température s’élève, avant de diminuer avec une nouvelle augmentation. Cela affecte tous les processus végétaux et modifie la demande en acides aminés et donc en nitrate. Des preuves expérimentales montrent que lorsque le besoin de synthèse des protéines diminue, alors les acides aminés s’accumulent et la demande en

diminue, mais pas son absorption, donc

s’accumule, la réponse à la

concentration change donc et il y a une interaction marquée entre la température et l’approvisionnement en nitrate et la croissance (Lawlor et al., 1987,a, c, 1988 ; Miller et al., 2001). En cas d’insuffisance de N, la teneur en acides aminés des feuilles diminue, moins de protéines sont synthétisées et la croissance diminue généralement plus que la photosynthèse, de sorte que les hydrates de carbone s’accumulent et que le rapport N/C est faible. Chez les cultures, les détails de ces processus et interactions sont rares, bien que cruciaux pour comprendre les mécanismes de leur croissance et pour les besoins en N.

La modification du métabolisme de l’azote est potentiellement possible car il existe une grande variation naturelle des processus et notamment de la capacité (Limami et de Vienne, 2001). L’augmentation de la quantité d’activité nitrate réductase par unité de surface foliaire est potentiellement une voie pour augmenter la quantité totale de nitrate réduit ; elle est induite par

et sa régulation est complexe, offrant la possibilité de modifier la quantité et donc le taux de réduction du nitrate. Avec une ample

il est clair (voir discussion précédente) à partir de l’accumulation de nitrate (Lawlor et al., 1987a) qu’il y a des limites au taux de réduction, dépendant des conditions environnementales, particulièrement la température. De même, l’accumulation d’acides aminés montre que la synthèse des protéines est limitée. En considérant comment le métabolisme lié à l’azote pourrait être modifié, il est clair qu’il y a des interactions très complexes tout au long du métabolisme, et des impacts considérables de l’environnement, qui se combinent pour déterminer la croissance de la plante et sa composition.

La modification des processus de synthèse des protéines constituerait une altération majeure du métabolisme de base. Pour augmenter la quantité d’une protéine, il faudrait augmenter la capacité de synthèse, par exemple en augmentant le nombre de sites, car à une température donnée avec des acides aminés en abondance, la capacité existante serait limitante. En effet, cette mise en marche de la capacité peut être la situation dans les plantes avec une grande teneur en protéines, et dans la réponse à l’ample

. Cependant, ces concepts n’ont guère été explorés. L’augmentation de la quantité de

absorbée et utilisée en cas d’apport sous-saturant et saturant nécessitera différentes approches et, potentiellement, de nombreuses modifications du métabolisme.

Croissance et composition des feuilles

Le taux de croissance et la composition des feuilles sont substantiellement affectés par l’azote pendant la croissance et sont bien documentés et compris en termes de changements de structure, bien que les mécanismes ne soient pas aussi bien compris (Nelson et Dengler, 1997). Ils sont particulièrement sensibles à l’augmentation de l’apport en N lorsque celui-ci est limitant (voir la section sur les courbes de réponse à l’azote). Ceci a été observé dans des expériences (Lawlor et al., 1987,a, b, c, 1988) examinant les effets relatifs et les interactions entre la température et l’apport d’azote sur la feuille de blé. Dans des conditions de croissance fraîches (température jour/nuit de 13/10 °C) par rapport à des conditions chaudes (23/18 °C) et dans des conditions d’apport déficient (4,5 mM) par rapport à un apport abondant (19,9 mM)

, un faible apport en N a diminué le taux de croissance des feuilles mais n’a pas diminué sa durée, bien qu’il ait diminué leur taille finale (tableau 1). Les feuilles contenaient moins de cellules de plus petit volume. Un faible apport de N a diminué la teneur en protéines solubles (y compris la Rubisco) et le taux de synthèse des protéines par feuille, mais a augmenté le rapport entre les protéines structurelles et non structurelles. L’apport de

est crucial pour la croissance des feuilles en raison du rôle des protéines dans la croissance des parois cellulaires et du cytosquelette et donc dans l’expansion cellulaire (Lawlor et al., 1988). La synthèse des protéines structurelles semble avoir la priorité sur les autres composants car, lorsque la disponibilité en N est très faible, la teneur en N des protéines résiduelles (insolubles) augmente par rapport aux solubles, ce qui suggère qu’une certaine quantité (3 g m-2) de protéines est nécessaire pour la synthèse des structures cellulaires de base (Lawlor et al., 1989 ; Theobald et al., 1998) sans laquelle les autres structures ne peuvent être formées. Avec un apport abondant de N au métabolisme, la sénescence des feuilles, etc. est minimisée et ralentie, ce qui prolonge leur vie effective (durée de la surface foliaire). Ce qui détermine la sensibilité relative de la synthèse des composants cellulaires à

