Les pertes de récoltes dans le monde sont en grande partie causées par des maladies transmises par le sol. La productivité mondiale des cultures est affectée par les maladies causées par les agents pathogènes des plantes, entraînant des pertes de rendement de 20 à 40 pour cent dans diverses cultures de céréales et de légumineuses chaque année.
Au cours de la campagne agricole 2016-17, 57, 000 tonnes métriques de pesticides synthétiques ont été utilisées en Inde pour se protéger contre les agents pathogènes des plantes et les insectes nuisibles. Cependant, les biopesticides ne représentaient que 6 340 tonnes métriques.
Semblable à résistance aux herbicides contre les mauvaises herbes , de nombreux organismes résistants aux pesticides sont apparus en raison de l'utilisation continue de pesticides dans l'agriculture moderne et de la présence de résidus de pesticides dans les légumes, céréales, et les céréales présentent également de grands dangers pour la santé humaine.
les pesticides utilisés pour lutter contre les maladies des plantes affectent l'insecte naturel bénéfique, fertilité du sol et microbiote du sol défavorablesKhatoon et al., 2020
Plus loin, pesticides chimiques et les engrais utilisés de manière non réglementée et indiscriminée provoquent une pollution des sols, l'eau, et aérien, ainsi qu'un déclin de la faune et de la microflore du sol. Pour lutter contre les maladies transmises par le sol dans le monde, de grosses sommes d'argent sont dépensées en pesticides de synthèse. En raison des effets néfastes des produits chimiques de synthèse sur l'environnement, des approches alternatives de lutte contre les maladies des plantes sont de plus en plus explorées.
l'acidité du sol due à ces produits chimiques puissants est également altérée
Slepetiene et al., 2020
*À lire absolument :Types de sols
Les activités anthropiques sont susceptibles de causer des dommages écologiques et de nuire à la santé des sols, en fin de compte épuiser les actifs non renouvelables. Il est donc essentiel d'adopter différentes voies respectueuses de l'environnement. Dans les circonstances présentes, l'agriculture durable est essentielle car elle offre la capacité de répondre non seulement à nos besoins actuels mais aussi d'assurer un avenir sain, quelque chose qui ne peut pas être réalisé par les pratiques agraires conventionnelles néfastesSantoyo et al., 2017
Afin de réduire l'utilisation de pesticides pour la production agricole, les micro-organismes bénéfiques de la rhizosphère peuvent être exploités pour des solutions d'agriculture durable. En comparaison avec les pesticides chimiques/synthétisés traditionnels, les biopesticides offrent plusieurs avantages, y compris 100 % de biodégradabilité et de solubilité dans l'eau.
Les produits biochimiques et les micro-organismes d'origine végétale sont donc une alternative plus sûre pour lutter contre les maladies des plantes en agriculture.
Qu'est-ce que le PGPR ?
Les rhizobactéries favorisant la croissance des plantes libres (PGPR) colonisent les racines et le sol des plantes environnantes, favoriser leur croissance, développement, et la santé.
Un PGPR peut aussi être classé comme agent de biocontrôle, un biofertilisant, ou un biopesticide, en fonction de ses activités/capacités.
Les rhizobactéries favorisant la croissance des plantes (PGPR) sont des acteurs essentiels de l'agricultureEtesami et Maheshwari, 2018
*À lire absolument :Guide des biofertilisants
Le PGPR exerce ses effets bénéfiques grâce à sa capacité à contrôler ou à empêcher la propagation d'organismes nuisibles qui ont un impact négatif sur la santé et la croissance des plantes.
Il contribue au bien-être des cultures en fixant l'azote, phosphate solubilisant, réduire les métaux lourds, produisant des phytohormones (comme l'auxine, gibbérellines, cytokinines, etc.), minéraliser la matière organique du sol, résidus de culture en décomposition, suppression des phytopathogènes, etc. He et al., 2019
Le biocontrôle des agents pathogènes est effectué par PGPR de l'une des manières suivantes :
1. Certaines bactéries peuvent coloniser une niche végétale plus rapidement et plus efficacement que les agents pathogènes pathogènes. Cela entraîne à son tour une faible disponibilité des nutriments pour les organismes nuisibles, car les bactéries bénéfiques sont en compétition pour les nutriments.
