La microbiologie des sols fait partie intégrante d’une révolution des connaissances.

L’augmentation de la population mondiale entraîne une demande croissante de nourriture. Ce postulat est utilisé depuis de nombreuses années comme un argument pour justifier l’adoption de méthodes d’agriculture non durables, fondées sur une utilisation intensive de produits agrochimiques. Ce modèle d’agriculture a entraîné des conséquences involontaires de modification de l’environnement. Ces changements ont eu des conséquences inattendues sur la population mondiale qui était au centre de la déclaration initiale. Il est donc essentiel d’adopter de nouvelles pratiques agricoles qui génèrent des rendements élevés et sont compatibles avec une augmentation des services écosystémiques du sol tout en répondant aux demandes de production et en évitant la dégradation des sols.

Le sol est l’un des plus grands réservoirs de biodiversité de notre planète. Le sol, système vivant complexe, est le lieu où s’opère la transformation de la matière et le cycle des éléments chimiques. Le sol régule la qualité de l’eau et de l’air et entretient le cycle des éléments et la transformation de la matière. En conséquence de tous ces services, le sol est bénéfique pour la santé humaine. La nature du sol change en fonction de la façon dont il est utilisé et géré. L’agriculture est un exemple d’utilisation et de gestion des sols. Les différentes pratiques agricoles génèrent différents changements dans la structure biologique du sol, à toutes les échelles et avec des conséquences différentes.

Dans certains domaines, comme la microbiologie, les connaissances ont beaucoup évolué ces dernières années. Beaucoup. Une énormité. Les connaissances en microbiologie ont tellement évolué que les choses ne sont plus ce qu’elles étaient. Ces nouvelles connaissances changent complètement notre capacité à voir les choses.

Comprendre cette nouveauté et l’intégrer dans le tableau de commande est nécessaire pour pouvoir faire évoluer les systèmes productifs. Ceux qui seront les premiers à le faire bénéficieront sans aucun doute d’avantages concurrentiels à l’avenir, car le changement de paradigme biologique se produit tranquillement dans le monde entier. La préservation et l’amélioration de l’environnement seront une variable clé de l’équation.

La microbiologie des sols fait partie intégrante d'une révolution des connaissances.

État actuel

Le fonctionnement des sols agricoles a été interprété, depuis le milieu du 20e siècle, avec un modèle ou paradigme chimique basé sur les connaissances de la physiologie végétale qui a été développé en considérant la plante libre de tout micro-organisme. Dans ce modèle de fonctionnement de la relation plante-sol, les plantes obtiennent leurs nutriments sous forme minérale à partir de la solution du sol, puis les assimilent en les incorporant à leur biomasse. De son côté, le sol agricole a été décrit à partir de la pédologie principalement par ses caractéristiques physiques et chimiques. Généralement et historiquement, la biologie du sol a été laissée de côté dans le fonctionnement du système plante-sol. Dans tous les cas, la biologie du sol est considérée comme une menace potentielle pouvant conduire au développement de maladies. A tel point qu’il y a quelques années, la commercialisation d’un produit agrochimique qui venait d’arriver sur le marché était promue avec un slogan qui disait « Prenez soin de votre champ et de votre production, après avoir appliqué ce produit dans le sol, il ne reste rien de vivant ».

Ce paradigme chimique est remis en cause par un ensemble de nouveaux concepts qui modifient le modèle en incorporant la biologie du sol dans toute sa complexité et en intégrant notamment un nouveau concept : le microbiome. Le concept de microbiome vient modifier toute la nature que nous voyons, entre autres la façon de voir et de comprendre le fonctionnement des plantes et leur physiologie.

Le microbiome est appelé l’ensemble des micro-organismes qui habitent un lieu, de façon organisée, dans des communautés complexes formées par des champignons, des bactéries et des archées, comprenant une grande diversité selon les différentes fonctions que ces organismes remplissent dans le système. Les microbiomes ont été ignorés tout au long de l’histoire de la microbiologie jusqu’à aujourd’hui, où nous disposons d’outils moléculaires qui nous permettent de voir, par leurs empreintes, les micro-organismes que nous ignorions auparavant parce que nous ne savions pas comment les cultiver et comment les faire pousser en laboratoire. Ce qui est extraordinaire, c’est qu’au cours du XXe siècle, nous ne connaissions que 1 % de la microbiologie qui existe sur la planète et qui l’habite depuis 3,5 milliards d’années. C’est pourquoi le changement de modèle ou de paradigme est si spectaculaire. Une plante, comme un être humain a plus de micro-organismes dans sa constitution que de cellules végétales ou humaines et ces micro-organismes ne sont pas des saletés, ils sont une partie essentielle de la plante ou de l’être humain et font le fonctionnement de l’organisme plus grand.

