Une nouvelle étude révèle comment un modèle informatique peut reproduire avec précision les effets de la fertilisation azotée sur le maïs, fournissant des informations qui peuvent éclairer les futures stratégies de sélection qui améliorent l'efficacité de l'utilisation de l'azote.

L'azote est essentiel pour croissance et développement des plantes et est un composant clé des enzymes impliquées dans la photosynthèseElle est directement liée au rendement des cultures et à la teneur en protéines des céréales.

En règle générale, une fertilisation azotée plus importante entraîne une augmentation des rendements des cultures. Cependant, une application excessive d'azote peut entraîner une infiltration dans les systèmes hydriques, provoquant une eutrophisation et une prolifération d'algues nuisibles, ainsi qu'une augmentation des émissions de gaz à effet de serre. Une utilisation élevée d'engrais entraîne également une augmentation des coûts pour les producteurs.

L’efficacité avec laquelle les plantes utilisent l’azote est donc particulièrement importante.

L'efficacité de l'utilisation de l'azote est déterminée par deux facteurs principaux : la quantité d'azote qu'une plante peut absorber du sol (absorption) et l'efficacité avec laquelle la plante utilise cet azote pour sa croissance et sa productivité (efficacité de l'utilisation physiologique). L'architecture, l'anatomie, la physiologie, la génétique et les conditions environnementales des plantes jouent un rôle important dans efficacité d'utilisation de l'azote Les changements dans ces domaines pourraient permettre d’améliorer l’efficacité de l’utilisation de l’azote. Cependant, notre compréhension des contributions relatives de ces caractéristiques à l’efficacité est actuellement limitée. Une meilleure compréhension est essentielle pour identifier les caractéristiques sur lesquelles se concentrer dans les programmes de sélection visant à améliorer l’efficacité de l’utilisation de l’azote.

Jie Lu, chercheur postdoctoral à l'Université et centre de recherche de Wageningen, et ses collègues ont récemment publié un article dans in silico Plants détaillant leur approche pour quantifier les contributions des traits architecturaux et physiologiques à l'efficacité de l'utilisation de l'azoteDans leur étude, ils ont utilisé un modèle végétal fonctionnel et structurel pour simuler les effets de la fertilisation azotée sur le maïs présentant des caractéristiques variées.

Les modèles fonctionnels et structurels des plantes sont des outils informatiques avancés utilisés pour simuler l'architecture et la physiologie d'une plante, permettant aux chercheurs de visualiser et de prédire le développement des plantes dans diverses conditions. En ajustant différents facteurs du modèle, les scientifiques peuvent explorer des scénarios qui peuvent être difficiles ou impossibles à tester dans la vie réelle, comme des conditions météorologiques extrêmes ou des changements de caractéristiques spécifiques. Cela les aide à comprendre comment les plantes réagissent aux changements, ce qui conduit à des stratégies plus efficaces pour améliorer la croissance et l'efficacité.

Les auteurs ont développé une modèle fonctionnel-structurel existant de l'installation en incluant les processus végétaux et du sol liés à l’absorption d’azote et à l’efficacité physiologique.

Après avoir confirmé que le nouveau modèle prédisait avec précision les changements dans les variables d'intérêt (absorption d'azote, rendement et efficacité physiologique) à travers différents cultivars et conditions environnementales en comparant ses prédictions aux valeurs mesurées, les chercheurs l'ont utilisé pour identifier les traits physiologiques et architecturaux qui affectent ces variables.

Ils y sont parvenus en ajustant les valeurs de quatorze caractéristiques une par une et en effectuant des simulations pour voir quelles caractéristiques avaient le plus grand impact sur les variables d'intérêt dans des conditions de fertilisation azotée élevée et faible. Les caractéristiques qu'ils ont examinées comprenaient le transport d'azote racinaire, le diamètre des racines, le nombre de racines, la densité des tissus, le nombre de feuilles et la photosynthèse.

Les simulations ont montré que les effets des différents traits sur les variables d'intérêt étaient variables et complexes. Par exemple, les traits architecturaux des racines, comme le diamètre et le nombre de racines, avaient une plus grande influence sur l'absorption d'azote que les traits physiologiques comme la capacité des racines à absorber l'azote, en particulier dans des conditions de faible teneur en azote. Les changements dans le nombre de feuilles n'ont eu aucun impact sur l'absorption d'azote, le rendement ou l'efficacité physiologique. Le phyllochrone, qui est le temps entre l'apparition des feuilles, a amélioré l'absorption d'azote et l'efficacité physiologique. Il n'a eu aucun effet sur le rendement dans des conditions de faible teneur en azote ou sur aucune des variables dans des conditions de forte teneur en azote. De même, la photosynthèse n'a eu aucun effet sur l'absorption d'azote, le rendement ou l'efficacité physiologique.

Ce modèle est la première étape de l'identification des caractères qui seraient les plus efficaces pour améliorer l'efficacité de l'utilisation de l'azote. Cependant, des travaux supplémentaires sont nécessaires pour mieux comprendre comment les caractères interagissent, ce qui peut être assez complexe. Par exemple, l'augmentation de l'absorption d'azote stimule la photosynthèse, qui à son tour améliore l'accumulation de biomasse. Cette augmentation de la biomasse crée un puits d'azote plus grand, car davantage d'azote est stocké dans les tissus végétaux, ce qui conduit finalement à de nouvelles augmentations de l'absorption d'azote. Pour en savoir plus, lisez Mécanismes de source et de puits de transport et d'utilisation de l'azote par Tegeder et Masclaux-Daubresse.

Heureusement, ces questions pourront être traitées dans les futures versions du modèle et avec des données expérimentales supplémentaires, faisant ainsi progresser les efforts visant à développer du maïs avec une meilleure efficacité d’utilisation de l’azote.

LIRE L'ARTICLE:

Jie Lu, Tjeerd Jan Stomph, Guohua Mi, Lixing Yuan, Jochem Evers, Identification et quantification de la contribution des caractéristiques des plantes de maïs à l'absorption et à l'utilisation de l'azote grâce à la modélisation des plantes, in silico Plants, Volume 6, Numéro 2, 2024, diae018, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diae018

Ce modèle est disponible gratuitement sur https://git.wur.nl/lu068/cn-maize.