Dans les années 1980, Howard-Yana Shapiro, aujourd'hui directeur de l'agriculture chez Mars, Incorporated, était à la recherche de nouveaux types de maïs. Il était dans le district de Mixes à Oaxaca, dans le sud du Mexique, la région où les précurseurs du maïs (ou maïs) ont évolué pour la première fois, lorsqu'il a repéré le maïs le plus étrange jamais vu. Non seulement il mesurait 16 à 20 pieds, réduisant de beaucoup la quantité de matières de 12 pieds dans les champs américains, mais il a fallu six à huit mois pour arriver à maturité, bien plus longtemps que les trois mois nécessaires au maïs conventionnel. Pourtant, il atteignait ces hauteurs impressionnantes dans ce que l’on peut appeler charitablement un sol pauvre, sans utilisation d’engrais. Mais la partie la plus étrange du maïs était ses racines aériennes - des protubérances vertes et rosées, en forme de doigts, sortant de la tige de maïs, dégoulinant d'un gel clair et sirupeux.
Shapiro soupçonnait que ces doigts muqueux pourraient être le Saint Graal de l'agriculture. Il croyait que les racines permettaient à cette variété unique de maïs, surnommée Sierra Mixe et élevée localement pendant des centaines, voire des milliers d'années, de produire son propre azote, un nutriment essentiel pour les cultures, généralement utilisé comme engrais en quantités épiques.
L’idée semblait prometteuse, mais sans outils d’ADN permettant d’examiner en détail comment le maïs produisait de l’azote, la découverte était mise de côté. Près de deux décennies plus tard, en 2005, Alan B. Bennett de l’Université de Californie à Davis, avec Shapiro et d’autres chercheurs, a commencé à utiliser une technologie de pointe pour étudier les propriétés de fixation de l’azote du flegme de maïs. les bactéries vivant dans le mucus tiraient l'azote de l'air et le transmutaient sous une forme que le maïs pouvait absorber.
Aujourd'hui, après plus d'une décennie de recherche sur le terrain et d'analyse génétique, l'équipe a publié ses travaux dans la revue PLOS Biology. Si le trait fixant l'azote pouvait être reproduit dans le maïs conventionnel, lui permettant de produire même une partie de son propre azote, il pourrait réduire les coûts d'exploitation, réduire les émissions de gaz à effet de serre et stopper l'un des principaux polluants des lacs, des rivières et des lacs. océan. En d'autres termes, cela pourrait conduire à une deuxième révolution de l'azote.
La production synthétique d'azote peut être la plus grande réalisation du 20ème siècle. La découverte du procédé Haber-Bosch et de ses perfectionnements, dans lesquels l'azote est extrait de l'air sous forte chaleur et sous pression en présence d'un catalyseur, a conduit à trois prix Nobel distincts. Et ils sont bien mérités. On estime que les rendements des cultures ont plus que doublé entre 1908 et 2008, les engrais azotés synthétiques étant responsables de près de la moitié de cette croissance. Certains chercheurs ont lié la croissance massive de la population humaine au cours des soixante-dix dernières années à l'utilisation accrue d'engrais azotés. Sans cela, nous devrions cultiver presque quatre fois plus de terres ou avoir des milliards de personnes en moins dans le monde.
Mais produire tout cet azote a des conséquences. On estime que la fabrication d'engrais selon le procédé Haber-Bosch consomme entre 1 et 2% de l'énergie mondiale et émet beaucoup de gaz à effet de serre. De plus, l'azote synthétique lave régulièrement les champs dans les cours d'eau, entraînant une prolifération massive d'algues qui aspirent tout l'oxygène, tuant ainsi les poissons et autres organismes. Tellement d'azote est injecté dans les rivières et les ruisseaux que de grandes zones mortes se sont développées à l'embouchure des fleuves du monde, dont l'une dans le golfe du Mexique, qui avait la taille du New Jersey l'an dernier. Mark Sutton, du Centre britannique pour l'écologie et l'hydrologie, qualifie l'azote de "parrain de la pollution". Ses effets sont omniprésents, mais on ne voit jamais vraiment le coupable.