Avec le sol c’est exactement la même chose.

La description du microbiome étend la complexité du sol et la complexité des plantes qui y poussent. En ce qui concerne le sol, les membres du microbiome l’habitent par milliards d’individus par gramme de sol : dans 1 gramme de sol vivent environ 10 milliards de procaryotes (organismes unicellulaires composés de cellules sans noyau) qui sont les Bactéries et les Archées, les plus petits organismes connus.

Dans 1 gramme de sol, on trouve également environ 200 mètres de champignons et de filaments de mycorhizes et entre 10 milliards et 10 milliards de protistes, les plus petits eucaryotes (organismes formés de cellules avec un noyau) unicellulaires vivants connus. Ces différents types de micro-organismes habitent le sol et construisent leur habitat à partir des particules minérales et de la matière organique en décomposition qu’ils trouvent dans le sol.

Cette construction d’habitats microbiens détermine la structure physique de base des sols. Des microagrégats (fractions de 2 à 250 mm) ou des macroagrégats (fractions de 250-2000 mm) résistants à l’eau sont construits en fonction de la diversité des bactéries et des champignons présents dans le sol. Ensuite, les vers de terre et autres petits animaux du sol, considérés comme des ingénieurs du sol, font le reste du travail. Mais la structure de base sur laquelle l’ensemble est construit dépend des bactéries et des champignons du sol. Cette étude a été publiée dans la revue Nature en novembre 2017. En d’autres termes, nous parlons de nouveautés qui changent complètement notre façon de voir le sol.

« La structure du sol est la lutte entre la biologie et l’effet de compaction mécanique nécessaire à la gestion agricole. » Quelque chose comme un devenir continu entre les communautés microbiennes construisant leurs niches et les séismes d’écrasement mécanique les détruisant. La résilience est une caractéristique des êtres vivants et s’exprime ici par la capacité à reconstruire des niches dans lesquelles vivre. Bien sûr, lorsque les tremblements de terre sont plus intenses ou plus fréquents que les tentatives de reconstruction, les communautés disparaissent du site ou sont remplacées par d’autres qui sont capables de vivre et de construire dans les ruines laissées par le tremblement de terre mécanique. Des communautés qui disparaissent, des capacités de transformation de la matière ou des interactions avec les plantes qui ne sont plus disponibles. Cela entraîne une dégradation du système, dans le sens où le sol se transforme en un système à la capacité productive moindre.

D’où nous venons.

L’origine de l’agriculture d’intrants d’aujourd’hui.

Le paradigme de l’agriculture d’intrants a commencé comme une nouvelle vague de la révolution verte lorsque deux intuitions indépendantes se sont rencontrées au milieu du 20e siècle. D’une part, la physiologie végétale a commencé à définir les principaux énoncés de la nutrition végétale en termes de besoins en nutriments sous forme de formes inorganiques de carbone, d’azote, de phosphore, de soufre et de potassium, ainsi que les descriptions des processus d’absorption, de transport, d’assimilation et de croissance des plantes. D’autre part, les développements de détonateurs chimiques et d’autres produits destinés aux programmes de défense de guerre ont donné naissance à de nouveaux produits utiles à l’agriculture tels que les engrais, les herbicides, les pesticides, les fongicides et les antibiotiques, améliorant considérablement la production végétale dans les formes de pratiques intensives et extensives.

Plus tard, vers la fin du 20e siècle, est introduite la pratique du semis direct dont les avantages et les significations sont pour la plupart connus des lecteurs de ce magazine. Le non-labour a remplacé la pratique du travail du sol dont les principaux objectifs étaient : d’une part, la lutte contre les mauvaises herbes et d’autre part, l’incorporation de résidus organiques dans le sol pour stimuler la minéralisation de la matière organique, assouplir le sol et le préparer à l’implantation et au soutien de la nouvelle plante.

