La nutrition des plantes
Découvrez les besoins en nutriments des plantes, leurs impacts sur la croissance et la résistance aux stress environnementaux, et les solutions pour une croissance optimale
Les plantes présentent une grande importance dans notre vie. Elles sont capables de produire l’oxygène et la matière organique grâce à la photosynthèse. On dit qu’elles sont autotrophes. Ce rôle indispensable a conduit à l’étude des besoins des plantes en nutriments, conditionnant ainsi leur croissance et leur rendement. Ceci trouve une grande importance en agriculture qui optimise la gestion des éléments nutritifs pour améliorer les rendements agricoles.
1. Besoins nutritionnels des plantes
Les plantes nécessitent une gamme variée de nutriments pour survivre et prospérer (Laberche, 2010). On peut les classer en trois catégories : eau, carbone et minéraux.
L’eau et les minéraux sont absorbés du sol par les poils absorbants des racines alors que le carbone est capté sous forme de dioxyde de carbone (CO₂) au niveau des feuilles. La structure et la composition du sol influencent la disponibilité des nutriments, affectant ainsi le développement des végétaux.
Types de nutriments
1/ Nutrition hydrique :
L’eau, absorbée du sol, est transportée jusqu’aux feuilles par les vaisseaux du xylème. Au niveau des feuilles, elle est rejetée dans l’atmosphère sous forme de vapeur d’eau via la transpiration, qui peut être :
stomatique : par les stomates, qui sont des structures dans l’épiderme, s’ouvrant et se fermant pour réguler la sortie de la vapeur d’eau ;
ou cuticulaire : par la cuticule, qui est une pellicule cireuse recouvrant l’épiderme.
L’eau joue plusieurs rôles dans la plante :
Siège des réactions métaboliques ;
Intervient dans des réactions métaboliques : l’hydrolyse et la photosynthèse ;
Maintien de la structure de la cellule ;
Transport des nutriments et des produits du métabolisme ;
Régulation de l’énergie solaire reçue par les plantes.
2/ Nutrition carbonée :
Le carbone, nécessaire à la structure des plantes, est utilisé sous forme de CO₂, fixé par la photosynthèse en glucides, tout en libérant l’oxygène, ce qui permet de compléter le cycle de carbone.
La photosynthèse est un processus fondamental chez les plantes qui leur permet de transformer l’énergie lumineuse en énergie chimique sous forme de glucose. Elle se déroule en deux grandes étapes :
Phase lumineuse : Cette première étape se déroule dans les thylakoïdes des chloroplastes, où l’énergie solaire est captée par la chlorophylle et convertie en ATP et NADPH.
Cycle de Calvin : Durant cette seconde phase, qui se déroule dans le stroma des chloroplastes, le CO₂ est fixé et transformé en glucides grâce à l’ATP et au NADPH produits précédemment.
3/ Nutrition minérale :
Les minéraux sont classés en macronutriments (présents dans la plante en quantité élevée) et micronutriments (présents en quantité faible). L’absorption des nutriments par les plantes se fait principalement via les racines, qui exploitent des interactions complexes avec le sol et les microorganismes. L’ensemble eau-minéraux constitue la sève brute transportée par le xylème vers les feuilles, tandis que les produits de la photosynthèse forment la sève élaborée qui est transportée par le phloème vers tous les organes de la plante.
Les besoins en minéraux varient selon le type de plante, nécessitant une étude spécifique pour chaque espèce végétale. Les macro et micronutriments végétaux doivent être présents en quantités équilibrées pour assurer une croissance optimale et une résistance aux stress environnementaux. Chaque minéral joue un rôle bien spécifique dans la plante (De Ban et al., 2021) :
Rôles des macronutriments :
Azote : Elément clé pour la synthèse des acides aminés et des protéines. Son assimilation dépend fortement de la présence de bactéries fixatrices comme Rhizobium, qui forment des symbioses avec les légumineuses ;
Phosphore : Essentiel à la production d’ATP et à la croissance racinaire, mais sa faible disponibilité dans le sol limite souvent son assimilation ;
Calcium : Essentiel à la structure des parois cellulaires et à la communication cellulaire ;
Magnésium : Composant central de la chlorophylle ;
Potassium : Régule l’ouverture et la fermeture des stomates, influençant la transpiration et la photosynthèse ;
Soufre : Indispensable à la synthèse des protéines et à la formation de certaines enzymes.