Des chercheurs ont même transplanté le maïs à Madison, dans le Wisconsin, constatant qu'il était encore capable de produire son propre azote à partir de son environnement d'origine. (Photo: Jean-Michel Ané) Mais nous ne pouvons tout simplement pas abandonner l'azote sans voir d'importantes réductions dans l'agriculture. Une meilleure gestion et de meilleures pratiques agricoles peuvent aider à le garder hors des voies navigables, mais ces stratégies ne suffisent pas pour résoudre les problèmes écologiques de l'azote. C'est pourquoi les chercheurs se demandent depuis des décennies s'il existe un moyen d'aider les cultures céréalières telles que le maïs et le blé à produire leur propre azote.
L'idée n'est pas aussi farfelue qu'il n'y paraît. De nombreuses plantes, en particulier les légumineuses comme le soja, les arachides et le trèfle, entretiennent une relation symbiotique avec les bactéries Rhizobium, qui produisent de l'azote pour elles. Les plantes développent des nodules racinaires où les bactéries s'installent et sirotent leurs sucres tout en convertissant l'azote de l'air en une forme que les plantes peuvent utiliser. Si l'on pouvait trouver une relation symbiotique similaire qui fonctionne dans les cultures céréalières telles que le maïs et le blé, les chercheurs pensent que nous pourrions réduire notre utilisation du polluant.
C'est pourquoi le maïs à glaire est si important et pourquoi Bennett et son équipe ont passé huit ans à étudier et à réétudier les bactéries et le gel pour se convaincre que le maïs était en effet capable de produire son propre azote. En utilisant le séquençage de l’ADN, ils ont pu montrer les microbes présents dans les gènes porteurs de la boue pour la fixation de l’azote et démontrer que le gel contenu dans le maïs, qui contient beaucoup de sucre et d’oxygène, est parfaitement conçu pour favoriser la fixation de l’azote. À l'aide de cinq tests différents, ils ont montré que l'azote produit par les microbes pénétrait ensuite dans le maïs, fournissant de 30 à 80% des besoins de la plante. Ils ont ensuite produit une version synthétique de la boue et l'ont ensemencée avec les microbes, découvrant qu'ils produisaient également de l'azote dans cet environnement. Ils ont même cultivé Sierra Mixe à Davis, en Californie, et Madison, dans le Wisconsin, prouvant qu’elle pouvait exécuter son exploit hors du commun au Mexique.
«Ce mécanisme est totalement différent de celui utilisé par les légumineuses», dit Bennett, ajoutant qu'il pourrait également exister dans d'autres cultures. «Il est certainement concevable que des types similaires de systèmes existent dans de nombreuses céréales. Le sorgho, par exemple, a des racines aériennes et du mucilage. D'autres ont peut-être des mécanismes plus subtils qui se produisent sous terre et qui pourraient exister plus largement. Maintenant que nous en sommes conscients, nous pouvons les chercher. "
Le co-auteur Jean Michel-Ane de l'Université du Wisconsin, Madison, convient que cette découverte ouvre toutes sortes de nouvelles possibilités. «Construire du maïs pour fixer l’azote et former des nodules racinaires comme des légumineuses est un rêve et une lutte pour les scientifiques depuis des décennies. Il s'avère que ce maïs a développé une manière totalement différente de résoudre ce problème de fixation de l'azote. La communauté scientifique a probablement sous-estimé la fixation de l'azote dans d'autres cultures en raison de son obsession pour les nodules racinaires », a-t-il déclaré dans un communiqué. "Ce maïs nous a montré que la nature peut trouver des solutions à certains problèmes bien au-delà de ce que les scientifiques pourraient imaginer."
Il s'avère que la nature a encore plus d'astuces produisant de l'azote que les chercheurs maîtrisent à peine. Il existe plusieurs autres projets en cours visant à ce que les cultures de céréales et de légumes remplissent Haber-Bosching pour nous. L’un des plus prometteurs est l’utilisation d’endophytes, ou micro-organismes comme les bactéries et les champignons qui vivent dans les espaces intercellulaires des plantes. Sharon Doty, chercheuse à l'Université de Washington, s'est intéressée aux organismes il y a quelques décennies. Elle étudiait les saules et les peupliers, qui sont parmi les premiers arbres à pousser sur des terres perturbées après des événements tels qu'une éruption volcanique, des inondations ou des éboulements. Ces arbres poussaient dans le gravier d’une rivière et n’avaient pratiquement aucun accès à l’azote dans le sol. Cependant, à l'intérieur de leurs tiges, Doty a trouvé des endophytes fixant l'azote pour les arbres, aucun nodule racinaire nécessaire. Depuis lors, elle a découvert des dizaines de souches d’endophytes, dont beaucoup aident les plantes de manière surprenante. Certains produisent de l'azote ou du phosphore, un autre élément nutritif important, tandis que d'autres améliorent la croissance des racines et permettent aux plantes de survivre dans des conditions de sécheresse ou de forte teneur en sel.