En termes biologiques, le travail du sol détruit les niches que les organismes vivant dans le sol construisent pour y vivre. Ces micro-niches sont autrement visualisées comme la structure physique du sol, notamment son état d’agrégation et de porosité indispensable au maintien de la diversité biologique qui habite le sol. En particulier, nous pouvons souligner que le travail du sol détruit les réseaux de filaments fongiques mycorhiziens qui peuvent connecter les plantes par leurs racines, générant des systèmes complexes et sophistiqués de communication et d’échange de nutriments et de signaux d’alerte ou de défense contre les dangers d’attaques de pathogènes.

Ces systèmes d’interconnexion des plantes par des réseaux mycorhiziens souterrains ont récemment été très bien décrits dans des sols vierges non agricoles, dans différents environnements naturels, forêts et prairies. Le sol agricole géré en semis direct, sans travail du sol, offre cette possibilité pour le fonctionnement du système de culture. Certains travaux scientifiques réalisés dans notre pays et dans le monde, se rendent compte que cela se produirait.

L’origine de la microbiologie.

Au cours du XIXe siècle, Louis Pasteur a jeté les bases de la microbiologie classique, fondée sur l’isolement et la culture des micro-organismes. Au fil du temps, l’étude de la microbiologie a cessé d’être une préoccupation exclusive pour la santé ou la conservation des aliments pour s’étendre à presque tous les domaines liés aux produits naturels. C’est ainsi que s’est construit le paradigme de la microbiologie du sol, dans lequel les micro-organismes ont été reconnus comme les catalyseurs de tous les cycles des éléments de notre planète et aussi la source de tous les agents pathogènes du sol pour certaines maladies végétales, animales ou humaines. Grâce à la technique de la culture microbiologique, divers micro-organismes peuvent être isolés du sol.

Où allons-nous

Le sol comme tronc de curiosités microbiologiques et origine des bioinputs.

L’une des découvertes les plus importantes en matière de microbiologie agricole a été la reconnaissance et la description des bactéries fixatrices d’azote dans l’atmosphère. Ces bactéries étaient responsables de la formation d’un nouvel organe végétal, le nodule racinaire fixateur d’azote chez les légumineuses. Les légumineuses étant les plantes les plus importantes en termes de fixation de l’azote, de nombreuses recherches ont été menées pour comprendre la base génétique de ces symbioses.

Ces connaissances ont servi de base à la production mondiale d’inoculants pour les cultures de légumineuses. La recherche de souches plus efficaces reste une question de développement dans de nombreux pays dont l’économie repose sur l’agriculture. La fixation biologique de l’azote reste une connaissance clé pour le développement durable, car elle réduit le besoin d’engrais chimiques azotés synthétisés par le procédé Haber Bosch, qui implique une grande consommation d’énergie fossile.

Une autre découverte importante, utile pour l’agriculture, a eu lieu dans les dernières décennies du 20ème siècle.

Après la reconnaissance de l’existence de « sols suppressifs » où les plantes ne développaient pas de maladies transmises par le sol, il a été possible d’isoler – à partir de la racine des plantes – des bactéries avec de nouveaux traits physiologiques. Ces nouvelles souches se sont révélées être antagonistes des champignons pathogènes et/ou pouvaient favoriser directement la croissance des plantes (Kloepper, 1980). Ces découvertes ont donné naissance au concept de rhizobactéries favorisant la croissance des plantes, connues sous le nom de PGPR, qui incluent un certain nombre de traits différents dans le concept bénéfique de promoteur de croissance.

Dans ce contexte, la microbiologie agricole fonctionne comme un catalogue de curiosités qui propose de nouveaux intrants biologiques pour l’agriculture et la sylviculture qui sont respectueux de l’environnement. Parmi les intrants biologiques, on peut citer les bactéries fixatrices d’azote, qu’elles soient symbiotiques ou libres, les solubilisateurs de phosphore, les solubilisateurs de sulfate, les mobilisateurs de potassium, les antagonistes d’agents pathogènes, les soulageurs de stress abiotique des plantes, les bactéries probiotiques qui améliorent les réponses de défense des plantes. La liste des différents bioinputs continuera probablement à s’allonger au fil du temps.

Une grande anomalie et une révolution scientifique. L’origine des microbiomes.