Rôles des micronutriments :
Fer : Nécessaire à la production de chlorophylle et aux réactions d’oxydo-réduction ;
Zinc : Joue un rôle dans la synthèse des hormones végétales et l’activation enzymatique ;
Cuivre : Participe aux processus de respiration cellulaire et de photosynthèse ;
Manganèse : Impliqué dans la photolyse de l’eau lors de la phase lumineuse de la photosynthèse ;
Molybdène : Essentiel à la fixation de l’azote atmosphérique chez certaines plantes ;
Bore : Indispensable à la croissance cellulaire et à la formation des parois cellulaires.
Nutrition des plantes et résistance au stress
La nutrition végétale joue un rôle crucial dans la tolérance aux stress abiotiques et biotiques, en activant divers mécanismes de résistance, comme la synthèse d'enzymes antioxydantes, de protéines et de molécules protectrices, l'augmentation de l'activité photosynthétique, la diminution de l'absorption des métaux lourds et la réparation de l'ADN. Par exemple, un apport suffisant en potassium améliore la résistance des plantes à la sécheresse et au stress salin en régulant l’ouverture des stomates et en maintenant l’équilibre hydrique (Kumari et al., 2022).
Agriculture durable et culture in vitro
En agriculture, une nutrition équilibrée est essentielle pour maximiser les rendements et garantir une production durable. L’optimisation des pratiques agricoles passe par une irrigation et une fertilisation raisonnée, intégrant des amendements organiques et minéraux adaptés aux besoins spécifiques des cultures alimentaires (Reece et al., 2012).
Dans la culture in vitro, la nutrition est strictement contrôlée via des milieux enrichis en nutriments spécifiques. L’ajout de régulateurs de croissance, comme les auxines et cytokinines, permet de réguler la croissance et le développement des tissus végétaux (Laberche, 2010).
2. Impact d'une nutrition déséquilibrée sur les plantes
Une nutrition déséquilibrée peut avoir des conséquences graves sur la croissance et la productivité des plantes. Des signes visuels de stress nutritionnel sont observés chez les plantes (De Ban et al., 2021).
Effets des carences en nutriments sur la croissance des plantes :
Azote : jaunissement des feuilles (chlorose) et croissance réduite ;
Phosphore : ralentissement du développement racinaire et diminution de la floraison ;
Potassium : régulation de l’eau perturbée et résistance aux stress hydriques diminuée ;
Calcium : structure des parois cellulaires affectée, entraînant des déformations
et des nécroses sur les nouvelles pousses ;Magnésium : synthèse de la chlorophylle limitée, provoquant une chlorose interveinale ;
Fer : photosynthèse affectée, causant une chlorose généralisée ;
Soufre : Diminution de la production de protéines essentielles, impactant la croissance ;
Zinc : perturbation de la synthèse hormonale, entraînant un retard de développement.
Feuille saine de maïs
Carence en phosphate
Carence en potassium
Carence en azote
Source : Reece et al. (2012)
Conséquences d'un excès de nutriments sur les plantes :
Sodium : perturbation de l’absorption du potassium et endommagement des cellules végétales ;
Bore : brûlures foliaires et croissance altérée.
Influence d'une nutrition déséquilibrée sur la photosynthèse :
Une mauvaise nutrition peut affecter gravement la photosynthèse. Par exemple, une carence en magnésium entraîne une diminution de la production de chlorophylle, réduisant ainsi la capacité des plantes à capter la lumière. Un déficit en fer peut provoquer la chlorose, tandis qu’un manque de phosphore limite la production d’ATP, ralentissant ainsi la synthèse des sucres nécessaires à la croissance.
Impact du changement climatique
Le réchauffement climatique modifie les cycles biogéochimiques et affecte directement la disponibilité des nutriments dans le sol. Par exemple, une augmentation des températures accélère la minéralisation de la matière organique, entraînant des fluctuations dans l’offre en azote. De plus, l’augmentation du niveau de CO₂ peut influencer l’absorption du fer et du zinc, impactant ainsi la qualité nutritionnelle des plantes cultivées (Elbasiouny et al., 2022).
3. Solutions à une nutrition déséquilibrée
Stratégies des plantes
Certaines plantes ont développé des mécanismes d’adaptation fascinants pour surmonter les carences en nutriments :
- Les associations bénéfiques avec les microorganismes du sol (comme les symbioses mycorhiziennes) permettent de faciliter l’absorption des nutriments et d’améliorer la nutrition des plantes (Shi et al., 2023).
- Les adaptations morphologiques, comme les racines fasciculées chez les graminées (angiosperme), optimisant l’absorption des nutriments sur un large volume de sol. La plupart des plantes grasses (comme le ficoïde) ont des feuilles de stockage, adaptées au stockage de l’eau (Reece et al., 2012).
