L'impact du manque de phosphore sur la croissance du maïs

L'agriculture fait face à de nouveaux problèmes à cause de la disponibilité limitée des ressources naturelles. Un exemple marquant, c'est le Phosphore (P), un nutriment essentiel pour les plantes, qui provient de ressources finies et qui s'épuisent. Avec la baisse de l'approvisionnement en phosphore, il est de plus en plus reconnu comme un facteur majeur qui pourrait affecter la production alimentaire à l'avenir. L'urgence de régler ce souci est évidente, car les prévisions suggèrent qu'on pourrait atteindre le "pic de phosphore"-le moment où la production de phosphore atteint son maximum et commence ensuite à diminuer-vers le début ou le milieu du 21e siècle.

L'utilisation excessive d'engrais phosphatés est non seulement une préoccupation économique, mais aussi un souci environnemental. Ça contribue à des problèmes comme l'eutrophisation, qui se produit quand les plans d'eau reçoivent trop de nutriments. Cela entraîne une croissance excessive de plantes aquatiques et d'algues, nuisant à la qualité de l'eau pour d'autres organismes et limitant son utilisation pour la consommation, les loisirs et l'industrie. Ce problème est répandu dans divers plans d'eau, y compris les lacs, les rivières et les zones côtières.

Une grande partie du phosphore dans les plans d'eau provient des activités agricoles et urbaines. Les engrais phosphatés se dissolvent rapidement, libérant du phosphore plus vite que les plantes peuvent l'absorber, les rendant très susceptibles à la perte par érosion. Quand les plantes n'utilisent pas le phosphore, il se retrouve piégé dans le sol et devient inutilisable pour d'autres plantes. D'où la nécessité de réduire la fertilisation au phosphore.

En même temps, le changement climatique devrait entraîner des pénuries d'eau dans de nombreuses régions du monde. Avec cette menace de rareté de l'eau, il est essentiel de mieux comprendre comment la disponibilité réduite de phosphore impacte la croissance des plantes, notamment comment cela affecte leur capacité à absorber l'eau par leurs racines.

Le maïs, connu sous le nom de Zea mays, est l'une des cultures les plus importantes dans le monde et est vital pour la nutrition humaine. Le maïs est sensible à la carence en phosphore, et dans environ 30 % des terres où il est cultivé, le phosphore est un facteur limitant. La carence en phosphore entrave le développement des canopées de maïs, entraînant des rendements plus faibles. Des changements dans la structure des plantes se produisent en cas de manque de phosphore.

Quand le phosphore est limité, les plantes montrent souvent une croissance réduite et des tiges plus rigides. L'architecture de leurs racines.Change aussi. Des recherches ont documenté divers changements qui se produisent dans la morphologie des racines, comme un ralentissement de la croissance de la racine principale, des angles plus superficiels dans la croissance des racines, et des variations dans le développement des racines latérales. Certaines études ont rapporté une diminution de la croissance des racines latérales sur le terrain, alors que d'autres ont constaté une augmentation de la ramification latérale chez les plantes ayant moins de racines principales, ce qui conduit souvent à un rapport plus élevé entre la biomasse racinaire et la biomasse aérienne. De plus, avoir plus de racines de couronne peut être bénéfique quand le phosphore est rare.

La taille des racines diminue quand les niveaux de phosphore dans le sol chutent. Cependant, le lien entre le phosphore disponible dans le sol et ces réponses des plantes n'a pas encore été clairement défini. En conditions de champ, de nombreuses réponses de plantes sont mesurées à l'aide de métriques larges, rendant difficile la détermination de fonctions de réponse directes. Bien que diverses réponses des plantes aient été rapportées, il reste encore des incertitudes quant aux facteurs spécifiques qui impactent les traits globaux du système racinaire, comme le volume total des racines ou la capacité des plantes à absorber l'eau.

La capacité du système racinaire à absorber l'eau dépend fortement de son architecture et de sa structure interne. La plasticité racinaire, c'est la capacité des racines des plantes à changer leurs modèles de croissance en fonction de leur environnement. L'anatomie des racines fait référence à leur structure interne. Ensemble, ces éléments déterminent à quel point les racines peuvent efficacement transporter l'eau du sol.

La conductivité hydraulique radiale mesure à quel point les racines peuvent absorber l'eau du sol, tandis que la Conductance hydraulique axiale se réfère à l'efficacité du mouvement de l'eau le long de l'axe principal de la racine. Des changements dans ces propriétés aux niveaux cellulaire et organique peuvent affecter la fonction hydraulique globale des racines, influençant ainsi la capacité d'absorption d'eau de la plante. La variabilité dans ces mesures de conductance peut être significative, en particulier parmi différentes lignées de maïs.

