L'azote est, en masse, l'un des éléments nutritifs les plus abondants de la matière sèche végétale et le premier facteur limitant du rendement. Ce chapitre explique d'où vient l'azote de la plante, comment le nitrate est réduit puis incorporé en acides aminés, et comment les légumineuses accèdent, par symbiose, à l'immense réservoir de N2 atmosphérique. La chaîne NO3− → NO2− → NH4+ → glutamine est incontournable.
1. Importance de l'azote et formes utilisables
L'azote est un élément fondamental des tissus végétaux : il entre dans la composition des protéines, des enzymes, des coenzymes, des acides nucléiques, des acides aminés, des chlorophylles, des alcaloïdes et des substances de croissance. Il détermine donc directement la croissance, le fonctionnement de la plante et le rendement des cultures. Paradoxalement, alors que l'atmosphère contient environ 78 % de N2, cette forme gazeuse est inutilisable par les plantes supérieures en raison de la très grande stabilité de la triple liaison N≡N.
La nutrition azotée emprunte trois voies. (i) L'azote minéral : la plupart des plantes terrestres prélèvent dans le sol des nitrates (NO3−) ou des sels d'ammonium (NH4+), produits lors de la décomposition des matières organiques par les micro-organismes. (ii) L'azote gazeux : seules les plantes en symbiose avec des bactéries fixatrices — légumineuses et plantes actinorhiziennes — utilisent le N2 atmosphérique. (iii) L'azote organique : son utilisation directe est exceptionnelle chez les plantes supérieures, mais se rencontre chez les végétaux carnivores, saprophytes ou parasites.
2. L'azote du sol et son cycle
Le sol contient l'azote surtout sous forme organique, dans l'humus. Sa mise à disposition passe par la minéralisation, en deux temps : l'ammonification, qui libère NH4+ à partir des composés azotés par les micro-organismes hétérotrophes, puis la nitrification, oxydation bactérienne aérobie de NH4+ en NO2− (Nitrosomonas) puis de NO2− en NO3− (Nitrobacter). L'organisation (immobilisation) est la réaction inverse : les micro-organismes réincorporent l'azote minéral dans leur biomasse.
Deux processus soustraient l'azote au sol. La dénitrification, en conditions anaérobies, réduit NO3− en N2O puis N2 qui repartent dans l'atmosphère. Le lessivage entraîne le nitrate, très soluble et non retenu par le complexe argilo-humique, vers les nappes phréatiques : c'est la cause principale de leur pollution nitratée. La fixation biologique ferme le cycle en réintroduisant du N2 sous forme combinée. L'ammonium, cation, est mieux retenu par le complexe mais peut devenir toxique en excès et n'est pas stockable en grande quantité dans les tissus.
3. Réduction et assimilation des nitrates
Absorbé par symport avec des protons, le nitrate doit être réduit avant toute incorporation, car l'azote des molécules organiques est au degré d'oxydation de NH2. La réduction se déroule en deux étapes. La nitrate réductase, enzyme cytosolique à cofacteur molybdène, réduit NO3− en nitrite NO2− en consommant du NAD(P)H. C'est une enzyme inductible par son substrat, à durée de vie courte, et considérée comme l'étape limitante de la voie. Le nitrite, toxique, est immédiatement transféré dans le plaste ou le chloroplaste.
Là, la nitrite réductase réduit NO2− en ammonium NH4+ en utilisant la ferrédoxine réduite, ce qui explique que l'assimilation foliaire soit stimulée par la lumière. L'ammonium est ensuite incorporé par le cycle GS-GOGAT : la glutamine synthétase (GS) fixe NH4+ sur le glutamate pour former la glutamine, avec consommation d'ATP ; la glutamate synthase (GOGAT) transfère ensuite le groupement amide de la glutamine sur l'α-cétoglutarate, régénérant deux glutamates. Les transaminases distribuent enfin le groupe aminé vers les autres acides aminés. La réduction a lieu dans la racine, la feuille, ou les deux, selon l'espèce et l'alimentation azotée.
4. La fixation symbiotique du diazote
Les légumineuses (fève, pois chiche, luzerne, lentille, haricot — cultures majeures au Maroc) s'associent à des bactéries du sol du genre Rhizobium (et genres apparentés). Un dialogue moléculaire s'engage : la racine émet des flavonoïdes, la bactérie répond par des facteurs Nod qui provoquent la courbure d'un poil absorbant, la formation d'un cordon d'infection et la division des cellules corticales. Il en résulte un organe nouveau, le nodosité (nodule), où les bactéries se différencient en bactéroïdes. D'autres symbioses existent : Frankia avec les plantes actinorhiziennes, cyanobactéries avec l'Azolla, et des bactéries libres comme Azotobacter ou Clostridium.
La réduction du diazote est catalysée par la nitrogénase, complexe enzymatique à fer et molybdène, selon N2 + 8 H+ + 8 e− → 2 NH3 + H2. Le procédé est extrêmement coûteux en ATP et la nitrogénase est irréversiblement inactivée par l'oxygène. La nodosité résout ce paradoxe grâce à la leghémoglobine, protéine rouge qui fixe l'O2 et le délivre à faible concentration aux bactéroïdes : elle assure leur respiration tout en protégeant la nitrogénase. L'ammoniac produit est aussitôt assimilé par la voie GS-GOGAT de la plante hôte, qui fournit en échange des photosynthétats. C'est la base agronomique de la rotation culturale avec des légumineuses.
Enzyme cytosolique inductible à cofacteur molybdène qui réduit NO3− en NO2− ; étape limitante de l'assimilation des nitrates.
Hémoprotéine de la nodosité qui tamponne la concentration en oxygène, permettant la respiration des bactéroïdes sans inactiver la nitrogénase.
| Critère | Assimilation des nitrates | Fixation symbiotique |
|---|---|---|
| Source | NO3- de la solution du sol | N2 atmosphérique |
| Plantes concernées | Presque toutes | Légumineuses, actinorhizes |
| Enzyme clé | Nitrate réductase (Mo) | Nitrogénase (Fe-Mo) |
| Localisation | Cytosol puis plaste | Bactéroïdes de la nodosité |
| Rapport à l'O2 | Indifférent | Nitrogénase inactivée par O2 |
Les deux voies d'accès à l'azote
- L'azote entre dans les protéines, acides nucléiques, coenzymes et la chlorophylle.
- N2 représente environ 78 % de l'atmosphère mais reste inutilisable directement.
- Minéralisation : ammonification puis nitrification (Nitrosomonas, Nitrobacter) ; pertes par dénitrification et lessivage.
- NO3- → NO2- par la nitrate réductase cytosolique (Mo), puis NO2- → NH4+ par la nitrite réductase plastidiale (ferrédoxine).
- L'ammonium est incorporé par le cycle GS-GOGAT en glutamine puis glutamate.
- Rhizobium + légumineuse → nodosité ; nitrogénase Fe-Mo protégée de l'O2 par la leghémoglobine.
Attends-toi à devoir écrire l'enchaînement complet NO3− → NO2− → NH4+ → glutamine en précisant, pour chaque étape, l'enzyme, son compartiment et son donneur d'électrons : c'est là que se joue la note. La question sur la leghémoglobine tombe très souvent et le piège est de répondre qu'elle apporte de l'oxygène à la nitrogénase — elle fait exactement l'inverse, elle le maintient à très basse concentration libre. Ne confonds pas non plus nitrification (bactéries du sol) et réduction des nitrates (dans la plante).