vignette|Vue au microscope électronique à transmission d'une section transversale d'un nodule racinaire bactérien endophyte dans une racine de soja. La bactérie Bradyrhizobium japonicum a colonisé l'intérieur des racines du soja et y a établi une symbiose fixatrice d'azote. Cette image (en fort grossissement) montre le réticulum endoplasmique, le dictyosome et la paroi cellulaire. La fixation biologique de l'azote, ou diazotrophie (du grec di, « deux », azo, « azote », et trophos, « alimentation »), est le processus du cycle de l'azote qui permet à un organisme de produire (indirectement) des substances protéiques à partir de l'azote gazeux (N2) présent dans l'atmosphère et l'environnement.

Elle peut être symbiotique lorsqu'elle est liée à la formation de nodosités, ou asymbiotique lorsqu'elle implique des bactéries diazotrophes qui restent libres dans le sol ou en association plus ou moins étroite avec les plantes, comme colonisateurs épi- ou endophytique.. La fixation par les bactéries symbiotiques, plus efficace, constitue le processus naturel dominant de fixation de l'azote dans la majorité des écosystèmes terrestres, permettant aux espèces pionnières de coloniser des milieux pauvres en azote. La fixation asymbiotique de l'azote qui joue un rôle important dans les milieux gorgés d'eau et les déserts, est estimée de 23 % à 32 % du total d'azote assimilé par les plantes..

Cette stratégie d'acquisition de nutriment met en jeu le processus de réduction enzymatique de N2 (azote moléculaire) en azote ammoniacal, ou ammoniac (NH3) : cette forme de N combiné, appelée intermédiaire-clé, représente la fin de la réaction de fixation et le début de l'incorporation de l'azote fixé dans le squelette carboné. Dans le système biologique fixateur de N2 les conditions optimales de la catalyse biologique correspondent à une pression de 0,2 à 1,0 atm de N2 et une température de , alors que les conditions de la catalyse industrielle sont très sévères : pression de 250-1000 atm de N2 et température de R.W.F. Hardy, E.Jr. Knight. 1968. The biochenistry and postulated mechanisms of N2 fixation. In "Progress in Phytochemistry" (L. Reinhold, ed.), 387-469. Cité dans Y. Dommergues, "Mycorrhizes et fixation d’azote", 25 avril 1978, Office de la recherche scientifique et technique outre-mer..

Généralités vignette|300px|Cycle de l'azote dans le sol.

Ce processus est comparable à celui de la photosynthèse qui permet de produire des substances glucidiques à partir du dioxyde de carbone (CO) de l'atmosphère. Mais, alors que la photosynthèse est le fait de tous les végétaux (sauf les végétaux saprophytes), la fixation de l'azote ambiant n'est réalisée que par certaines espèces de bactéries comme les cyanophycées. Toutefois, de nombreuses plantes, principalement de la famille des Fabaceae (légumineuses), la réalisent de façon indirecte, en symbiose avec des bactéries de leur rhizosphère, qui se localisent généralement dans des nodosités situées sur leurs racines.

Jusqu'à une date récente, on pensait que les champignons mycorhiziens pouvaient fixer N. On sait maintenant que la fixation de N par une racine mycorhizée est due non au champignon mais aux bactéries associées de sa mycorhizosphère et n’a jamais été montrée chez les champignons filamenteux. Cette activité, qui peut être mesurée in situ par la cinétique de réduction de l’acétylène en éthylène, est d'ailleurs encore plus importante dans la litière forestière que dans la mycorhizosphère elle-même W.B. Silvester, K.J. Bennett, Acetylene reduction by roots and associated soil of new zealand conifers., Soil Biol. Biochem, 5, 1, 11-179, 1973. Cité dans Dommergues, 1978..

