Nutrition des plantes et nutrition humaine, l’influence des minéraux
K.EDWARD, BioGrafx
Introduction
-1Eléments minéraux et santé humaine
-2Eléments minéraux et nutrition des plantes
-3Eléments minéraux : du sol à l’assiette ?
Conclusion
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Introduction aux minéraux Les minéraux sont classés, tant en nutrition humaine que végétale, suivant leurs quantités nécessaires au métabolisme. Pour autant, certains minéraux présents en très faible quantité, sont aussi essentiels que d’autres présents en plus grande proportion. (Fer et transport de l’oxygène chez les animaux, Magnésium et chlorophylle chez les végétaux)
Hème, avec au centre le fer, sousunité fondamentale de l’hémoglobine
Molécule de chlorophylle avec au centre le magnésium
Minéraux majeurs (macronutriments) : N, P, K, Mg, Ca, Mn
Minéraux mineurs (micronutriments, éléments traces, oligo-éléments) : Cu, Si, Mo, S, Fe, Zn, I, B 2
Introduction aux minéraux De la nutrition végétale ... «l'augmentation du prix des engrais va nous obliger à repenser la fertilisation » Michel Griffon, directeur de l’Agence Nationale pour la Recherche, avril 2009
« Il ne s’agit pas de remettre en cause les modèles de développement de la production des dernières décennies, mais de se rendre bien compte qu’un modèle s’appuyant sur une utilisation forte de ressources pétrolifère pour fournir les engrais, les molécules phytosanitaires, … est un modèle qui touche à sa fin. » Jean-Yves Carfantan, économiste, avril 2009
Repenser la fertilisation : un impératif économique. Grenelle : de nouvelles contraintes environnementales pour l’agriculture (nitrates, pesticides). 3
Introduction aux minéraux ... à la santé humaine. « Il apparaît que les taux de carences en minéraux sans symptômes cliniques, qu’on croyait avant n’être que de moindre importance peuvent en fait détériorer le développement intellectuel, être la cause d’une mauvaise santé et de morts prématurés sur une échelle presque inconcevable, et condamne peut-être un tiers de la population mondiale à vivre en dessous de son potentiel physique et mental. » UNICEF & The Micronutrient Initiative. 2004. Carences en vitamines et minéraux.
Un axe majeur de prévention contre les maladies chroniques.
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Introduction aux minéraux Les minéraux dans la chaîne alimentaire... - Des carences pour les cultures : Sensibilité accrue aux maladies et aux stress physiques. - Une qualité nutritionnelle des récoltes qui n’est pas optimale.
Problématique agriculture
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Problématique nutrition
- Une surconsommation de « plats transformés », pauvres en nutriments. - Une sous-consommation de fruits et légumes, vecteurs principaux des minéraux. 5
Introduction aux minéraux
Alan Shenkin , 2005.The key role of micronutrients. Division of Clinical Chemistry, University of Liverpool
SInVS & CNAM, 2004. Situation et évolution des apports alimentaires de la population en France
... une répercussion sur la santé des populations
« C’est sans aucun doute cet effet de facteur à risque, lié au déficit très modéré, qui constitue l’aspect le plus important de ces micronutriments pour la santé publique, beaucoup plus que les rares cas de carences profondes. » FAVIER.A. 1991. Les oligoéléments en médecine et biologie. Lavoisier. Paris. p73. 6
1 - Eléments minéraux et santé humaine Faibles quantités mais grande nécessité : - L’importance physiologique d’un minéral est sans relation avec sa quantité totale présente dans l’organisme. - Le plasma sanguin qui transporte les nutriments à l’ensemble des cellules comporte une fraction stabilisée de 50 minéraux qui assure la régulation de l’homéostasie du corps humain.
