Ces objectifs sont conformes aux politiques de nombreux pays, comme la stratégie "De la ferme à la table" de l'UE, qui vise à réduire l'utilisation d'intrants chimiques et à répondre à la demande des consommateurs pour des aliments plus sûrs et de meilleure qualité. La nécessité de réduire l'utilisation d'intrants agrochimiques dans les systèmes de culture, ainsi que la nécessité de préserver la fertilité des sols et d'augmenter la productivité des cultures, exigent une meilleure exploitation des ressources naturelles et une utilisation plus efficace des engrais et autres intrants. Les biostimulants peuvent contribuer à la réalisation de ces objectifs avec des niveaux d'efficacité variables en fonction des effets interactifs entre le produit biostimulant, le génotype et l'environnement. Par conséquent, le choix correct du produit biostimulant, de la dose, du moment et de la méthode d'application doit tenir compte de l'objectif à atteindre, des pratiques culturales utilisées et des conditions pédo-climatiques dans lesquelles se déroule le cycle de la culture. Les avantages agronomiques et environnementaux qui peuvent être obtenus grâce à l'utilisation de biostimulants doivent se traduire par des résultats économiques positifs pour l'agriculteur afin de justifier l'utilisation de biostimulants.

Identification des facteurs environnementaux limitant la productivité des cultures

La connaissance des facteurs limitant la productivité de la culture sur le site de culture constitue le point de départ de l'identification des avantages potentiels de l'application de biostimulants. L'identification des facteurs limitant la productivité des cultures doit être effectuée dans la phase de planification du cycle de culture par une analyse approfondie des conditions pédo-climatiques du site, l'utilisation de séries historiques de données météorologiques et l'analyse du sol. Ces informations sont utiles pour identifier les facteurs limitant la productivité des cultures au niveau du sol (par exemple, la salinité) et du climat (par exemple, une température inférieure ou supérieure à la température optimale), et pour établir des stratégies de gestion visant à atténuer le stress des cultures par l'application de biostimulants. Toutefois, cette évaluation initiale des facteurs limitant les cultures comporte de nombreuses marges d'erreur pour les facteurs climatiques, et il est donc nécessaire de procéder à une évaluation plus précise des conditions climatiques au cours du cycle de culture grâce à des prévisions météorologiques en temps réel et à des stations météorologiques in situ. Les modèles de prévision météorologique sont particulièrement utiles pour prévoir les conditions de stress et pour planifier l'application de biostimulants avant l'événement de stress afin d'activer les mécanismes de défense de la plante contre le stress. Le suivi des caractéristiques morpho-physiologiques des cultures à l'aide de techniques de télédétection peut être utile pour mettre en évidence un état de stress sur la culture, en particulier lorsque l'intensité du stress est telle qu'elle n'entraîne pas de symptômes visibles, et pour évaluer la récupération des plantes après le stress. Enfin, il convient de noter que les cultures en plein champ sont souvent soumises à des stress multiples causés par plusieurs facteurs environnementaux qui peuvent agir simultanément ou consécutivement, amplifiant les effets négatifs des facteurs de stress sur les cultures. Par exemple, dans les climats chauds et arides, les stress multiples causés par une température supra-optimale et la sécheresse ou par la salinité et la sécheresse dans les cultures non irriguées sont très courants.

Fig. 1. Plate-forme de phénotypage à haut débit d'Arcadia s.r.l., entreprise spin-off approuvée par l'université de Tuscia, à la ferme expérimentale de l'université de Tuscia, Viterbo, Italie(www.arcadia.expert).

Comment choisir le biostimulant ?