La capacité à fixer l'azote est donc limitée aux bactéries G.D. Bowen 1973. Mineral nutrition of octomycorrhizae. Ectomycorrhyzae. Their Ecology and Physiology. G.C. Marks and T.T. Kozlowski, ed., Academic Press, New York and London, 151-197. Cité dans Dommergues 1978. J.R. Postgate. 1974. Evolution within nitrogen-fixing systems. Symposia of the Society for General Microbiology, 24, 263-292. Cité dans Dommergues 1978.. Ces bactéries produisent une enzyme, la nitrogénase, qui permet de réaliser la synthèse de l'ammoniac par une réaction de réduction. La réaction est fortement exergonique et endothermique en raison de la très forte énergie de la liaison triple de (940,5 kJ/mol), aussi elle exige 16 ATP pour la fourniture de l'énergie d'activationDuhoux et Nicole, Dunod, 2004. : N2 + 16 ATP + 8 e− + 8 H+ → 2 + ↑ + 16 ADP + 16 Pi

dans les conditions du sol, à l'opposé des des procédés industriels qui requièrent aussi une pression moyenne de l'ordre de 400 atmosphères. L'ammoniac est ensuite transformé en acides aminés utilisables par les plantes.

La nitrogénase est en réalité un complexe enzymatique formé de sous-unités, dont le fonctionnement est in vitro inhibée par l'oxygène. Mais dans le processus de symbiose son fonctionnement est rendu possible en zone de microaérobiose (dans les nodules racinaires) voire en condition aérobie à l'intérieur des racines de plantes non légumineuses (avec l'aide de microorganismes dites « endophytes » selon Santi & al en 2013Santi C, Bogusz D, Franche C (2013) Biological nitrogen fixation in non-legume plants. Ann Bot 111: 743–767. mct048 [pii]; doi: 10.1093/aob/mct048. qui semble ainsi bénéficier de conditionSessitsch A, Hardoim P, Doring J, Weilharter A, Krause A, Woyke T et al. (2012) Functional characteristics of an endophyte community colonizing rice roots as revealed by metagenomic analysis. Mol Plant Microbe Interact 25: 28–36. doi: 10.1094/MPMI-08-11-0204. ames EK, Olivares FL (1998) Infection and colonization of sugarcane and other graminacious plants by endophytic diazotrophs. Crit Rev Plant Sci 17: 77–119. doi: 10.1080/07352689891304195. Par ailleurs les micro-organismes diazotrophes (fixatrices d'azote) ont de leur côté développé plusieurs stratégies de protection de leur complexe nitrogénase.

L’inhibition de la nitrogénase par l', que ce soit directement ou indirectement via des radicaux oxydants, constitue un régulateur fort de la teneur en oxygène dans l'atmosphère, dans le cycle de l'oxygène, par la rétroaction négative qu'il a sur la fixation de l'azoteFeedbacks Between the Nitrogen, Carbon and Oxygen Cycles. Ilana Berman-Frank et al. In Nitrogen in the Marine Environment, 2008, Elsevier.. Une inhibition dans la fixation de l'azote conduirait à une chute de la productivité primaire, à la fois directement pour les cyanobactéries diazotrophes et indirectement pour l'ensemble de la productivité primaire de l'hydrosphère, induisant à plus long terme, pour le cycle du carbone, une réduction dans le rythme d'enfouissement du carbone organique. Sans enfouissement il n'y a pas de création nette d' par la biosphère, et l'oxygène en excès espèce très réactive, disparaît progressivement par l'oxydation de la surface de la planète.

Les bactéries fixatrices d'azote

Il existe des bactéries libres qui vivent dans le sol et assurent la fixation de l'azote, soit seules, soit en symbiose avec d'autres bactéries. Ce sont souvent des , d'où leur forte densité au niveau de la rhizosphère où elles peuvent recevoir les apports carbonés des exsudats racinaires. Elles sont caractérisées par la fixation asymbiotique de l'azote (l'association avec les racines n'est pas étroite alors que la symbiose au sens strict implique une interaction très intime). D'autres fixent l'azote atmosphérique, en relation plus ou moins étroite avec les plantes, comme colonisateur épi- ou endophytique.. Elles présentent une grande diversité de modes de productions d'énergie : métabolisme respiratoire aérobie (Azotobacter, Bacillus, cyanobactéries du genre Nostoc, Anabaena, Calothrix), associée à différentes stratégies pour éviter que leur nitrogénase soit en contact avec l'oxygène (augmentation de l'activité respiratoire pour réduire le taux d'oxygène environnant, développement d'hétérocystes) ; métabolisme anaérobie obligatoire (Clostridium, Chlorobium, Chromatium) ou facultative (Aerobacter, Klebsiella, Pseudomonas) ; métabolisme microaérophile (Azospirillum)...