Des risques avérés de carences liés à l’alimentation - « Une évolution marqué des régimes alimentaires (plats préparés, diminution de la part des fruits et légumes, faible diversité de l’alimentation) ne permet plus toujours un apport suffisant de minéraux. » WELCH, R. 2004. Link between the application of micronutrients to crops and human
- « Les carences en vitamines et minéraux actuellement observées dans les populations les plus pauvres sont la conséquence de la consommation de régimes dont la monotonie est sans précédent dans l’histoire de l’espèce humaine. » (M.GOLDEN. 2006. Department of Medicine and Therapeutics, Aberdeen University) 7
1 - Eléments minéraux et santé humaine Rôles physiologiques de quelques minéraux Cuivre
Impliqué dans le métabolisme lipidique, le développement osseux, la maturation des tissus conjonctifs. Rôle préventif des maladies cardiovasculaires.
Impliqué dans le transport de l’oxygène par les Fer
Généraux
hématies, les carences conduisent à des anémies sévères. Les mitochondries ont également besoin de fer pour leur métabolisme énergétique.
Zinc
Intervient dans le fonctionnement de plus de 300 enzymes. Son rôle est crucial dans la régulation génétique par l’intermédiaire de l’ARN et de l’ADN.
Iode
Composant principal des hormones thyroïdiennes qui sont essentielles à la croissance et au développement cérébral. Les carences en iode affecteraient 1,5 milliards d’individus à l’échelle mondiale.
Sélénium
Impact des nutriments minéraux sur la santé
Rôle d’antioxydant, il prévient des dystrophies musculaires, et des problèmes d’insuffisances cardiaques. Les populations carencées en sélénium présentent des taux plus élevés de cancers.
TAKKAR P.N. 2004. Micronutrients and human health. IFA international symposium on micronutriments, New Delhi, India. p4
- Croissance et maturation - Intégrité cellulaire - Défenses immunitaires
-Maladies cardio-vasculaires (pression sanguine, thrombogenèse, rôle antioxydant) Spécifiques
- Cancer (rôle antioxydant, croissance et réplication cellulaire) - Ostéoporose (structure osseuse, tissus connectifs)
SANDSTROM B. 1998. Role of trace elements for health promotion and disease prevention. Bibl Nutr Dieta. 54:1-7
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1 - Eléments minéraux et santé humaine Impacts sur la santé humaine « Les résultats d'un certain nombre de travaux épidémiologiques, cliniques et expérimentaux suggèrent que des apports faibles en certains minéraux et vitamines, ou des statuts biologiques correspondant à des réserves faibles en certains minéraux et vitamines pourraient intervenir comme facteurs de risque de certaines pathologies, perturber de grandes fonctions métaboliques de l'organisme et ne pas permettre un niveau de santé optimal. » Serge Hercberg - Directeur de l'Institut scientifique et technique de la Nutrition et de l'Alimentation Conservatoire national des Arts et Métiers, Paris.
« Nous insistons sur la possibilité que l'effet anti-cancéreux des éléments traces pourrait dépendre de leur rôle dans le maintien d'une réponse immunitaire "optimale". » UNESCO Institut Trace Elements. 2005
Maintenir un pool de minéraux suffisant pour éviter toute situation de carences prolongées (même faibles). Assurer ce pool par une consommation suffisante de légumes, fruits et produits complets (références Plan Nutrition Santé).
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2 - Minéraux et nutrition végétale - Les minéraux font partis des éléments fondamentaux du règne végétal au même titre que l’énergie lumineuse ou que le dioxyde de carbone et l’oxygène -L’importance physiologique des minéraux pour les végétaux est le fruit d’un long processus évolutif depuis leurs ancêtres : les algues, ayant évolué dans un milieu marin riche en minéraux. - Tous les minéraux ont des fonctions spécifiques biens connues qui ne peuvent être remplies en cas d’approvisionnement insuffisant. - Les mécanismes d’absorption des minéraux sont complexes et font intervenir les champignons et bactéries présents dans le sol, constituants de la rhizosphère.
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2 - Minéraux et nutrition végétale Les minéraux font partis des éléments fondamentaux du règne végétal au même titre que l’énergie lumineuse ou que le dioxyde de carbone et l’oxygène.
