Fixation de l’azote par les légumineuses

Guide A-129
Révisé par Robert Flynn et John Idowu
College of Agricultural, Consumer and Environmental Sciences, New Mexico State University

Auteurs : Agronomes de vulgarisation, département des sciences végétales de vulgarisation, Université d’État du Nouveau-Mexique. (Print friendly PDF)

Fixation biologique de l’azote

Approximativement 80% de l’atmosphère terrestre est constituée d’azote gazeux (N2). Malheureusement, le N2 est inutilisable par la plupart des organismes vivants. Les plantes, les animaux et les micro-organismes peuvent mourir de carence en azote, entourés de N2 qu’ils ne peuvent utiliser. Tous les organismes utilisent la forme ammoniacale (NH3) de l’azote pour fabriquer des acides aminés, des protéines, des acides nucléiques et d’autres composants azotés nécessaires à la vie.

La fixation biologique de l’azote est le processus qui transforme le N2 inerte en NH3 biologiquement utile. Ce processus est médié dans la nature uniquement par les bactéries rhizobia fixatrices de N (Rhizobiaceae, α-Proteobacteria) (Sørensen et Sessitsch, 2007). D’autres plantes bénéficient des bactéries fixatrices d’azote lorsque celles-ci meurent et libèrent de l’azote dans l’environnement, ou lorsque les bactéries vivent en étroite association avec la plante. Chez les légumineuses et quelques autres plantes, les bactéries vivent dans de petites excroissances sur les racines appelées nodules. Dans ces nodules, la fixation de l’azote est effectuée par les bactéries et le NH3 qu’elles produisent est absorbé par la plante. La fixation de l’azote par les légumineuses est un partenariat entre une bactérie et une plante.

La fixation biologique de l’azote peut prendre de nombreuses formes dans la nature, notamment les algues bleues (une bactérie), les lichens et les bactéries du sol vivant librement. Ces types de fixation de l’azote contribuent à des quantités importantes de NH3 dans les écosystèmes naturels, mais pas dans la plupart des systèmes de culture, à l’exception du riz paddy. Leurs contributions sont inférieures à 5 lb d’azote par acre et par an. Cependant, la fixation de l’azote par les légumineuses peut être de l’ordre de 25-75 lb d’azote par acre et par an dans un écosystème naturel, et de plusieurs centaines de livres dans un système de culture (Frankow-Lindberg et Dahlin, 2013 ; Guldan et al., 1996 ; Burton, 1972).

Figure 1. Une racine de légumineuse montrant des nodules attachés aux racines.

Nodules de légumineuses

La fixation d’azote des légumineuses commence par la formation d’un nodule (figure 1). Les bactéries rhizobia présentes dans le sol envahissent la racine et se multiplient dans les cellules de son cortex. La plante fournit tous les nutriments et l’énergie nécessaires aux bactéries. Une semaine après l’infection, de petits nodules sont visibles à l’œil nu (Figure 1). Au champ, les petits nodules peuvent être vus 2 à 3 semaines après la plantation, selon l’espèce de légumineuse et les conditions de germination. Lorsque les nodules sont jeunes et ne fixent pas encore l’azote, ils sont généralement blancs ou gris à l’intérieur. Au fur et à mesure que les nodules grossissent, ils prennent progressivement une couleur rose ou rougeâtre, indiquant que la fixation de l’azote a commencé (figure 2). La couleur rose ou rouge est causée par la leghemoglobine (similaire à l’hémoglobine dans le sang) qui contrôle le flux d’oxygène vers les bactéries (Figure 2).

Les nodules de nombreuses légumineuses vivaces, comme la luzerne et le trèfle, ont une forme de doigt. Les nodules matures peuvent en fait ressembler à une main avec une masse centrale (paume) et des parties saillantes (doigts), bien que l’ensemble du nodule ait généralement moins de 1/2 pouce de diamètre (Figure 3). Les nodules des plantes vivaces ont une longue durée de vie et fixent l’azote pendant toute la saison de croissance, tant que les conditions sont favorables. La plupart des nodules (10-50 par grand plant de luzerne) seront centrés autour de la racine pivotante.

Les nodules sur les légumineuses annuelles, comme les haricots, les arachides et le soja, sont ronds et peuvent atteindre la taille d’un gros pois. Les nodules sur les annuelles sont de courte durée et seront constamment remplacés pendant la saison de croissance. Au moment du remplissage des gousses, les nodules des légumineuses annuelles perdent généralement leur capacité à fixer l’azote car la plante nourrit la graine en développement plutôt que le nodule. Les haricots auront généralement moins de 100 nodules par plante, le soja en aura plusieurs centaines par plante et les arachides peuvent avoir 1 000 nodules ou plus sur une plante bien développée.

