Projet ANR- 11-BSV7-015 01 - UNLOCKP – Mobilisation des réserves de Phytate du sol : quelles sont les clefs nécessaires pour accéder au phosphore de ce trésor ?
Résumé
Les organismes du sol peuvent-ils résoudre la crise annoncée du phosphore ?
Vers une meilleure utilisation des microorganismes du sol et leurs prédateurs pour améliorer la nutrition phosphatée des plantes à partir du phytate
La production agricole mondiale dépend essentiellement de la fertilisation des cultures par des engrais phosphatés. Les ressources en P sont finies, et contrairement au pétrole, P n’est pas remplaçable. Au rythme actuel de leur exploitation, les réserves mondiales de phosphate seront épuisées dans 50 à 100 ans, et l’agriculture rencontrera une « crise » du P au cours de ce 21ème siècle. Il est urgent de trouver des alternatives qui pourraient reposer sur la minéralisation de P organique du sol. Or le phytate (myo-inositol-hexaphosphate), forme de réserve de P organique des graines, est particulièrement abondant dans le sol et les effluents issus de l’agriculture. P est prélevé par les plantes (et les autres organismes) uniquement sous la forme d’orthophosphate (H2PO4-, HPO42-) (Pi). Pour pouvoir être utilisé par les plantes, le phytate doit donc être minéralisé par des phytases microbiennes. L’objectif du projet était de trouver des stratégies permettant aux plantes de mieux utiliser le phytate du sol, notamment grâce à l’inoculation de bactéries minéralisatrices de phytate, en présence ou en absence de leurs prédateurs (les nématodes bactérivores).
Approche combinée d’outils moléculaires, enzymatiques, spectroscopiques, analytiques et de modélisation pour décrypter la minéralisation du phytate
Pour analyser les facteurs responsables de la minéralisation du phytate, nous avons utilisé quatre approches complémentaires :
i)la production de phytases microbiennes recombinantes pour analyser l’impact des conditions de sol sur la minéralisation du phytate par ces enzymes,
ii)la production d’un substrat fluorescent et l’utilisation d’une méthode RMN à deux dimensions (RMN 2D-DOSY 31P) pour mieux suivre le devenir du phytate en solution ou dans le sol
iii)le suivi de l’accumulation de P par des plantes cultivées sur deux sols aux propriétés d’adsorption du P très contrastées et amendés en phytate, en présence ou non de différents acteurs biologiques : les bactéries minéralisatrices de phytate, leurs prédateurs (les nématodes bactérivores) et les champignons symbiotiques mycorhiziens connus pour leur capacité à améliorer la nutrition P de la plante-hôte
iv)la modélisation mathématique effectuée à partir des résultats obtenus avec l’approche (iii) pour déterminer les facteurs régissant la minéralisation du phytate dans le sol et le prélèvement de P par les plantes.
Résultats majeurs du projet
Le projet UNLOCKP a montré que le nouveau substrat fluorescent est utilisé comme le phytate non fluorescent par les phytases produites par deux espèces fongiques (un champignon filamenteux Aspergillus niger et une levure Debaryomyces castellii) et une bactérie (Bacillus subtilis), rendant cette molécule prometteuse pour suivre la dégradation du phytate in situ. La présence de sol n’a pas perturbé l’activité catalytique de ces trois enzymes, suggérant qu’elles minéralisent effectivement le phytate en conditions de sol. Enfin, la culture des plantes a montré que la présence de nématodes est nécessaire pour que la plante utilise le P du phytate, ouvrant de nouvelles perspectives à l’application des inoculants bactériens.
Production scientifique et brevets depuis le début du projet
Les résultats du projet UNLOCKP ont été présentés principalement lors de congrès internationaux ou nationaux avec 6 conférences/séminaires. Cinq articles (3 multipartenaires et 2 monopartenaire) sont en préparation pour une soumission prévue pour la fin de l’année dans des revues internationales à comités de lecture. Deux actions de diffusion dont un article de vulgarisation scientifique impliquant tous les partenaires ont également été produites pour présenter les hypothèses et les résultats du projet UNLOCKP.
Illustration
Schéma conceptuel de l’utilisation du phytate bloqué dans le sol grâce aux bactéries minéralisant le phytate (Bacillus subtilis) et leur prédation par les nématodes bactérivores. La prédation peut accélérer la minéralisation du phytate par les bactéries (a) et/ou libérer le P bactérien (b) pour alimenter le pool de phosphate (Pi) libre du sol, seule forme utilisable par les plantes, mycorhizées ou non.
Informations factuelles
Le projet UNLOCKP est un projet de recherche fondamentale coordonné par l’INRA Montpellier (UMR Ecologie Fonctionnelle et Biogéochimie des Sols et des agroécosystèmes, Dr Claude Plassard). Il associe aussi l’Institut de Chimie Moléculaire de Reims (Université de Reims, Prof Jean-Bernard Behr), l’UMR Science Pour l’œnologie (INRA Montpellier, Dr François-Xavier Sauvage) et l’UMR Ingénierie des Agro-polymères et Technologies Émergentes (Montpellier SupAgro, Prof Eric Dubreucq). Le projet a débuté le 31 mars 2012 et a duré 48 mois. Il a bénéficié d’une aide ANR de 330 000€ pour un coût global de l’ordre de 1 264 565€.