Auteur invité cette semaine Charlie Haynes est le reporter itinérant d'AoB Blog au Conférence EPSO/FESPB sur la biologie végétale Europe.

Hans Lambers est professeur Winthrop à l'Université d'Australie-Occidentale. Il a obtenu son doctorat en 1979 à l'Université de Groningue aux Pays-Bas et a depuis travaillé à l'Université de Melbourne, à l'Université nationale australienne et à l'Université d'Utrecht. Ses recherches portent sur la nutrition minérale des plantes indigènes australiennes et des légumineuses de culture et de pâturage. Il a très gentiment accepté de me parler de certains des défis de l'appauvrissement du sol en phosphate.

Pourquoi l'appauvrissement en phosphate est-il si important ?
En Europe, qui importe des denrées alimentaires et des aliments pour animaux de régions du monde où les phosphates aggravent le problème, la question est moins préoccupante. Là-bas, il s'agit d'un excès de phosphate, déversé sur les terres et finissant par contaminer les cours d'eau. L'Europe pourrait cesser d'utiliser des engrais dès maintenant et assurer ses récoltes pendant encore 20 ans. Mais dans d'autres régions du monde, comme l'Australie, l'Amérique du Sud, l'Afrique et l'Asie du Sud-Est, l'insécurité alimentaire liée aux phosphates est un véritable enjeu. Cela peut être dû à une quantité insuffisante de phosphate dans le sol pour une production agricole efficace, ou au fait que le phosphate, bien que présent, n'est pas facilement assimilable. C'est donc un problème pour la production agricole et, par conséquent, pour la sécurité alimentaire. Ce que nous pouvons faire, en revanche, c'est cultiver des plantes capables d'utiliser ce phosphore présent dans le sol de manière beaucoup plus efficace. Le potentiel est immense.

Comment cela limite-t-il ces pays dans ce qu'ils peuvent cultiver et les rendements qu'ils peuvent produire ?
En Afrique, le phosphore est le principal facteur limitant, même dans certaines régions les plus sèches d'Afrique saharienne. Les gens qui travaillaient à barchenener ont découvert qu'en ajoutant simplement du phosphore, on pouvait obtenir un rendement plus élevé. Le sol sec réduit considérablement la mobilité du phosphore dans le sol et cela devient une limitation importante lorsque vous avez un sol sec (Lambers H, Raven JA, Shaver GR, Smith SE. (2008) Les stratégies d'acquisition des nutriments des plantes changent avec l'âge du sol. Tendances en écologie et évolution 23 : 95-103).

Alors pourquoi ces communautés n'achètent-elles pas d'engrais pour augmenter leur rendement ?
L'engrais est très cher pour ces groupes. Il doit parcourir de grandes distances pour se rendre à la récolte, et ces groupes n'ont tout simplement pas l'argent nécessaire. Donc, là, nous travaillons plutôt vers des cultures qui utilisent plus efficacement le phosphore existant ou qui sont plus efficaces pour l'extraire du sol. C'est cependant une entreprise un peu risquée - si vous avez des sols très pauvres en nutriments au départ, les plantes qui les extraient plus efficacement rendront le sol encore plus pauvre en phosphore. Tout ce que vous retirez du sol doit être remplacé pour être durable.

Qu'est-ce qui rend les phosphates accessibles ?
Les phosphates dans le sol sont facilement disponibles à un pH neutre. Les sols calcaires avec leur pH plus alcalin emprisonnent les phosphates dans des complexes de calcium. Le phosphate est là mais pas facilement disponible pour les cultures. Les sols plus acides emprisonnent également les phosphates - mais cette fois pas dans des complexes de calcium mais plutôt sous forme de complexes d'oxydes et d'hydroxydes de fer et d'aluminium. Le Chili a un sol très acide, avec un pH de près de 4, et beaucoup de ces oxydes et hydroxydes métalliques, de sorte que tout le phosphate n'est pas facilement disponible. Cependant les plantes ont des adaptations particulières qui leur permettent d'y accéder dans ces conditions.

Quelles sont ces adaptations ?
Ces plantes ont une structure spéciale qui fonctionne en combinaison avec la biochimie végétale. Ce qu'ils produisent, ce sont des quantités massives de carboxylates. Ce sont des molécules avec une charge négative - comme le phosphate. Ceux-ci s'échangent les uns contre les autres, libérant les ions phosphate dans la solution du sol, tandis que les anions carboxylates prennent la place du phosphate dans le sol. Vous extrayez efficacement le phosphate qui se trouve dans le sol de ses liaisons serrées. C'est alors dans la solution et n'importe qui peut le reprendre (Lambers H, Bishop JG, Hopper SD, Laliberté E, Zúñiga-Feest A. (2012) Ingénierie de l'écosystème de mobilisation du phosphore : les rôles des racines de cluster et de l'exsudation de carboxylate dans les jeunes écosystèmes limités en P. Annals of Botany 110: 329-348).

Cela pourrait-il être mis dans une autre culture soit par sélection, soit par modification génétique?
Je reculerais d'un pas et demanderais 'quelles cultures avons-nous maintenant et qui peuvent déjà le faire' ? Le lupin blanc est un excellent exemple et il existe quelques autres espèces de lupin qui font exactement la même chose. Il y a aussi certaines espèces de lupin qui n'ont pas ces merveilleuses structures mais quelque chose qui s'en rapproche, et certaines sans structure du tout qui libèrent encore des carboxylates. Nous avons donc déjà beaucoup d'espèces qui peuvent déjà jouer ce tour. Plutôt que de concevoir cela dans le soja, il est important d'avoir une compréhension approfondie de la technologie. Comprendre est et le cultiver dans des cultures avec le gène est une première étape évidente. Nous avons déjà des cultures avec cette capacité dans les lupins - qui sont bien meilleures que le blé et l'orge à ce stade. Je ne pense pas que ce soit impossible mais il est important d'y aller une étape à la fois (Lambers H, Clements JC, Nelson MN. (2013) Comment une stratégie d'acquisition de phosphore basée sur l'exsudation de carboxylate alimente le succès et le potentiel agronomique des lupins (Lupinus, Fabaceae). Journal américain de botanique 100 : 263-288).

