Introduction au microbiome de la zone racinaire

Grâce à des recherches continues, la compréhension scientifique du microbiome de la zone racinaire - en d'autres termes, la vie microbienne sur et autour des racines d'une plante - a fait d'énormes progrès ces dernières années. Mais comment le microbiome de la zone racinaire se développe-t-il dans la laine de roche et que se passe-t-il réellement dans ce monde fascinant et invisible ?

La zone racinaire d'un support de culture non organique comme la laine de roche peut contenir autant de bactéries qu'un substrat organique - jusqu'à et parfois plus d'un milliard par millilitre de laine de roche", explique Marta Streminska, chercheuse en écologie microbienne basée à l'Université et Institut de recherche de Wageningen, unité commerciale de l'horticulture en serre et des bulbes à fleurs, à Bleiswijk, aux Pays-Bas. 

Définition : Un microbiome est une communauté microbienne caractéristique qui occupe un habitat raisonnablement bien défini et qui possède des propriétés physio-chimiques distinctes. Le microbiome ne se réfère pas seulement aux micro-organismes impliqués, mais englobe également leur théâtre d'activité, ce qui entraîne la formation de niches écologiques spécifiques. Dans le cas du microbiome de la zone racinaire, ce théâtre d'activité est la zone située directement autour des racines d'une plante, la rhizosphère, et les microorganismes de la zone racinaire au sens large.

Propre et exempt de maladies au point de fabrication

Il n'est pas difficile d'imaginer que les supports de culture organiques tels que la tourbe de coco regorgent de vie microbienne. Mais qu'en est-il des supports de culture non biologiques tels que la laine de roche ? Contiennent-ils également des microbes dans la zone racinaire ? "Le support de culture en laine de roche de Grodan est propre et exempt de maladies au moment de sa fabrication. Cependant, dès que l'eau, les nutriments, les graines et les plantes sont ajoutés, les microbes commencent immédiatement à se propager, établissant rapidement un microbiome diversifié dans la zone racinaire (voir le graphique ).

Comment le microbiome se développe-t-il dans la laine de roche ?

"Lorsque nous semons une graine dans un cube ou plantons un jeune plant sur un pain  de laine de roche, les microbes colonisent rapidement la zone racinaire, où ils se développent grâce aux exsudats racinaires : des matières organiques telles que le glucose, les acides organiques et les métabolites secondaires qui sont constamment sécrétés par les racines des plantes au cours de la croissance. En termes de nombre de bactéries, il n'y a pas une énorme différence entre la laine de roche et les supports de culture biologiques", précise-t-elle. "Ces chiffres sont époustouflants, avec plus d'un milliard de cellules composées de 600 à 700 genres différents par millilitre de laine de roche".

"Il est encore plus clair maintenant qu'il existe une différence entre les populations microbiennes qui se développent directement dans la rhizosphère et dans le reste de la zone racinaire. Ainsi, même à une échelle spatiale aussi réduite, il existe des différences microbiennes mesurables et définies", commente Marta.

"Une différence clé entre le microbiome de la laine de roche et celui des supports de culture organiques est la présence de champignons. Les champignons préfèrent les matières organiques complexes telles que la cellulose et la lignine, qui sont plus abondantes dans les supports de culture biologiques. Cela s'explique par le fait que le support de culture biologique est fabriqué à partir de plantes mortes", ajoute-t-elle. Cette explication simple explique pourquoi les niveaux de champignons sont plus élevés dans les supports de culture biologiques que dans la laine de roche, car les champignons ont la capacité de dégrader les composés organiques complexes et de rendre le carbone à nouveau disponible.

Recherche intensive

Pendant de nombreuses années, l'importance des micro-organismes dans la croissance des plantes a été sous-estimée et souvent complètement ignorée. "Il y a 20 ou 30 ans, les micro-organismes dans les systèmes de culture étaient souvent négligés, tout simplement parce que les scientifiques ne pouvaient pas voir la diversité des microbes, car ils ne pouvaient pas être cultivés en laboratoire", poursuit-elle. Depuis, grâce aux progrès de la biologie moléculaire, les microbiologistes ont pu étudier plus intensivement le rôle des microbes dans les plantes, tant dans la phyllosphère (les parties aériennes de la plante) que dans la rhizosphère (les parties souterraines de la plante). 

On sait également aujourd'hui qu'en plus d'une gestion précise de l'irrigation, un microbiome équilibré de la zone racinaire contribue de manière importante au maintien de la force, de la santé, de la résilience et du potentiel de production d'une plante. "Grâce aux nouvelles techniques scientifiques, nous nous intéressons désormais à deux choses : quels sont les microbes présents et quelle est leur fonction", explique Marta.

