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Chapitre II. GENERALITE SUR LA FIXATION BIOLOGIQUE DE L’AZOTE

II.1.  L’azote dans l’atmosphère

          Tous les organismes vivants ont besoin de l’azote pour vivre. La majorité des organismes peuvent seulement  utilise l’azote sombré qui est déjà complexé (lié) à d’autres atomes formant ainsi des ions comme ammonium (NH4+) ou le nitrate (NO3-).   Cependant, la plus grande concentration de l’azote disponible sur terre se trouve dans l’atmosphère sous forme gazeuse (le diazote N2) et atteint environ 80 % de l’atmosphère terrestre (Ken et al., 1991)

          Selon Paul Woomer, 2010b, plus d’azote réside dans l’atmosphère dans une forme inerte.  La fixation biologique de l’azote capture cet azote pour son utilisation par les organismes du sol, les plantes et les animaux avant son retour dans l’atmosphère.

II.2. L’azote dans le champ

            La figure 1, ci-dessous montre que le remplacement de l’azote du sol peut être accompli chimiquement par l’addition des engrais azotés et naturellement via la fixation biologique de l’azote suivant une chaine trophique producteurs-consommateurs-décomposeurs.

            Les légumineuses fournissent le sucre et l’énergie à la bactérie et reçoivent en retour des acides aminés qui constitueront les protéines végétales.

Lorsque l’azote est apporté sous forme d’engrais inorganique,  il est incorporé dans le sol, d’où la plante le puise pour former ses protéines.

Le cycle d’azote selon Paul WOOMER (2010)

                                                     Azote atmosphérique

                                                            Haber  Bosch

Dénitrification                                  engrais azoté                                           BNF    

Azote du sol                                                           PLANTE                                  protéine végétale  

                                         Décomposition                       protéine animale  

II.3.  L’azote dans la plante

                        Dans la plante, l’azote réside dans les feuilles et dans les graines qui peuvent être respectivement consommées par les animaux et les hommes qui vont ensuite s’en débarrasser physiologiquement pour subir une altération par les organismes du sol avant d’être à nouveau utilisable par les plantes.  Une autre partie se volatilise dans l’atmosphère pour y constituer une autre réserve d’azote. 

                     L’azote est un constituant vital des protéines et protoplasmes dans les plantes et animaux et nécessaires pour la croissance et la production.

                        Les légumineuses à graines offrent une excellente source des protéines essentielles à la nutrition humaine ; typiquement leur rendement est inférieur à celui des céréales et des plantes à tubercules mais leur contenu en protéines est de loin élevé (Woomer, 2010b).

II.4.  La fixation biologique de l’azote

II.4.1.  Principe

                        Tous les organismes vivants ont besoin de l’azote pour vivre.  La majorité des organismes peuvent seulement  utilise l’azote combiné qui est déjà complexé (lié) à d’autres atomes forment ainsi des ions comme ammonium (NH4+) ou le nitrate (NO3-).

            La fixation d’azote (N2) hautement stable, demande une grande quantité d’énergie, c’est pour cette raison que la capacité de la fixation d’azote n’est pas universelle.  Cela étant, il existe des plantes qui hébergent dans leur tissue des bactéries qui assimilent l’azote de l’air (N2).  Cette symbiose se justifie par le fait qu’il se produit aussi des échanges tels que les plantes profitent du travail fait par les bactéries, celles-ci en revanche, trouvent protection et compensation du côté de la plante (Simpson et Burris cités par Ken, 1991).

                        Le processus dans lequel quelques bactéries convertissent l’azote atmosphérique en ammonium s’appelle « fixation biologique de l’azote » (BNF).

                        La BNF est moins coûteuse, une ressource renouvelable pour les petits fermiers, leur permettant de réinvestir dans leurs revenus pourtant limités vers les autres besoins ménagers pressants. Il y a quatre moyens d’augmenter la BNF dans le champ :

1°) Accroître la superficie des légumineuses dans les terres arables ;

2°) Accroître la productivité des légumineuses à travers une meilleurs gestion de celle-ci et de l’engrais ;

3°)  Culture des variétés de légumineuse plus productives et          

4°) Inoculer les semences des légumineuses avec les inoculants de Rhizobium

                        Signalons que les fermiers ne devraient pas choisir une seule de ces options, mais des pratiques aussi variées que possible (Woomer, 2010b)

II.4.2.  La  nodulation

                        Les nodules racinaires doivent être sphériques, longs ou ramifiés selon la légumineuse hôte.  Les modules grands avec une coloration intérieure rouge fixent habituellement plus d’azote. Les nodules inefficaces sont souvent petits et présentent typiquement une coloration intérieure verte ou blanche.