La quiétude de la science de la microbiologie s’est évanouie il y a quelques années après une anomalie constatée en laboratoire : une comparaison incohérente du nombre de bactéries dans des échantillons d’eau. Une revue de Staley et Konopka (1985) a discuté d’une grande divergence (de deux ordres de grandeur ou plus) entre le nombre de microbes comptés par plaque ou par observation directe au microscope et a mis en évidence une anomalie, avec des différences de valeurs de 1 à 100. En plus des divers aspects techniques qui peuvent être utilisés comme raisons possibles pour expliquer certaines différences entre les chiffres finaux des différentes méthodes de comptage (cellules mortes contre cellules vivantes, cellules physiologiquement actives contre cellules inactives, cellules regroupées en micro-colonies contre cellules individuelles, réponse différentielle des cellules à un colorant particulier ou à un métabolite marqué, etc.), les analyses de Staley et Konopka ont mis en évidence plus que de simples problèmes techniques. Leurs conclusions suggéraient l’existence d’une population de microbes non cultivables.

Lorsque des méthodes moléculaires basées principalement sur l’analyse de l’ADN sont devenues disponibles et ont été appliquées à différents échantillons provenant d’environnements très différents, ces microorganismes « non cultivables » ont été découverts et trouvés partout. Soudain, nous étions moins seuls dans l’univers que nous l’étions auparavant ou que nous étions censés l’être. La microbiologie « cultivable » que nous connaissons depuis l’époque de Pasteur constitue, au mieux, 1% de ce qui existe dans la nature, non seulement quantitativement mais aussi qualitativement, en ce qui concerne sa diversité microbienne.

Tout a changé et nous travaillons encore à la compréhension du nouveau scénario.

Nouveaux outils et approches d’étude pour un nouveau scénario.

La description de la diversité et de la structure du microbiome du sol constitue un tout nouveau défi pour une vision inédite et surprenante de la vie sur Terre. Non seulement la description de la structure de la diversité microbienne est importante, mais la recherche sur les fonctions des microbiomes du sol doit également progresser.

Les activités enzymatiques du sol ont été proposées comme indices biologiques de la qualité, de la santé et de la biodiversité du sol, car elles sont une expression de la fonction du sol. Alternativement, l’activité microbienne en tant que profil physiologique peut être mesurée par des courbes de consommation d’oxygène avec différentes sources de carbone ajouté, une approche qui a rendu possible la différenciation des sols avec des histoires d’utilisation différentes.

La fonction du sol dépend fortement de sa structure physique et la structure du sol est une conséquence de l’intégration de toutes les particules du sol et des microbes dans différentes tailles et types d’agrégats en raison des interactions entre les particules minérales et les microbes. L’étude de la microbiologie du sol à l’échelle selon la taille microbienne, au niveau des agrégats de sol macro (> 250 mm) ou micro (<250 mm), montre que la diversité et la fonctionnalité microbienne sont différentes selon la taille des agrégats de sol. La culture affecte la diversité bactérienne à une micro-échelle, ce qui suggère que les effets de la gestion devraient être analysés à ce niveau de la structure du sol.

Les premiers travaux sur la description des microbiomes des sols agricoles montrent une structure différentielle en fonction de l’utilisation du sol, de la pratique du travail du sol ou de la pratique agricole en termes de rotation des cultures sans travail du sol, soulignant que la monoculture réduit la diversité bactérienne du sol au niveau régional et que l’intensification et la diversification de la rotation des cultures permettent de gérer les microbiomes du sol. Les plantes, mais aussi les organismes de la faune du sol reconnus comme ingénieurs du sol, présents dans la méso- et macrofaune, tels que les vers de terre, les collemboles, les fourmis, les oribatides, sont probablement d’autres acteurs clés dans le façonnement des microbiomes du sol.

La microbiologie des sols fait partie intégrante d'une révolution des connaissances.

Les défis à venir

L’augmentation de la population mondiale entraîne une demande croissante de nourriture. Ce postulat est utilisé depuis de nombreuses années comme un argument pour justifier l’adoption de méthodes d’agriculture non durables, fondées sur une utilisation intensive de produits agrochimiques. Ce modèle d’agriculture a entraîné des conséquences involontaires de modification de l’environnement. Ces changements ont eu des conséquences inattendues sur la population mondiale qui était au centre de la déclaration initiale. Il est donc essentiel d’adopter de nouvelles pratiques agricoles qui génèrent des rendements élevés et qui sont compatibles avec une augmentation des services écosystémiques du sol tout en répondant aux demandes de production et en évitant la dégradation du sol.

