Synthèse d’un article de Vaish et al. publié en mars 2024 dans le Journal of Genetic Engineering and Biotechnology, Volume 22, Issue 1. https://doi.org/10.1016/j.jgeb.2023.100345
Titre original : Meta-analysis of biodynamic (BD) preparations reveal the bacterial population involved in improving soil health, crop yield and quality.
Résumé
Contexte : Les populations bactériennes présentes dans les préparations biodynamiques (BD500-BD507) peuvent contribuer à améliorer la santé du sol, le développement des plantes, le rendement et la qualité. Le présent travail décrit une étude métagénomique de ces préparations afin d’identifier les communautés bactériennes ainsi que la diversité des fonctions qui leur sont associées.
Résultats : Le séquençage du métagénome a été réalisé à l’aide de la plateforme Illumina MiSeq, qui utilise la technologie de séquençage de nouvelle génération (NGS), afin de comprendre les communautés bactériennes et leur diversité fonctionnelle dans les préparations biodynamiques (BD). Les données NGS des préparations BD ont révélé qu’un maximum d’unités taxonomiques opérationnelles (OTU) du phylum Proteobacteria était présent dans le BD506 (23429), suivi par le BD505 (22712) et BD501 (21591), respectivement. De plus, les phylum (16657) et les genres (16657) non classifiés sont également les plus nombreux dans le BD506. La diversité alpha maximale a été rapportée dans le BD501 (1095 OTU) et minimale dans le BD507 (257 OTU). En outre, les OTUs de cinq groupes fonctionnels métaboliques majeurs, à savoir le métabolisme des glucides, la dégradation des xénobiotiques, les fonctions de transport membranaire, le métabolisme énergétique et les activités enzymatiques, étaient abondantes dans les BD506 et BD501.
Conclusion : Les populations bactériennes des préparations BD506 et BD501 sont uniques et rares ; elles appartiennent à des catégories fonctionnelles impliquées dans l’activité enzymatique, le transport membranaire, la dégradation des xénobiotiques et le métabolisme des hydrates de carbone. On peut donc penser que ces préparations sont plus efficaces. L’enquête a également révélé une population bactérienne très variée, ce qui pourrait expliquer pourquoi les préparations BD fonctionnent bien sur le terrain. Dans ces conditions, les préparations BD peuvent être utilisées pour des communautés bactériennes inexploitées en vue d’une production agricole durable.
[Les références ont été retirées du texte suivant et sont disponibles dans l’article original]
Contexte
Les pratiques agricoles modernes nécessitent l’utilisation intensive d’engrais chimiques (CF) pour augmenter la production agricole, mais ces méthodes sont coûteuses et créent plusieurs problèmes importants liés à la santé et à l’environnement. Dans ces conditions, les effets résiduels des produits chimiques sur les fruits et légumes frais consommés quotidiennement suscitent des inquiétudes. L’utilisation de produits chimiques dans les secteurs de l’agriculture, qu’il s’agisse d’engrais ou de pesticides (PS), peut nuire à la santé des sols en réduisant la diversité microbienne, en acidifiant les sols, en épuisant les minéraux et en provoquant par la suite une pollution des sols et de l’eau.
Dans le monde entier, on observe un regain d’attention pour les pratiques agricoles écologiques et durables, qui permettent d’améliorer la qualité des récoltes et la santé des sols. Les stratégies de gestion naturelle/biologique des nutriments, qui comprennent l’agriculture biologique et d’autres systèmes agricoles alternatifs proches de la nature, tels que la permaculture, le Rishi Krishi, le Panchgavya, l’agriculture écologique naturelle, l’agriculture naturelle à budget zéro (ZBNF) et l’agriculture biodynamique, sont considérées comme des alternatives potentielles à l’agriculture conventionnelle.
