Le rôle du microbiote du sol est considérable et très varié : humification et minéralisation, mycorhization, fixation de l'azote atmosphérique, défense des plantes par champignons endophytes…

Vue au microscope électronique à transmission d'une section transversale d'un nodule racinaire bactérien endophyte dans une racine de soja. La bactérie Bradyrhizobium japonicum (en) a colonisé l'intérieur des racines du soja et y a établi une symbiose fixatrice d'azote. Cette image (en fort grossissement) montre le réticulum endoplasmique, le dictyosome et la paroi cellulaire.

La fixation biologique de l'azote, ou diazotrophie (du grec di, « deux », azo, « azote », et trophos, « alimentation »), est le processus du cycle de l'azote qui permet à un organisme de produire (indirectement) des substances protéiques à partir de l'azote gazeux (N₂) présent dans l'atmosphère et l'environnement.
L'acronyme BNF est parfois utilisé par les anglophones pour résumer l'expression « biological N₂-fixation ».

Elle peut être symbiotique lorsqu'elle est liée à la formation de nodosités, ou asymbiotique lorsqu'elle implique des bactéries diazotrophes qui restent libres dans le sol ou en association plus ou moins étroite avec les plantes, comme colonisateurs épi- ou endophytique^[1]. La fixation par les bactéries symbiotiques, plus efficace, constitue le processus naturel dominant de fixation de l'azote dans la majorité des écosystèmes terrestres, permettant aux espèces pionnières de coloniser des milieux pauvres en azote. La fixation asymbiotique de l'azote qui joue un rôle important dans les milieux gorgés d'eau et les déserts, est estimée de 23 % à 32 % du total d'azote assimilé par les plantes^[2].

Cette stratégie d'acquisition de nutriment met en jeu le processus de réduction enzymatique de N₂ (azote moléculaire) en azote ammoniacal, ou ammoniac (NH₃) : cette forme de N combiné, appelée intermédiaire-clé, représente la fin de la réaction de fixation et le début de l'incorporation de l'azote fixé dans le squelette carboné. Dans le système biologique fixateur de N₂ les conditions optimales de la catalyse biologique correspondent à une pression de 0,2 à 1,0 atm de N₂ et une température de 30-35 °C, alors que les conditions de la catalyse industrielle sont très sévères : pression de 250-1000 atm de N₂ et température de 450 °C^[3].

Généralités

Cycle de l'azote dans le sol

Ce processus est comparable à celui de la photosynthèse qui permet de produire des substances glucidiques à partir du dioxyde de carbone (CO₂) de l'atmosphère. Mais, alors que la photosynthèse est le fait de tous les végétaux (sauf les végétaux saprophytes), la fixation de l'azote ambiant n'est réalisée que par certaines espèces de bactéries comme les cyanophycées. Toutefois, de nombreuses plantes, principalement de la famille des Fabaceae (légumineuses), la réalisent de façon indirecte, en symbiose avec des bactéries de leur rhizosphère, qui se localisent généralement dans des nodosités situées sur leurs racines.

Jusqu'à une date récente, on admettait que les champignons mycorrhiziens pouvaient fixer N₂. On sait maintenant que la propriété de fixer N₂ est strictement limitée aux procaryotes^[4],[5] et n’a jamais été montrée chez les champignons filamenteux. La fixation de N₂ mesurée par la réduction de l’acétylène (C₂H₂) en éthylène (C₂H₄ ou CH₂=CH₂) par une racine mycorrhizée ne devrait pas être imputée au champignon lui-même mais aux bactéries associées de la mycorrhizosphère. Cette activité de fixation de N₂ est d'ailleurs encore plus importante dans la litière forestière que dans la mycorrhizosphère elle-même^[6].

Ces organismes procaryotes (bactéries) produisent une enzyme, la nitrogénase, qui permet de réaliser la synthèse de l'ammoniac par une réaction de réduction fortement exergonique et endothermique (en raison de la très forte énergie de la liaison triple de N₂, 940,5 kJ/mol, elle exige 16 ATP pour la fourniture de l'énergie d'activation)^[7],[8] :

N₂ + 16 ATP + 8 e⁻ + 8 H⁺ → 2 NH₃ + H₂↑ + 16 ADP + 16 Pi

dans les conditions du sol, à l'opposé des 450 °C des procédés industriels qui requièrent aussi une pression moyenne de l'ordre de 400 atmosphères. L'ammoniac est ensuite transformé en acides aminés utilisables par les plantes.