n’est pas clair. On ne connaît pas la relation entre, par exemple, la concentration de

dans des compartiments cellulaires particuliers (Miller et al., 2001) et les concentrations d’acides aminés, ni la façon dont celles-ci sont liées aux taux de synthèse de la Rubisco ou des protéines de la paroi cellulaire. Une telle spécificité dans la réponse est importante si l’on veut comprendre les mécanismes, car la croissance cellulaire est liée différemment à l’accumulation de Rubisco et à la photosynthèse, selon l’approvisionnement en N, ce qui affecte les relations entre la taille des cellules, les taux d’assimilation et la composition des tissus. Les températures plus basses ont diminué le taux de croissance des plantes et la surface finale, mais ont augmenté la durée de l’expansion des feuilles. Cependant, la protéine soluble et la protéine de Rubisco par unité de surface foliaire ont augmenté malgré une diminution du taux de synthèse des protéines par feuille. L’interprétation est que la température plus basse a moins ralenti la synthèse des protéines qu’elle n’a ralenti l’expansion des feuilles, de sorte que la teneur en protéines a augmenté par rapport aux conditions chaudes (Lawlor et al., 1988). Cela a permis de maintenir le taux métabolique malgré la température plus basse. Les changements complexes dans les quantités de

, d’acides aminés et d’hydrates de carbone avec l’approvisionnement en N et la température, peuvent être expliqués par les différents processus – synthèse des protéines, croissance des organes, taux de photosynthèse – ayant des réponses différentes aux conditions environnementales. Les interactions possibles sont indiquées dans la figure 4. En fin de compte, l’explication de la croissance des cultures, des impacts de l’azote sur les processus et des interactions avec la température, etc. nécessitera une bien meilleure compréhension de ce qui détermine la croissance et la composition des feuilles. Pour modifier le développement, la sénescence et la composition des feuilles afin d’augmenter la production et l’efficacité de l’utilisation de l’azote, il faudra modifier les systèmes responsables du développement, de la division et de la croissance des cellules. La plasticité de la croissance et de la composition qui se produit en réponse à l’apport d’azote et à d’autres conditions environnementales suggère qu’il existe un potentiel de modification de la croissance des feuilles, etc. On ne sait pas comment les changements se sont produits dans l’évolution de différentes espèces ou d’écotypes adaptés à différentes conditions, ni dans la sélection d’élevage de différentes variétés.

Croissance des cultures, rendement et N

On a beaucoup écrit sur ce sujet (Lawlor et al…, 2001) et il n’est donc que très brièvement considéré ici. Il existe essentiellement une relation linéaire entre la matière sèche totale produite par une culture et le rayonnement intercepté par celle-ci (Monteith, 1977) ; ceci est dû au fait que la lumière fournit l’énergie pour tout le métabolisme. L’interception du rayonnement dépend de l’indice de surface foliaire (LAI ; le rapport entre la surface foliaire et la surface au sol) et donc de la taille des feuilles et de leur nombre, qui est considérablement affecté par le tallage des céréales et, comme nous l’avons vu, dépend asymptotiquement de l’apport en azote. Cependant, la relation entre le LAI et l’interception du rayonnement n’est pas linéaire : avec un LAI supérieur à environ 3, l’interception de la PAR approche environ 90%, et une augmentation supplémentaire du LAI n’augmente pas beaucoup l’interception de la lumière. En plus des effets de l’azote sur la surface foliaire, il y a l’augmentation du taux de photosynthèse en cas d’apport important d’azote, pour les raisons évoquées. En conséquence de ces deux effets connexes, il existe une forte relation asymptotique entre la biomasse et l’apport d’azote (Fig. 2, voir la discussion sur les courbes de réponse à l’azote). La biomasse augmente linéairement avec l’augmentation de l’approvisionnement en N à partir de petites valeurs (dans cette région, des gains considérables de production résultent de petites augmentations de N) pour atteindre un plateau à un grand approvisionnement lorsque la culture se développe au taux potentiel génétiquement déterminé.

La teneur en N/unité de biomasse (N% dans la matière sèche) est fréquemment utilisée comme une indication de l’adéquation de l’approvisionnement en N pour la croissance de la culture (Lawlor et al., 2001). Cependant, le N% n’est pas une valeur fixe et diminue à mesure que la culture se développe et que sa structure et sa composition biochimique changent. Les feuilles, qui contiennent beaucoup de protéines, etc., sont formées au début de la croissance, et les tiges porteuses, qui contiennent plus de cellulose et de lignine et peu de protéines, plus tard. Ainsi, la teneur en N (N%) diminue avec l’âge et dépend également de l’environnement. La carence en N réduit le N% car le rapport feuille/tige diminue et les teneurs en protéines et en chlorophylle des feuilles baissent plus que les hydrates de carbone (voir plus haut). On a utilisé les changements de N% pour programmer l’application de N aux cultures (Lawlor et al., 2001) et de nouveaux développements de ces techniques auront sans aucun doute une valeur économique pratique.