La permaculture est un type de système agricole qui utilise directement les modèles et les caractéristiques des écosystèmes naturels. Le Rishi Krishi est une méthode d’agriculture naturelle créée par des agriculteurs des États indiens du Madhya Pradesh et du Maharashtra. La préparation et la procédure de cette approche peuvent être consultées sur le site www.rishikrishi.co.in. Le Panchgavya est un mélange de cinq composants d’origine bovine : lait caillé, bouse, ghee (beurre clarifié), lait et urine . Les ingrédients susmentionnés sont soigneusement mélangés dans un rapport de 2:1:1:2:3, puis fermentés pendant sept jours, en les remuant fréquemment. L’agriculture Naturéco, également connue sous le nom d’agriculture basée sur la nature, travaille en synchronisation avec le monde naturel, en minimisant la dépendance à l’égard des intrants extérieurs et en appliquant la science aux ressources trouvées dans l’environnement de la ferme afin de maximiser les avantages sans mettre en danger l’écologie. L’agriculture naturelle à budget zéro (ZBNF) est une approche agricole qui repose sur la croissance naturelle des cultures sans utilisation de pesticides, d’engrais ou d’autres substances externes. Le terme « budget zéro » décrit le coût net nul de la production, qui comprend les cultures intercalaires, les cultures de bordure et les cultures multiples. La ZBNF comporte quatre éléments clés : Bijamrit (traitement des semences), Jiwamrit (culture microbienne), Achhadana (paillage) et Whapasa (aération du sol). L’agriculture biodynamique (BD) est un système agricole centré sur la réduction de l’utilisation de produits chimiques excessifs dans l’agriculture, ainsi que sur la restauration de la santé des sols.
L’agriculture BD est l’une des plus anciennes modalités de l’agriculture biologique. Elle permet d’améliorer la fertilité des sols et, par conséquent, la croissance et le rendement des plantes grâce à l’application de préparations BD. Bien que les préparations BD n’apportent pas elles-mêmes d’éléments nutritifs significatifs, elles stimulent les cycles des éléments nutritifs, accélèrent la décomposition et améliorent la qualité du sol et des cultures, même en appliquant seulement quelques grammes par tonne de matière organique. Il existe huit préparations BD, à savoir BD500, BD501, BD502, BD503, BD504, BD505, BD506 et BD507, qui sont préparées à l’aide d’un processus de fermentation et qui possèdent des caractéristiques uniques. La BD500 est utilisé en pulvérisation (25 g/acre dans 13 L d’eau) pour rétablir la santé du sol et améliorer la germination des graines et le développement des racines. La BD501 est pulvérisée pour améliorer l’immunité des plantes, la qualité des graines et des fruits ainsi que le processus de photosynthèse. Les BD502 et BD507 sont utilisés pour la préparation du compost BD. Le BD502 a une teneur élevée en potassium (K) et en soufre (S). Afin de fournir aux plantes une alimentation optimale, la BD502 aide les plantes à absorber les oligo-éléments en quantités extrêmement diluées. BD503 a une forte concentration en S et en calcium (Ca). BD503 stimule la croissance des plantes en améliorant la santé du sol et en stabilisant l’azote (N) dans le compost. Le BD504 contient une quantité considérable de S, K, Ca et de fer (Fe). De ce fait, la BD504 joue un rôle direct ou indirect dans la croissance et le développement des plantes. La BD505 est riche en Ca et aide à protéger les plantes contre diverses maladies. Le BD506 facilite l’absorption du silicium (Si) et du potassium (K) du sol. La BD507 contribue à augmenter la disponibilité du phosphore dans la plante.
La diversité et la richesse bactériennes du sol peuvent avoir une influence positive sur la croissance, le rendement et la qualité des plantes, ainsi que sur la santé du sol. Les indices de diversité alpha sont largement utilisés pour caractériser les communautés microbiennes dans tout écosystème. Ils comportent deux composantes, à savoir la richesse en espèces et les indices de répartition. La quantité d’espèces distinctes présentes dans une zone donnée est mesurée par la richesse des espèces. Les estimateurs non paramétriques basés sur l’abondance, à savoir Chaos1 et ACE, sont généralement utilisés pour calculer la richesse en espèces. La répartition homogène, quant à elle, est une mesure de l’abondance relative des différentes espèces qui composent une communauté. Les indices de diversité de Shannon-Weaver et de Simpson donnent généralement une meilleure idée de la composition, c’est-à-dire de la diversité, de la rareté et de l’homogénéité (caractère commun) de la communauté.