Le choix d'un biostimulant microbien et/ou non microbien pour atteindre un objectif spécifique (par exemple, augmenter la résistance de la culture à un ou plusieurs facteurs de stress environnementaux, améliorer l'efficacité de l'utilisation des éléments nutritifs, améliorer un ou plusieurs traits de qualité de la culture) nécessite une connaissance avérée de l'activité biologique du produit dans des conditions de culture similaires. Ces informations peuvent être disponibles dans des rapports techniques, des bases de données, des articles techniques et scientifiques, ainsi que dans des ouvrages spécifiques présentant les résultats d'essais agronomiques. Les rapports techniques peuvent être fournis directement par les fabricants de biostimulants, tandis que les articles et les chapitres de livres peuvent être trouvés dans des moteurs de recherche en ligne, dont certains sont accessibles gratuitement (par ex. https://scholar.google.com), tandis que d'autres peuvent être consultés moyennant une redevance (par ex. https://www.scopus.com). Les études menées sur les biostimulants sont plus utiles lorsqu'elles prennent en compte non seulement les aspects agronomiques (par exemple, le rendement des cultures), mais qu'elles comprennent également des éléments permettant de comprendre le mode d'action des produits et les effets interactifs avec d'autres biostimulants et intrants chimiques (par exemple, les engrais, les pesticides). Lorsque le biostimulant sélectionné est appliqué en même temps que d'autres biostimulants ou intrants chimiques, il est nécessaire de vérifier que les produits appliqués interagissent de manière synergique ou au moins de manière additive. Par exemple, Rouphael et al. (2017) ont constaté que l'application de deux biostimulants (application racinaire d'un inoculum de champignons mycorhiziens et applications foliaires d'un hydrolysat de protéines d'origine végétale) sur la letta, une variété de plantes, est un bon exemple de l'efficacité des biostimulants.Par exemple, Rouphael et al. (2017) ont constaté que l'application de deux biostimulants (application racinaire d'un inoculum de champignons mycorhiziens et applications foliaires d'un hydrolysat de protéines d'origine végétale) sur des plants de laitue entraînait une interaction synergique avec une augmentation du poids frais des pousses supérieure (+33 %) à la somme des effets causés par l'application d'un seul biostimulant (+16 % avec l'application racinaire d'un inoculum de champignons mycorhiziens ou +7 % avec l'application foliaire d'un hydrolysat de protéines d'origine végétale).

Il est intéressant de noter que des interactions positives ont également été trouvées entre les biostimulants et les pesticides. Par exemple, les effets négatifs des herbicides (phytotoxicité et dépression de croissance) sur les plantes de tournesol ont été réduits lorsque les plantes ont été pulvérisées par voie foliaire avec une combinaison d'hydrolysat de protéines et d'herbicide à base d'imazamox (Balabanova et al., 2016). En ce qui concerne la nutrition minérale, plusieurs travaux scientifiques ont mis en évidence des interactions positives entre les biostimulants et les engrais, qui se traduisent par une amélioration de l'absorption, de la translocation et de l'assimilation des nutriments dans la plante. Par exemple, Colla et al. (2017) ont constaté une augmentation de la concentration de potassium dans les feuilles à la suite de traitements foliaires avec un hydrolysat de protéines d'origine végétale sur des tomates cultivées en serre, tandis que Celletti et al. (2020) ont signalé que le même hydrolysat de protéines d'origine végétale augmentait la concentration de fer dans les feuilles de plants de tomates cultivés en hydroponie.

Les interactions négatives entre les biostimulants sont typiques de certains biostimulants microbiens ; les microorganismes peuvent entrer en compétition les uns avec les autres et exercer des actions d'inhibition réciproques par antibiose et/ou mycoparasitisme. Le champignon saprophyte Trichoderma harzianum, par exemple, est bien connu pour inhiber les champignons mycorhiziens à arbuscules lorsqu'il est appliqué sur les racines (Cardarelli et al., 2016).

Les résultats ci-dessus soulignent l'importance d'une évaluation précise de l'activité des biostimulants en tenant compte des effets ciblés sur les cultures. À cet égard, les plateformes de phénotypage à haut débit dans un environnement contrôlé permettent de reproduire avec précision des conditions spécifiques de stress et/ou de disponibilité des nutriments et de vérifier avec exactitude les effets des produits sur diverses cultures grâce à l'analyse d'images acquises au cours du cycle de culture (figure 1).  

Le choix du biostimulant dépend également des formulations disponibles qui doivent simplifier l'application sur le terrain à l'aide des équipements agricoles courants. C'est pourquoi les fabricants de biostimulants ont mis au point de nombreuses formulations sous forme de poudre, de granulés, de liquides et de comprimés à appliquer sur les semences, le substrat dans les pépinières et le sol dans les champs, par pulvérisation foliaire, système d'irrigation et trempage des racines. De nombreuses formulations d'engrais sont également disponibles sur le marché, contenant des biostimulants et des nutriments minéraux obtenus par mélange des composants ou par des réactions de complexation (par exemple, des biochélates contenant des nutriments cationiques complexés par des peptides). Ces formulations permettent de fournir des nutriments et de biostimuler les plantes en une seule étape, ce qui favorise également les effets synergiques sur la nutrition des plantes entre les composants bioactifs et les éléments nutritifs.

