Améliorer la santé des plantes

Fiches techniques - Productivité, Autonomie en protéines, Qualité nutritive, Cycle du carbone et GES

Pyramide de santé Photosynthèse Synthèse de protéines

Comprendre les mécanismes responsables de la santé du sol et des cultures pour obtenir un gain quantitatif et qualitatif de la récolte : Comment se déplacent les différents éléments nutritifs au sein de la plante, identifier les leviers actionnables, quand intervenir pour redonner un équilibre nutritionnel. Ces bases agronomiques permettent une amélioration de la performance du système sol-plante.

Principe

La plante est le premier pilier d’un sol vivant. Une plante saine est moins susceptible aux maladies et ravageurs, elle favorise des rendements supérieurs et une meilleure qualité des graines et fruits. Elle conduit plus de sucres dans la rhizosphère, stimule davantage la vie microbienne, ce qui participe au stockage du carbone et améliore la santé du sol.

La pyramide de santé selon John Kempf

‍Le cercle vertueux du système sol - plante

Le cercle vertueux du système plante - sol (KEMPF, 2019)

Pour se développer, une plante a besoin d’eau, de lumière, d’oxygène, de carbone et d’éléments nutritifs. Elle trouve ces éléments dans son environnement. Une nutrition optimale permet un fonctionnement plus évolué de la plante. Comme tout être vivant, la santé de la plante peut s'améliorer si les conditions du milieu s'améliorent.

La progression vers une meilleure santé rétablie les capacités naturelles et biologiques du système sol-plante. Pendant ce processus, la plante montre une immunité grandissante envers les pathogènes du sol et aériens, une meilleure résistance face aux insectes, une production supérieure de lipides menant à des membranes cellulaires plus fortes et des fruits plus savoureux avec une plus longue durée de vie.

Les 4 niveaux de la pyramide

La pyramide de santé de la plante vise à imager les 4 grandes étapes pour obtenir une plante saine et un fonctionnement plus évolué de la plante et du système sol - plante.

Niveaux 1 et 2

• Atteignables en jouant essentiellement sur l'équilibre nutritionnel de la plante, surtout lorsqu’il est possible d’utiliser des applications foliaires de compléments nutritifs.
• Rapidité d'action : court terme (quelques mois).
• Influence de l'agriculteur sur la plante essentiellement.

Niveaux 3 et 4

• Plus difficiles à atteindre car le sol doit être en bonne santé et capable de fournir à la plante la majorité des éléments nutritifs dont elle a besoin.
• Sans le processus digestif microbien, les plantes n’auront jamais le surplus d’énergie nécessaire pour atteindre des niveaux élevés de production de lipides et stocker de l’énergie.
• Rapidité d'action : long terme (quelques années).
• Influence de l'agriculteur sur le sol.

Les 4 niveaux de santé de la plante (ADVANCING ECO AGRICULTURE, 2018)

Influence de l'agriculteur sur la plante

Niveau 1 : obtenir une photosynthèse efficace & complète

Lever les facteurs limitants

5 facteurs sont essentiels et peuvent limiter la photosynthèse :

• Le dioxyde de carbone
• L'eau
• La lumière et la température
• Le manganèse et le fer
• Les autres éléments (N, P, Mg, Zn)

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Facteurs sur lesquels on a une influence indirecte

Le CO₂

La plante tire une part du CO₂ dont elle a besoin pour la photosynthèse du sol. Mettre en place des pratiques visant à augmenter l'activité biologique du sol permet d'élever la respiration microbienne et donc la part de CO2 disponible pour les cultures.

• Le premier élément à prendre en compte est la structure du sol. Dans un sol non structuré (tassé, présence d'une croûte de battance), les gaz ne peuvent pas circuler et la plante ne peut pas récupérer le CO2 dont elle a besoin.
• Le deuxième élément est de travailler dans une démarche de sol vivant : réduction du travail du sol, couverture du sol avec présence de racines vivantes, restitutions de matière organique.

Les amendements et les engrais activent et orientent la flore microbienne du sol dans l’optique d’offrir aux plantes les éléments nutritifs dont elles ont besoin.

L'eau

En tant qu'agriculteurs, nous n'avons pas la main sur les précipitations mais sur la capacité du sol à infiltrer et stocker l'eau. Les pratiques d'agriculture de conservation (AC) permettent d'augmenter la capacité de la réserve utile, de l'ordre de +10 à +15% sur les horizons de surface comparés à des systèmes plus conventionnels.