De nombreuses études ont examiné les avantages potentiels des préparations BD pour améliorer le microbiote du sol, les propriétés du sol, le rendement et la qualité d’une série de plantes cultivées, y compris les arbres fruitiers pérennes. Il est désormais largement établi que seul < 1 % des bactéries sont cultivables (en laboratoire), tandis que les autres ne le sont pas. Auparavant, les chercheurs n’avaient étudié que le microbiote cultivable présent dans les préparations BD, ce qui ne reflétait pas la diversité et la fonction microbiennes réelles présentes dans les préparations BD. En outre, une étude préliminaire menée dans notre laboratoire a également mis en évidence la présence de bactéries cultivables dans les préparations BD. Néanmoins, il n’y a pas eu assez de recherches pour déterminer les compositions microbiennes et leur fonction dans l’amélioration de la santé des cultures et des sols.
Auparavant, de nombreuses techniques moléculaires (PCR-SSCP31, PLFA32 et DGGE33) avaient été mises au point pour l’exploration des communautés microbiennes dans divers habitats. Depuis le développement des technologies de séquençage de nouvelle génération (NGS), la métagénomique a été utilisée comme une méthode appropriée pour comprendre la diversité microbienne et les relations fonctionnelles dans n’importe quel échantillon environnemental, sans nécessiter de culture. Parmi ses avantages par rapport aux méthodes de substitution, citons le faible coût et le haut débit. Cette technique est le plus souvent utilisée pour étudier la variété des communautés microbiennes dans divers habitats, les interactions entre micro-organismes et l’adaptation des communautés à la modification des habitats.
Les informations sur les mécanismes qui sous-tendent l’efficacité des préparations BD sont insuffisantes. Il existe aujourd’hui une abondante littérature sur l’utilisation des techniques de séquençage à haut débit pour étudier les micro-organismes du sol, mais aucune sur l’étude des préparations de BD. À la lumière de ce qui précède, une approche métagénomique a été suivie pour étudier la diversité bactérienne et la structure de la communauté dans diverses préparations BD. Dans tout écosystème, les bactéries sont l’un des principaux composants biotiques (sous la forme de décomposeurs), leur nombre et leur diversité sont toujours plus élevés que ceux des autres microflores. Elles décomposent les composés organiques et inorganiques vivants/non-vivants complexes et de grande taille en composés plus petits et plus simples, à savoir les nitrates, les phosphates, le dioxyde de carbone, l’eau, les acides aminés, les sucres simples, les sels minéraux, etc. et les mettent facilement à la disposition des plantes. En outre, les différents genres de bactéries interagissent de manière synergique avec les plantes (producteurs) et améliorent leur croissance directement en produisant des indoles (IAA, IBA), en solubilisant le phosphore et d’autres minéraux, en fixant l’azote environnemental dans le sol, etc. ou indirectement en protégeant les plantes contre les agents pathogènes.