Figure 2. Nodules d’une légumineuse coupés ouverts pour montrer la couleur rose rougeâtre qui indique un nodule actif et sain.

Les nodules de légumineuses qui ne fixent plus l’azote deviennent généralement verts et peuvent en fait être jetés par la plante. Les nodules roses ou rouges devraient prédominer sur une légumineuse au milieu de la saison de croissance. Si les nodules blancs, gris ou verts prédominent, il y a peu de fixation d’azote en raison d’une souche de rhizobia inefficace, d’une mauvaise nutrition de la plante, du remplissage des gousses ou d’un autre stress de la plante.

L’azote fixé n’est pas gratuit ; la plante doit apporter une quantité importante d’énergie sous forme de photosynthèse (sucres dérivés de la photosynthèse) et d’autres facteurs nutritionnels pour les bactéries. Cependant, certaines légumineuses sont plus efficaces que d’autres. Le niébé, par exemple, nécessite 3,1 mg de carbone (C) pour fixer 1 mg de N. Le lupin blanc, par contre, nécessite 6,6 mg de C pour fixer 1 mg de N (Layzell et al., 1979). Un plant de soja peut détourner jusqu’à 50 % de son photosynthétat vers le nodule plutôt que vers d’autres fonctions de la plante lorsque le nodule fixe activement l’azote (Warembourg et al., 1982).

Tout stress qui réduit l’activité de la plante réduira la fixation de l’azote. Des facteurs comme la température et la disponibilité de l’eau peuvent ne pas être sous le contrôle de l’agriculteur, mais le stress nutritionnel (en particulier le phosphore, le potassium, le zinc, le fer, le molybdène et le cobalt) peut être corrigé avec des engrais. Lorsqu’un stress nutritionnel est corrigé, la légumineuse réagit directement à l’élément nutritif et indirectement à la nutrition azotée accrue résultant d’une meilleure fixation de l’azote. Une mauvaise fixation de l’azote dans le champ peut être facilement corrigée par l’inoculation, la fertilisation, l’irrigation ou d’autres pratiques de gestion.

Figure 3. Nodules détachés des racines d’une plante légumineuse mature, avec une règle centimétrique pour l’échelle.

Efficacité de la fixation de l’azote et fertilisation azotée

Certaines légumineuses sont meilleures que d’autres pour fixer l’azote. Les haricots communs sont de mauvais fixateurs (moins de 50 lb N par acre) et fixent moins que leurs besoins en azote. Le rendement économique maximum pour les haricots au Nouveau-Mexique nécessite un supplément de 30-50 lb d’azote d’engrais par acre. Cependant, si les haricots ne sont pas nodulés, les rendements restent souvent faibles, quelle que soit la quantité d’azote appliquée. Les nodules aident apparemment la plante à utiliser efficacement l’azote des engrais.

Les autres légumineuses à grains, comme les arachides, le niébé, le soja et les fèves, sont de bons fixateurs d’azote et fixent tous leurs besoins en azote autres que ceux absorbés dans le sol. Ces légumineuses peuvent fixer jusqu’à 250 lb d’azote par acre et ne sont généralement pas fertilisées (Walley et al., 1996 ; Cash et al., 1981). En fait, elles ne réagissent généralement pas aux engrais azotés tant qu’elles sont capables de fixer l’azote. L’engrais azoté est généralement appliqué au moment de la plantation de ces légumineuses lorsqu’elles sont cultivées sur des sols sablonneux ou à faible teneur en matière organique, afin de fournir de l’azote à la plante avant que la fixation de l’azote ne commence. Si de l’azote est appliqué, le taux ne doit pas dépasser 15 lb par acre. Lorsqu’une quantité excessive d’azote est appliquée, la légumineuse ralentit ou arrête littéralement le processus de fixation de l’azote (Delwiche et Wijler, 1956). Il est plus facile et moins énergivore pour la plante d’absorber l’azote du sol que de le fixer à partir de l’air.

Les légumineuses vivaces et fourragères, comme la luzerne, le mélilot, les trèfles véritables et les vesces, peuvent fixer 250 à 500 lb d’azote par acre. Comme les légumineuses à grains dont il a été question précédemment, elles ne sont pas normalement fertilisées avec de l’azote. Elles répondent occasionnellement à l’engrais azoté lors de la plantation ou immédiatement après une coupe lorsque l’apport de photosynthèse est trop faible pour permettre une fixation adéquate de l’azote (Aranjuelo et al., 2009). Cependant, la fixation de N2 se poursuit en présence de niveaux élevés de N du sol, mais à des niveaux réduits (Lamb et al., 1995). Il est également important de noter que la luzerne fixatrice de N2 est beaucoup plus capable d’éliminer l’excès d’azote du sol par rapport aux variétés de luzerne non fixatrice de N2 (Russelle et al., 2007).