La nitrogénase est en réalité un complexe enzymatique formé de sous-unités, dont le fonctionnement est in vitro inhibée par l'oxygène. Mais dans le processus de symbiose son fonctionnement est rendu possible en zone de microaérobiose (dans les nodules racinaires) voire en condition aérobie à l'intérieur des racines de plantes non légumineuses (avec l'aide de microorganismes dites « endophytes » selon Santi & al en 2013^[9] qui semble ainsi bénéficier de condition ^[10],[11].
Par ailleurs les micro-organismes diazotrophes (fixatrices d'azote) ont de leur côté développé plusieurs stratégies de protection de leur complexe nitrogénase^[12],[13].

L’inhibition de la nitrogénase par l'O₂, que ce soit directement ou indirectement via des radicaux oxydants, constitue un régulateur fort de la teneur en oxygène dans l'atmosphère, dans le cycle de l'oxygène, par la rétroaction négative qu'il a sur la fixation de l'azote^[14]. Une inhibition dans la fixation de l'azote conduirait à une chute de la productivité primaire, à la fois directement pour les cyanobactéries diazotrophes et indirectement pour l'ensemble de la productivité primaire de l'hydrosphère, induisant à plus long terme, pour le cycle du carbone, une réduction dans le rythme d'enfouissement du carbone organique. Sans enfouissement il n'y a pas de création nette d'O₂ par la biosphère, et l'oxygène en excès espèce très réactive, disparaît progressivement par l'oxydation de la surface de la planète.

Les bactéries fixatrices d'azote

Il existe des bactéries libres qui vivent dans le sol et assurent la fixation de l'azote, soit seules, soit en symbiose avec d'autres bactéries. Ce sont souvent des bactéries auxiliaires de la mycorhization (en), d'où leur forte densité au niveau de la rhizosphère où elles peuvent recevoir les apports carbonés des exsudats racinaires. Elles sont caractérisées par la fixation asymbiotique de l'azote (l'association avec les racines n'est pas étroite alors que la symbiose au sens strict implique une interaction très intime). D'autres fixent l'azote atmosphérique, en relation plus ou moins étroite avec les plantes, comme colonisateur épi- ou endophytique^[15]. Elles présentent une grande diversité de modes de productions d'énergie : métabolisme respiratoire aérobie (Azotobacter, Bacillus, cyanobactéries du genre Nostoc, Anabaena, Calothrix), associée à différentes stratégies pour éviter que leur nitrogénase soit en contact avec l'oxygène (augmentation de l'activité respiratoire pour réduire le taux d'oxygène environnant, développement d'hétérocystes) ; métabolisme anaérobie obligatoire (Clostridium, Chlorobium, Chromatium) ou facultative (Aerobacter, Klebsiella, Pseudomonas) ; métabolisme microaérophile (Azospirillum)^[16],[17].

D'autres espèces bactériennes développent une association symbiotique hautement spécialisée avec le système racinaire des plantes, faisant intervenir la création d'un nouvel organe, la nodosité :

• groupe des Rhizobia (Rhizobium, Bradyrhizobium, Mesorhizobium (en)…) : légumineuses (fabacées) et ulmacées ;
• Frankia : diverses espèces d'angiospermes, essentiellement arbres et arbustes (au sein des Casuarinacées, Eleagnacées, Myricacées, Rosacées, etc.), notamment les aulnes, l'argousier, les Casuarinaceae et le Myrica gale.

Dans les océans, ce sont les Cyanobacteria qui fixent le diazote. Il en existe deux types :

• Les cyanobactéries dites « filamenteuses », telles que Trichodesmium sp., qui vivent en colonie ;
• Les cyanobactéries unicellulaires, appelées UCYN, qui peuvent vivre libre ou en symbiose avec certaines espèces du phytoplancton.

Dialogue fabacées-rhizobiacés

La formation des nodules racinaires met en jeu un dialogue moléculaire complexe entre la plante-hôte et les rhizobiacées.

La plante sécrète des signaux de type flavonoïdes, bétaïnes. La perception de ces signaux par la bactérie induit l’expression de nombreux gènes bactériens, dont une centaine sont connus. Les plus étudiés sont les gènes nod (ou bien nol et noe). Les gènes Nod D expriment des protéines régulatrices en réponse aux inducteurs végétaux. Une fois activées les protéines Nod D se fixent sur des séquences nod-box, promoteur des gènes nod de structure et activent leur transcription. Ces gènes produisent des facteurs Nod essentiels dans l’établissement de la symbiose.