2. Par ailleurs, certaines bactéries produisent des antibiotiques. Ces anticorps sont des composés organiques qui sont mortels pour les organismes pathogènes à de faibles concentrations.
3. Dernièrement, la bactérie induit un mécanisme de résistance chez les plantes appelé Résistance systémique induite (IRS) . Cela déclenche la production de métabolites de défense augmentant la capacité défensive de la plante.
Avantages du PGPR
Il y a certains avantages à utiliser le PGPR comme agent de contrôle biologique par rapport aux composés chimiques de contrôle.
Les PGPR sont bénéfiques, micro-organismes naturels. Ils sont également non toxiques et sûrs à utiliser. Par ailleurs, d'un point de vue écologique, ils sont durables (à long terme).
Par ailleurs, Les PGPR possèdent une gamme diversifiée de modes d'action, y compris l'antibiose, sidérophores, enzymes qui dégradent les parois cellulaires, bio-tensioactifs, et volatiles, ainsi que la résistance systémique des plantes.
PGPR contre les stress abiotiques et biotiques des plantes
Il existe différents types de stress sur la plante. Ces contraintes peuvent être classées en deux grandes catégories : Stress abiotique et biotique.
STRESS ABIOTIQUE
Le stress abiotique peut être dicté par toute condition environnementale défavorable qui affecte la diversité des microbes et modifie également les propriétés physico-chimiques du sol.
Dans le cadre du stress abiotique, il existe de nombreuses conditions qui ont des impacts négatifs sur le microbiome de la plante et les écologies environnantes, comme la toxicité des métaux lourds, salinité, la sécheresse, et les inondations.
Métaux lourds
Lorsque des métaux nocifs comme le mercure, amiante, cadmium, et des agrégats de plomb dans le sol, ils causent un stress aux plantes et réduisent considérablement la productivité des cultures. En plus d'avoir un impact négatif sur le pH et la texture du sol, l'agrégation des métaux affecte directement quelques processus biologiques dans le sol, nuire à la croissance des cultures.
La présence de métaux dans la rhizosphère retarde la croissance des plantes en interférant avec l'absorption des nutriments.
Bien que le PGPR augmente la croissance et la productivité des plantes, il régule également les contaminants métalliques du sol par divers mécanismes et améliore les propriétés du sol.
Le problème peut être résolu en inoculant PGPR avec une résistance métallique. Les plantes peuvent être efficacement protégées du stress abiotique par PGPR par l'induction de Tolérance systémique (IST).
UNE sidérophores est un métabolite microbien qui forme des complexes de métaux traces. Ce sont des composés de faible poids moléculaire qui ont de bonnes affinités pour le fer. Les microbes les produisent lorsque le fer est déficient dans le sol. Le stress métallique est efficacement résisté par les sidérophores produits par les microbes.
Biosurfactants qui sont des composites amphiphiles se trouvent principalement à la surface des microorganismes. Ils améliorent la tolérance aux métaux traces et aident à éliminer les métaux du sol.
Acides organiques avec de faibles poids moléculaires comme l'acide oxalique et acides citriques sont produits par PGPR. Ces acides organiques réduisent le stress métallique en agriculture. PGPR produit acides inorganiques qui pourrait empêcher le stress du métal par précipitation.
Substances polymériques extracellulaires (EPS) sont des polymères microbiens homo- ou hétéro-polysaccharides de poids moléculaire élevé. Les bactéries rhizosphériques libèrent des polysaccharides extracellulaires tels que les lipopolysaccharides, polysaccharides, peptides solubles, et la glycoprotéine et créent une zone de restriction des anions qui aide à l'élimination ou à la détoxification des métaux lourds par biosorption.