Le rendement est la partie d’une plante ou d’une culture utilisée dans un but spécifique, donc dépendra de la culture et des besoins humains. Dans le cas des céréales, le grain est le rendement primaire et la production totale dépend du nombre de plantes par surface, des talles par plante, du nombre d’épis par talon, des grains par épi et de la masse par grain. Au début de la croissance, la formation des talles et des feuilles détermine la capacité ultérieure de formation des grains et la production d’assimilats pour les remplir. Ainsi, pour atteindre le potentiel de rendement génétique, tous ces facteurs qui affectent la croissance des nombreuses parties du système, chacune régulée de manière complexe, doivent être optimisés pendant toute la durée de vie de la culture (Slafer et al…, 1996).

Avec une

et une assimilation du CO2 adéquates, l’apport d’assimilats aux méristèmes en développement est suffisant pour maintenir leur croissance, de sorte que davantage de talles sont produites et survivent par plante et par surface, et de même pour les grains. De plus, la capacité de croissance des grains est augmentée, probablement parce que davantage de cellules ayant une plus grande capacité enzymatique sont fabriquées. Si les assimilats sont suffisants pendant le remplissage des grains, ceux-ci sont plus nombreux et plus gros. L’ensemble de ces facteurs se traduit par un rendement élevé. Dans des conditions normales de terrain, la production relative des organes végétatifs et reproducteurs varie selon les sites et les années en raison des différences d’environnement, en particulier de l’apport en azote. Par conséquent, le rapport entre le rendement en grains et la biomasse (l’indice de récolte, IRC) n’est pas constant, mais varie en fonction des conditions. Lorsque la variation de l’environnement est limitée, l’indice de récolte est relativement constant, mais si moins d’assimilats sont disponibles au début de la croissance, moins de talles survivent, ce qui entraîne moins d’épis et de grains par épi et donc moins de rendement. Plus tard, l’assimilation limitée peut réduire le remplissage des grains. L’approvisionnement en N est d’une importance considérable, affectant la disponibilité des acides aminés pour la synthèse des protéines pendant la formation du grain et plus tard comme protéine de stockage (Heilmeier et Monson, 1994).

Potentiel génétique

Le potentiel génétique peut être défini comme la capacité totale de la plante à former de la biomasse ou du rendement lorsque les contraintes environnementales sont supprimées (Richards, 1996) ; les sélectionneurs et les agronomes se réfèrent fréquemment au potentiel de rendement, bien que la production totale soit plus pertinente lorsqu’on considère comment la croissance potentielle des cultures peut être augmentée. Le potentiel de rendement est une fonction de l’information génétique qui spécifie les caractéristiques des protéines, déterminant ainsi la structure, la croissance et le développement, et la taille à laquelle le système peut croître. Cette taille maximale au cours du cycle de croissance peut être appelée le potentiel génétique. De même, les vitesses maximales des processus sont déterminées génétiquement. Le potentiel génétique ne peut pas encore être défini quantitativement à partir des principes de base, il faut donc une définition opérationnelle. Comme les plantes (le blé en est un bon exemple) forment souvent un grand nombre de méristèmes capables de croître dans des conditions favorables, elles réagissent fortement à la disponibilité des ressources, c’est-à-dire qu’elles sont très « plastiques ». Par conséquent, le potentiel génétique est défini dans des conditions particulières (Richards, 1996). Pour l’agriculture, il s’agit généralement de conditions par unité de surface du sol, associées au rayonnement solaire incident normal, à la température et au CO2 atmosphérique du site, qui sont relativement uniformes et difficiles à modifier. Comme mentionné précédemment, l’augmentation du CO2 atmosphérique actuel accroît considérablement la biomasse et le rendement, ce qui montre que le potentiel de rendement dépend des conditions et de la manière dont il est défini. La température est particulièrement importante, car elle affecte les taux des processus biochimiques (voir la discussion précédente) et détermine ainsi le potentiel, le potentiel maximum étant atteint à une température optimale ou dans une plage de températures optimales. Cependant, les facteurs environnementaux qui peuvent être modifiés en agriculture, tels que la nutrition, l’approvisionnement en eau, les parasites et les maladies, sont modifiés de manière à ne pas affecter la production, c’est-à-dire qu’ils ne limitent pas le potentiel génétique. En raison des nombreux processus agricoles qui sont affectés différemment par des conditions particulières, il peut être nécessaire d’optimiser les conditions plutôt que de les maximiser. Ainsi, la mesure du potentiel génétique peut varier en fonction de l’environnement (l’interaction génotype×environnement ou G×E ; Hollamby et Bayraktar, 1996).