On constate dans les systèmes d'AC une stabilité beaucoup plus forte, à la fois de la densité et de la conductivité, à la fois à l’échelle d'une saison culturale et à l'échelle interannuelle. Ces pratiques favorisent la capacité d’infiltration de l’eau et connectivité du réseau poral. La mise en place de couverts végétaux limite l’évaporation, favorise l’infiltration et limite le ruissellement.

⚠️ En outre, la nutrition azotée a également une influence sur l'eau : la transformation de l’azote sous forme nitrate par la plante lui demande de l’énergie et de l’eau (en moyenne 4 molécules d’eau pour 1 molécule de nitrate).

Représentation schématique du fonctionnement hydrique d'un sol

Le soleil et la température

Une plante saine produit des lipides qui protègent la feuille des rayons du soleil (par exemple, c'est le principe des plantes "grasses") : niveau 3 de la pyramide de santé.

Des facteurs sur lesquels on a une influence directe

Manganèse & Fer : minéraux indispensables à la photosynthèse :

• Fe : essentiel pour aider à capter la lumière.
• Mn : essentiel dans l'hydrolyse de l'eau (séparation H₂O en H et O₂).

Les autres éléments :

• N & Mg : contenus dans les molécules de chlorophylle.
• Zn : augmente la largeur des feuilles
• P : stocke l'énergie produit par la photosynthèse.

Résultats d'une photosynthèse totale

• Les plantes nécessitent des taux suffisants de magnésium, fer, manganèse, azote et phosphore pour atteindre ce niveau de santé.
• Le taux de photosynthèse augmente de 150 à 600% : impact positif sur le rendement.
• Le profil glucidique de la sève change (grande proportion de glucides complexes, faible taux de sucres non-réducteurs) : meilleure résistance face aux insectes suceurs.
• Les plantes développent une résistance face aux champignons pathogènes du sol (Verticilium, Fusarium, Rhizoctonia, etc.).

Niveau 2 : La synthèse des protéines

Transformer les nitrates et l'ammonium

Une plante en bonne santé transforme tous les nitrates et l’ammonium en acide aminés puis en protéines à la fin de chaque journée de végétation. L'objectif est d'avoir un taux de nitrate et d'ammonium dans la sève proche de 0. Cela est très important pour l'immunité de la plante contre des insectes piqueurs-suceurs et larves (insectes au système digestif simple) qui dépendent pour leur alimentation des acides aminés libres et des nitrates dans la sève. L'ammonium est également un amplificateur des infra rouges, que les insectes peuvent détecter plus facilement. Les taux de nitrates et d'ammonium peuvent se vérifier grâce aux analyses de sève. Pour que la plante puisse transformer tous les nitrates et l'ammonium en protéines complètes, elle a besoin principalement de 6 éléments minéraux clés.

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  Comment la plante transforme l'azote en protéines ?

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  Les 6 éléments minéraux clés pour transformer tous les nitrates et l'ammonium en protéines complètes

Influence de l'agriculture sur le sol

Niveau 3 : comment se forment les lipides ?

Les lipides rentrent dans la composition des membranes cellulaires, ils sont donc toujours présents dans le végétal. Lorsqu'une plante atteint le niveau 3 de la pyramide de santé du végétal de John Kempf (lié au niveau d'activité biologique du sol), il lui est possible de stocker le surplus d'énergie sous forme de lipides :

• Les métabolites microbiens sont des acides aminés et acides organiques (ex : acide citrique), ceux-ci sont chélatés avec d’autres minéraux dans la solution du sol ;
• La plante absorbe la majorité des nutriments sous forme de métabolites microbiens ;
• Les molécules chélatées sont plus efficientes pour le métabolisme de la plante, ce qui engendre une économie d’énergie ;
• Cette énergie est stockée sous forme de lipides.
• Les cires et huiles présentes sur la surface de la feuille servent de barrière de protection pour éviter que les enzymes des pathogènes ne fonctionnent ;
• Résistance accrue aux pathogènes aériens bactériens et fongiques tels que le mildiou ou la rouille.

Niveau 4 : la formation des métabolites secondaires

La synthèse des métabolismes secondaires va de paire avec la synthèse des lipides

Les métabolismes secondaires sont de plusieurs types : phénols (ex : tanins, lignines, flavonoïdes), terpènes (ex : sesquiterpènes), etc.

