Par : Luigi Lucini, Université catholique de Piacenza, Italie - courriel : luigi.lucini@unicatt.it
Bien que de nombreuses publications confirment les avantages liés à l'utilisation des biostimulants, les mécanismes moléculaires qui sous-tendent ces effets positifs sont encore mal élucidés. Néanmoins, la compréhension du mode d'action par lequel les biostimulants exercent leur activité peut fournir des indications utiles pour mieux définir la ou les cibles en termes de cultures, d'allégations, de pratiques agricoles et de calendrier d'application. De plus, la récente réglementation adoptée par l'UE suggère l'opportunité de comprendre les processus de culture affectés par le biostimulant afin de soutenir les allégations souhaitées au niveau réglementaire.
Partant de ce principe, nous pouvons souligner que répondre à la demande susmentionnée constitue un défi crucial. Cela est dû, principalement, à deux raisons : (i) la complexité des processus biochimiques des plantes, dont certains ne sont pas encore totalement élucidés ; (ii) la variabilité de la réponse génotypique, plutôt que de cultivar à cultivar, et le rôle central de modélisation exercé par l'environnement et les pratiques agronomiques.
Ancrées dans le sol, les plantes ont dû développer une grande diversité de processus biochimiques pour répondre aux stress abiotiques et biotiques ; les biostimulants végétaux ciblent/modulent souvent ces processus. Plusieurs approches peuvent être utilisées pour faire la lumière sur les variations biochimiques imposées par des facteurs externes tels que l'utilisation de biostimulants sur les cultures. Parmi elles, les approches non ciblées sont à recommander car elles ne nécessitent pas d'hypothèses a priori, se prêtant ainsi à des scénarios complexes. Les sciences omiques (par exemple, la génomique, la transcriptomique, la protéomique et la métabolomique) se rapportent au profil des gènes, des transcriptions, des protéines et des métabolites dans un système biologique et relèvent des approches non ciblées. Parmi les différentes omiques, la métabolomique est la plus proche du génotype et a été efficacement proposée pour étudier le mode d'action des biostimulants végétaux. En effet, la modulation de l'expression des gènes s'accompagne d'une modification post-traductionnelle des protéines, qui se traduit finalement par le profil actuel des métabolites. Les progrès récents en matière d'équipement analytique, comme la spectrométrie de masse à haute résolution, la disponibilité des bases de données et la gestion des données (y compris l'analyse statistique multivariée et les outils bioinformatiques pour l'interprétation des données) ont stimulé l'adoption de la métabolomique dans les sciences agricoles. En conséquence, des différences dans les signatures métabolomiques ont été proposées pour identifier les processus végétaux affectés par des facteurs externes tels que les stress abiotiques (salinité, sécheresse, inondation, températures élevées, etc.), les interactions plantes-microbes et plantes-pathogènes, et les biostimulants (Fig. 1).
Figure 1. La métabolomique non ciblée est l'analyse complète de tous les métabolites mesurables dans un échantillon, y compris les inconnus chimiques, et la métabolomique ciblée, la mesure de groupes définis de métabolites chimiquement caractérisés et biochimiquement annotés.
Il convient de noter les progrès récents en matière de statistiques multivariées, où les approches de modélisation supervisée (par exemple, l'analyse discriminante des moindres carrés partiels ou les projections orthogonales vers les structures latentes, l'analyse discriminante, les algorithmes de forêt aléatoire) ont intégré des statistiques non supervisées (comme l'analyse en grappes, les grappes k-means, l'analyse en composantes principales) permettant un traitement approprié des données et donc une identification plus robuste des réponses métabolomiques différentielles (Fig. 2). Cette évolution, associée à la disponibilité d'outils d'interprétation des données tels que l'enrichissement chimique, l'ontologie ou l'analyse des voies, a efficacement stimulé l'application de la métabolomique dans le domaine de l'agriculture, y compris les biostimulants végétaux (Fig. 3).