Environ la moitié de l’augmentation substantielle du rendement au cours du siècle dernier a été obtenue par l’amélioration des caractéristiques génétiques des cultures, le reste par l’amélioration de la conduite des cultures, en particulier par une fertilisation accrue (Austin et al., 1993). En effet, la « révolution verte » s’est fondée sur l’amélioration du potentiel génétique et sur la fourniture des conditions appropriées, en particulier des nutriments, en quantité suffisante et au moment opportun (Evans, 1998). La sélection végétale n’a pas augmenté le potentiel génétique de production de biomasse d’une culture telle que le blé, car les anciennes et les nouvelles variétés produisent une biomasse similaire dans des conditions correctes. En revanche, elle a augmenté le potentiel de rendement en grains et, par conséquent, le rapport entre la masse des grains et la biomasse aérienne totale, ou indice de récolte. Les caractéristiques de qualité des grains, telles que les rapports protéines/hydrates de carbone (par exemple dans l’orge pour l’alimentation animale ou la brasserie) ou la proportion de différentes protéines (par exemple pour la fabrication du pain) ont également été modifiées : elles sont également affectées par l’environnement, comme l’approvisionnement en N.

L’amélioration du potentiel des cultures nécessite l’identification des parties spécifiques du métabolisme qui doivent être modifiées pour obtenir des résultats donnés. Lorsque l’approvisionnement en azote est tel que le potentiel de rendement existant est atteint, la seule façon d’augmenter la production est d’améliorer l’efficacité avec laquelle l’azote est utilisé dans le métabolisme. Le métabolisme doit être modifié soit pour augmenter l’assimilation de carbone par unité d’azote, soit pour augmenter la capacité d’utilisation de l’azote. La première solution augmentera la biomasse mais diminuera le rapport C/N et ne fournira pas plus de protéines. La seconde solution pourrait ne pas être réalisable parce que la lumière serait une limitation majeure, car avec de l’azote important, le LAI est déjà si grand que plus de 95% du rayonnement disponible est utilisé (Sheehy et al., 2000). Pour surmonter cette limitation, il faudrait apporter les changements les plus importants au métabolisme photosynthétique et cela représenterait un défi formidable (Evans et von Caemmerer, 2000). Lorsque l’azote est limitant, c’est la capacité d’augmenter l’absorption de l’azote à partir d’une solution diluée ou d’augmenter le volume de sol exploité qui est nécessaire, c’est-à-dire l’augmentation de l’efficacité d’absorption ou la croissance des racines. L’efficacité de l’assimilation du carbone par unité d’azote dans la plante resterait la même, mais la production de biomasse augmenterait, de même que le rapport N/C, comme c’est le cas avec les cultures actuelles qui reçoivent une quantité suffisante d’azote. L’augmentation de l’assimilation du carbone par unité d’azote augmenterait potentiellement la biomasse (si l’énergie lumineuse était disponible), mais diminuerait le rapport N/C. Si l’apport d’azote à la racine varie de manière à ne pas correspondre au taux de croissance à court terme, la constitution de grandes réserves d’azote dans la plante serait un moyen de fournir suffisamment d’azote pour répondre aux besoins biochimiques (Macduff et al., 1993). Une telle approche pourrait être plus facile à réaliser que la modification du métabolisme de base, car l’augmentation de la capacité de stockage des protéines, un « produit final », n’impliquerait pas une régulation importante. Cependant, pour être efficace en tant que réserve temporaire d’azote, le mécanisme de remobilisation serait nécessaire, avec des systèmes permettant de détecter la carence en azote et de déclencher la dégradation des protéines. Bien sûr, si le taux d’approvisionnement à partir du stockage et du sol tombe en dessous des besoins à long terme, la croissance sera limitée. Il est donc important de comprendre les processus de base de l’assimilation du carbone et de l’azote et leur relation avec le rendement des cultures. Elle pourrait guider la pratique agronomique, la sélection et le génie génétique.