Alors, certaines parties du monde se concentrent-elles sur les mauvaises cultures pour leur type de sol et leur climat ?
Absolument ! Au Chili, on cultivait autrefois le lupin andin. Lors de l'invasion espagnole, les populations locales ont été interdites de culture, car il ne s'agissait pas de cultures espagnoles. Il était absurde que les autochtones adoptent des cultures étrangères alors qu'ils disposaient déjà d'une plante adaptée à leur environnement ! Le quinoa est un autre exemple de culture où cela s'est produit, et les Espagnols ont interdit sa culture. Leurs propres cultures étaient sans doute meilleures que celles introduites par les Espagnols. Une solution possible est la culture intercalaire. Il s'agit de cultiver des plantes simultanément, en les intercalant. Si l'on souhaite cultiver du blé, celui-ci ne pousse pas bien dans certains environnements d'Amérique du Sud. En le cultivant en association avec du lupin, on peut mobiliser le phosphore et les cultures voisines peuvent en bénéficier. On peut également pratiquer la rotation des cultures. Un groupe en Allemagne l'a expérimentée, en alternant soja et maïs. Le maïs absorbe moins bien le phosphate, contrairement au soja, selon la variété. Les bonnes variétés de soja présentent un réel avantage pour la culture suivante : un apport en phosphore. On peut les cultiver simultanément ou en rotation pour optimiser cet apport. Ces deux techniques offrent des avantages considérables.

Qu'est-ce qui empêche déjà les personnes vivant dans des environnements pauvres en phosphore de le faire ?
C'est une question intéressante. En Chine, la culture intercalaire est pratiquée depuis des siècles et on peut démontrer qu'avec les bonnes combinaisons, on peut obtenir un rendement supérieur de 40 à 50 %, ce qui est impressionnant ! Un agriculteur britannique ou irlandais serait ravi d'une telle augmentation de rendement ! Les Chinois l'ont déjà fait, et l'Europe explore cette piste. Je suis certain que cela pourrait être fait ailleurs dans le monde, mais cela ne se fait pas à grande échelle, faute de formation. Il est essentiel de sensibiliser les agriculteurs locaux à cette technique, de l'Afrique à l'Australie ! Je travaille avec l'équipe d'Andreas Burgutts en Allemagne, qui sélectionne des variétés de sorgho pour une meilleure assimilation du phosphate, en utilisant les niveaux de manganèse foliaire comme marqueur. Le manganèse est absorbé par la plante de la même manière que le phosphate et sert donc de marqueur. Ce type de recherche nécessite d'aller en Afrique et de sélectionner le cultivar adapté aux conditions locales, et non dans nos champs de laboratoire. Il s'agit de mener des recherches et de veiller à ce que ces recherches profitent aux agriculteurs, et ne restent pas cantonnées à la tour d'ivoire des scientifiques. Il faut agir et aller au-delà des revues scientifiques, là où nous pouvons faire la différence.

Qui d'autre travaille à mettre ces connaissances sur le terrain ?
J'ai eu la visite d'une personne de ICRISAT. Ils sont basés en Inde et travaillent sur la sécheresse et la salinité des cultures majeures. Ils ont maintenant envie de travailler sur le phosphore, ils avaient entendu parler de mon travail et étaient intéressés à développer quelque chose ensemble. Ces grands instituts internationaux ont des liens avec les communautés agricoles de base dans les régions du monde où vous pouvez vraiment faire la différence. Je peux peut-être faire de la science de haut niveau, mais sans les connexions, je ne peux pas avoir beaucoup d'impact dans le monde réel.

Qui d'autre est impliqué ?
Les grands instituts internationaux font du bon travail, IRRI dans les Philippines, ICARDA à Alep et ICRISAT à Hyderâbâd. Ces grands instituts internationaux ne s'intéressent pas seulement à la science, mais aussi à son application, et je pense que c'est vraiment important.

Ces usines ont-elles du potentiel dans d'autres domaines clés ?
Oui, par exemple, si vous avez un sol contaminé par des métaux lourds, vous pouvez les utiliser dans le processus de photoremédiation. Ici, les plantes sont utilisées pour leur capacité à éliminer les métaux lourds d'un sol "propre". Certaines régions de Belgique ont été fortement polluées par le zinc ou le cuivre. Le nettoyage chimique ou physique de ce sol est presque impossible. Vous avez besoin d'une espèce qui accumule ces métaux à une concentration très élevée, mais qui a également une croissance rapide, produisant beaucoup de biomasse, sinon le processus prend du temps. Il y a là un sérieux potentiel. En plus de cela, ces plantes peuvent être utilisées dans la phytominage ou la prospection, accumulant de petites quantités de métaux qui agissent comme un indicateur d'un dépôt de métal plus important dans la terre. Cela peut agir comme un assez bon indicateur de l'or et de certains autres métaux pour permettre aux groupes de commencer l'exploitation minière.
Le livre de Hans "Plant Life on the Sandplains in Southwest Australia, a Global Biodiversity Hotspot" sortira en septembre et est maintenant disponible en ligne sur le site Web UWA Publishing.