Résultats
Discussion
Les substrats organiques sont généralement riches en microbes bénéfiques. Cependant, le potentiel des différents substrats organiques pour conserver la richesse et la diversité microbienne est différent. Certains permettent de maintenir la population de microbes au-delà du seuil limite pendant une durée plus longue, probablement en fournissant un environnement nutritionnel favorable. En outre, un substrat organique efficace peut favoriser la croissance des plantes, les rendements et la santé du sol en augmentant la richesse et la diversité microbiennes dans le sol. De même que d’autres substrats organiques, les préparations BD se sont également avérées améliorer la croissance des plantes en améliorant la diversité microbienne du sol ainsi que la qualité du sol. Récemment, Jayachandran et ses collaborateurs ont étudié les caractéristiques physico-chimiques des préparations biodynamiques à base de plantes (BD 502 à 507) et ont constaté qu’elles étaient riches en N, K, C organique et différents autres micro et macro nutriments en plus d’une forte densité microbienne. De plus, l’application de préparations BD sur le blé a été signalée comme améliorant la production d’épillets, le rapport entre les graines et les épillets et le rendement en grains dans des conditions de stress. Leur étude a également montré que les cultures de blé et de maïs cultivées de manière biodynamique ont une meilleure croissance des racines, une meilleure santé et un rendement plus élevé dans un environnement stressant, en plus d’une augmentation du carbone organique et d’une amélioration de la santé du sol. En outre, les préparations biodynamiques appliquées au compost ont enrichi la teneur en nitrates du compost et amélioré les paramètres microbiens. Dans une autre expérience d’agriculture biologique menée par Rodas-Gaitan et ses collaborateurs à l’université de Bonn à Hennef, en Allemagne, il a été constaté que les applications de compost BD améliorent les propriétés du sol et le taux d’azote de la communauté microbienne. À la lumière de ce qui précède, la présente expérience a été menée pour explorer la diversité et la richesse des bactéries dans différentes préparations BD en vue de leur utilisation optimale.
Les protéobactéries présentes dans les échantillons agricoles sont impliquées dans la fixation de l’azote et améliorent par conséquent la croissance des plantes. Dans notre étude, nous avons constaté que l’abondance relative des protéobactéries était plus élevée que celle des autres phylums. Notre étude est en accord avec les résultats de Joel et al., qui ont constaté que l’abondance relative des protéobactéries était plus élevée dans les échantillons agricoles que dans les échantillons non agricoles. Dans une autre étude, Mhete et al. ont constaté que l’abondance et la diversité des protéobactéries étaient maximales dans différents échantillons de sol, y compris le sol de jardin, le sol salin et le sol affecté par les boues. Ils ont également décrit l’existence d’autres groupes de phylum, à savoir les bactéroïdètes, les actinobactéries, les firmicutes et les chloroflexi, dans les échantillons de sol susmentionnés ; toutefois, leur abondance et leur diversité étaient comparativement moindres et variaient d’un échantillon à l’autre. Huhe et al. ont signalé que les bactéries appartenant à différentes classes du phylum des protéobactéries ont été trouvées en abondance à différents stades du processus de compostage. Dans notre étude, un résultat comparable a été observé dans les préparations BD. George et al. ont permis, grâce à l’utilisation de marqueurs associés à l’ADN ribosomique 16S (ADNr), d’identifier la subdivision bêta de la famille des protéobactéries qui oxyde l’ammoniaque dans une série de matériaux de compostage. Cette constatation confirme que l’abondance des protéobactéries dans les préparations BD les rend plus favorables à la croissance des plantes.
L’abondance du phylum des bactéroïdètes dans diverses préparations de BD n’est pas surprenante car l’abondance des bactéroïdes dans le microbiome des plantes, y compris la phyllosphère, l’endosphère et la rhizosphère, est beaucoup plus élevée que dans les sols environnants. Les bactéroïdètes sont le phylum le plus dominant, représentant 5 à 65 % des micro-organismes liés aux cultures et ayant un impact important sur la santé des plantes. En outre, les bactéroïdètes sont également couramment présents dans la microflore de l’intestin des animaux. Girija et al. ont signalé l’abondance maximale de bactéries appartenant au phylum Bacteroidetes (38,3 %), suivies par les Firmicutes (29,8 %), les Proteobacteria (21,3 %) et les verrucomicrobia (2 %) dans la bouse de vache. L’abondance de ce phylum a été signalée dans plusieurs écosystèmes différents en tant que dégradateurs de la matière organique polymérique. Son abondance dans les systèmes agricoles est comparativement plus élevée que dans le même sol dans des conditions non perturbées.