Quand appliquer le biostimulant ?

Le moment de l'application du biostimulant dépend de l'effet recherché, du type de biostimulant, de la culture et des conditions environnementales. Les biostimulants microbiens, tels que ceux basés sur des inocula de champignons mycorhiziens, sont de préférence appliqués une seule fois sur le matériel de propagation ou aux premiers stades du cycle de culture, tandis que les substances biostimulantes sont souvent appliquées de manière répétée selon différentes approches : a) application calendaire ; b) application à des stades phénologiques spécifiques de la culture ; c) application avant, pendant et/ou après des événements météorologiques défavorables. Les applications calendaires de biostimulants sont préférables lorsque la culture est soumise à des conditions sous-optimales pendant la majeure partie du cycle de croissance, comme dans le cas d'un rayonnement et de températures sous-optimaux pendant les cycles de culture automne-hiver-printemps dans des serres non chauffées ou dans le cas de sols salins. Toutefois, cette approche n'est économiquement réalisable que pour les cultures à forte valeur ajoutée telles que les légumes ou les espèces florales et ornementales cultivées sous serre. Pour les cultures à cycle long (par exemple le blé), où la faible rentabilité rend économiquement non viable l'application multiple de substances biostimulantes, il est recommandé de donner la priorité aux applications de biostimulants aux stades critiques de la culture, tels que la germination, la floraison et le grossissement des fruits. Les traitements biostimulants peuvent être limités à des phases phénologiques spécifiques lorsqu'il est nécessaire de favoriser une caractéristique spécifique de la plante, comme l'enracinement avec des applications précoces de biostimulants ou la nouaison et la qualité des fruits avec des applications tardives de biostimulants. Dans le cas d'un stress abiotique occasionnel (par exemple une chute soudaine des températures), il est préférable d'appliquer le biostimulant quelques jours avant le stress afin d'activer les défenses endogènes de la plante. Des études récentes menées par Luziatelli et al (2016) ont également démontré que les applications foliaires de substances biostimulantes sont capables de stimuler les bactéries épiphytes naturelles qui sont capables de promouvoir la croissance de la plante et sa résistance au stress. Après l'épisode de stress, les applications de biostimulants peuvent être utiles pour favoriser une récupération rapide des cultures. Dans les cultures herbacées et légumières, les substances biostimulantes sont souvent appliquées en même temps que les pesticides, ce qui permet de gagner du temps et d'atténuer le stress des pesticides sur les cultures. Toutefois, il convient de noter qu'avant de mélanger différents produits, il est nécessaire de vérifier leur compatibilité et l'absence d'effets phytotoxiques du mélange de produits sur les cultures.

Fig. 2. Ion mobility qTOF dans le laboratoire de lipidomique et de métabolomique d'oloBion S.L., Ion mobility qTOF dans le laboratoire de lipidomique et de métabolomique d'oloBion Tarragona, Spagna (www.olobion.ai) Ion mobility qTOF dans le laboratoire de lipidomique et de métabolomique d'oloBion S.L., Ion mobility qTOF in the laboratory of lipidomics and metabolomics at oloBion.

Évaluation des performances des biostimulants au niveau de l'exploitation

Les performances des biostimulants doivent être évaluées d'un point de vue agronomique, économique et environnemental.