- Les plantes parasites, comme Cuscuta salina (la cuscute), puisent leurs nutriments directement dans les tissus de leurs hôtes grâce à des structures spécialisées (Reece et al., 2012).
- Les épiphytes, comme la fougère Platycerium bifurcatum (corne d’élan), vivent sur les plantes (surtout les arbres) sans les parasiter. Ils absorbent les nutriments de la pluie, utilisant surtout les feuilles (Reece et al., 2012).
- Les plantes carnivores, comme sarracénie, capturent et digèrent des insectes pour compenser la pauvreté en azote de leur milieu naturel (Reece et al., 2012).
Solutions biologiques et biotechnologiques
- L’utilisation de biofertilisants enrichis en bactéries bénéfiques, comme les bactéries fixatrices d’azote, permet de réduire la dépendance aux engrais chimiques (Reece et al., 2012).
- L’ingénierie du microbiome végétal et l’utilisation de biostimulants (contenant des microorganismes ou des molécules bioactives) peuvent renforcer l’efficacité des plantes à exploiter les ressources du sol et améliorer leur tolérance aux stress abiotiques (Lau et al., 2022).
- L’ingénierie des rhizobiomes vise à optimiser les interactions entre les plantes et les microbes bénéfiques pour accroître l’absorption des nutriments et la résistance aux pathogènes (del Carmen Orozco-Mosqueda et al., 2022).
- L’amélioration des plantes par modification génétique ouvre des perspectives prometteuses : des recherches récentes ont montré que l’édition génomique peut améliorer l’absorption et l’utilisation du phosphore (Paz-Ares et al., 2022).
La nutrition des plantes est un domaine clé de la biologie végétale, influençant à la fois la croissance des plantes, leur résilience aux stress et leur productivité agricole. Comprendre les besoins nutritionnels des plantes et les mécanismes d’adaptation permet d’améliorer les pratiques agricoles et de répondre aux défis posés par les variations climatiques. Grâce aux avancées scientifiques récentes, notamment dans le domaine du microbiome et de la biotechnologie, des solutions innovantes émergent pour garantir une nutrition végétale efficace et durable.
Sources :
Article de synthèse : de Bang, T. C., Husted, S., Laursen, K. H., Persson, D. P. & Schjoerring, J. K. (2021). The molecular–physiological functions of mineral macronutrients and their consequences for deficiency symptoms in plants. New Phytologist, 229(5), 2446-2469.
Article de synthèse : del Carmen Orozco-Mosqueda, M., Fadiji, A. E., Babalola, O. O., Glick, B. R. & Santoyo, G. (2022). Rhizobiome engineering: Unveiling complex rhizosphere interactions to enhance plant growth and health. Microbiological Research, 263, 127137.
Article de synthèse : Elbasiouny, H., El-Ramady, H., Elbehiry, F., Rajput, V. D., Minkina, T. & Mandzhieva, S. (2022). Plant nutrition under climate change and soil carbon sequestration. Sustainability, 14(2), 914.
Article de synthèse : Kumari, V. V., Banerjee, P., Verma, V. C., Sukumaran, S., Chandran, M. A. S., Gopinath, K. A., ... & Awasthi, N. K. (2022). Plant nutrition: An effective way to alleviate abiotic stress in agricultural crops. International Journal of Molecular Sciences, 23(15), 8519.
Livre : Laberche Jean-Claude (2010). Biologie végétale, Chapitre 7 : La nutrition de la plante, pages : 158-204. Dunod, Paris, 3e Edition. ISBN 978-2-10-054840-8
Article de synthèse : Lau, S. E., Teo, W. F. A., Teoh, E. Y. & Tan, B. C. (2022). Microbiome engineering and plant biostimulants for sustainable crop improvement and mitigation of biotic and abiotic stresses. Discover Food, 2(1), 9.
Article de synthèse : Paz-Ares, J., Puga, M. I., Rojas-Triana, M., Martinez-Hevia, I., Diaz, S., Poza-Carrión, C., ... & Leyva, A. (2022). Plant adaptation to low phosphorus availability: Core signaling, crosstalks, and applied implications. Molecular Plant, 15(1), 104-124.
Livre : Reece J., Urry L., Cain M., Wasserman S., Minorsky P. & Jackson R. (2012). Campbell Biology. ERPI, 9e Edition, version française, pages : 915-929. ISBN 978-2-7613-2856-2
Article de synthèse : Shi, J., Wang, X. & Wang, E. (2023). Mycorrhizal symbiosis in plant growth and stress adaptation: from genes to ecosystems. Annual Review of Plant Biology, 74(1), 569-607.
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