Le tableau suivant présente la bioremédiation PGPR des métaux lourds dans le sol :
PGPR
Plante
Métaux)
Condition de culture
Rôle du PGPR
Les références
Brevundimonas Diminuta, Alcaligenes faecalis
Scripus Mucronatus
Mercure
Serre
• Augmentation de la phytoremédiation • Diminution de la toxicité du sol
Mishra et al., 2016
Bacille, Staphylocoque, Aérocoque
Prosopis juliflora, Lolium mltiforum
Chrome Cadmium, Le cuivre, Mener et zinc
État de la serre
• Améliorer l'efficacité de Phytoremédiation • Tolère une concentration élevée. de • Chrome.
Wani et Khan, 2012
Rhizobium sp., Microbactérie sp.
Pisum sativum
Chrome (VI)
Conditions de serre
• Améliorer la concentration de l'azote dans les plantes • Diminution de la toxicité du chrome
Mishra et al., 2016
Bacille mégaterium
Brassica napus
Mener
Dans des conditions de terrain
• Diminution de la pollution des sols • Rendement total en matière sèche des plantes
Reichman, 2014
Bradyrhizobium japonicum CB1809
Helianthus annuus et Triticuma estivum
Arsenic
Études de pot
• Excès de biomasse végétale • Croissance dans des conditions de haute concentration d'arsenic
Yavar et al., 2014
Mesorhizobium huakuii subsp. rengei B3
Tomate Astragale sinicus
Cadmium
Hydroponique
• Expression du gène PCSAt capacité accrue des cellules à se lier Cd2
Sriprang et al., 2003
Bacillus subtilis SJ-101
Brassica juncea
Nickel
Expériences en pot dans la croissance chambre
• Facilite l'accumulation de Nickel.
Zaidi et al., 2006
Azotobacter chroococcum HKN-5, Bacillus mégaterium HKP-1, B. mucilaginosus HKK-1
Brassica juncea
Mener, zinc
Des expériences en pot dans serre
• Croissance des plantes stimulée • Plante protégée de la toxicité des métaux
Wu et al., 2006
Salinité
Il est préjudiciable à l'agro-économie d'avoir des conditions de salinité. En raison de l'utilisation agrochimique à long terme, les sels s'accumulent dans le sol au fil du temps, ce qui entraîne des problèmes de salinité.
Sous stress salin, espèces réactives de l'oxygène (ROS) comprenant O-2, O2, et H2O2 endommager la cellule, qui est connu sous le nom de stress oxydatif. Un PGPR capable de produire à la fois des composants enzymatiques et non enzymatiques aide la plante à survivre au stress salin. En gérant le niveau de H2O2, un système antioxydant enzymatique et non enzymatique neutralise cette toxicité. Les niveaux de ROS sont régulièrement contrôlés par des enzymes comme la catalase et l'ascorbate peroxydase et des composants non enzymatiques comme l'ascorbate.
PGPR produit ACC (1-aminocyclopropane-1-carboxylate) désaminase, qui protège les plantes de contrainte d'éthylène.
Sécheresse
La sécheresse est un facteur majeur qui entrave la productivité agricole dans le monde. La résistance à la sécheresse fait référence à la capacité d'une plante à persister et à endurer pendant une sécheresse.
En modifiant l'architecture racinaire causée par les bactéries, la surface totale des racines augmente , résultant en une meilleure absorption des nutriments et de l'eau, ce qui facilite la croissance globale. La bactérie augmente le nombre de radicelles avec un diamètre plus petit avec une profondeur plus grande, augmentant ainsi la surface totale du système racinaire.
Avec une inoculation réussie des souches PGPR, la productivité des cultures peut être améliorée par maintenir une croissance des pousses proche de la moyenne pendant le stress hydrique. Comme il diminue la surface foliaire accessible et la perte d'eau par évaporation est réduite .