            Les légumineuses variées montrent une préférence à certains Rhizobiums, les affectant aux différents groupes croisés d’inoculation selon les légumineuses qu’ils nodulent. Quelques légumineuses sont promiscueuses, nodulant avec plusieurs Rhizobiums différents. Les autres ont des exigences (besoins) spécifiques. Les hôtes spécifiques sont plus probables de répondre à l’inoculation avec Rhizobium.

            La nodulation des légumineuses par le Rhizobium implique un processus complexe de reconnaissance biochimique, d’infection, de formation des nodules, de transformation  d’azote en sénescence.

La nodulation comprend différentes phases dont :

  • L’infection qui commence par une multiplication des rhizobiums dans la rhizosphère
  • L’adhésion des bactéries à la surface des poils absorbants qui se courbent en crosse. La superficie à ce stade est assurée par des lectines, molécules ponts entre des récepteurs à la surface des poils et d’autres à la surface du
  • Formation d’une structure tubulaire (cordon infectieux) à l’intérieur duquel les bactéries se disposent en fil. Le cordon pénètre dans les cellules du cortex dont plusieurs se divisent et forment un méristème.

Chaque bactérie est entourée d’une enveloppe appelée membrane péribactéroide (Dommergues et al, cité par Van De Put, 1981).  Les cellules infectées se multiplient  jusqu’à former des excroissances de taille appelées les nodules.

      Notons que toute excroissance sur les racines des légumineuses n’est pas nécessairement une nodosité à Rhizobium.  Il peut s’agir des gales à nématodes ou fausses nodosités.  Les vraies nodosités se distinguent du fausses par le fait qu’elles détachent aisément de la racine alors que les fausses ne peuvent pas se détacher sans laisser une blessure conséquente car elles font partie intégrante de la structure de la racine (Dommergues et al., cité par Van De Put, 1981).

II.4.3. Evaluation de la nodulation

             La nodulation est généralement évaluée par l’examen des racines d’un nombre des plantes de chaque traitement, arrachées au hasard. Les mesures comprises pour le nodulation sont le nombre des nodules des racines, la masse et la couleur, la distribution et la longévité de la population des nodules, et les scores visibles de la nodulation.

Il est recommandé que la nodulation soit évaluée pendant la dernière moitié de la croissance végétative(R6), lorsqu’il est encore relativement facile de déterrer la majorité du système racinaire. La masse de nodules de nodules par plant est la mesure la plus informative mais peut consommer beaucoup de temps pour les espèces telles l’arachide qui a des nombres élevés de nodules. Une alternative pratique est d’évaluer le nombre de nodules ou’ si les nombres de nodules sont grands, utiliser la méthode de cotation du tableau 2 utilisant une échelle de 0 à 5.

Tableau 2 : système de cotation de la nodulation des légumineuses, utilisant une échelle de 0 à 5.

Profondeur du sol

Scores de nodules

0 à 5 cm

5 à x cm

Fréquence des nodules

0

0

0

< 5

0

1

5 à 10

0

2

> 10

0

3

>   10

< 5

4

> 10  

> 10

5

 Source : Corbin et al., 1977

            Pour tester les nodules actifs à la fixation d’azote, il faut analyser leur coloration interne.  Ils doivent être  rose-rouge à cause de la présence de la leghémoglobine porteuse d’oxygène qui est essentielle à la fixation d’azote par les légumineuses.  Les couleurs blanches, verdâtres ou noires sont indicatrices d’une nodulation inefficace et doivent corréler avec des taux bas de fixation d’azote.

            La cotation dans le tableau devrait être considérée comme un guide seulement et pourrait être modifiée pour les autres espèces dans différents environnements.  Les évaluations visuelles serraient idéalement être effectuées par la même personne au moyen d’une expérimentation, mais si plus d’une personne est impliquée, chacune devrait marquer tous les échantillons.

Par conséquent, la division du travail devrait être à la base des répétitions et nos des traitements.  La procédure implique d’extirper  prudemment et au hasard un nombre approprié de plantes d’une culture ou d’une parcelle ou d’une répétition (s’assurant que le système racinaire ainsi que les nodules sont protégés) et marquer chaque plant  en utilisant le critère similaire à celui du tableau 2.

            Les scores de tous les plants sont additionnés et ainsi  divisés par le nombre des plants afin d’obtenir une cotation de nodule suivantes :

- 4-5   Représente une excellente nodulation, un excellent potentiel pour la fixation d’azote

-  3-4  Indique une bonne nodulation, un bon potentiel pour la fixation d’azote

-  2-3   Représente une nodulation équitable, la fixation d’azote ne peut pas être suffisante pour suppléer la demande d’azote de la culture et,

-  0-2  indique une nodulation pauvre et probablement une petite ou non nodulation (Corbin et al ., 1977)

II.4.4.  Les facteurs de la fixation biologique de l’azote

            La fixation biologique de l’azote dépend de plusieurs facteurs environnementaux  et peut être considérablement influencée par les pratiques de gestion agronomique (Peoples et al., 1995)

                        Un des facteurs communs le plus limitant de l’habileté d’une légumineuse de fixer l’azote est l’absence des nombres suffisants de Rhizobiums efficaces dans le sol.  Heureusement, des souches de Rhizobiums peuvent relativement être introduites dans le sol simplement par inoculation et, dans beaucoup des pays, ceci a été pratiqué avec succès à des fins commerciales pendant plusieurs années (Brockwell et al., 1995).

