Les systèmes racinaires ont pour fonction essentielle l'absorption de l'eau et des nutriments dont les plantes ont besoin.

Ce n'est pas une mission facile! En effet :

• Le volume de sol à prospecter pour récupérer l'eau et les nutriments est très grand : certaines plantes doivent aller chercher de l'eau à plusieurs dizaines de mètres de profondeur.

• La structure complexe du sol cache ces ressources dans des sites difficiles d'accès, dans des pores micrométriques à centimétriques plus ou moins connectés entre eux. Le sol peut également opposer des obstacles physiques majeurs au développement du système racinaire : par exemple, la couche extrêmement compacte d'une semelle de labour est très difficile à pénétrer par les racines.

• La répartition dans l'espace de ces ressources varie énormément dans le temps : juste après de grosses pluies, l'eau est surtout disponible en surface, alors qu'en saison sèche elle ne sera présente que plus en profondeur et dans des pores de plus en plus petits. Les nutriments issus de la minéralisation de la matière organique seront présents là où cette matière a été décomposée : plutôt en surface lorsqu'il y a une couche de litière, ou dans la couche de terre labourée lorsque les résidus sont incorporés par le travail du sol. D'autres nutriments doivent être cherchés en profondeur dans les minéraux primaires des roches ; enfin d'autres sont apportés par les engrais selon des modalités d'épandage variables.

• Ces ressources ne présentent pas les mêmes contraintes et ne sont pas absorbées par les mêmes mécanismes: si l'eau est absorbée selon des lois physiques, en créant un gradient de potentiel hydrique entre les feuilles, en interface avec l'atmosphère, et la zone racinaire, les nutriments peuvent être récupérés de manière active, avec des transporteurs ioniques régulés à la surface des racines, et la création de structures particulières pour aller chercher ces nutriments là où ils sont. Or ces nutriments peuvent opposer des obstacles à l'absorption. L'ion nitrate est un ion très mobile dans le sol et peut être absorbé même s'il se trouve à une dizaine de cm d'un poil absorbant de racine, mais il n'en est pas de même pour les phosphates, très peu mobiles et facilement fixés par les minéraux du sol. L'absorption de phosphates nécessite donc la mise en place de mécanismes racinaires très spécifiques.

• Les racines d'une plante ne sont pas seules dans le sol : elles y rencontrent des machines agricoles de travail du sol, qui peuvent les découper, des racines d'autres plantes, avec lesquelles elles peuvent être en compétition, des microorganismes et animaux avec lesquelles elles peuvent être en association mutualiste mais aussi des microorganismes pathogènes et des animaux rhizophages (nématodes herbivores, larves d'insectes...) qui vivent à leurs dépens.

En réponse aux multiples défis posés par cette mission difficile, les systèmes racinaires sont complexes, avec plusieurs types de racines aux fonctions différentes, et dynamiques : ils se renouvellent et se restructurent beaucoup au cours du temps. Les racines les plus fines ont ainsi une durée de vie très courte, parfois de moins d'un mois ; et l'ensemble des racines fines d'une plante pérenne se renouvelle généralement au moins 2 fois dans une année. Cette perpétuelle mortalité et reconstruction racinaire représente une entrée très importante de matière organique dans le sol, et donc une grande source d'énergie et de nutriments pour les organismes du sol.

On observe une diversité de stratégies racinaires pour l'acquisition des nutriments, dont voici quelques exemples :

• Au niveau physiologique, de nombreux mécanismes actifs : transporteurs, canaux ioniques permettent aux racines de favoriser ou défavoriser l'absorption des différents solutés présents dans l'eau du sol.

• La structure des zones proches de l'apex racinaire peut inclure de fins poils absorbants. Ces poils augmentent de façon très importante la surface de contact entre la racine et le sol, et peuvent pénétrer dans des pores plus fins que les racines elles-mêmes. C'est notamment une arme efficace pour l'absorption du phosphore. Une autre structure particulière développée pour améliorer l'acquisition du P est celle des racines dauciformes et protéoïdes, présentes chez certaines plantes comme les lupins par exemple : chez ces plantes, certaines structures racinaires se dotent d'une profusion de radicelles latérales très resserrées dans un petit espace, de manière à concentrer les efforts sur une petite poche de sol.

• Les exsudats racinaires peuvent contenir de nombreuses molécules permettant de manipuler l'environnement de la racine pour favoriser la disponibilité de nutriments : en modifiant le pH, en s'adsorbant préférentiellement sur les surfaces organo-minérales pour désorber les nutriments, en chélatant certains éléments (le fer par exemple), ou en nourrissant des microorganismes bénéfiques capables de dégrader des substrats organiques variés...

• L'association avec des microorganismes peut aller jusqu'à une symbiose étroite, comme les symbioses rhizobiennes (voir le grain "les symbioses rhizobiennes") et les symbioses mycorhiziennes (voir le grain " les symbioses mycorhiziennes"). Dans ces associations, la plante offre aux microorganismes de l'énergie issue de la photosynthèse, tandis que les microorganismes assurent une partie plus ou moins importante de l'acquisition de nutriments.