Courbes de réponse à l’azote

Pour déterminer la relation entre la croissance et l’apport d’azote, avec de l’azote limitant, et le potentiel génétique avec de l’azote non limitant, les cultures sont cultivées dans un environnement standard (ou au moins le même) de lumière, de température et de CO2 – qui peut ne pas être optimal pour la plus grande production – avec toutes les autres conditions non limitantes sauf l’apport d’azote (Angus, 1995). L’engrais azoté est ensuite appliqué à différentes zones de la culture en différentes quantités (de zéro à une quantité supérieure aux besoins). La croissance de la biomasse ou du rendement de la culture est alors déterminée en fonction de la quantité d’azote appliquée. La relation entre la croissance de la culture et la quantité d’azote appliquée a été déterminée dans d’innombrables expériences et a été fréquemment discutée (Ter Steege et al., 2001). Une réponse généralisée (Fig. 2) montre qu’avec une quantité très faible d’azote, la production est très faible, augmentant linéairement avec l’apport d’azote jusqu’à ce que l’asymptote soit atteinte, c’est-à-dire qu’une nouvelle augmentation de l’azote n’augmente pas la production, ce qui correspond au potentiel génétique. Si la croissance est liée à l’azote accumulé par la culture, la pente initiale, qui est l’efficacité réelle ou intrinsèque de l’utilisation de l’azote par la plante, est plus forte (plus de biomasse par unité d’azote) que si elle est liée à l’azote appliqué. Cette différence est une mesure de l’efficacité avec laquelle l’azote est utilisé, tout comme l’est la différence entre le point où est atteint le plateau de production de biomasse exprimé par unité d’azote absorbé et d’azote appliqué. La pente de la courbe reliant la production à l’azote appliqué est l’efficacité de l’utilisation de l’azote appliqué. Lorsque l’approvisionnement en N est faible, l’efficacité est grande et diminue lorsque l’approvisionnement en N augmente dans les deux cas. La différence entre l’azote appliqué et l’azote accumulé fournit des informations précieuses sur les sources et les pertes d’azote (Bacon, 1995 ; Ter Steege et al., 2001). L’azote peut provenir des précipitations et des réserves du sol ainsi que des engrais appliqués, ce qui affecte grandement la réponse apparente dérivée de l’azote appliqué. De même, les pertes d’azote dues au lessivage, au métabolisme bactérien et aux émissions des sols et des plantes, etc. affectent l’interprétation.

L’utilisation des courbes de réponse à l’azote a fourni beaucoup d’informations quantitatives sur les besoins en azote, le calendrier, etc. (Angus, 1995 ; Lawlor et al., 2001). Les premières études ont montré la nature essentiellement asymptotique des réponses des plantes aux nutriments, y compris l’apport d’azote, comme discuté pour les courbes de réponse à l’azote. La « loi des facteurs limitants » de Blackman a résumé ce concept. Mitscherlich, par exemple, a développé une équation (Y=Ymax(1-e-cN) reliant le rendement, Y, à la quantité d’azote appliquée N, et au rendement maximum, Ymax, donné par l’asymptote de la courbe de réponse de Y en fonction de l’apport N ; c est un facteur de courbure. Ymax (qui est une mesure du potentiel génétique) et c varient selon les saisons et les sites et ne peuvent pas être facilement appliqués à différentes conditions, mais l’approche permet d’estimer les besoins en N (voir Angus, 1995, pour une discussion). Pour atteindre Ymax, la quantité correcte de N (Nmax) doit être fournie, par exemple, si une culture avec 10 t ha-1 de grain à un Nmax de 2% N (total 200 kg N) et 10 t ha-1 de paille à un Nmax de 0,5% N (total 50 kg N) alors 250 kg ha-1 sont nécessaires pour toute la culture. Cela représente également la demande de N de la culture et est identifiable avec le potentiel génétique pour l’absorption de N et la production de rendement. Si la différence entre l’azote dans la plante (Nmin) est inférieure à Nmax, alors l’azote requis (la demande, D) est donné par D=(Nmax-Nmin)×masse de la culture. Ceci fournit une évaluation simple du besoin en N, mais doit être basé sur des moyennes de mesures répétées à long terme.

Indicateurs du statut et du métabolisme de N en agriculture

Vu la nécessité d’ajuster la quantité et le moment des applications de N aux cultures pour augmenter la production et l’efficacité et pour diminuer la pollution, il est logique de mesurer le N dans la plante pour indiquer les besoins en N (Neeteson, 1995). La mesure de l’azote dans le sol est moins directe et peut ne pas refléter la dynamique des processus de culture et l’impact de l’environnement sur la culture. La mesure de l’azote doit être rapide, facile et efficace, et peu coûteuse. Comme les feuilles contiennent une grande partie de l’azote de la culture, on mesure généralement l’azote total ou les composants étroitement liés à l’offre d’azote qui réagissent rapidement aux changements de l’offre d’azote et à sa relation avec la demande. L’analyse de l’azote total est lente, car elle nécessite l’échantillonnage et la préparation des tissus ainsi qu’un équipement analytique spécialisé, et n’est donc généralement pas utilisée pour mesurer la dynamique de l’azote. Des tests colorimétriques rapides de

concentration (qui dépend de l’offre et de la demande de

) dans de petits échantillons de sève exprimée peuvent être effectués sur le terrain, sont rapides et peu coûteux et ont été considérés comme un indicateur utile du statut de l’azote, mais ils n’ont pas été largement utilisés comme guide pour l’application de l’azote (Neeteson, 1995). La teneur en chlorophylle, qui est fortement liée à l’apport d’azote, peut être mesurée sur le terrain avec un photomètre, tel que le chlorophylomètre Minolta SPAD-502 (Minolta Camera Company, Ramsey, NJ, USA), qui est rapide et reproductible. Les lectures du SPAD sont calibrées pour obtenir la teneur en chlorophylle des feuilles, ou corrélées directement avec la performance de la plante (Peltonen et al., 1995), fournissant une méthode pratique d’évaluation du statut et des besoins en azote, bien qu’elle soit moins dynamique que les tests de

teneur. De telles approches, basées sur la compréhension biochimique et physiologique, devraient être encouragées.