Figure 2. Analyse de regroupement hiérarchique non supervisée réalisée à partir de profils métabolomiques après application d'hydrolysats de protéines sélectionnés (figure supérieure). Graphique de score de la modélisation supervisée de l'analyse discriminante par projection orthogonale aux structures latentes (OPLS-DA) effectuée sur des profils métabolomiques après application d'hydrolysats de protéines sélectionnés, où la variation entre les groupes a été séparée en composantes prédictives et orthogonales (figure du bas).
Figure 3. Processus de biosynthèse impliqués dans les boutures de tomates à l'application foliaire d'hydrolysats de protéines d'origine végétale et à l'application sur la tige d'acide indole-butyrique (IBA) en utilisant une immersion rapide basale dans une solution concentrée d'IBA. L'axe des abscisses représente chaque ensemble de sous-catégories tandis que l'axe des ordonnées correspond à la variation en plis cumulée par rapport au témoin non traité.
Par exemple, la métabolomique a permis d'identifier l'augmentation de la tolérance à la salinité imposée par un hydrolysat de protéines d'origine végétale dans la laitue ; l'enquête a mis en évidence l'atténuation du stress oxydatif, l'accumulation d'osmolytes et la modulation des stérols et des terpènes comme mécanismes spécifiques de l'augmentation de la tolérance à la salinité observée (Lucini et al., 2015).
De même, un biostimulant d'origine végétale à base de biopolymère a modulé positivement le profil métabolique des racines du melon, après son application. Les brassinostéroïdes ont pu être identifiés comme des composés pivots déclenchés par le biostimulant, provoquant un déséquilibre hormonal (impliquant l'acide abscissique, les cytokinines et les composés liés à la gibbérelline) également dans les pousses (Lucini et al., 2018).
Si l'on prend des exemples de biostimulants microbiens, les différences dans les empreintes métabolomiques ont permis d'identifier la meilleure tolérance à la sécheresse exercée par la mycorhize à arbuscules (AMF) dans le blé (Bernardo et al., 2019). Notamment, cette étude a signalé une interaction claire entre les AMF et le cultivar. Bien que les avantages de la colonisation par les arbuscules dans des conditions de limitation de l'eau aient été plus évidents dans le blé panifiable, les sucres et les lipides ont été modulés positivement par la colonisation par les AMF. Il est intéressant de noter que la modulation des métabolites liés au stress oxydatif et un réglage fin de l'interaction des phytohormones ont également été mis en évidence, la stimulation de la biosynthèse des brassinostéroïdes dans les racines étant particulièrement évidente. Dans un autre travail, nous avons ajouté des indices supplémentaires sur la réponse complexe des cultures à la colonisation des racines, en étudiant les différents modèles d'exsudation des racines de blé imposés par la mycorhize à arbuscules et Trichoderma atroviride (Lucini et al., 2019). Cette étude a mis en évidence que la plupart des différences pouvaient être attribuées aux composés phénoliques et aux lipides, aux phytosidérophores et aux acides chélateurs, aux dérivés d'acides aminés et aux hormones. Indépendamment de la réponse spécifique, la métabolomique a souligné que l'interaction entre les champignons bénéfiques et les racines du blé produisait une réponse complexe en termes d'exsudation racinaire, la plus grande partie étant totalement inexplorée et impliquant peut-être une autre cascade de processus.