Dans toutes les préparations BD, la plupart des bactéries cultivables appartiennent au genre Bacillus, ce qui confirme l’existence des Firmicutes. Bacillus est une rhizobactérie universelle qui colonise les racines et qui stimule leur croissance. Elle joue un rôle clé en conférant aux plantes une tolérance contre les stress abiotiques et biotiques en induisant une résistance systémique (ISR), la production de lipopeptides et la formation de biofilms. En outre, ces bactéries amélioreraient la croissance des plantes et la santé des sols et joueraient également d’autres rôles bénéfiques tels que la dépollution des métaux, l’amélioration du processus de séquestration du carbone, la facilitation de l’absorption du phosphore, l’action en tant que puissant agent dénitrifiant dans les agroécosystèmes, etc. Le plus grand nombre de bactéries appartenant au genre non classifié indique que ces bactéries sont nouvelles ou qu’il n’existe pas de données de séquence les concernant dans les bases de données accessibles au grand public.
L’analyse fonctionnelle des données métagénomiques est une méthode utile pour révéler la nature fonctionnelle de tout consortium microbien en identifiant les OTU en fonction de leurs rôles métaboliques. Montella et ses collaborateurs ont pris en compte l’abondance des gènes codant pour des enzymes actives sur les glucides, qui sont impliquées dans la dégradation, la modification ou la formation de liaisons glycosidiques au cours de la méta-analyse des biomasses lignocellulosiques. Les préparations BD 502–507 sont utilisées pour fabriquer le compost BD qui stabilise la disponibilité des macro et micronutriments pour les plantes. Les préparations BD n’offrent pas beaucoup d’éléments nutritifs, mais elles accélèrent la décomposition, améliorent la qualité du sol et augmentent les récoltes, même si l’on n’utilise que quelques grammes par tonne de compost. La cellulose, les lignines et les hémicelluloses présentes dans les hydrates de carbone sont transformées en humus à l’aide des préparations BD. Ces activités de dégradation sont supposées être causées par les OTU associées aux fonctions métaboliques liées au métabolisme énergétique, au métabolisme des hydrates de carbone et aux familles d’enzymes. Les gènes impliqués dans le transport membranaire sont cruciaux dans les processus d’absorption et d’échange des nutriments, ainsi que dans la préservation de l’équilibre minéral du sol. L’affirmation selon laquelle les préparations BD aident à préserver les concentrations notables de Ca, N, K, S, Fe, magnésium (Mg), silice, phosphore (P) et autres oligo-éléments dans le sol est étayée par la disponibilité des OTU pour le transfert membranaire. L’écosystème du sol est gravement endommagé par la persistance des composés xénobiotiques, qui sont des substances fabriquées par l’homme et stables à moyen et long terme dans le sol. Le processus le plus important pour la décomposition des produits chimiques xénobiotiques dans le sol est largement considéré comme étant le métabolisme microbien. Il a été possible d’identifier certains micro-organismes dégradant les xénobiotiques qui pourraient contribuer à la dégradation des substances xénobiotiques.
Les préparations BD contiennent des bactéries potentiellement utiles pour la bioremédiation, ce qui s’explique par la présence d’OTU ayant une fonction de dégradation des xénobiotiques. En outre, dans notre étude précédente, nous avons observé que les bactéries cultivables présentes dans les préparations de BD avaient des attributs de croissance végétale, à savoir la production d’acide indole acétique (IAA), d’ammoniaque et d’acide cyanhydrique. Veeresh et al. ont également recensé les espèces bactériennes ayant un potentiel de solubilisation du phosphate. Stearn a observé une augmentation de la croissance des racines et des pousses dans les semis de maïs et de soja en raison des niveaux plus élevés de cytokinines présents dans les préparations BD à base de corne. D’autres études menées par Fritz et Koepke et Giannattasio et al. ont mis en évidence l’impact des préparations BD sur les gibbérellines et les auxines. L’influence des préparations BD sur la croissance et le rendement des cultures, ainsi que sur la matière organique du sol, par la promotion de la production et de la santé des racines, est un facteur de liaison crucial qui peut expliquer plusieurs résultats. L’amélioration de la croissance des racines en réponse à l’application de préparations BD a été liée à une augmentation de la matière organique et de l’activité biologique du sol, ainsi qu’à une augmentation de la matière organique des particules.