L'état hydrique de la plante peut être déterminé en mesurant la teneur en eau relative (RWC) . Les plantes traitées au PGPR avaient une meilleure gestion des RWC que les plantes non traitées au PGPR. Le PGPR peut réguler la fermeture des stomates d'une plante dans les zones sèches et entraîner une meilleure RWC d'une plante.
Chez les plantes, La modification osmotique est une stratégie d'adaptation majeure pour faire face au stress hydrique. Chez les plantes soumises à un stress hydrique, la proline est un osmolyte important. Les plantes avec des niveaux de proline plus élevés sont plus résistantes à la sécheresse. Les niveaux de proline peuvent être augmentés par l'inoculation de PGPR.
La croissance et le développement des plantes sont facilités par des régulateurs de croissance chimiques et des phytohormones comme cytokinines, acide abscissique, gibbérellines, auxines, acides jasmoniques (JA) et éthylène . Le PGPR favorise le développement des plantes stressées par la sécheresse en régulant les phytohormones et les régulateurs de croissance.
Inondation
Lors d'une inondation, l'échange de gaz dans le système racinaire réduit> cela se traduit par l'accumulation d'éthylène. L'éthylène est responsable de la régulation des caractéristiques de tolérance aux inondations des plantes. Des niveaux élevés d'ACC entraînent une baisse des niveaux d'oxygène dans le système racinaire lors d'une inondation.
La forte concentration d'ACC accumulée dans les racines est réduite par l'ACC désaminase, ce qui permet à l'ACC de se diffuser hors des racines. Ce mécanisme réduit les niveaux d'éthylène pendant et après l'inondation.
STRESS BIOTIQUE
Chez les plantes, le stress biotique est causé par les organismes vivants, comme les bactéries, virus, champignons, insectes, et les nématodes. Ces organismes interfèrent avec les nutriments de l'hôte, entraînant la mort de la plante. Le stress biotique contribue à la fois aux pertes avant et après la récolte.
Bien que peu de microbes participent au contrôle biologique des agents pathogènes, pourtant PGPR est connu pour créer une protection contre de nombreuses maladies suivant divers mécanismes, notamment la bactériocine, antibiose, production de composés organiques volatils (COV), et lyse par l'enzyme extracellulaireHamid et al., 2021
Bactériocine
Des toxines bactériennes contre les bactéries alias Bactériocines sont des sécrétions peptidiques à activité antimicrobienne limitée. Les bactériocines sont produites à la fois par des bactéries Gram-négatives (par exemple, colicine ) et les bactéries Gram-positives (par exemple, nisine ). Dans des conditions de laboratoire, les bactériocines se sont avérées bénéfiques dans la lutte contre la maladie des taches bactériennes de la tomate.
Antibiose
En raison de leurs propriétés antimicrobiennes, insecticide, antiviral, phytotoxique, cytotoxique, et propriétés antihelminthiques, Les antibiotiques PGPR sont plus puissants que les autres. Une large gamme de substances antifongiques sont produites par Pseudomonas, dont 2, 4 diacétylphloroglucinol (2, 4-DAPG), butyrolactones, rhamnolipides, N-butylbenzène sulfonamide.
Production de COV
Il existe de nombreux Composés Organiques Volatils (COV) sécrétés par le PGPR qui sont des spécialistes de la lutte biologique contre certains nématodes et micro-organismes. Les COV comprennent le benzène, cyclohexane, tétradécane, et 2-(benzyloxy)-1-éthanamine. Le HCN est l'un des COV (libérés par les microbes rhizosphériques) capable de contrôler certains phytopathogènes.
Lyse par enzyme extracellulaire
Le PGPR produit des composés lytiques qui permettent aux plantes de lutter contre les microbes pathogènes. Les rhizobactéries produisent des enzymes extracellulaires (chitinase et β-1, 3-glucanase) qui sont liés à la lyse de la paroi cellulaire. Chitinase et -1, Les 3-glucanases sont des composés antifongiques puissants sur les cellules fongiques dont les parois sont constituées de chitine et de -1, 4-N-acétyl-glucosamine.