Retour de l’azote dans le sol et les autres cultures

La quasi-totalité de l’azote fixé va directement dans la plante. Cependant, une partie de l’azote peut être  » fuie  » ou  » transférée  » dans le sol (30-50 lb N/acre) pour les plantes voisines non légumineuses (Walley et al., 1996). La plupart de l’azote finit par retourner dans le sol pour les plantes voisines lorsque la végétation (racines, feuilles, fruits) de la légumineuse meurt et se décompose.

Lorsque le grain d’une culture de légumineuses à grains est récolté, peu d’azote est retourné pour la culture suivante. La majeure partie de l’azote fixé pendant la saison est retirée du champ sous forme de grain. Les tiges, les feuilles et les racines des légumineuses à grains, comme le soja et les haricots, contiennent à peu près la même concentration d’azote que les résidus de cultures non légumineuses. En fait, les résidus d’une culture de maïs contiennent plus d’azote que les résidus d’une culture de haricots, simplement parce que la culture de maïs a plus de résidus après la récolte du maïs.

Une culture de légumineuses vivaces ou fourragères n’apporte un apport significatif d’azote pour la culture suivante que si la totalité de la biomasse (tiges, feuilles, racines) est incorporée au sol. Si un fourrage est coupé et retiré du champ, la majeure partie de l’azote fixé par le fourrage est éliminée. Les racines et les couronnes ajoutent peu d’azote au sol par rapport à la biomasse aérienne.

Problèmes de fixation de l’azote dans le champ

Mesurer la fixation de l’azote dans le champ est difficile. Cependant, un cultivateur peut faire certaines observations sur le terrain qui peuvent aider à indiquer si la fixation de l’azote est adéquate dans certaines des légumineuses communes.

Si un champ nouvellement planté est vert clair et à croissance lente, soupçonnez une fixation insuffisante de l’azote. Ce phénomène est souvent observé avec les haricots et la luzerne. Dans un nouveau champ, la mauvaise fixation est souvent attribuée à l’absence de rhizobia indigènes pour noduler la légumineuse, mais la cause peut aussi être une mauvaise nutrition des plantes ou d’autres stress des plantes qui inhibent la fixation de l’azote. De petits nodules devraient être présents de 2 à 3 semaines après la germination. Si les nodules ne sont pas présents, envisagez les options suivantes .

A.	Replanter en utilisant des graines inoculées avec les bons rhizobia.
B.	Tenter d’inoculer les plantes dans le champ par le système d’irrigation ou par d’autres moyens. Attention : cette technique ne fonctionne souvent pas et l’avis d’un expert est nécessaire.
C.	Envisager une fertilisation azotée pour répondre à tous les besoins en azote des plantes. Cela peut ne pas être une option pour une légumineuse pérenne comme la luzerne, surtout si le champ est maintenu en luzerne pendant plusieurs années. De plus, certaines légumineuses utilisent l’azote du sol ou de l’engrais plus efficacement si des nodules sont présents.

Si peu ou de petits nodules sont présents, il se peut que l’azote du sol ne soit pas disponible en quantité suffisante pour la jeune plante avant que la fixation de l’azote ne commence. La plante se développe généralement à partir de cette condition, ou une petite quantité d’azote peut être appliquée. De même, un rhizobia indigène inefficace peut entraîner une mauvaise fixation de l’azote. Considérez les autres stress du sol qui peuvent inhiber la croissance de la plante, en particulier la nutrition des plantes et le stress hydrique.

Si une culture établie devient déficiente en azote au milieu de la saison de croissance—lorsque la croissance de la plante et les demandes en azote sont les plus importantes—une fixation de l’azote mauvaise ou inefficace pourrait en être la cause. Les nodules doivent être clairement visibles, à peu près de la même taille et du même nombre par plante que ceux décrits précédemment, et doivent être de couleur rose ou rouge. Si seulement quelques nodules sont présents, un nombre insuffisant de rhizobia a limité la nodulation, ou des stress de la plante peuvent inhiber la fixation de l’azote. À ce moment-là, vous pouvez peut-être éliminer un stress de la plante, mais il est trop tard pour inoculer si les nodules sont principalement verts, gris ou blancs, car les rhizobiums indigènes sont probablement des fixateurs d’azote inefficaces. Le seul choix peut être d’appliquer un engrais azoté en bandes latérales sur la culture actuelle et d’inoculer suffisamment la prochaine culture de légumineuses. Le New Mexico State University Extension Guide A-130, Inoculation of Legumes (http://aces.nmsu.edu/pubs/_a/A130/welcome.html), décrit quand et comment inoculer les légumineuses.