Ils possèdent plusieurs rôles dans la plante :

• Amélioration de la résistance de la plante via la résistance systémique induite (ISR) et la résistance systémique acquise (SAR);
• Goût et qualité;
• Résistance contre les insectes;
• Molécules messagères (communication avec la vie microbienne).

Réponses immunitaires de la plante

Activation des deux voies immunitaires qui vont améliorer la résistance des cultures aux pathogènes :

• Résistance systémique induite (ISR) : réponse immunitaire activée par la vie microbienne de la rhizosphère ou par des molécules émises par d'autre plantes.
• Résistance systémique acquise (SAR) : réponse immunitaire généralisée induite par une infection ou agression localisée par un agent pathogène.

Représentation schématique de l’ISR et SAR (GUERREIRO et al., 2018)

Lien pratique avec le terrain

Je souhaite améliorer la photosynthèse de mon blé. Que puis-je mettre en place ?

• La première chose à faire est de s'assurer que les minéraux essentiels pour la photosynthèse ne soient pas en carence. Les analyses de sève constituent un bon outil de pilotage agronomique pour mesurer l'état nutritionnel d’une culture à un instant T. Ces analyses permettent de détecter les carences et les excès trois semaines avant d’observer les premiers symptômes.
• En blé, la première analyse est réalisée au moment du tallage, à la reprise de végétation puis au stade épi 1 cm. Suite aux résultats des analyses de sève, des applications foliaires aux stades clés (tallage, épis 1cm, dernière feuille étalée) sont recommandées.
• Il est également important d'avoir une bonne structure du sol : éviter toute sorte de compaction (surface et en sous-sol) car cela peut diminuer l'échange des gaz, l'infiltration de l'eau et l'activité microbienne.
• La nutrition azotée est également un facteur clé. Un excès de nitrates dans la plante peut potentiellement augmenter le stress hydrique de la plante et diminuer la capacité de la photosynthèse : les formes urée / organique sont à favoriser.

La mobilité des éléments au sein de la plante

Deux voies de distribution au sein de la plante

Les mouvement de sève dans la plante (VEAUX, 2020)

Le xylème

• Transport de la sève brute contenant de l’eau, des minéraux et certaines hormones (ex : cytokinine).
• Flux majoritairement ascendant : transport direct des racines vers les puits.

Le phloème

• Transport de la sève élaborée contenant des sucres issus de la photosynthèse, minéraux chélatés, hormones (ex : auxines), acides aminés, etc.
• Flux dans les 2 directions : des sources vers les puits et vice-versa.

Les éléments présents selon leur mobilité

Tous les élements ne sont pas tous identiques lorsqu'il s'agit de prendre en considération leur mobilité au sein de la plante.

• Éléments mobiles : transportés facilement d'un point A à un point B, présents dans le pholème.
• Éléments immobiles : présents dans le xylème. Leur mobilité augmente si la plante les absorbe sous forme chélatée.
• Éléments moyennement mobiles : les éléments moyennement mobiles sont présents dans le xylème et dans le phloème. Ils sont immobiles lorsqu'ils sont sous la forme d'ions simples (dans le xylème) et mobiles s'ils sont chélatés sous forme organique (dans le phloème).

Les différents éléments nutritifs et leur mobilité au sein de la plante

Pourquoi est-ce important de le savoir ?

• Cette notion est importante à comprendre pour interpréter les analyses de sève. Les teneurs dans les vieilles feuilles (sources) et les jeunes feuilles (puits) nous donnent des indications sur les mouvements des éléments, ce qui permet d'anticiper les carences avant d’avoir des symptômes visibles à l’oeil nu.

• Si la plante est en manque d'un élément mobile (N, P, K, Mg) la teneur va d'abord diminuer dans les vieilles feuilles. En cas de besoin, la plante puise les éléments mobiles des vieilles feuilles vers ses jeunes feuilles. Si la teneur est plus faible dans les vieilles feuilles que dans les jeunes sur des éléments mobiles, on peut anticiper une carence.
• À l'inverse, si la teneur est plus haute dans les vieilles feuilles, cela indique que la plante est en excès car elle le stock dans les puits. Un excès en azote minéral peut rendre la plante plus sensible à divers ravageurs et pathogènes.