Relation symbiotique du PGPR et des plantes
Une interaction métabolique entre les plantes et les microbes est proposée pour impliquer des acides aminés, sucres, acides organiques, et d'autres sources de carbone fournies par les plantes.
Les associations métaboliques entre plantes et rhizomicrobes peuvent être explorées dans cette niche.
Les métabolites biologiques des micro-organismes rhizosphériques sont essentiels au succès écologique. Selon leurs modèles d'absorption de substrat, les rhizomicrobes de cet habitat jouent un rôle écologique important.
De nombreuses souches de rhizobactéries fonctionnent de manière à excréter un nouveau métabolite qui ne se trouve pas dans le système racinaire natif. Par conséquent complimentant le système racinaire.
En ajoutant de grandes quantités de sucre, les microbes du sol prolifèrent rapidement, donnant l'impression que le carbone dans le sol est dans une capacité limitée dans le sol. Ainsi, il est attribué que les plantes contiennent des niveaux suffisants de carbone qui se diffusent vers l'extérieur par de multiples voies métaboliques.
Bien que les plantes fixent le carbone principalement par la respiration, les dépôts rhizosphériques libèrent également du carbone.
Les rhizobactéries produisent des métabolites pour les plantes, mais les rhizodépôts dans les plantes produisent une gamme de métabolites qui offrent d'énormes possibilités à la fois d'attirer et d'inhiber des souches bactériennes spécifiques.
Les rhizomicrobes fournissent de l'azote, phosphore, et le fer aux plantes sous des formes utilisables qui sont essentielles pour la croissance des plantes.
Les rhizomicrobes produisent des phytohormones telles que l'ACC désaminase, cytokinine, et l'acide indole-3-acétique qui sont essentiels à la croissance et au développement des plantes.
Critères de sélection du PGPR
Pour le développement d'une formulation PGPR réussie, les espèces therhizobactériennes doivent posséder les caractéristiques suivantes Jeyarajan et Nakkeeran, 2000
Améliorer la croissance des plantes
La multiplication à grande échelle devrait être possible
Doit posséder une compétence rhizosphérique élevée
Démontrer une capacité saprophyte compétitive élevée
Démontrer un plus large éventail d'activités
Compatibilité écologique avec d'autres rhizobactéries
Résilient aux conditions de stress abiotique (thermique, radiation, dessiccation et agents oxydants)
Devrait être respectueux de l'environnement
PGPR comme biofertilisant
Les biofertilisants sont des formulations vivantes de microbes bénéfiques qui aident à rendre les nutriments disponibles pour les plantes. Par son activité biologique, il améliore la santé du sol et donc la microflore du sol.
Le PGPR est-il un biofertilisant ? Oui. PGPR est un engrais biologique .
Les PGPM sont le composant principal de ce biofertilisant. Le PGPM peut être classé en trois grands groupes, à savoir, les organismes mycorhiziens à arbuscules (CMA), développement des plantes faisant progresser les rhizobactéries (PGPR), et les rhizobiums fixateurs d'azote.
Le PGPR a été utilisé dans le monde entier comme biofertilisant, augmenter les rendements et la qualité du sol. Avec PGPR susceptible d'être engagé, cela pourrait conduire à un développement durable secteur agroalimentaire .
Ces biofertilisants sont disponibles sous forme solide et liquide, les formulations liquides se sont avérées plus efficaces. Inoculation des racines, inoculation des semences, et l'inoculation du sol sont les trois principaux types de formulations liquides.