La fertilisation des sols est une des composantes principales des gains de rendements observés depuis plus de 50 ans. Les industries de la fertilisation se sont presque uniquement appuyées sur le trio N,P,K pour leurs formules commercialisées.
• Appauvrissement des sols en minéraux non restitués par la fertilisation. • Impact environnemental lié au lessivage et à une sur-fertilisation NPK. • Problème économique lié à la hausse du prix des engrais NPK.
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2 - Minéraux et nutrition végétale L’importance physiologique des minéraux pour les végétaux est le fruit d’un long processus évolutif depuis leurs ancêtres : les algues, ayant évolué dans un milieu marin riche en minéraux.
Cuivre
Constituant de nombreuses enzymes, ayant des rôles dans la photosynthèse, la respiration, le métabolisme protéique et glucidique. Rôle dans la formation du pollen et des composés ligneux.
Fer
Constituant des cytochromes et des plusieurs métalloenzymes, rôle dans la photosynthèse, la fixation symbiotique de l’azote et des métabolismes azotés.
Zinc
Constituant de nombreuses enzymes ayant des rôles dans la synthèse glucidique et protéique. Maintien de l’intégrité des membranes, régulation de la synthèse d’auxine et de la formation du pollen.
Bore
Manganèse
Métabolisme et transport des glucides, régulation des méristèmes et de l’élongation racinaire. Métabolisme des composés phénoliques, synthèse des membranes cellulaires. Photolyse de l’eau dans les chloroplastes, régulation des activités enzymatiques. Protection contre les oxydations des membranes.
Rappel des fonctions essentielles de certains minéraux dans les plantes. (ALLOWAY,B. 2008. Micronutrients deficiencies in global crop production. Springer. p8)
• «La photosynthèse à elle seule ne suffit pas à créer la vie végétale. Il y faut d’autres matières premières, avant tout des minéraux.»(p50) • « La terre est la source des matières nutritives minérales. Les plantes se rapprochèrent de cette source. L’eau ne constitue que le moyen de transport. » (p65) • « L’impulsion décisive fut ensuite donnée par une innovation qui améliorait grandement l’absorption des sels minéraux par les végétaux terrestres, ce fut la formation à l’intérieur de la plante de conduits acheminant l’eau. Ces canaux permettent à la plante de former de véritables racines, de les enfoncer dans le sol et de puiser par l’intermédiaire de ces racines l’eau et les sels minéraux qui ne sont pas encore remontés en surface. »(p69) REICHHOLF J*. 1992. L’émancipation de la vie. Flammarion *(professeur de biologie et d’écologie à l’université de Munich)
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2 - Minéraux et nutrition végétale Tous les minéraux ont des fonctions spécifiques biens connues qui ne peuvent être remplies en cas d’approvisionnement insuffisant.
« 8 micronutriments (ou éléments traces) sont essentiels pour une croissance saine des plantes supérieures. Si un ou plusieurs des ces éléments viennent à manquer, les cultures ne pourront atteindre leurs rendements maximum, et la qualité de la production sera dégradée. » « L’incidence générale, et notamment la sensibilité aux maladies, des déficiences en micronutriments est sur le point d’augmenter en raison de l’intensification de l’agriculture. Dans beaucoup de situations cela nécessitera des applications régulières de fertilisants à base de micronutriments. » « La composition de ces cultures en micronutriments est également importante afin de fournir les apports adéquats aux populations. » Tendances futures dans les besoins des cultures en micronutriments. in ALLOWAY,B. 2008. Micronutrients deficiencies in global crop production. Springer
• Sensibilité accrue des plantes aux maladies en raison des carences. • Diminution de la teneur en minéraux des plantes, essentiels à la santé des populations. 13
2 - Minéraux et nutrition végétale Tous les minéraux ont des fonctions spécifiques biens connues qui ne peuvent être remplies en cas d’approvisionnement insuffisant. Sensibilité des légumes aux carences en minéraux (H: élevée, M: moyenne, L: faible) in BELL & DELL. Micronutrients for sustainable food. IFA. 2008.
