Les biostimulants : que sont-ils ? Que peut-on en attendre ?

Qu'ils fassent partie de la communauté des micro-organismes telluriques ou qu'ils soient introduits dans les sols, les biostimulants ont des effets qui s'exercent dans la rhizosphère des plantes. Ils sont donc étroitement liés au sol.

Les biostimulants sont caractérisés par leurs effets agronomiques bénéfiques, indépendamment de leur nature qui peut être très diverse, et de leurs modes d'action complexes et, souvent, imparfaitement connus. Ils agissent sur les végétaux mais aussi la rhizosphère.

Qu'est-ce qu'un biostimulant ?

À l'origine, des revendications et un statut flous

Depuis une vingtaine d'années, des produits dits biostimulants de la croissance, du développement ou de la vitalité des plantes sont proposés aux agriculteurs. À la différence des produits de biocontrôle, qui sont des produits phytopharmaceutiques soumis au règlement 1107/2009 concernant la mise sur le marché des produits de protection des plantes, les biostimulants n'étaient pas, jusqu'à un passé récent, définis au niveau européen, ils faisaient l'objet de réglementations différentes selon les pays de l'Union européenne considérés(1).

En France, à la fin du XXe siècle, ces produits biostimulants étaient majoritairement proposés par des sociétés qui ne déposaient pas de dossier auprès de l'administration, de telle sorte que leurs produits biostimulants ne bénéficiaient d'aucune autorisation de mise sur le marché (AMM). Leurs modes d'action n'étaient pas connus et trop souvent la revendication de stimulation de la croissance des plantes n'était pas démontrée. Au cours des quinze dernières années, cette situation s'est nettement améliorée car des industriels se sont regroupés dans des associations (European Biostimulant Industry Council - EBIC, et Académie des biostimulants) visant à organiser la profession et à promouvoir les biostimulants.

Une réglementation et une définition européennes

En France, les biostimulants étaient et sont toujours commercialisés selon la réglementation applicable aux matières fertilisantes et supports de culture qui exclut tout produit revendiquant un effet de lutte contre des bioagresseurs. Depuis le 5 juin 2019, le règlement européen 2019/1009 concernant les « fertilisants » remplace le précédent règlement 2003/2003 et définit clairement les biostimulants de la manière suivante :

« Un biostimulant des végétaux est un produit qui stimule les processus de nutrition des végétaux indépendamment des éléments nutritifs qu'il contient, dans le seul but d'améliorer une ou plusieurs des caractéristiques suivantes des végétaux ou de leur rhizosphère :

1) l'efficacité d'utilisation des éléments nutritifs ;

2) la tolérance aux stress abiotiques ;

3) les caractéristiques qualitatives ;

4) la disponibilité des éléments nutritifs confinés dans le sol ou la rhizosphère.

Ce même règlement 2019/1009 précise les trois catégories de composés qui peuvent entrer dans la composition des produits biostimulants :

1) substances et mélanges à base de matières vierges (pas de déchet, de coproduit, etc.) ;

2) parties de végétaux ou extraits de végétaux non traités ou traités mécaniquement (si extraction, uniquement à l'eau) ;

3) micro-organismes, y compris des micro-organismes morts ou des parois cellulaires vides de micro-organismes, ainsi que des résidus non nocifs du milieu dans lequel ils se sont développés. Ces micro-organismes ne peuvent avoir subi aucun autre traitement qu'une déshydratation ou une lyophilisation. »

Groupes de biostimulants et modes d'action

De très nombreuses substances présentent des propriétés de biostimulation. Toute fonction biologique peut être modulée par application de mélanges complexes de molécules dont le mode d'action n'a pas été défini. L'industrie des biostimulants propose aujourd'hui une grande variété de produits à base de mélanges complexes de protéines, d'acides aminés, d'extraits de plantes ou d'algues incomplètement caractérisés.

Par ailleurs, au début des années 1980, des chercheurs ont démontré que certaines des bactéries colonisant la rhizosphère et/ou le rhizoplan - appartenant, pour la plupart, au groupe des Pseudomonas fluorescents - avaient la capacité à stimuler la croissance de certaines plantes. C'est à cette époque qu'a été forgé le terme PGPR ( Plant Growth Promoting Rhizobacteria). Le mode d'action le plus fréquemment évoqué à cette époque était un déplacement des équilibres microbiens dans la rhizosphère permettant de contrôler les activités néfastes de certains micro-organismes qualifiés de délétères. Plus récemment, il a été montré que ces PGPR contribuent à la mise à disposition de la plante d'éléments nutritifs peu disponibles dans le sol, et à stimuler certains processus physiologiques favorisant la croissance végétale.