Les principales fonctions de la plante

Chaque plante a un potentiel génétique qu’elle exprime dans les conditions qui lui sont données, à commencer dès que la graine est semée : structure du sol, vie microbienne, eau, nutrition, etc. Avec les analyses de sève, on peut jouer sur les stress nutritionnels qui impactent le rendement.

Quatre grandes fonctions des éléments nutritifs au sein du végétal :

• Photosynthèse : 7 éléments minéraux essentiels (Zn, N, Mg, K Fe, S et P).
• Synthèse des protéines : le MO est essentiel dans la réduction des nitrates (nitrate réductase) pour fabriquer des chaînes protéiques;
• L'immunité : la silice agit comme régulatrice des éléments. Le calcium et le bore agissent en synergie pour apporter une rigidité aux cellules végétales;
• Fructification : Cu, Cl, B, et surtout K. Le besoin en potassium arrive dans des stades plus tardifs. Apporter du potassium en fertilisation précoce peut amener une forme d'excès. La plante le stock dans les vieilles feuilles et créer des antagonismes.

Priorités par stade : les 5 principales hormones du végétal

Le lien entre nutrition et hormones

Le cycle hormonal de la plante

Les hormones sont des molécules messagères dans la plante et agissent dans des fonctions vitales. Il y a 5 hormones principales :

1. Les gibbérellines : principalement l'acide gibbérellique, elles sont impliquées dans la rupture de la dormance des graines et dans la stimulation de l'élongation des cellules dans les tiges.
2. Les cytokinines : stimulent la croissance des bourgeons latéraux situés plus bas sur la tige, favorisent la division cellulaire et l'expansion des feuilles et retardent le vieillissement des plantes. Les cytokinines sont produites dans les extrémités des racines en croissance.
3. Les auxines : principalement l'acide indole-3- acétique (IAA), elles favorisent à la fois la division et l'élongation des cellules et maintiennent la dominance apicale. Les auxines induisent la formation de racines adventives et favorisent la croissance des fruits. Elles sont synthétisées dans les fruits et les jeunes pousses et contrôlent la destination des sucres.
4. L'éthylène : est associé au mûrissement des fruits et à la chute des feuilles.
5. L'acide abscissique : provoque la formation des bourgeons d’hiver, déclenche la dormance des semences, contrôle l'ouverture et la fermeture des stomates et induit la sénescence des feuilles.

Effet des éléments nutritifs sur les hormones

Lien entre pousse végétative, besoins en éléments et calendrier des analyses de sève

Stade 1 : Germination et établissement

• Le contenu de l'acide absicissique diminue et les gibbérellines augmentent.
• La plante commence sa germination.
• N, P, Ca et Zn sont essentiels au premier stade.

Stade 2 : Pousse végétative

• Un rapport cytokinine/auxine élevé favorise le développement des pousses, tandis qu'un faible rapport cytokinine/auxine favorisera le développement des racines.
• On recherche un équilibre entre les deux pour favoriser à la fois la pousse végétative et les racines. Pour cela il est primordial d'avoir du calcium et du bore à ce stade, qui favorisent les auxines.
• Après tallage, on cherche à favoriser : Zn, Fer, et Cu et Mn pour la préparation à la floraison et le développement des graines.

Stade 3 : Floraison et Reproduction

• Bore, calcium et potassium son cruciaux pour le transport des sucres et des différentes hormones dans les graines pour la division cellulaire (auxines).
• Pour la formation d'Éthylène et l'ABA (acide abscissique), du cuivre et du Mo sont nécessaires pour la maturation.
• L'azote et Mg sont toujours importants car ils sont cofacteurs pour des centaines d’enzymes.
• La silice joue un rôle quand la plante rencontre des stress (hydrique, salin, pathogènes ou métaux lourds) car elle régule les autres éléments et réduit les stress oxydatifs (Zn, Mn, Fe, Cu).

Points clé à retenir

• Une photosynthèse efficace est la base d'un système agricole performant.
• Les niveaux 1 et 2 sont atteignables à court terme en levant les facteurs limitants et en atteignant l’équilibre nutritionnel.
• Les niveaux 2 et 3 nécessitent une approche plus générale et permettent d’avoir des cultures plus résistantes face aux attaques de ravageurs.
• Les oligo-éléments sont cruciaux pour un bon développement de la plante.
• Il est possible de stimuler la synthèse de certaines hormones en favorisant différents minéraux à des stades précis.

Sources

Partie 1 : la pyramide de santé de la plante, AgroLeague