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2 - Minéraux et nutrition végétale Les mécanismes d’absorption des minéraux sont complexes et font intervenir les champignons et bactéries présents dans le sol, constituants de la rhizosphère*. « Les végétaux appuient leur système racinaire sur une symbiose avec les champignons (symbioses mycorhiziennes) présents dans le sol. En échange de carbone et d’énergie, ils mettent à disposition des racines une fraction importante des minéraux présents dans le sol. On peut dire que ces symbioses constituent un phénomène fondamental et universel dans le monde vivant. » FORTIN & al. Les mycorhizes, la nouvelle révolution verte. Quae. 2008.
Représentation schématique d’un apex racinaire mycorhizé par un champignon
• Augmentation de la surface racinaire (Racines seules : 1m², avec réseau mycélien : 11m²). • Action biochimique sur les minéraux présent dans le sol (dissolution, chélation) indispensable à leur absorption par les plantes. 15
2 - Minéraux et nutrition végétale Facteur économique
Facteur agronomique
Facteur écologique
• Prix des engrais NPK
• Sensibilité aux maladies liées à des carences
• Lessivage des engrais
• Pertes de rendement liées aux carences • Baisse de la qualité des récoltes
• Prise en compte limitée de la rhizosphère dans les transferts de minéraux
• Utilisation nécessaires de pesticides •Faible valeur nutritionnelle des récoltes
Quelles techniques de fertilisation et pratiques agronomiques pour répondre à ces problématiques ? 16
3 – Minéraux, du sol à l’assiette
“ Un apport adéquat et équilibré de minéraux à partir des produits agricoles n’a jamais été un but explicite des entreprises agricoles ou des politiques gouvernementales. ” Ross WELCH, Laboratoire Plantes, sol et nutrition. Cornell University 17
3 – Minéraux, du sol à l’assiette L’exemple du sélénium en Finlande Problème
Solution
Résultat
Niveau de sélénium trop bas dans l’alimentation de la population en raison d’une faible teneur des sols et donc des récoltes. Dans le but d’améliorer les apports de Sélénium, le gouvernement finlandais a lancé un programme d’enrichissement des fertilisants NPK. (16mg de Sélénium/kg) De 1984 à 1985, après l’introduction du sélénium dans les fertilisants, son apport pour les populations augmenta de 35mg/personne à 110mg/personne.
D’autres pays on suivant cette méthode comme la Turquie avec le Zinc et l’Inde avec le Bore. 18
3 – Minéraux, du sol à l’assiette Transfert des minéraux du sol à la plante Altérations chimiques et altérations mécaniques des roches sont les moteurs de l’approvisionnement en minéraux des sols. Les éléments minéraux sont prélevés par la plante dans la solution du sol sous forme ionique. Les rhizobactéries et les mycorhizes exercent une action très significative sur la dissolution d’éléments minéraux et contribuent à la nutrition minérale de la plante.