Parmi les micro-organismes, il convient de distinguer les micro-organismes symbiotiques, les plus anciennement commercialisés, qui se divisent en deux groupes (les bactéries symbiotiques fixatrices d'azote et les champignons endomycorhizogènes), et les micro-organismes libres (non symbiotiques). Les premiers produits biostimulants à base de micro-organismes libres mettaient en oeuvre des Pseudomonas, Bacillus et Trichoderma, bactéries et champignons connus pour leurs propriétés antagonistes d'agents pathogènes. Les recherches qui leur étaient consacrées visaient à comprendre leur mode d'action antagoniste, ce qui explique, en partie, le manque d'intérêt des chercheurs pour étudier leur capacité à promouvoir la croissance des plantes. Il a fallu attendre les premiers résultats montrant un effet direct de ces organismes sur cette croissance pour stimuler les recherches sur les mécanismes de biostimulation. La réglementation européenne établit une distinction nette entre micro-organismes agents de biocontrôle et micro-organismes biostimulants. Si, depuis la publication du règlement 2019/1009, la définition de ces deux catégories de produits est claire au niveau réglementaire, il n'en est pas de même au niveau des mécanismes d'action. La biologie ne respecte pas les barrières réglementaires et différents mécanismes concourent à la fois aux aptitudes antagonistes et à la stimulation de croissance.

Les biostimulants non microbiens

À base d'extraits de plantes et de protéines

Les biostimulants à base de protéines peuvent être classés en deux catégories principales :

- les hydrolysats de protéines composés d'un mélange de peptides et d'acides aminés d'origine végétale ou animale ;

- les acides aminés tels que le glutamate, la glutamine, la proline ou la glycine bétaïne.

Absorbés par les racines des plantes, ces biostimulants peuvent améliorer l'absorption d'éléments nutritifs majeurs (N, P, K), stimuler le métabolisme du carbone et de l'azote et augmenter l'assimilation de l'azote. Enfin, de nombreux travaux montrent que les hydrolysats de protéines ainsi que certains acides aminés peuvent éliciter les réponses de défense de la plante et contribuer à augmenter sa résistance à divers types de stress induits par la salinité, la sécheresse, la température, etc.

À base d'extraits d'algues

Depuis des décennies, les algues sont utilisées en agriculture, sous forme compostée ou non, pour améliorer la fertilité des sols et la productivité des plantes. Les extraits d'algues sont capables d'améliorer l'utilisation des éléments nutritifs par les plantes, et d'améliorer la structure du sol et son aération, ce qui a pour conséquence de stimuler la croissance des plantes. Ces extraits contiennent une grande diversité de composés minéraux et organiques, incluant un mélange complexe de polysaccharides tels que la laminarine et des alginates, ainsi que des hormones végétales. Les mécanismes d'action sont mal connus, mais les effets bénéfiques sur la croissance des plantes sont démontrés. L'amélioration du volume racinaire est attribuée à la présence de phytohormones telles que : auxines ; cytokinines ; acides abscissique, gibbérellique et salicylique. L'apport d'extraits d'algues peut également être à l'origine d'une augmentation de la diversité microbienne dans la rhizosphère des plantes contribuant à une amélioration de la fertilité biologique du sol.

À base de substances humiques

Les matières humiques résultent de la dégradation, dans les sols, des organismes vivants. Elles constituent une des fractions les plus importantes de l'humus et représentent les molécules organiques les plus abondantes sur terre. Elles s'associent avec les argiles pour former des complexes argilo-humiques. Ces matières organiques contribuent à améliorer la structure des sols, à permettre une meilleure exploration du sol par les racines, favorisant ainsi l'assimilation des éléments nutritifs. La stimulation du développement des racines est le mécanisme le plus souvent évoqué pour expliquer l'effet bénéfique des acides humiques sur le développement des plantes. Les substances humiques peuvent enfin contribuer à améliorer la résistance des plantes à certains stress, en particulier à la sécheresse et à la salinité des sols. Les mécanismes grâce auxquels les acides humiques favorisent la résistance aux stress et stimulent certains processus physiologiques sont complexes, ils dépendent en particulier de l'espèce végétale et du type de sol considérés.

