LES BIOSTIMULANTS ORGANIQUES : L’exemple des hydrolysats de protéines

 

Les hydrolysats de protéines sont un important groupe de biostimulants des plantes […] qui a fait l’objet d’une attention croissante ces dernières années du fait de leur effet positif sur la performance des cultures (Colla, et al., 2015), et plus particulièrement dans des conditions de stress environnemental (Du Jardin, 2012)

 

1. Les hydrolysats de protéines, un mélange d’acides aminés et de peptides issus de protéines

 

Les protéines sont des macromolécules présentes dans toutes les cellules vivantes. Elles sont principalement constituées de Carbone (C), d’Hydrogène (H), d’Oxygène (O) et d’Azote (N). Elles assurent une multitude de fonctions biologiques (régulation des gènes, structure des cellules, catalyseur des processus biologiques (enzymes)…) ¹ et sont composées de peptides, eux-mêmes composés d’acides aminés (cf. figure 1). Une protéine est constituée de 100 à 1000 acides aminés enchaînés les uns aux autres.

 

 

Figure 1 : Des protéines aux acides aminés

L’hydrolyse de protéines correspond à la coupure des liaisons peptidiques (cf. figure 1) entre les acides aminés aboutissant à un hydrolysat de protéines, c’est-à-dire « un mélange de polypeptides, d’oligopeptides et d’acides aminés issus de protéines par une hydrolyse partielle » (Schaafsma, G. 2009).
Cette technique d’hydrolyse de protéines est par exemple utilisée pour la production de sauces de poissons à partir de co-produits. ²

 

2. L’action biostimulante des peptides sur les plantes

Des recherches récentes se sont portées sur les effets biostimulants des hydrolysats de protéines. Ainsi, Kubo (1994) signale les effets bénéfiques des tourteaux de soja hydrolysés par les protéases de Bacillus circulans HA12 sur la croissance des cultures. Ensuite, Ertani (2009) constate qu’un hydrolysat de luzerne induit une croissance significative de masses racinaires et foliaires de maïs. Plus récemment, des travaux sur un hydrolysat enzymatique de protéines végétales de légumineuses composé essentiellement de peptides solubles de poids moléculaire moyen ont démontré des effets « auxin-like » et « giberellin-like » prononcés, une résistance accrue des plantes au stress salin (Colla 2014, Lucini 2015, Colla 2016) ainsi que des effets de multiplication des racines latérales, de stimulation de la photosynthèse et d’augmentation de la production d’acides aminés tout comme avec des hydrolysats de collagène.

De manière générale, les effets biostimulants des hydrolysats de protéines varient notamment en fonction des cultures sur lesquels ils sont appliqués ainsi que de leur composition (elle-même dépendante de la matière première, du processus d’hydrolyse utilisés et du Degré d’Hydrolyse (cf. partie 3)). Les études réalisées sur le sujet ont toutefois permis d’identifier les effets suivants :
– Amélioration de la germination, de la qualité et de la productivité des cultures ;
– Réduction des effets négatifs des stress abiotiques dus à la salinité, à la sécheresse et aux métaux lourds ;
– Stimulation du métabolisme du carbone et de l’azote et interférence avec l’activité hormonale des plantes
– Amélioration de la disponibilité des nutriments dans le substrat de culture et augmentation de l’absorption des nutriments et de l’efficacité de l’utilisation de ces nutriments par les plantes ;
– Stimulation du microbiome des plantes (Colla G., 2017).

3. L’action biostimulante des acides aminés sur les plantes

Les acides aminés jouent un rôle très important dans la plante puisqu’ils entrent dans tous les métabolismes, dans la constitution des protéines de la plante ou encore dans la synthèse des vitamines.
Certains acides aminés ont des processus réactionnels spécifiques dans la plante conduisant à des effets spécifiques que l’on peut résumer de façon non exhaustive dans le tableau suivant :

Tableau 1 :Effets de certains acides aminés sur les plantes  (Heller, et al., 2004 ; Hildebrant et al., 2015]

L’action biostimulante sera dépendante de chaque plante et de son stade de développement.

4. Matières premières et processus d’hydrolyse

Les hydrolysats de protéines sont principalement produits par hydrolyse enzymatique et/ou chimique (avec des acides forts ou alcalins) de protéines animales ou végétales (Colla G., 2015). La figure 3 illustre les différentes sources de protéines utilisées ainsi que les techniques d’hydrolyse.

 

Figure 2 : Critères de classification des hydrolysats de protéines sur la base de l’origine des protéines et de la méthode d’hydrolyse des protéines utilisée dans le processus de production (Colla G., 2015).

Actuellement, plus de 90% du marché des hydrolysats de protéines en agriculture est basé sur des produits obtenus par hydrolyse chimique de protéines d’origine animale (ex : collagène issu des sous-produits de la production de cuir, sous-produits de poissons, caséine…) tandis que les hydrolysats de protéines obtenus pas hydrolyse enzymatique de biomasse issue de plantes (graines, sous-produits végétaux…) sont moins communs car ils sont apparus plus récemment sur le marché des biostimulants.