Les services écosystémiques découlent des activités des organismes vivant dans le sol, c’est-à-dire les plantes, la macro-, la méso- et la microfaune, et les communautés microbiennes. Dans une nouvelle vision qui intègre le concept de microbiome, les différents usages et la gestion du sol modifieraient les paramètres chimiques et physiques du sol, conditionnant ainsi la structure des communautés microbiennes qui l’habitent. Le nouveau défi consiste à apprendre comment manipuler la rotation des cultures et les pratiques agricoles pour gérer le microbiome du sol afin d’augmenter la fertilité du sol et d’améliorer la production et la santé des cultures. Cela semble complexe, mais je ne pense pas que ce soit inaccessible, et il estime que pour y parvenir, une interaction très forte entre le monde universitaire et les agriculteurs, entre le laboratoire et le terrain, est nécessaire et essentielle. Toutes les connaissances et observations s’additionnent pour construire le nouveau paradigme. Il s’agit juste d’être capable de regarder et de penser en équipe, avec générosité.

A l’échelle mondiale, on s’attend à ce que les pratiques agricoles futures soient fortement influencées par les nouvelles connaissances développées sur les microbiomes du sol. La biodiversité des sols sera gérée par le choix de rotations de cultures appropriées et l’utilisation de cultures de couverture, en fonction des possibilités de l’environnement particulier. De cette manière, nous orienterons les microbiomes du sol dans la bonne direction pour augmenter la productivité des cultures de manière durable, en utilisant les services du sol. Si ce défi est relevé, l’utilisation de produits agrochimiques serait réduite et la science agricole pourrait être l’un des outils pour agir et atténuer le changement climatique mondial.

Considérations finales

L’agriculture est l’un des jalons qui marque le développement de l’humanité où l’homme apparaît comme le dompteur de plantes générant la possibilité de gérer les cultures. L’incorporation de différentes technologies au cours de l’histoire a généré différents jalons ou révolutions agricoles qui ont amélioré l’efficacité de la production d’aliments et de fibres. Avec une population mondiale croissante, l’agriculture cherche à étendre son champ d’action, à courir la frontière agricole ou à augmenter sa productivité et son efficacité.

L’incorporation des technologies dépend nécessairement des connaissances développées par la science, qui sont appliquées à l’amélioration des processus agricoles. Le paradigme chimique de l’agriculture basé sur une connaissance de la physiologie végétale qui considère les plantes comme des entités individuelles qui expriment leur génétique en fonction de l’environnement et une batterie d’outils chimiques pour améliorer la nutrition des plantes et lutter contre les maladies ou les mauvaises herbes, est aujourd’hui confronté à l’avènement d’un nouveau paradigme issu de la connaissance des microbiomes de notre planète, notamment dans le sol et les plantes, qui changent complètement notre façon de comprendre le développement et le fonctionnement des cultures en relation avec l’environnement. Cette nouveauté offre la possibilité d’intégrer la biologie des sols dans l’équation agronomique et d’abandonner progressivement le paradigme chimique.

Curieusement, un historien, Yuval N. Harari, dans son livre  » Des animaux aux dieux : une brève histoire de l’humanité « , a récemment décrit l’agriculture comme un processus inverse, où ce n’est pas l’homme qui a domestiqué le blé, mais le blé qui a domestiqué l’homme. Changer la vision anthropocentrique du processus agricole, intégrer la biologie et la microbiologie du sol au processus de production peut être le début d’un changement avec de très bonnes perspectives.

NOTE : Les travaux sur la microbiologie, la biochimie et la biologie du sol de l’équipe du Dr Luis Wall ont été sponsorisés ces dernières années par des subventions du MINCyT, de CONICET, de l’Université de Quilmes et en particulier par le soutien de l’AAPRESID et de la Régionale Pergamino – Colón de l’AAPRESID.

Luis G. Wall – Laboratoire de biologie des sols -Université Nacional de Quilmes – CONICET

Luis G. Wall – Laboratoire de biologie des sols -Université Nacional de Quilmes – CONICET

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