                        La fixation biologique de l’azote peut être gérée à travers des bonnes pratiques agricoles qui permettent à la culture d’accomplir son potentiel et cela réduit le stress du climat et du sol. Ces pratiques incluent l’adoption des variétés améliorées des cultures, une utilisation judicieuse d’engrais minéraux, l’ajustement de la densité des plants et un sarclage ponctuel.

                          Il existe plusieurs contraintes environnementales à  la BNF.  Une température extrême tue les rhizobiums dans le sol et réduit la nodulation des racines, exigeant de semer les cultures tolérantes à ces stress telles que le niébé et l’arachide.  La sécheresse aussi tue les rhizobiums dans le sol et réduit la BNF.  Les légumineuses sont sensibles à la salinité.

Les Rhizobiums sont performants dans les sols gorgés d’eau mais les légumineuses croissent mal à cause de la déficience  en oxygène et la toxicité des minéraux. Dans ce cas les légumineuses avec des racines superficielles telles que le soja et le haricot sont mieux performantes que les cultures avec des racines profondes (Woomer, 2010).

        Les contraintes environnementales à la BNF incluent  l’activité du sol et la toxicité aluminique, particulièrement dans les sols tropicaux hautement altérés.  Cette première contrainte est facilement corrigée par le chaulage. Le chaulage fournit également le calcium, un autre élément exigé par les plantes en grandes quantités.            Le niébé et l’arachide sont modérément tolérants à l’activité du sol.

               Après l’azote, le phosphore est le second plus limitant nutriment dans les sols africains.  Les Rhizobiums sont tolérants à une faible teneur, le  phosphore mais la nodulation et la BNF sont très sensible à sa limitation.  La déficience en phosphore peut être corrigée par l’application des engrais phosphatés tel le super phosphate et le rock phosphate moulu.

            Les légumineuses fixatrices d’azote peuvent utiliser l’azote minéral du sol et l’engrais mais cette dernière source d’azote réduit la BNF.  Les légumineuses puisent facilement l’azote minéral du sol et ceci tend à supprimer la BNF, le coût de production des légumineuses via la BNF étant encore moins élevé qu’avec l’engrais azoté et plus rentable pour le fermier. Néanmoins, les légumineuses ont une meilleure croissance s’y a un peu d’engrais minéral disponible sous forme des nodules et une petite quantité d’azote initiale (10 à 30 kg/ha) au semis peut accroître la BNF totale durant le cycle de vie de la culture.  Cet azote initial accroît les rendements uniquement dans les sols extrêmement déficients en azote et où le potentiel de rendement des cultures est grand.  Il devrait être recommandé seulement s’il y a une évidence conviction des bénéfices économiques.  Le nitrate est une forme plus efficace d’azote initial que l’urée.

II.5.  L’inoculation des semences du soja 

                  Le développement du soja dépend beaucoup de la présence de bactéries dans le sol, c’est pourquoi il est conseillé de contacter les services agricoles existant dans la région afin d’obtenir les bactéries qui permettront d’inoculer les grains avant le semis.

L’inoculation des graines est un procédé simple qui consiste soit à infecter le sol ou les semences.  Dans ce travail, nous allons nous intéresser par l’inoculation des semences seulement.  L’inoculation des graines est un procédé simple qui consiste à enrober les graines d’une pâte contenant les bactéries fixatrices d’azote (présentées sous forme d’une poudre).  Cette opération se fera à l’ombre, car une forte insolation détruirait rapidement les bactéries.

            On prépare d’abord assez d’eau sucrée pour mouiller les graines à traiter.   Quelques cuillerées de sucre(ou le plus souvent le Gum arabic, obtenu de l’arbuste africain Acatia senegal) par litre seront suffisantes pour rendre le mélange « collant ».

A cette eau sucrée, on ajoute l’inoculum pour 25 kg des semences.

Une fois cette préparation faite, on la mélange avec les grains de soja et on sème le plus vite possible.

            S’il n’est pas possible d’obtenir d’inoculum de bactéries fixatrices d’azote, on peut u remédier en utilisant de la terre d’une parcelle sur laquelle du soja a été planté récemment.

Il faudra 250 kg des terres « inoculées » par hectare de culture et on enfouira cette terre de préférence avant le semis.

Afin de s’assurer que les racines de la plante de soja sont effectivement associées aux bactéries fixatrices d’azote, on vérifiera la présence des nodules sur les racines adventistes.  Ces nodules sont semblables à des petits tubercules (De Staercke, 1990).

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