D'autres espèces bactériennes développent une association symbiotique hautement spécialisée avec le système racinaire des plantes, faisant intervenir la création d'un nouvel organe, la nodosité : groupe des Rhizobia (Rhizobium, Bradyrhizobium, Mesorhizobium…) : légumineuses (fabacées) et ulmacées ; Frankia : diverses espèces d'angiospermes, essentiellement arbres et arbustes (au sein des Casuarinacées, Eleagnacées, Myricacées, Rosacées), notamment les aulnes, l'argousier, les Casuarinaceae et le Myrica gale.

Dans les océans, ce sont les Cyanobacteria qui fixent le diazote. Il en existe deux types : Les cyanobactéries dites « filamenteuses », telles que Trichodesmium sp., qui vivent en colonie ; Les cyanobactéries unicellulaires, appelées UCYN, qui peuvent vivre libre ou en symbiose avec certaines espèces du phytoplancton.

Le cas des rhizobiums chez les légumineuses Les différentes espèces de bactéries rhizobiums, qui sont capables d'infecter les racines des légumineuses (famille des Fabacées), sont plus ou moins spécifiques de certaines plantes-hôtes. Ainsi Rhizobium phaseoli infecte les haricots (Phaseolus sp).

Les bactéries provoquent la formation de nodosités sur les racines en pénétrant par les poils racinaires, et se transforment en « bacteroides » de plus grande taille. Les nodosités sont le siège d'une activité symbiotique dans laquelle la plante fournit les sucres et l'énergie issus de la photosynthèse, et bénéficie en retour des acides aminés qui y sont produits.

Cette activité peut produire annuellement jusqu'à d'azote à l'hectare, qui se retrouvent en partie dans les récoltes exportées (protéines des graines et fourrages) et en partie enfoui dans le sol, utilisable par les cultures suivantes (engrais vert).

Au niveau mondial, on estime à 100 millions de tonnes par an la masse d'azote ainsi fixé, soit le même ordre de grandeur que la production d'azote de l'industrie chimique.

Le cas des cyanobactéries Les cyanobactéries ont établi au cours de l'évolution des végétaux, des symbioses avec un large spectre de plantes hôtes : bryophytes, ptéridophytes, lichens, gymnospermes (cycas), angiospermes (Gunnera).

Dialogue fabacées-rhizobiacés

La formation des nodules racinaires met en jeu un dialogue moléculaire complexe entre la plante-hôte et les rhizobiacées.

La plante sécrète des signaux de type flavonoïdes, bétaïnes. La perception de ces signaux par la bactérie induit l’expression de nombreux gènes bactériens, dont une centaine sont connus. Les plus étudiés sont les gènes nod (ou bien nol et noe). Les gènes Nod D expriment des protéines régulatrices en réponse aux inducteurs végétaux. Une fois activées les protéines Nod D se fixent sur des séquences nod-box, promoteur des gènes nod de structure et activent leur transcription. Ces gènes produisent des facteurs Nod essentiels dans l’établissement de la symbiose.

Les facteurs NOD activent une voie de signalisation faisant intervenir une série de gènes de la plante hôte et provoquent finalement des modifications morphologiques et cytologiques de la racine, pour aboutir à la formation des nodules.

La voie de signalisation NOD De nombreux gènes ont été identifiés chez le pois (Pisum sativum), le lotier (Lotus japonica) et la luzerne faux-tribule (Medicago truncatula). Ce sont tous des récepteurs SYMRK (symbiosis receptor like kinase), possédant un domaine kinase côté intracellulaire (RLK, Receptor like kinase) et des motifs riches en LysmM (interaction avec les facteurs NOD) côté extracellulaire. Les gènes sont appelés Nfr (Nod factor receptor) ou Sym (symbiosis genes). Il pourrait y avoir deux types de récepteurs, un contrôlant l’infection de la racine par la bactérie, l’autre permettant la courbure des poils absorbants.