Pour évaluer les avantages agronomiques des biostimulants végétaux dans des conditions de terrain, il est nécessaire de mesurer les caractéristiques les plus intéressantes de la culture (par exemple, la germination, le rendement) dans la culture traitée par le biostimulant et de les comparer aux valeurs obtenues dans la culture non traitée cultivée dans des conditions environnementales similaires. Pour les biostimulants microbiens, les mesures des caractéristiques sélectionnées des cultures doivent toujours être accompagnées d'analyses en laboratoire pour vérifier l'établissement du ou des micro-organisme(s) appliqué(s) (par exemple, analyse de la colonisation des racines pour les champignons mycorhiziens). Des mesures sur le terrain des caractéristiques des cultures peuvent être effectuées pour évaluer rapidement l'activité d'un biostimulant végétal. Par exemple, des instruments portables peuvent permettre d'estimer de manière non destructive la concentration en chlorophylle (par ex. SPAD 502) ainsi que les flavonols et les anthocyanes (par ex. Multi-pigment-meter) des feuilles. La concentration en chlorophylle des feuilles est un bon indicateur de la santé des plantes, tandis que le rapport entre la chlorophylle et les flavonoïdes (appelé indice d'équilibre de l'azote) est utilisé pour évaluer l'état de la nutrition azotée des plantes. Les mesures sur le terrain de la fluorescence chlorophyllienne des feuilles peuvent être effectuées à l'aide d'un fluoromètre portable. Les données de fluorescence chlorophyllienne sont utilisées pour déterminer l'efficacité maximale du photosystème II (Fv/Fm) ; les valeurs Fv/Fm d'une plante en bon état physiologique devraient se situer entre 0,79 et 0,84 en fonction de l'espèce végétale. La concentration en chlorophylle des feuilles est un marqueur de stress plus sensible que le rapport Fv/Fm, qui ne varie que dans des conditions de stress sévère. Pour évaluer l'efficacité d'un biostimulant à atténuer le stress hydrique des cultures, il peut être utile de surveiller le degré d'ouverture des stomates dans les feuilles (conductance stomatique) à l'aide d'un poromètre portable et le potentiel hydrique des feuilles à l'aide d'une chambre à pression. Les effets des biostimulants sur l'absorption des nutriments par les plantes peuvent être contrôlés à l'aide d'instruments portables qui permettent de mesurer sur le terrain les nitrates, le potassium, le calcium ou le sodium sur les pétioles des feuilles ; les valeurs obtenues peuvent être comparées aux données de la littérature ou aux données obtenues à partir de plantes non traitées du même champ. La télédétection peut également être utilisée pour le suivi de la croissance des cultures et la détection rapide du stress des plantes sur de grandes surfaces. Diverses caractéristiques liées à la végétation, y compris les propriétés biochimiques (pigments, teneur en eau, etc.), peuvent être dérivées de l'imagerie spectrale. L'un des indices de végétation les plus populaires dérivés de l'imagerie spectrale est l'indice de végétation par différence normalisée (NDVI), qui peut être utilisé comme indicateur de la santé de la végétation.

Outre les mesures sur le terrain des caractéristiques des cultures, il est utile d'effectuer des analyses en laboratoire de marqueurs de stress spécifiques (par exemple, la concentration de malondialdéhyde comme indicateur de la peroxydation des lipides de la membrane cellulaire ; l'activité des enzymes du système de défense antioxydant) dans les tissus végétaux pour une meilleure évaluation de la réponse de la plante au traitement biostimulant dans des conditions de stress. Une meilleure compréhension de l'activité du biostimulant et des mécanismes d'action connexes au niveau moléculaire peut être obtenue grâce aux analyses métabolomiques, qui permettent de caractériser l'ensemble des métabolites présents dans les tissus végétaux (figure 2). La comparaison entre les métabolites présents dans les tissus végétaux de plantes traitées avec un biostimulant et ceux présents dans les tissus végétaux de plantes non traitées permet d'identifier les voies métaboliques affectées par le traitement biostimulant. Par exemple, Bonini et al. (2020) ont rapporté que l'inoculation avec des champignons mycorhiziens(Rhizoglomus irregularis BEG72 et Funneliformis mosseae BEG234) et Trichoderma koningii TK7 a augmenté de 24% le rendement en fruits du poivron de serre par rapport au contrôle non traité ; L'analyse métabolomique des tissus foliaires a montré que l'augmentation du rendement en fruits médiée par la mycorhize était associée à des changements dans l'équilibre hormonal (auxines, gibbérellines et cytokinines) et dans les métabolites secondaires (caroténoïdes, saponines et phénols).

L'analyse métabolomique des produits comestibles permet également de déterminer si le biostimulant entraîne une amélioration de la qualité nutritionnelle du produit.  

L'analyse économique est essentielle pour évaluer l'intérêt de l'application d'un biostimulant végétal. Les applications de biostimulants peuvent accroître la rentabilité des agriculteurs en augmentant le rendement commercialisable, en améliorant les caractéristiques de qualité du produit, ce qui influe sur son prix de vente, ou en réduisant les coûts de production grâce à des besoins moindres en intrants (par exemple, en engrais). Ces effets peuvent se produire un par un ou même conjointement.