Modélisation de l’azote dans l’environnement et la plante

L’utilisation de courbes de réponse à l’azote a été d’une grande utilité pour évaluer les besoins en azote des cultures (Angus, 1995). Cependant, ces méthodes sont des généralisations, qui ne peuvent pas facilement tenir compte des différences entre les cultures sur différents sites et au cours de différentes années en raison de la variation de l’approvisionnement en azote et des conditions météorologiques qui affectent la demande des cultures, les pertes d’azote, etc. Des approches dynamiques sont nécessaires pour permettre des réponses rapides et pour ajuster l’offre à la demande. Les modèles de ces processus sont bien développés et largement utilisés pour recommander des applications d’engrais azotés (par exemple dans les systèmes d’aide à la décision), augmenter l’efficacité de l’utilisation de l’azote et réduire la pollution (Addiscott et al., 1995). Il est nécessaire d’améliorer les modèles, notamment en ce qui concerne les processus des cultures (par exemple, les taux de croissance qui peuvent être mesurés ou modélisés sur la base de la température) à court terme, afin d’évaluer les besoins en azote à des moments spécifiques ou à des stades de croissance des cultures. On a relativement peu utilisé les informations biochimiques dans les modèles de simulation pour faire progresser la compréhension des mécanismes et aussi pour améliorer l’application de l’azote (moment et quantité).

Les contraintes majeures sur le type de modèle de simulation employé sont : une compréhension quantitative inadéquate des parties individuelles des mécanismes (caractéristiques des enzymes, tailles des pools d’intermédiaires), une mauvaise connaissance de la connexion entre les différents mécanismes (lien entre l’assimilation du C et de l’azote, transport dans la plante) et la difficulté de relier les mesures à court terme du métabolisme de base aux réponses globales de la culture. La complexité du système empêche le développement de modèles de simulation véritablement « mécanistes » et soulève la question suivante : quelle complexité un modèle peut-il avoir pour être compréhensible, stable et testable ? Les modèles métaboliques complexes sont précieux pour explorer et quantifier les mécanismes et indiquer quelles informations sont nécessaires (Evans et von Caemmerer, 2000). L’expérience suggère que les modèles très complexes ont une valeur limitée dans la pratique. Les modèles contiennent généralement des relations empiriques qui, si elles sont bien testées, peuvent fournir une précision acceptable dans l’application. Pour améliorer l’efficacité de l’utilisation de l’azote, plus d’efforts sont nécessaires pour développer et améliorer les modèles de simulation basés sur des relations empiriques, et incorporant des informations biochimiques.

Possibilités futures

C’est un truisme que les processus impliqués dans la production végétale sont très complexes et à plusieurs niveaux, allant de la molécule à l’organisme entier, et les facteurs environnementaux affectent tous les niveaux d’organisation. L’essentiel est que, lorsque l’apport d’azote est inférieur à ce qui est nécessaire pour que le potentiel génétique soit atteint, c’est l’absorption d’azote qui doit être augmentée pour obtenir une plus grande biomasse. Cela peut se faire soit en augmentant le volume de sol exploité et en réduisant les limitations de diffusion par une plus grande densité d’enracinement, soit en augmentant l’affinité des racines pour l’azote. Alternativement, l’assimilation de C par unité de N accumulé pourrait être augmentée, de sorte qu’une biomasse plus importante résulterait d’une accumulation de N plus faible. L’augmentation du potentiel génétique de la biomasse pourrait, en théorie, être obtenue en augmentant l’assimilation de carbone par unité d’azote accumulé, au prix d’une augmentation du rapport C/N. Cela suppose que l’énergie lumineuse soit suffisante pour permettre aux plantes de se développer. Cela suppose qu’une énergie lumineuse adéquate soit disponible, ce qui est peu probable puisque presque toute l’énergie est absorbée actuellement avec une canopée complète. Si davantage de N était assimilé, mais sans modifier l’équilibre avec l’assimilation de C, cela augmenterait théoriquement la biomasse et maintiendrait le rapport C/N actuel. Cependant, une limitation de la lumière serait alors probable. En revanche, la biomasse pourrait être augmentée en prolongeant la période pendant laquelle la lumière est absorbée (saison de croissance plus longue) et utilisée efficacement (génotypes « restant verts »). La première solution est l’une des principales raisons de l’augmentation de la biomasse et du rendement du blé d’hiver par rapport au blé de printemps. La seconde est également exploitée.