Les micro-organismes symbiotiques

Bactéries fixatrices d'azote

Les légumineuses ont développé une stratégie d'acquisition de l'azote indispensable à leur croissance, en s'associant à des bactéries fixatrices d'azote qui forment sur les racines des nodosités caractéristiques. Ces bactéries utilisent l'énergie et le carbone résultant de la photosynthèse de la plante et fixent l'azote atmosphérique, qui pourra être utilisé par la plante sous forme ammoniacale. La formation des nodosités résulte d'un processus complexe qui est basé sur un dialogue moléculaire entre la plante et la bactérie. L'interaction commence avec la colonisation de jeunes poils absorbants par les bactéries qui reconnaissent des flavonoïdes sécrétés par la plante-hôte. En réponse, les bactéries produisent des facteurs Nod qui permettent l'infection et induisent la formation des nodosités. Ces facteurs Nod déterminent la reconnaissance spécifique entre l'espèce végétale et l'espèce bactérienne. En effet, il existe une spécificité d'espèce : différentes espèces de légumineuses forment des associations symbiotiques avec différentes espèces de Rhizobium.

En France, l'inoculation du soja par une souche de Bradyrhizobium japonicum (photos 1 p. 19 et 2 p. 20) est le premier exemple de l'usage d'un biostimulant microbien. Le soja étant une plante d'origine américaine, le rhizobium du soja n'existait pas dans les sols européens. Il a fallu l'importer pour favoriser la fixation symbiotique de l'azote et éviter de recourir à une fertilisation azotée. Bien que Bradyrhizobium soit capable de survivre dans les sols préalablement inoculés, il est préférable, pour assurer une bonne colonisation des racines, d'inoculer les semences avant chaque nouvelle culture.

Champignons endomycorhizogènes

Les champignons mycorhizogènes, appartenant au groupe des glomales, survivent dans les sols sous forme de spores inactives. Ces spores germent à proximité des racines sous l'effet des exsudats racinaires. Les filaments mycéliens pénètrent dans la racine pour y former des mycorhizes dites à arbuscules (photo 3 p. 20). Les filaments mycéliens se ramifient et s'insinuent entre les cellules de la racine, et forment des arbuscules et des vésicules qui augmentent considérablement la surface d'échange entre les cellules de la plante et celles du champignon. Comme dans le cas de la symbiose légumineuses/rhizobiacées, il existe un dialogue moléculaire entre la plante et le champignon qui fait appel à des molécules appelées Myc, lesquelles sont, comme les facteurs Nod, des lipochito-oligosaccharides. La symbiose qui s'installe est à bénéfice réciproque, la plante transfert au champignon jusqu'à 20 % du sucre produit par la photosynthèse et le champignon apporte un certain nombre d'éléments minéraux, en particulier du phosphore présent dans les sols sous une forme non directement assimilable par la plante. À partir de la racine mycorhizée, le champignon développe dans le sol un dense réseau d'hyphes qui contribue à augmenter considérablement le volume de sol exploré par les racines de la plante.

Outre des éléments minéraux, des ressources hydriques sont aussi mises à la disposition de la plante via ce réseau. C'est pourquoi les champignons mycorhizogènes contribuent à aider la plante à résister à des stress abiotiques, en particulier à la sécheresse.

Les micro-organismes libres

Mise à disposition d'éléments minéraux peu disponibles dans le sol

La fixation d'azote, permettant de mettre à la disposition des plantes l'azote atmosphérique sous forme assimilable, ne concerne pas que les bactéries symbiotiques. Des espèces bactériennes (photos 4 et 5 p. 21), appartenant en particulier aux genres Azospirillum, Azotobacter, Klebsiella ou Burkholderia spp., présentent la capacité à fixer l'azote en dehors d'une symbiose avec la racine de la plante. Bien qu'importante, cette fixation de l'azote dite libre n'est pas l'unique mécanisme d'action de ces micro-organismes. Comme les champignons endomycorhizogènes, de très nombreux micro-organismes, bactéries et champignons contribuent à la nutrition phosphatée des plantes. Ils produisent différents types de phosphatases entraînant la solubilisation du phosphore présent dans le sol sous des formes inaccessibles aux plantes. La solubilisation du phosphore n'est pas due uniquement à la production de phosphatases, mais aussi à la production d'acides organiques qui, en abaissant le pH du sol rhizosphérique, favorisent la libération des ions phosphate. De nombreux acides organiques sont produits par des espèces microbiennes différentes, parmi lesquelles les Bacillus licheniformis et amyloliquefaciens, mais aussi les Pseudomonas spp., Burkholderia cepacia, etc. (photos 6 et 7).