«Il existe toute une série de microbes différents capables de fixer l'azote et un large éventail d'espèces végétales touchées», dit-elle. Ses tests ont montré que les microbes peuvent doubler la productivité des plants de poivrons et de tomates, améliorer la croissance du riz et conférer une résistance à la sécheresse à des arbres comme les sapins de Douglas. Certains autorisent même les arbres et les plantes à aspirer et à décomposer les contaminants industriels et sont maintenant utilisés pour nettoyer les sites Superfund. «L'avantage d'utiliser des endophytes est que c'est un groupe très important. Nous avons trouvé des souches qui fonctionnent avec le riz, le maïs, les tomates, les poivrons et autres plantes de grande culture. "
En fait, les endophytes pourraient se retrouver entre les mains des agriculteurs le plus tôt possible. La société IntrinsyxBio de Los Altos, en Californie, commercialise certains des endophytes de Doty. Le directeur scientifique, John L. Freeman, a déclaré dans une interview que la société était sur la bonne voie pour qu'un produit soit prêt à être commercialisé en 2019. L'objectif est d'introduire plusieurs souches d'endophytes dans les plantes, très probablement en recouvrant les semences. Une fois que ces bactéries se sont installées à l'intérieur de l'usine, elles devraient extraire environ 25% de l'azote nécessaire.
Pivot Bio, une autre société de biotechnologie, a récemment annoncé qu'elle testait en bêta une solution similaire en utilisant des microbes fixateurs d'azote qui se développent dans les systèmes racinaires du maïs.
Le domaine émergent de la biologie synthétique se penche également sur le problème de l’azote. Fondée en septembre dernier, Joyn Bio, basée à Boston, est un projet conjoint entre Bayer et Ginkgo Bioworks, une entreprise de biotechnologie expérimentée dans la création de levures et de bactéries sur mesure pour l’industrie de l’alimentation et des arômes, parmi d’autres projets de «microbes de designer». Joyn explore actuellement plus de 100 000 microbes dans la bibliothèque de Bayer afin de trouver un hôte capable de coloniser avec succès des plantes, similaire aux endophytes de Doty. Ensuite, ils espèrent modifier ce "châssis hôte" avec des gènes qui lui permettront de réparer l'azote. «Plutôt que de compter sur la nature et de trouver un microbe magique, ce que nous ne pensons pas exister, nous souhaitons trouver notre microbe hôte et l'ajuster pour qu'il fasse ce dont nous avons besoin pour le maïs ou le blé», déclare Michael Miille, directeur général de Joyn .
La Fondation Gates participe également au jeu en soutenant des projets visant à conférer aux céréales la capacité de fixation de l'azote des légumineuses. D'autres équipes espèrent que l'informatique quantique suralimentée ouvrira de nouveaux domaines de la chimie et identifiera de nouveaux catalyseurs qui rendront le procédé Haber-Bosch beaucoup plus efficace.
S'il est peu probable qu'une solution à elle seule puisse remplacer 100% des engrais synthétiques utilisés par les humains, ces projets pourraient peut-être réduire de manière significative la pollution par l'azote. Bennett espère que Sierra Mixe et ce que son équipe a appris s’inscriront dans la révolution de l’azote, bien qu’il admette qu’il faut un très long bond en avant pour que ses doigts de maïs gluants commencent à produire de l’azote dans les cultures conventionnelles. Il souhaite maintenant identifier les gènes qui produisent les racines aériennes et déterminer lequel des milliers de microbes découverts dans le mucilage est en train de fixer l'azote.
«Je pense que ce que nous faisons pourrait être complémentaire de ces approches [de la biologie endogène et synthétique], dit-il. "Je pense que nous verrons de nombreuses stratégies divergentes, et dans 5 à 10 ans, quelque chose émergera qui aura un impact sur l'apport en azote du maïs."
Note du rédacteur 8/8/18: Une première version de cet article avait mal orthographié le nom de John L. Freeman et avait mal identifié sa société actuelle.