Littérature citée

Aranjuelo, I., J.J. Irigoyen, S. Nogués, et M. Sánchez-Díaz. 2009. Effet du CO2 élevé et de la disponibilité de l’eau sur les échanges gazeux et le développement des nodules chez les plantes de luzerne fixatrices de N2. Botanique environnementale et expérimentale, 65, 18×26.

Burton, J.C. 1972. Nodulation et fixation symbiotique de l’azote. Dans C.H. Hanson (Ed.), Science et technologie de la luzerne (Monographie 15 ; pp. 229-246). Madison, WI : American Society of Agronomy.

Cash, D., B. Melton, J. Gregory, et L. Cihacek. 1981. Inoculants de rhizobium pour la luzerne au Nouveau-Mexique . Las Cruces : New Mexico State University Agricultural Experiment Station.

Delwiche, C.C., et J. Wijler. 1956. Fixation non symbiotique de l’azote dans le sol. Plant and Soil, 7, 113-129.

Frankow-Lindberg, B.E., et A.S. Dahlin. 2013. Fixation de N2, transfert de N et rendement dans les communautés de prairies comprenant une espèce de légumineuse ou de non-légumineuse à racines profondes. Plant and Soil, 370, 567-581.

Guldan, S.J., C.A. Martin, J. Cueto-Wong, et R.L. Steiner. 1996. Interseeding légumineuses dans le chile : Legume productivity and effect on chile yield. HortScience, 31, 1126-1128.

Lamb, J.F.S., D.K. Barnes, M.P. Russelle, C.P. Vance, G.H. Heichel, et K.I. Henjum. 1995. Ineffectively and effectively nodulated alfalfas demonstrate biological nitrogen fixation continues with high nitrogen fertilization. Crop Science, 35, 153-157.

Layzell, D.B., R.M. Rainbird, C.A. Atkins, et J.S. Pate. 1979. Économie de l’utilisation du photosynthate dans les nodules de légumineuses fixatrices d’azote. Plant Physiology, 64, 888-891.

Russelle, M.P., J.F.S. Lamb, N.B. Turyk, B.H. Shaw, et B. Pearson. 2007. Gestion des sols contaminés par l’azote. Agronomy Journal, 99, 738-746.

Sørensen, J., et A. Sessitsch. 2007. Les bactéries associées aux plantes – Mode de vie et interactions moléculaires.
In J.D. van Elsas, J.K. Jansson, et J.T. Trevors (Eds.), Modern Soil Microbiology, 2nd ed. (pp. 211-236). Boca Raton, FL : CRC Press, Taylor and Francis Group.

Unkovich, M.J., J. Baldock, et M.B. Peoples. 2010. Prospects and problems of simple linear models for estimating symbiotic N2 fixation by crop and pasture legumes. Plant and Soil, 329, 75-89.

Walley, F.L., G.O. Tomm, A. Matus, A.E. Slinkard, et C. van Kessel. 1996. Allocation et cycle de l’azote dans un sward de luzerne-bromegrass. Agronomy Journal, 88, 834-843.

Warembourg, F.R., D. Montange, et R. Bardin. 1982. L’utilisation simultanée des techniques de marquage du CO2 et du N2 pour étudier l’économie du carbone et de l’azote des légumineuses cultivées en conditions naturelles. Physiologia Plantarum, 56, 46-55.

Pour en savoir plus sur ce sujet, voir les publications suivantes :

CR-645 : Production d’arachides du Nouveau-Mexique
http://aces.nmsu.edu/pubs/_circulars/cr-645/welcome.html

A-130 : Inoculation des légumineuses
http://aces.nmsu.edu/pubs/_a/A130/welcome.html

A-148 : Comprendre la santé des sols pour l’agriculture de production au Nouveau-Mexique
http://aces.nmsu.edu/pubs/_a/A148/welcome.html

A-150 : Principes de la culture de couverture pour les systèmes agricoles arides et semi-arides
http://aces.nmsu.edu/pubs/_a/A150/welcome.html

Toutes les publications sur l’agronomie:
http://aces.nmsu.edu/pubs/_a/

Auteurs originaux : W.C. Lindemann, microbiologiste du sol ; et C.R. Glover, agronome de vulgarisation.