D'autres éléments minéraux, macro- ou micro-éléments essentiels à la croissance des plantes sont également solubilisés par des bactéries et des champignons du sol. C'est le cas du potassium qui peut être solubilisé par les micro-organismes du sol excrétant des acides organiques capables de dissoudre des minéraux contenant du potassium ou de chélater des ions silicium pour dissoudre le potassium. Des micro-organismes très divers (Pseudomonas spp., Acinetobacter spp., Azospirillum ssp., Bacillus spp.), sont capables d'augmenter la capacité des plantes à absorber le zinc, le cuivre, le manganèse, etc. Certaines bactéries, en particulier les Pseudomonas du groupe des Pseudomonas fluorescents, ont développé des systèmes d'acquisition et de transport du fer qui leur permettent de se développer dans des milieux très pauvres en fer assimilable par les plantes. Les sidérophores qui chélatent le fer sécrété par ces bactéries contribuent à la nutrition ferrique des plantes comme dans le cas de la tomate et du riz.

Excrétion d'hormones

De nombreux micro-organismes sont capables de synthétiser des phytohormones telles que des auxines, des cytokinines, des gibbérellines ou de l'éthylène. Ces hormones végétales jouent un rôle dans la formation, l'élongation et la ramification des racines, dans les processus de division ou d'élongation cellulaire et, d'une manière générale, elles sont impliquées dans les mécanismes de régulation du développement des plantes, depuis la germination des semences jusqu'à l'induction de la floraison et la croissance des fruits. Ces hormones d'origine microbienne, identiques ou analogues aux phytohormones produites par les plantes, sont clairement impliquées dans la biostimulation de la croissance ou du développement de la plante. Ces mêmes phytohormones, produites par d'autres micro-organismes bioagresseurs, peuvent contribuer à leur activité pathogène.

Interactions moléculaires

Les travaux les plus récents consacrés aux Trichoderma spp., qui sont à la fois des biostimulants et des agents de biocontrôle, montrent des interactions multiples au niveau moléculaire entre la plante et le champignon. Ce sont plusieurs centaines de gènes dont l'expression est modifiée dans la plante en réponse à l'inoculation avec une souche de Trichoderma. Il est donc bien difficile d'attribuer à un mécanisme unique l'effet bénéfique observé sur la croissance des plantes. Inoculées au maïs, certaines souches de Trichoderma augmentent significativement le rendement agricole et cette augmentation est corrélée à une augmentation de l'activité photosynthétique de la plante. Toutefois, les mécanismes précis de cette augmentation de la photosynthèse restent à élucider.

Résistance aux stress abiotiques

La résistance aux stress abiotiques, tels que la sécheresse, le gel, la salinité... est très souvent revendiquée comme un effet bénéfique des biostimulants, qu'ils soient libres (Pseudomonas, Bacillus, Trichoderma) ou symbiotiques comme les champignons mycorhizogènes. Les mécanismes responsables de cette augmentation de la résistance aux stress, comme ceux responsables de la stimulation de croissance restent très mal connus. Là encore, il convient le plus souvent de se contenter d'une démonstration agronomique de l'effet revendiqué. L'augmentation du volume racinaire, parfois observée, pourrait contribuer à une meilleure résistance à certains stress d'origine abiotique.

Enfin, les biostimulants sont parfois qualifiés d'« améliorateurs des sols » dans la mesure où ils peuvent :

- stimuler l'activité de certaines populations microbiennes bénéfiques présentes dans les sols ;

- modifier certaines propriétés physicochimique du sol permettant une meilleure capacité de dégradation des composés organiques ;

- améliorer la rétention d'eau par une amélioration de la structure du sol et de sa porosité.