Comprendre comment les processus réagissent à l’azote est la clé pour améliorer la production et l’efficacité de l’utilisation de l’azote, et est essentiel si le potentiel génétique doit être augmenté (Sheehy et al., 2000). La réponse de la plante entière, en tant qu’élément central des systèmes agricoles, aux conditions environnementales ne peut être comprise que si l’on apprécie l’organisation du système. En outre, les facteurs environnementaux régissant l’approvisionnement en azote doivent être évalués. Cependant, il est impossible d’analyser tous les aspects ensemble dans une série de conditions dans un seul programme de recherche, ou de les combiner pour une application pratique, d’où la nécessité de la modélisation. Cela a conduit à différentes conceptions de la manière de traiter le « problème » de la compréhension des besoins en azote, et de la manière d’utiliser l’azote pour modifier et améliorer la qualité et la quantité des produits agricoles. Les approches réductionnistes et agronomiques se situent aux deux extrêmes. Le réductionnisme considère que la connaissance de la structure du génome fournira suffisamment d’informations pour permettre de modifier les caractéristiques des plantes dans certaines directions afin d’améliorer la réponse à l’azote et d’accroître la productivité, l’efficacité et le potentiel de rendement des systèmes agricoles. Ce point de vue semble accepté par les biologistes moléculaires et les ingénieurs généticiens (Matsuoka et al., 2000). Actuellement, beaucoup d’efforts et d’enthousiasme sont consacrés à la compréhension des génomes des plantes et les espoirs d’accroître la production alimentaire se concentrent sur la modification génétique pour augmenter le potentiel génétique. Étant donné la complexité de la nature du sous-système des plantes, et l’interaction considérable avec l’environnement. Je considère que ce point de vue est mal fondé et insoutenable, même dans sa forme la moins extrême. Le rôle de la biochimie était autrefois considéré de la même manière (par exemple, la régulation de la production végétale par l’activité de la nitrate réductase), mais, dans la pratique, relativement peu de modifications spécifiques et d’améliorations agronomiques en ont résulté. Les idées et les informations biochimiques ont été essentielles pour comprendre le système plante-environnement. Les concepts actuels sont ceux de systèmes biochimiques interactifs et dynamiques, avec de nombreux processus de régulation par rétroaction et par anticipation qui assurent la stabilité et la flexibilité du métabolisme, de la croissance, etc. mais qui peuvent être plus difficiles à modifier de manière spécifique qu’on ne le pense. L’approche agronomique est essentiellement empirique, basée sur la détermination expérimentale des besoins en intrants pour une production maximale (ou optimale) : cette méthode traditionnelle est efficace, mais limitée dans l’espace et dans le temps et, par conséquent, spécifique, et donc transférable uniquement en termes généraux. Ce n’est pas ce qui est nécessaire pour un réglage fin des ressources en fonction de la production en agriculture, et cela a conduit à ne pas exploiter une compréhension biochimique plus mécaniste (peut-être liée à la modélisation de simulation) pour améliorer l’efficacité et réduire la pollution, etc.

L’augmentation du potentiel de rendement au cours des 50 dernières années est le résultat d’une sélection empirique, avec des apports biochimiques et physiologiques qui ont conduit à une meilleure compréhension des processus (tels que ceux qui régulent la qualité des protéines des grains, la résistance aux maladies, etc. La reproduction par sélection recombine en grande partie l’information génétique et sélectionne les « produits finaux » tels que la quantité et la qualité des grains. Cette procédure aboutit à la sélection de processus biochimiques, et de leurs combinaisons, qui optimisent les activités du sous-système, mais traite essentiellement le système comme une « boîte noire ». Même si cette approche continuera probablement à fournir la plupart des améliorations des caractéristiques des cultures pendant de nombreuses années, le potentiel offert par la biologie moléculaire pour modifier le génome et donc les processus biochimiques de base doit être exploité. Cependant, pour réussir, il faut intégrer la compréhension des processus biochimiques et de leur interaction avec l’environnement (Snape, 1996). Le génie génétique modifie le système en des points spécifiques identifiés comme des étapes clés ou limitantes du métabolisme. Cependant, il n’existe pas un gène pour l’efficacité de l’utilisation de l’azote ou pour le rendement ou la qualité du grain, mais de nombreux gènes codant pour des protéines qui déterminent les structures et les comportements de différents sous-systèmes biochimiques et physiologiques. Il est donc probable (et maintenant fréquemment démontré) que les modifications du génome n’entraîneront pas d’altérations majeures du métabolisme de base du type de celles évoquées ici (Paul et Lawlor, 2000). De plus, la réponse aux conditions environnementales peut être complexe et impliquer les interactions G×C mentionnées, ce qui nécessite un changement de concept du génome au génome dans un environnement (Sheehy et al., 2000). Si l’on ne prend pas rapidement conscience de ce fait, la perte actuelle de l’expertise en biochimie et en physiologie des plantes dans de nombreux pays au profit de la biologie moléculaire va fausser la base de connaissances. Elle affaiblira considérablement les méthodes plus classiques d’attaque du problème fondamental de l’amélioration de la production en ralentissant l’application des connaissances actuelles sur la technologie des engrais. Elle empêchera également l’amélioration des approches les plus susceptibles d’avoir un impact majeur sur l’approvisionnement en nourriture au cours du prochain demi-siècle, lorsque la demande augmentera le plus rapidement. La combinaison d’informations moléculaires, biochimiques et physiologiques est nécessaire pour évaluer efficacement les possibilités d’amélioration des cultures.