Comme on peut le constater à partir de ces quelques exemples, une grande diversité de mécanismes sous-tend le mode d'action des biostimulants végétaux, le réglage du réseau de communication croisée des phytohormones étant un processus pivot commun (in)direct. Pour élucider efficacement ces processus, il pourrait être utile de combiner la métabolomique avec d'autres tests, comme les mesures physiologiques (échange gazeux, fluorescence chlorophyllienne, etc.), l'activité enzymatique et les marqueurs de stress oxydatif comme le malondialdéhyde (un marqueur de peroxydation lipidique). Cependant, des résultats très prometteurs sont obtenus lorsque la métabolomique est combinée à la phénomique. En effet, les nouvelles approches de phénotypage des plantes à haut débit peuvent être utilisées soit pour un criblage préliminaire, soit pour compléter les résultats de la métabolomique, corroborant ainsi les postulations produites par les métabolites différentiels. Par exemple, une étude récente sur des tomates traitées avec un hydrolysat de protéines d'origine végétale, combinant le phénotypage et la métabolomique, a confirmé les effets d'atténuation de la sécheresse, en identifiant que les plantes traitées présentaient une meilleure tolérance au déséquilibre des espèces réactives de l'oxygène, résultant probablement d'une action coordonnée des piégeurs de radicaux, des composés de signalisation (acide salicylique et amides hydroxycinnamiques), ainsi que d'une biosynthèse réduite des coproporphyrines tétrapyrroliques (Paul et al., 2019a). La même approche (phénotypage végétal à haut débit combiné à la métabolomique) a été utilisée avec succès pour cribler plusieurs hydrolysats de protéines d'origine végétale pour l'activité biostimulante chez la tomate (Paul et al., 2019b).
En conclusion, bien que la métabolomique soit le "nouveau-né" parmi les autres omiques, son potentiel pour démêler les processus biochimiques impliqués dans la réponse des plantes à différents stimuli émerge clairement. Dans le domaine des biostimulants végétaux, cette option pourrait représenter un outil précieux pour décrire les mécanismes complexes liés à la définition de leur(s) mode(s) d'action.
Pour plus d'informations, nous vous invitons à demander l'accès aux articles de recherche suivants :
Bernardo L., Carletti P., Badeck F.W., Rizza F., Morcia C., Ghizzoni R., Rouphael Y., Colla G., Terzi V., Lucini L. (2019). Les réponses métabolomiques déclenchées par la mycorhize à arbuscules améliorent la tolérance au stress hydrique chez les cultivars de blé. Plant Physiology and Biochemistry, 137, 203-212. https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2019.02.007
Lucini L., Rouphael Y., Cardarelli M., Canaguier R., Kumar P., Colla G. (2015). L'effet d'un biostimulant d'origine végétale sur le profilage métabolique et la performance des cultures de laitue cultivée en conditions salines. Scientia Horticulturae, 182, 124-133. https://doi.org/10.1016/j.scienta.2014.11.022
Lucini L., Rouphael Y., Cardarelli M., Bonini P., Baffi C., Colla G. (2018). Un biostimulant à base de biopolymère végétal a favorisé la croissance des racines du melon tout en déclenchant des brassinostéroïdes et des composés liés au stress. Frontiers in Plant Science, 9:472. https://doi.org/10.3389/fpls.2018.00472
Lucini L., Colla G., Miras Moreno M.B., Bernardo L., Cardarelli M., Terzi V., Bonini P., Rouphael Y. (2019). L'inoculation de Rhizoglomus irregulare ou de Trichoderma atroviride module différentiellement le profilage des métabolites des exsudats racinaires du blé. Phytochemistry, 157, 158-167. https://doi : 10.1016/j.phytochem.2018.10.033
Paul K., Sorrentino M., Lucini L., Rouphael Y., Cardarelli M., Bonini P., Miras Moreno M.B., Reynaud H., Canaguier R., Trtílek M., Panzarová K., Colla G. (2019a). Une approche phénotypique et métabolomique combinée pour élucider l'action biostimulante d'un hydrolysat de protéines d'origine végétale sur la tomate cultivée sous une disponibilité limitée en eau. Frontières en sciences végétales 10:493. doi : 10.3389/fpls.2019.00493
Paul K., Sorrentino M., Lucini L., Rouphael Y., Cardarelli M., Bonini P., Reynaud H., Canaguier R., Trtílek M., Panzarová K., Colla G. (2019b). Comprendre l'action biostimulante des hydrolysats de protéines d'origine végétale par le phénotypage végétal à haut débit et la métabolomique : une étude de cas sur la tomate. Frontiers in Plant Science. 10:47. doi : 10.3389/fpls.2019.00047