Les usages et les conditions d'emploi

Peu de biostimulants bénéficient d'une AMM

Si l'on se réfère aux notices des producteurs de biostimulants, ces derniers peuvent être utilisés dans un grand nombre de cultures annuelles ou pérennes pour améliorer la productivité de la culture et lutter contre divers types de stress. À partir d'un même type de produit biostimulant, les industriels proposent des formulations visant différents types de culture et présentant des revendications aussi bien d'amélioration des sols que d'amélioration de la croissance des plantes, voire du rendement. Des formulations différentes permettent des applications foliaires, aussi bien que des applications au sol, mais ce dernier mode d'application est le plus répandu. En application foliaire, il est encore plus difficile qu'en application au sol de faire la différence entre biostimulation et fertilisation. La liste des effets bénéfiques telle qu'elle figure sur les dépliants publicitaires des firmes s'apparente à un inventaire à la Prévert. En effet, de nombreux produits non homologués comme des composts, des purins de plantes (ortie, consoude) revendiquent des effets de biostimulation. Si l'on se réfère aux seuls produits bénéficiant d'une AMM, il faut admettre qu'ils sont encore peu nombreux, et que les usages revendiqués restent limités. Il en résulte que les biostimulants sont encore peu employés. Nous ne disposons pas de statistiques récentes concernant le marché des biostimulants. En France, les dernières données disponibles sur le site de l'Afaïa(2) (Syndicat des acteurs de la filière des supports de culture et paillages, fertilisants organiques, biostimulants) remontent à 2016.

Des conditions d'utilisation à préciser

Pour développer l'usage des biostimulants, il est nécessaire de travailler les modes et doses d'apport et de mieux définir les conditions requises pour que l'efficacité revendiquée soit au rendez-vous.

En grande culture, le mode d'apport le plus fréquemment conseillé est une application sur toute la surface de la parcelle. Or, pour être efficaces, les biostimulants, qu'ils soient microbiens ou non, doivent être présents dans la rhizosphère des plantes. Un apport uniforme au semis sur toute la surface de la parcelle constitue une dilution extrême, alors qu'un apport localisé dans la ligne de semis serait beaucoup plus efficace. À l'exception des produits à base de Rhizobium apportés en enrobage des semences, peu de travaux ont été consacrés aux modes d'apport des biostimulants.

Les produits à base d'inoculants microbiens nécessitent des conditions environnementales favorables à leur implantation et à l'expression des propriétés bénéfiques pour lesquelles ils ont été sélectionnés. La réglementation impose au producteur un contrôle de qualité concernant l'identité de la souche, sa concentration dans le produit et l'absence de contaminants et cela jusqu'à la DLUO (date limite d'utilisation optimale). En revanche, rien ne concerne les conditions de sol favorables à leur implantation. Le plus souvent, ces biostimulants ont été sélectionnés dans des conditions contrôlées au laboratoire alors que, sur le terrain, ils doivent faire face à des conditions très contraignantes. « L'environnement sol », en particulier le pH et la teneur en matière organique, influence les communautés microbiennes, de telle sorte que n'importe quel biostimulant microbien ne s'installera pas de manière uniforme dans des sols de nature différente. Dans la pratique, les micro-organismes biostimulants proposés sur le marché sont tous aérobies ou microaérobies, il faut donc veiller à une bonne aération du sol. De plus, tous les intrants, et en particulier les produits phytopharmaceutiques, sont susceptibles d'affecter les communautés microbiennes, il convient donc d'éviter d'appliquer un fongicide en même temps qu'un biostimulant fongique.

On sait également que la mycorhization est inhibée en présence de teneurs élevées en phosphore disponible dans les sols, il faut donc éviter tout apport d'engrais phosphaté lors d'apports d'inoculums mycorhiziens.

Enfin, pour qu'un micro-organisme introduit dans le sol puisse s'y installer, il convient de lui fournir de l'énergie. Si cette énergie provient pour l'essentiel de la racine, tout apport de matière organique active sera favorable à l'installation des biostimulants microbiens.

Pour favoriser l'emploi des biostimulants, microbiens ou non, il convient de mieux explorer leurs effets sur le microbiote rhizosphérique. Les nouvelles techniques de séquençage à haut débit devraient permettre d'appréhender les modifications qui affectent tant l'abondance que la diversité des communautés microbiennes dans la rhizosphère des plantes. Dans ce dialogue entre la plante et les micro-organismes, il ne faut pas oublier la plante dont on peut modifier la composition des exsudats racinaires de telle sorte qu'ils favorisent le développement et l'activité des micro-organismes biostimulants, autochtones ou introduits dans la rhizosphère.

(1) Voir « Les biostimulants encadrés par l'Europe », Phytoma n° 734, p. 40.