Les facteurs NOD activent une voie de signalisation faisant intervenir une série de gènes de la plante-hôte, et provoquent finalement des modifications morphologiques et cytologiques de la racine, pour aboutir à la formation des nodules.

Évolution des symbioses fixatrices d’azote

Autres plantes à la rhizosphère fixatrice d'azote

Une vieille variété de maïs, cultivée dans des régions montagneuses de la Sierra Mixe dans le sud du Mexique, possède des racine aériennes dont les exsudats mucilagineux favorisent le développement de bactéries diazotrophes qui permettent à la plante de tirer de 29 à 82 % de son azote de l'air ambiant grâce à cette association symbiotique (taux d’azote fixé que seules les Légumineuses peuvent atteindre)^[19].

De nombreuses plantes ont des associations similaires :

• Allocasuarina ainsi que d'autres genres de la famille des Casuarinaceae
• Alnus ou Aulne (famille des Betulaceae)
• Azolla (famille des Azollaceae)
• Casuarina (famille des Casuarinaceae)
• Ceanothus (famille des Rhamnaceae)
• Cercocarpus (famille des Rosaceae)
• Cycadacée (famille des Cycadaceae)
• Elaeagnus umbellata (famille des Elaeagnaceae)
• Gunnera (famille des Gunneraceae)
• Lobaria - Lobaria cuneifolia (L.) Haw.; nom retenu: Saxifraga cuneifolia subsp. cuneifolia^[20], Désespoir-du-peintre, Saxifrage à feuilles en coin (famille des Saxifragaceae) avec certains lichens.
• Myrica (famille des Myricaceae)
• Purshia tridentata (angl. antelope bitterbrush) (famille des Rosaceae)
• Robinia pseudoacacia, Leucaena leucocephala (famille des Fabaceae)
• Shepherdia argentea (angl. silver buffaloberry) (famille des Elaeagnaceae)

Plantes disposant de microorganismes « endophytes »

Depuis les années 2000 à 2015, plusieurs espèces végétales présentant des endophytes fixateurs d'azote ont été trouvées, dont :

• Azoarcus sp (herbacée) ^[21] ;
• Canne à sucre^[22] ;
• riz sauvage^[23],[24] ;
• maïs^[25],
• Sorghum halepense^[26] ;
• Miscanthus^[27],[28] ;
• cactus Mammillaria fraileana^[29] ;
• Patate douce^[30],[31] ;
• mousses des forêts boréales^[32] ;
• herbacées dunaires (Ammophila arenaria et Elymus mollis^[33] ;
• plants de café Coffea arabica L.^[34] ;
• plants de conifères (Pinus flexilis et Picea engelmannii ) inoculé avec Paenibacillus polymyxa^[35],[36].

La capacité de fixation de l'azote a été directement quantifiés chez quelques graminées (canne à sucre, blé et riz^{[37],[21],[38],[39]}).

Mesure de la fixation biologique du diazote

Elle se fait par deux moyens :

• un premier test utilise le fait qu'il existe un isotope stable de l'azote : l'isotope ¹⁵N₂ qui est chimiquement inerte et naturellement rare dans l'atmosphère (bien plus rare que l'autre isotope de l'azote : ¹⁴N). La mesure du taux d'incorporation de cet isotope dans les tissus vivants d'une plante est la méthode la plus directe de dosage de la fixation biologique du diazote (N₂). Si une plante ou un tissu végétal contient plus cet isotope qu'un autre, c'est qu'il a bénéficié d'un moyen de capter des quantités plus importantes de diazote de l'air et de le transformer en azote moléculaire biodisponible (pour produire des acides aminés ou des protéines). Même une faible augmentations de l'isotope ¹⁵N par rapport à une plante-témoins indique une fixation de N₂^[40]. Il est possible pour les besoins d'expériences de laboratoire d'acheter des bombonnes d'azote ¹⁵N₂ comprimé (98 % des atomes sont des isotopes ¹⁵N₂)^[41] ;
• un autre moyen (dit « ARA » par les anglophones ; acronyme de « Acetylene reduction assay ») est un « test de réduction de l'acétylène » ; c'est une évaluation cette fois indirecte de la fixation de l'azote atmosphérique N₂^[42].

Certaines études, par précaution, utilisent à la fois ces deux tests, comme l'étude de 2016 qui a pour la première fois montré l'existence de bactéries diazotrophes symbiotes d'espèces pionnières dans les branches d'arbre (saules ou peupliers pionniers s'épanouissant sur des milieux fortement carencés en azote)^[41].

Notes et références

Voir aussi