Les caractéristiques chimiques des hydrolysats de protéines sont fortement affectées par la technique d’hydrolyse utilisée et l’origine de la matière première. L’hydrolyse chimique (haute température (> 121°C) et forte pression (> 220.6 kPa) en milieu acide) est généralement utilisée pour la matière première d’origine animale alors que l’hydrolyse enzymatique (enzymes d’origine animale ou végétale ou micro-organismes, température < 60°C) est plus couramment utilisée pour la matière première d’origine végétale.

Quelle que soit la technique d’hydrolyse utilisée et l’origine de la matière première, le paramètre qui conditionne le plus les propriétés des hydrolysats de protéines est le Degré d’Hydrolyse (DH). Alors qu’une hydrolyse chimique poussée (DH ≥ 40 %) conduit à un fort taux d’acides aminés libres, une hydrolyse enzymatique modérée (DH ≤ 30 %) donne un faible taux d’acides aminés libres et des fragments peptidiques de taille élevée (1 – 20 kDa).
Dans le premier cas (DH ≥ 40 %), l’hydrolysat de protéines possédera des propriétés fertilisantes et des effets propres aux acides aminés libres le constituant. Dans le second cas, les propriétés de l’hydrolysat de protéines seront avant tout liées aux protéines d’origine du produit et aux peptides qui en sont issus.

5. Mode d’application

Les modes d’application peuvent varier en fonction de l’objectif visé (cf. parties 2 et 3), de la formulation des produits, du stade de développement de la plante. Il existe des usages foliaires et racinaires.

BIBLIOGRAPHIE

Colla, G., Nardi, S., Cardarelli, M., Ertani, A., Lucini, L., Canaguier, R., et al. (2015). Protein hydrolysates as biostimulants in horticulture. Sci. Hortic. 96, 28–38. doi: 10.1016/j.scienta.2015.08.037
Colla G, Rouphael Y, Canaguier R, Svecova E, Cardarelli M, 2014, Biostimulant action of a plant-derived protein hydrolysate produced through enzymatic hydrolysis, Front. Plant Sci. 5, 448 : 1-6

Colla G, Rouphael Y, Lucini L, Canaguier R, Stefanoni W, Fiorillo A, Cardarelli M, 2016, Protein hydrolysate-based biostimulants: origin, biological activity and application methods, Acta Hortic., ISHS, 1148: 27-34

Colla G, Hoagland L, Ruzzi M, Cardarelli M, Bonini P, Canaguier R and Rouphael Y (2017) Biostimulant Action of Protein Hydrolysates: Unraveling Their Effects on Plant Physiology and Microbiome. Front. Plant Sci. 8:2202. doi: 10.3389/fpls.2017.02202
Du Jardin, P., 2012. The science of plant biostimulants-a bibliographic analysis.Contract 30-CE0455515/00-96, ad hoc Study on bio-stimulants products.
Ertani A, Cavani L, Pizzeghello D, Brandellero E, Altissimo A, Ciavatta C, Nardi S, 2009, Biostimulant activity of two protein hydrolyzates in the growth and nitrogen metabolism of maize seedlings, J. Plant Nutr. Soil Sci., 172: 237–244

Heller, Esnault et Lance, 2004 Physiologie Végétale 1. Nutrition, 6ème édition

Kubo M, Okajima J, Hasumi F, 1994, Isolation and Characterization of Sobean Waste-Degrading Microorganisms and Analysis of Fertizers Effects of the Degraded Products, Appl. Environ. Microbiol, 60(1), 243-247

Lucini L, Rouphael Y, Cardarelli M, Canaguier R, Kumar P, Colla G, 2015, The effect of a plant-derived biostimulant on metabolic profiling and crop performance of lettuce grown under saline conditions, Scientia Horticulturae, 182, 124–133

Schaafsma, G. (2009) « Mixtures of polypeptides, oligopeptides and amino acids that are manufactured from protein sources, using partial hydrolysis » -. Safety of protein hydrolysates, fractions thereof and bioactive peptides in human nutrition. Eur. J. Clin. Nutr. 63, 1161–1168. doi: 10.1038/ejcn.2009.56

 

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1.http://culturesciences.chimie.ens.fr/content/les-acides-aminés-et-la-synthèse-peptidique – Site de ressources en chimie pour les enseignants

2. http://bibliomer.ifremer.fr/documents/fiches/Hydrolysats_proteiques.pdf

3. REGLEMENT D’EXECUTION (UE) No 354/2014 DE LA COMMISSION du 8 avril 2014 modifiant et rectifiant le règlement (CE) no 889/2008 portant modalités d’application du règlement (CE) no 834/2007 du Conseil relatif à la production biologique et à l’étiquetage des produits biologiques en ce qui concerne la production biologique, l’étiquetage et les contrôles