Lors de l'application du biofertilisant Burkholderia phytofirmans sur la racine de ray-grass, la graine, et le sol, la méthode d'inoculation du sol était la plus efficace pour améliorer la production de biomasse végétale, phytoremédiation et dégradation des hydrocarbures Afzal et al., 2013
Contraintes du PGPR
Les PGPR ont une propriété de variation naturelle qui limite leur utilisation. Dans des conditions de terrain (par opposition aux conditions de laboratoire contrôlées), il est difficile de prédire comment un organisme se comportera.
En outre, Les PGPR sont des micro-organismes vivants, donc avoir la capacité de les propager artificiellement sur le terrain est un autre défi.
La production de masse de manière optimisée est également un défi. Par ailleurs, maintenir leur durabilité et l'efficacité de l'activité biologique jusqu'à l'application sur le terrain est également délicat.
Les bactéries PGPR ne sont pas capables de vivre très longtemps dans le sol, et au fil du temps, les cultivateurs devront réinoculer pour maintenir leur population dans le champ.
Exemples de PGPR
Quel est l'exemple de PGPR ?
Voici quelques exemples de PGPR et de leurs rôles dans la rhizosphère :
Représentant espèce
Rôle
Mécanisme(s) impliqué(s)
Usine(s) participante(s)
Les références)
Agrobactérie radiobactérie
Améliore la bioprotection
Antibiotiques
-
Mohanram et Kumar, 2019
Azotobacter chromocoque
Aide à biostimulation
Production de gibbérelline
Des céréales
Zhang et al., 2019
Aide à la bioprotection
Sidérophore
-
Azospirillum brasilense
Biofertilisation
Solubilisation des phosphates
Maïs (Zea mays), Blé (Triticum aestivum L.) et Riz (Oryza sativa)
Lucie et al., 2004
Bacillus cereus
Augmente la bioprotection
Lipopeptides
Haricot (Phaseolus vulgaris)
Ongena et Jacques, 2008 ; Vaikundamoorthy et al., 2018 ; Hashami et al., 2019
Systémique induit et acquis la résistance
Tomate (S. lycopersicum)
Soja (Glycine Max L.)
Bioremédiation
Production d'amylase Remédiation des déchets industriels
- -
Bacillus subtilis
Biofertilisation
Synthèse d'ammoniac
Maïs (Zea mays)
Ouhaibi-Ben Abdeljalil et al., 2016 ; Ait-Kaki et al., 2014 ; Tahir et al., 2017
Aide à la biostimulation
Grâce à la production d'IAA et de cytokinine
Pois chiche (Cicer arietinum) Tomate (S. lycopersicum L.)
Bioprotection
Lipopeptides
-
Production de catalase
Concombre (Cucumis sativus)
Bioremédiation
Dégrader les xénobiotiques et allélochimiques
-
Enterobacter oryzae
Biofertilisation
Fixation de l'azote
Mangart et Confiture (Acacia acuminé)
Dinnage et al., 2019
Frankia casuarinae, F. inefficace, F. irréguliers, et F. saprophytica
Biostimulation
Production de cytokinine
-
Nouioui et al., 2019
Pneumonie à Klebsiella
Aide à la biofertilisation
Fixation de l'azote
Maïs (Zea mays)
Kuan et al., 2016 ; Sharma et al., 2019
Bioprotection
Systémique acquis et induit la résistance
Arachide (Arachis hypogaea)
Mésorhizobium loti
Biofertilisation
Fixation de l'azote
Lotus (Arabidopsis thaliana)
Kaneko et al., 2000
Méthylobactérie exotorquens
Aide à la biostimulation
Production de cytokinine
Arabidose, orge, maïs et soja
Kaneko et al., 2000
Paenibacille xylanexènes
Facilite la bioprotection
Production de chitinase
Blé (Triticum aestivum L.)
Verma et al., 2016
Pseudomonas aeruginosa
Aide à la biofertilisation
Solubilisation des phosphates
Maïs (Zea mays)
Hameeda et al., 2008 ; Ahemad et Khan, 2012 ; Paramanandham et al., 2017 ; Cheng et al., 2019 ; Laurent et al., 2019