Le bon, la brute et le truand

Lorsqu'il parle des fonctions des microbes de la zone racinaire, le microbiologiste les regroupe en trois catégories (tableau 1). Du point de vue de la culture des plantes, on peut les appeler "les bons, les mauvais et les laids". Les "bons" ont un impact positif sur la plante, les "mauvais" ont un impact négatif sur la plante, et les "laids" sont des agents pathogènes possibles pour l'homme, bien qu'ils aient un effet neutre sur la plante. Des exemples de "vilains" sont E. coli, qui peut être introduit dans les cultures par contact humain, et L. pneumophila, qui peut se développer dans les systèmes d'eau. Toutefois, ce processus de catégorisation n'est pas toujours facile, car certains microbes d'un même genre peuvent être bons, mauvais ou laids. "Par exemple, la bactérie Pseudomonas fluorescens est bonne. Elle peut supprimer les champignons pathogènes des plantes et est utilisée comme agent de biocontrôle dans la zone racinaire. Pseudomonas syringae est un agent pathogène commun, voire le plus commun des plantes. Chez la tomate, il est à l'origine de la tache des feuilles.  Enfin, Pseudomonas aeruginosa peut provoquer une pneumonie chez l'homme.

Il en va de même pour certains types de champignons, comme le Fusarium. D'autre part, il existe des isolats de Fusarium, comme l'isolat Fo47 de Fusarium oxysporum, qui ne sont pas du tout pathogènes pour les plantes et qui protègent en fait les plantes contre les attaques de Fusarium oxysporum pathogène, en occupant les racines et en influençant la résistance induite de la plante", commente-t-elle. 

La plupart des producteurs ne connaissent que trop bien les exemples de "mauvais" microbes de la zone racinaire : des agents pathogènes des plantes tels que Fusarium oxysporum et Pythium aphanidermatum qui rendent les plantes malades. "Dans la nature, ceux-ci soutiennent le processus de sélection naturelle en éliminant les plantes faibles, mais ils sont bien sûr indésirables dans les serres professionnelles à grande échelle d'aujourd'hui, qui tendent à cultiver des cultures en monoculture avec un niveau élevé d'uniformité au sein de la population en raison de l'utilisation de semences hybrides F1", ajoute Marta.

Grâce aux recherches en cours, on sait désormais que certains "bons" microbes (voir exemples dans le tableau 1) peuvent contribuer à protéger une plante contre ces agents pathogènes. "Certains d'entre eux vont en fait attaquer directement le pathogène pour l'empêcher d'affecter la plante. D'autres modes d'action peuvent consister à inciter la plante à se préparer à l'attaque du pathogène, par exemple en produisant des hormones telles que l'acide salicylique ou l'acide jasmonique. Certaines souches de Bacillus font souvent les deux. Par exemple, elles produisent des métabolites qui tuent directement les agents pathogènes des plantes et induisent une résistance systémique des produits en influençant la production d'acide salicylique et d'acide jasmonique.  En colonisant la rhizosphère de cette manière, les "bons" microbes peuvent limiter l'accès de l'agent pathogène aux racines", commente-t-elle. 

Contribution à une culture résiliente

"Contrairement aux insectes bénéfiques, les bactéries et les champignons ne peuvent pas être vus ou comptés sur la plante ou dans l'échantillon d'eau directement. Mais ils sont là et peuvent vraiment faire une énorme différence pour la résilience des plantes", déclare l'écologiste microbien. C'est pourquoi il est important d'orienter le microbiome de la zone racinaire dans le support de culture vers un équilibre stable et bénéfique.

Dans le contexte de la transition actuelle vers des systèmes de culture résilients dans l'Agriculture en environnement contrôlé, les microbes peuvent également apporter une contribution importante à la réduction de l'utilisation des produits chimiques dans la transition vers la lutte naturelle contre les pathogènes et les ravageurs.

Outre cela, les "bons" microbes peuvent remplir diverses autres fonctions dans la zone racinaire. "Certains microbes - en particulier les champignons - se nourrissent de la cellulose des racines en décomposition dans le support de culture, dégradant la matière organique pour rendre le carbone organique à nouveau disponible. D'autres jouent un rôle dans la disponibilité et l'absorption de nutriments tels que l'azote, le phosphore et les micronutriments. À l'heure actuelle, dans les systèmes hydroponiques, tous les nutriments sont fournis en continu sous forme minérale à la plante grâce à l'irrigation. Toutefois, cela ne signifie pas que les micro-organismes ne peuvent pas aider les plantes à absorber ces nutriments tout en contribuant à les protéger contre les maladies. Les microbes de la zone racinaire sécrètent des composés appelés "sidéropores" qui chélatent le fer, ce qui signifie que le fer n'est plus disponible pour d'autres micro-organismes potentiellement pathogènes, réduisant ainsi leur virulence à l'égard des plantes.  Une autre fonction importante des microbes présents dans la zone racinaire, comme certaines espèces de Trichoderma ou de Pseudomonas, est la production de divers métabolites. Ces molécules organiques peuvent inclure des hormones végétales telles que les auxines et les cytokinines qui favorisent la croissance et le développement des plantes", explique-t-elle.

Il est clair que la zone racinaire, tant dans les supports organiques que dans les supports de culture en laine de roche, abrite des centaines de genres de micro-organismes. Même si les recherches se poursuivent pour mieux comprendre leurs fonctions individuelles, il ne fait aucun doute qu'un bon équilibre du microbiome de la zone racinaire peut contribuer à une plante plus forte, plus saine, plus résiliente et plus productive. Mais comment le microbiome de la zone racinaire peut-il être piloté ? Et quels sont les avantages de la laine de roche dans ce contexte ? Pour le savoir, lisez la deuxième partie de cette série.