Le sol, interface fragile.Edition Inra. 1998 19
3 – Minéraux, du sol à l’assiette
Alimentation
Transfert des minéraux dans la chaîne alimentaire Fonction énergétique : Glucides, lipides, protéines Fonction de constitution et entretien des tissus : Protéines, lipides, minéraux (Ca et P) Fonction de régulation du métabolisme : Minéraux, Vitamines
« Nous avons besoin d’énergie, sous forme de lipides et glucides, mais nous avons aussi besoin de plus ou moins 50 minéraux, et tous les êtres vivants en ont besoin. Si vous ne les avez pas, c’est comme ne pas mettre d’huile dans votre voiture, vous devez consommer plus d’énergie et au final vous détruisez la mécanique. » Bruce AMES, Université de Berkeley, spécialiste des micronutriments 20
3 - Minéraux et nutrition végétale Quels leviers d’action pour réduire les carences ? Biofortification des cultures par approche génétique
Compléments intégrés à la nourriture elle-même
Biofortification des récoltes par fertilisation des cultures
Changement des habitudes alimentaires
FARDEAU & EVEILLARD, Quels liens entre fertilisation et alimentation, voire la santé humaine. UNIFA. 2009
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3 – Minéraux, du sol à l’assiette Un lien entre apport de minéraux aux cultures et la santé humaine En plus de s’intéresser à la question des rendements des cultures, il sera nécessaire de s’interroger sur les bénéfices nutritionnels qui seront apportés. Welch et Graham (2005)* estiment que les systèmes de production agricole doivent être plus que de simples producteurs de glucides, en considérant les niveaux de disponibilités d’autres nutriments essentiels, notamment les minéraux et les vitamines. (...) L’amélioration de la qualité nutritionnelle des cultures peuvent être réalisées par des procédés agronomiques et des améliorations variétales. Ces stratégies peuvent être utilisées pour améliorer la densité en minéraux des récoltes, et par conséquent accroitre les apports de l’alimentation. Un intérêt marqué des producteurs pour des cultures enrichies en minéraux pourrait se développer en parallèle de marchés demandeurs d’aliments riches en nutriments. De tels marchés existent déjà en Europe ou aux Etats-Unis. P 102 *WELCH &GRAHAM.2005. Agriculture: the real nexus for enhancing bioavailable micronutrients in food crops. Journal of Trace Elements in Medicineand Biology 18: 299-307.
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Conclusion Ce rapide aperçu démontre le rôle fondamental des minéraux à tous les niveaux du monde vivant. Plantes, animaux et humains en sont dépendants. Ils s’agit donc de limiter toute situation de carences aux cultures en apportant ces minéraux qui manquent mais également de stimuler la vie bactérienne des sols afin de recycler au mieux les éléments présents. Enfin il importe de considérer la nutrition comme élément clé de la santé, et s’assurer que l’organisme dispose de ce dont il a besoin pour un fonctionnement « optimal » et notamment des minéraux.
« Confronté à des problèmes écologiques et placé devant ses responsabilités nourricières, le secteur agricole pourrait évoluer profondément. Il s’efforcerait ainsi de mieux équilibrer ses productions végétales et animales en fonction des besoins nutritionnels de l’homme. Les critères de qualité nutritionnelle pourraient devenir déterminants dans la sélection génétique ou pour déterminer les meilleurs modes possibles d’agriculture et d’élevage. » Christian Rémésy, directeur de recherche INRA, APRIFEL 2007 23
Un sujet d’actualité ... et d’avenir IFA International Symposium on Micronutrients New Delhi, India, February 2004
3èmes journées de la fertilisation UNIFA
XVI International plant nutrition colloquium
Reims, Février 2009
Sacramento, USA, August 2009
General sessions : -Nutrient Management for Optimal Productivity and Sustainability - Plant Nutrition for Human 24 Health
L’exemple Terrena Statut Coopératif 25000 adhérents CA : 3,3 Md d’euros
Assemblée générale 2008 : Nouveau modèle économique et évolution culturelle vers la nutrition santé : Terrena projette son avenir pour 2015.
Défis du XXIè siècle :
À la question : « Pouvez-vous me dire quel est
•Nourrir une population mondiale en forte croissance •Le renchérissement du prix des intrants non renouvelables •Le réchauffement climatique •Les limites du « tout chimique »
selon vous le comportement le plus important pour préserver votre santé ? »
76 % des personnes répondent « Une alimentation variée, saine et équilibrée. » (TNS Sofres, février 2008)
L’agriculture écologiquement intensive : - Accroître les rendements en limitant les intrants non renouvelables et l’énergie - Améliorer les qualités nutritionnelles, sanitaires et gustatives des aliments - S’adapter au changement climatique tout en contribuant à le limiter. 25
Nutrition des plantes et nutrition humaine, l’influence des minÊraux Emmanuel Poisson-Quinton Juin 2009 mpoissonquinton@hotmail.com
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