Pour évaluer l'intérêt de l'application d'un biostimulant végétal, il est nécessaire de prendre en compte le coût du biostimulant en termes d'utilisation (achat et distribution) et d'effet (variation du rendement de la récolte et des coûts variables associés). Les données ci-dessus sont utilisées pour calculer la marge brute comme la différence entre la valeur de la production et les coûts des matières premières, des services et de la main-d'œuvre. La différence entre la marge brute avec ou sans application de biostimulant permet d'évaluer l'intérêt économique de l'utilisation de biostimulants végétaux. Coletta (2019) a rapporté plusieurs études de cas où l'application de biostimulants végétaux a entraîné des augmentations significatives des marges brutes, en particulier pour les cultures légumières à haute valeur ajoutée.

L'utilisation de biostimulants dans l'agriculture peut conduire à une réduction de l'impact environnemental du processus de production en réduisant les émissions de gaz à effet de serre, conventionnellement exprimées en équivalent_CO2 (empreinte carbone), ainsi que la consommation d'eau et l'utilisation des terres associées à une quantité donnée de produit. L'amélioration des indicateurs d'impact environnemental associés à l'utilisation de biostimulants peut découler d'une augmentation du rendement commercialisable en utilisant le même niveau d'intrants (par exemple, eau d'irrigation, engrais, énergie), d'une réduction des intrants pour obtenir le même rendement commercialisable ou d'une augmentation simultanée du rendement commercialisable et d'une réduction des intrants. La quantification des avantages environnementaux induits par l'application de biostimulants sur les systèmes de culture peut être obtenue grâce à la méthodologie de l'analyse du cycle de vie (ACV) appliquée à la phase de production primaire "du berceau à la porte". Cette méthodologie a été utilisée par Rajabi et al. (2020) dans deux études de cas sous serre. Dans la première étude de cas, l'application racinaire d'inoculum de champignons mycorhiziens à arbuscules sur la culture de courgettes a réduit les émissions de gaz à effet de serre de 7,6 %, exprimées en équivalent_CO2 par tonne de fruits, par rapport au témoin non traité, tandis que dans la seconde étude de cas, l'application foliaire d'hydrolysat de protéines d'origine végétale sur la culture d'épinards a réduit de manière significative les émissions de gaz à effet de serre de 13,5 % kg d'équivalent_CO2 par tonne de feuilles par rapport au témoin non traité. Ces résultats ont été attribués à l'effet positif des applications biostimulantes sur le rendement des cultures. La réduction des émissions de gaz à effet de serre associée au produit traité par biostimulant peut être utilisée pour des initiatives de marketing vert visant à promouvoir la consommation durable, ce qui confère à l'entreprise un avantage concurrentiel en termes de revenus et de réputation.

Conclusions

Les biostimulants végétaux représentent une bonne opportunité d'augmenter le rendement des cultures, notamment en cas de stress environnemental, d'améliorer la qualité des produits et d'accroître l'efficacité de l'utilisation des ressources. L'utilisation des biostimulants végétaux se développe dans le monde entier et de nouveaux biostimulants apparaissent chaque jour sur le marché. Néanmoins, le choix des biostimulants à appliquer est souvent fait de manière empirique, sans connaissance approfondie des caractéristiques et des performances du produit. Cette approche peut conduire à des résultats variables qui ne sont pas toujours optimaux, entraînant des pertes économiques pour les agriculteurs. Pour maximiser les avantages des applications de biostimulants, il est donc nécessaire d'utiliser une approche technico-scientifique qui comprend la définition des objectifs à poursuivre avec l'application de biostimulants en tenant compte des facteurs limitant potentiellement la productivité de la culture dans le site de culture, l'identification des produits les plus performants sur la base des résultats d'essais agronomiques menés dans des conditions de culture similaires, et la définition de stratégies d'application de biostimulants en tenant compte des caractéristiques du produit et des besoins de la culture. Le suivi des caractéristiques morpho-physiologiques et productives de la culture peut être utile pour vérifier l'activité du biostimulant dans les conditions du terrain, tandis que les analyses de laboratoire peuvent mettre en évidence les effets du biostimulant au niveau moléculaire et sur la qualité nutritionnelle du produit. Enfin, l'évaluation de la commodité d'utilisation d'un biostimulant doit prendre en compte une analyse coûts-avantages associée à l'application du biostimulant et à la quantification de tout avantage découlant de l'utilisation du biostimulant en termes d'atténuation de l'impact environnemental du processus de production.