En conclusion : la production végétale dépend totalement de l’apport d’azote en quantité appropriée au bon moment pour la croissance. C’est la conséquence des événements métaboliques, basés sur les protéines, avec l’énergie lumineuse utilisée dans la réduction du CO2 et

et la synthèse des assimilats qui sont utilisés dans la croissance végétative et reproductive et la formation du rendement. Cependant, les relations entre les nombreux processus conduisant au rendement sont complexes et, bien que déterminées génétiquement, elles sont soumises à une influence considérable de l’environnement, en particulier de l’apport en azote. La compréhension des mécanismes qui déterminent la production, le rendement et l’efficacité des cultures est avancée, mais insuffisamment exploitée en agriculture, bien qu’il existe des moyens d’appliquer ces informations. Les changements à apporter aux cultures pour augmenter la biomasse se font à faible apport d’azote : (a) augmenter l’accumulation totale de N en augmentant le volume de sol exploité, la densité d’enracinement et l’affinité de la surface des racines pour

. Cela maintiendra le rapport C/N actuel de la culture ; (b) augmenter l’assimilation de C par unité de N, ce qui augmentera la biomasse et le rapport C/N. À faible absorption de N et LAI inférieur à 3, l’énergie lumineuse ne serait pas limitante dans (a) ou (b) ; les deux approches pourraient être utilisées. Si l’apport et l’absorption d’azote sont élevés, les possibilités sont les suivantes : (c) d’augmenter l’assimilation de C par unité de N, augmentant ainsi la biomasse et le rapport C/N ou (d) d’augmenter l’azote accumulé dans les composants actifs, mais de maintenir la même assimilation de C, augmentant ainsi la biomasse et maintenant le rapport C/N. Ces deux solutions supposent qu’une énergie suffisante sera disponible, ce qui est peu probable avec un LAI élevé, et que le CO2 ne sera pas limitant. Actuellement, il l’est, et il est peu probable que le taux d’augmentation du CO2 atmosphérique soit suffisamment rapide ou important pour accroître la production jusqu’au potentiel génétique obtenu en cas de CO2 élevé. Il faudra donc augmenter le potentiel génétique de croissance et de rendement des cultures lorsque l’offre d’azote répondra à la demande, mais les moyens d’y parvenir ne sont pas clairs. Augmenter l’efficacité de la photosynthèse par unité de N ou de lumière n’est pas une tâche triviale. Les changements survenant dans le métabolisme de base lors des améliorations obtenues par la sélection végétale sont inconnus et ne permettent pas de savoir quelles limites ont été surmontées pour améliorer le potentiel de rendement génétique. Il s’agit principalement d’augmenter la capacité de croissance des grains tout en diminuant la croissance végétative et en maintenant la capacité du métabolisme du carbone et de l’azote à fournir les grains et à prolonger la saison de croissance. Les améliorations du métabolisme de base du C et du N ne sont pas documentées. L’analyse des aspects métaboliques et physiologiques des réponses des plantes à

l’approvisionnement et à la température montre l’interaction de nombreux processus déterminant la réponse des plantes à l’azote. Ces informations sont importantes pour guider le développement de méthodes visant à améliorer l’application de l’azote aux cultures, dans la sélection et pour évaluer le potentiel de la manipulation génétique pour améliorer l’efficacité de l’utilisation de l’azote et le potentiel de rendement génétique. L’appréciation des interactions génotype-environnement est essentielle. L’analyse suggère que l’augmentation de l’absorption de N nécessitera des changements dans les systèmes racinaires et dans l’affinité des

transporteurs. L’efficacité accrue de l’utilisation de l’azote dans la photosynthèse nécessiterait des modifications substantielles du métabolisme photosynthétique. L’amélioration du potentiel de rendement génétique sera une tâche majeure et à long terme, peu susceptible d’être réalisée par la technologie actuelle du génie génétique. Une combinaison de sélection de reproduction et de méthodes moléculaires peut fournir des moyens d’améliorer l’efficacité de l’utilisation de N et le potentiel génétique.

Remerciements

Mes remerciements vont aux éditeurs de l’édition spéciale pour leur invitation et leur indulgence pendant la production du manuscrit. De même, tous mes collègues, non nommés mais non oubliés, qui ont contribué pendant de nombreuses années à ce travail méritent des remerciements particuliers.

Notes de l’auteur

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