La conductance racinaire peut diminuer à cause de divers facteurs environnementaux comme la sécheresse ou la salinité, ainsi que l'âge du système racinaire. La carence en phosphore a également été identifiée comme un facteur qui peut réduire la conductance racinaire à travers différentes espèces de plantes. Pourtant, la relation directe entre la disponibilité du phosphore et les facteurs clés régissant la conductance du système racinaire reste peu explorée, notamment pour le maïs.

Les modèles fonctionnels-structuraux de plantes (FSPMs) peuvent être utiles pour étudier comment les plantes réagissent aux conditions nutritionnelles changeantes. Ces modèles aident à établir des liens entre des interactions à plus petite échelle, comme le mouvement de l'eau à travers les segments racinaires, et les effets à plus grande échelle sur la croissance globale de la plante et son absorption d'eau. Les FSPMs simulent le développement des plantes en intégrant des fonctions physiologiques avec des représentations structurelles détaillées des parties de la plante. Dans le contexte de la carence en phosphore, ces modèles ont été utilisés pour comprendre comment l'architecture racinaire change chez le maïs, y compris des facteurs comme l'espacement des racines.

Bien qu'il soit établi que la carence en phosphore affecte l'adaptation des racines et des tiges, l'établissement de lien direct avec des niveaux sub-organismes est complexe sans des études plus détaillées examinant comment l'architecture change au fil du temps et de l'espace. Les recherches précédentes se sont souvent concentrées sur des mesures temporelles ou spatiales larges ou se sont focalisées étroitement sur des parties spécifiques des plantes. De plus, les réponses potentielles à la carence en phosphore peuvent se produire tôt dans les étapes de croissance de la plante, mais les études passées ont largement examiné des plantes plus âgées.

Cette étude vise à clarifier quels éléments structurels des plantes de maïs réagissent à la baisse des niveaux de phosphore et comment ces changements impactent les capacités des plantes à absorber l'eau. Les objectifs sont doubles : identifier expérimentalement quels paramètres structurels des organes de maïs sont les plus affectés par la disponibilité du phosphore dans le sol et utiliser les FSPMs pour analyser comment la conductance du système racinaire chez le maïs s'adapte à des niveaux de phosphore variés.

#Réponses des Plantes de Maïs aux Niveaux de Phosphore dans le Sol

Les effets de la carence en phosphore sur les jeunes Systèmes racinaires sont complexes. Nos observations montrent un changement dans de nombreux traits différents du système racinaire, mais les tendances les plus notables concernent la taille des racines axiales et le taux de croissance des racines de couronne. Les tailles des racines axiales augmentent significativement avec la quantité de phosphore appliquée. En revanche, le taux de croissance initial des feuilles a montré une réponse significative à la disponibilité du phosphore uniquement au niveau le plus élevé de phosphore. Par conséquent, la surface foliaire maximale a également montré une tendance à la hausse avec l'augmentation de l'apport en phosphore.

Bien qu'une certaine augmentation ait été notée dans la longueur et le diamètre de la tige avec la montée de l'apport en phosphore, les différences entre les niveaux de phosphore n'étaient pas statistiquement significatives. Les relations entre la biomasse racinaire et aérienne ont montré une tendance à la baisse avec une plus grande disponibilité de phosphore.

Pour analyser les paramètres de réponse significatifs à la carence en phosphore, nous avons utilisé une analyse en composantes principales (ACP). Cette analyse a mis en évidence des clusters distincts pour chaque niveau de traitement de phosphore, suggérant un fort effet de regroupement qui reflète les traitements de phosphore appliqués. De plus, l'ACP a démontré que les tailles des largeurs des racines axiales correspondent étroitement au contenu en phosphore du sol, tandis que l'élongation des racines de couronne est particulièrement liée au rapport phosphore/biomasse.

Les résultats suggèrent que la largeur des racines axiales et le taux de croissance des racines de couronne sont des indicateurs clés de la manière dont les plantes adaptent leurs systèmes racinaires en réponse à la disponibilité de phosphore. Le taux d'élongation des feuilles est un autre paramètre important représentant la réponse de la partie aérienne aux niveaux de phosphore.

La relation entre les racines axiales et le phosphore disponible dans le sol est linéaire. Le taux de croissance des racines de couronne est également une réponse influencée par le rapport phosphore/biomasse. Nos données indiquent que la surface foliaire était mieux maintenue chez les plantes recevant un apport en phosphore plus élevé, tandis qu'une forte réduction a été observée aux deux niveaux de phosphore les plus bas.

Pour tous les niveaux de phosphore testés, un ensemble de paramètres complet a été créé à l'aide d'un outil de modélisation appelé CPlantBox. Cela impliquait des variations de plusieurs paramètres liés aux structures racinaires et aériennes, ainsi qu'à leur dynamique de croissance. Les simulations se concentraient sur la manière dont les changements dans la structure racinaire dus à la disponibilité du phosphore pourraient influencer la croissance globale de la plante.

#Hydraulique et Conductance du Système Racinaire

En utilisant le FSPM développé, nous avons calculé la conductance du système racinaire. Les résultats ont montré un lien direct entre les niveaux de phosphore dans le sol et la conductance racinaire. Les systèmes racinaires des plantes souffrant d'une légère à une sévère carence en phosphore ont montré une conductance inférieure à ceux avec des apports en phosphore plus élevés. Après environ quatre semaines de croissance, la conductance racinaire moyenne variait significativement selon les niveaux de phosphore. Les différences ont commencé à se manifester entre une semaine et dix jours après la plantation.

Notre étude met en avant deux points principaux : d'abord, nous avons réalisé une analyse large des plantes de maïs cultivées sous diverses conditions de phosphore pour identifier quelles caractéristiques architecturales montrent les réponses les plus fortes. Ensuite, nous avons paramétré les FSPMs en utilisant les données recueillies pour comprendre comment la conductance du système racinaire du maïs s'adapte à différents niveaux de phosphore.

L'analyse a révélé que les niveaux de phosphore influençaient significativement la taille des racines axiales et la croissance des racines de couronne. La croissance des feuilles a également réagi aux carences en phosphore, indiquant que la croissance précoce des feuilles pourrait être limitée à cause d'un phosphore insuffisant, entraînant des effets néfastes sur la santé globale de la plante et son absorption d'eau.

La complexité de la manière dont la limitation en phosphore affecte l'architecture des racines est notoire, surtout puisque différents génotypes de maïs peuvent réagir différemment à la disponibilité de phosphore. Le B73, connu pour son inefficacité dans l'utilisation du phosphore, est un excellent modèle pour explorer ces réponses.

La littérature précédente a établi que la carence en phosphore peut faire en sorte que les racines poussent plus superficiellement et favorise la ramification latérale. Cependant, notre étude visait à clarifier comment des traits spécifiques de l'architecture du système racinaire changent dans des conditions agricoles réelles.

Bien que des changements significatifs dans les systèmes racinaires se produisent à cause de la carence en phosphore, les connexions entre ces changements et la performance globale de la plante restent difficiles à observer lorsqu'on considère des parties spécifiques isolément. Une vue holistique, où toutes les parties de la plante sont évaluées ensemble, est bénéfique pour comprendre ces interactions complexes.

Nos résultats indiquent une relation linéaire significative entre le phosphore disponible dans le sol et la taille des racines axiales. De plus, le nombre de racines de couronne a tendance à être avantageux dans des conditions de limitation de phosphore. La littérature présente des perspectives variées sur la manière dont ces traits influencent la croissance des racines, et nos résultats soulignent que la taille des racines axiales répond de manière cohérente à la disponibilité du phosphore.

Bien que nous reconnaissions que la littérature présente des points de vue divergents sur le nombre de racines, notre étude suggère que l'élongation des racines de couronne chez les jeunes plants de maïs est une réponse critique à la carence en phosphore qui montre une corrélation négative avec la disponibilité déclinante de phosphore.

#Résumé des Résultats et Perspectives Futures

Cette recherche a démontré que l'architecture racinaire du maïs change quand les niveaux de phosphore dans le sol sont faibles. Plus précisément, nous avons trouvé que le volume racinaire augmente avec la hausse du phosphore dans le sol, tandis que la taille des racines axiales et la croissance des racines de couronne sont des paramètres critiques dans la manière dont les plantes répondent aux limitations en phosphore. Les taux de croissance des feuilles ont affiché des tendances similaires, montrant l'importance du phosphore pour le développement global des plantes.

Nous avons généré des modèles pour illustrer que la capacité potentielle d'absorption d'eau varie principalement entre les plantes complètement fertilisées et celles souffrant de carences en phosphore, plutôt qu'entre les plantes ayant des carences légères et sévères. Ainsi, l'anatomie des racines et leur architecture sont vitales pour saisir comment le système racinaire fonctionne sous diverses conditions de phosphore.

Bien que le volume du système racinaire augmente linéairement avec la disponibilité du phosphore, la capacité d'absorption d'eau ne suit pas la même tendance, soulignant que l'organisation du système racinaire est plus critique que la taille brute. Pour garantir que ces résultats puissent être largement appliqués, il est essentiel de les valider dans des conditions de champ à travers différentes variétés de maïs.

Les recherches futures devraient explorer les impacts de la carence en phosphore sur les plantes plus âgées et examiner comment les propriétés hydrauliques locales des racines changent dans ces conditions. Rassembler des informations sur les concentrations de phosphore dans diverses parties des plantes sous différents niveaux de disponibilité de phosphore améliorerait également nos conclusions.

Il est vital de reconnaître que, bien que le phosphore soit un point clé, les interactions avec d'autres nutriments jouent également un rôle significatif dans la croissance et le développement des plantes. Les effets des conditions environnementales variées sur les réponses au stress phosphorique restent à explorer entièrement. Les études futures devraient inclure une gamme de diversité génétique au sein du maïs pour obtenir des éclaircissements sur la manière dont les différentes variétés réagissent à la carence en phosphore.