Introduction

1Les exploitations minières ont des conséquences significatives sur l’environnement, entraînant la destruction des écosystèmes naturels et des risques de pollution ; elles peuvent également menacer les zones agricoles (Le Roux, 2002). Au terme d’une exploitation minière, une absence totale de sol arable, au sens pédologique et/ou biologique, est généralement constatée (Bradshaw, 1983). C’est pourquoi les acteurs de l’environnement cherchent comment faciliter la réhabilitation écologique de tels sites et comment accélérer les processus naturels de succession afin d’accroître la productivité biologique, de réduire les taux d’érosion des sols, d’augmenter leur fertilité et de renforcer le contrôle biotique des flux biogéochimiques au sein des écosystèmes en cours de restauration (Parrotta, 1992).

2Le choix des espèces végétales à prioriser durant la première étape du processus de restauration écologique est un critère essentiel qui peut avoir une influence significative sur la réussite de la revégétalisation de ces sites (Pidwirny, 2006). En effet, les espèces végétales sélectionnées doivent être non seulement capables de tolérer les conditions pédoclimatiques extrêmes des sites concernés mais aussi de s’y développer pour créer de nouveaux micro-habitats favorables à l’installation des nouvelles espèces (Manaut et al., 2013). Parmi elles figurent quelques espèces arbustives pionnières, parfois baptisées « espèces cicatricielles », qui sont les premières à coloniser les sols dégradés (Pidwirny, 2006). Selon la théorie de la succession végétale, certaines espèces végétales pionnières peuvent agir comme des plantes facilitatrices vis-à-vis des plantules d’autres espèces ligneuses qui vont leur succéder (Baohanta et al., 2012).

3Ces plantes facilitatrices ou « plantes nurses » font l’objet de plusieurs études dans le cadre de programmes de restauration écologique (Baohanta, 2011 ; Houles, 2017 ; Danet et al., 2017 ; Bordez et al., 2018). En effet, ces plantes sont capables de restaurer les propriétés du sol par la stimulation des micro-organismes rhizosphériques ou par l’amélioration de sa qualité physicochimique, permettant ainsi l’installation d’autres espèces végétales. Ces espèces sont donc directement impliquées dans l’amélioration et le maintien de la fertilité des sols (Wezel et al., 2000), via la formation d’îlots de fertilité qui favorisent l’activité microbienne du sol au niveau de la rhizosphère (Duponnois et al., 2001 ; Ramanankierana et al., 2006 ; Parraga-Aguado et al., 2013).

4Ainsi, connaître les caractéristiques du sol rhizosphérique d’une espèce – surtout lorsqu’il s’agit d’une espèce native – est un moyen efficace pour évaluer son potentiel dans une restauration écologique. En effet, les plantes natives caractéristiques d’une zone minière ont développé, au travers de la sélection naturelle, une tolérance au stress environnemental spécifique de la zone en plus de s’être adaptées au climat local (Liu et al., 2014). Dans ce contexte, cette étude a pour objectif de caractériser le fonctionnement microbien des sols rhizosphériques de cinq espèces végétales caractéristiques de l’écosystème minier de Mandena à Madagascar. À terme, la finalité sera d’exploiter leur potentialité dans la mise en place d’un scénario de restauration écologique de cet écosystème minier en les combinant avec d’autres données telles que l’historique de l’écosystème, l’écologie des plantes et des micro-organismes bénéfiques, les paramètres sociaux, etc.

Matériels et méthodes

Prélèvements des échantillons de sol rhizosphérique

5Les sols rhizosphériques de cinq espèces, trois pionnières (Phillipia floribunda, Vernoniopsis caudata et Polyscia ornifolia) et deux non pionnières (Vaccinium emirnense et Morella spathulata), ont été prélevés dans le site de Mandena Fort-Dauphin. Pour chaque espèce, le prélèvement a été effectué sous trois pieds différents. Pour chaque pied, trois prélèvements ont été effectués à des points différents. Les trois échantillons de sol ont été mélangés afin d’obtenir un sol composite. Au laboratoire, les sols ont été conservés à température ambiante à l’abri du soleil. Le sol forestier de la zone de conservation1 et le sol déminéralisé ont servi de témoins.

Mesure de l’activité microbienne globale des sols

6La méthode décrite par Schnürer et Rosswall (1982) a été utilisée pour mesurer l’activité microbienne des échantillons de sol. Le substrat d’hydrolyse est la fluorescéine di-acétate (FDA, Sigma F7378), mise en solution dans de l’acétone pure (concentration finale de 1 mg.ml^-1).

7L’opération consiste à mesurer la quantité de fluorescéine produite pendant 1 heure d’incubation à 30 °C par le mélange composé de l’échantillon de sol (1 g) et du substrat (FDA) en présence d’une solution tampon (potassium phosphate, pH = 7,6).

8Les réactions ont été arrêtées en ajoutant de l’acétone pure pour une concentration finale du mélange égale à 50 % (v/v), après une heure d’incubation à 30 °C sous agitation. Après centrifugation (5 mn à 10 000 tours/mn), les surnageants ont été récupérés par filtration sur du papier Wattman n° 1. L’absorbance des surnageants a été mesurée à 490 nm ; une gamme étalon de fluorescéine de concentration connue a été réalisée dans les mêmes conditions expérimentales. L’activité microbienne globale par type de sol est exprimée en microgrammes de fluorescéine libérés par heure et par gramme de sol (µg de fluorescéine.h^-1.g^-1 de sol).

Mesure de l’activité phosphatasique acide des sols

9L’activité des phosphatases du sol a été déterminée selon la méthode décrite par Tabatabai et al. (1982) modifiée par Schinner et al. (1995). Le substrat d’hydrolyse est le p-nitrophényl phosphate (p-NPP) (Sigma 104-O phosphatase substrate) mis en solution dans de l’eau déminéralisée stérilisée (concentration finale 5 mM).

10Les mélanges constitués par le substrat, l’échantillon de sol et la solution tampon (tampon universel modifié, à pH 6) ont été incubés à 37 °C sous agitation pendant une heure. La réaction a été arrêtée par l’ajout d’une solution de NaOH 0,5 M. Après centrifugation (5 mn à 10 000 tours.mn^-1) et filtration sur papier Wattman n° 1, la quantité de p-nitrophénol produite a été mesurée au spectrophotomètre (longueur d’onde de 400 nm). La teneur en p-nitrophénol produite a été calculée à partir de l’équation de régression linéaire (y = ax + b) obtenue à partir d’une courbe étalon. L’activité des phosphatases est exprimée en µg de p-nitrophénol.g^-1.h^-1.

Évaluation du nombre le plus probable de propagules

11La richesse d’un sol en propagules endomycorhiziennes capables d’infecter les racines de plantes-hôtes est déterminée par la méthode du « nombre le plus probable » (NPP). Cette méthode consiste à déterminer la présence ou l’absence de champignons endomycorhiziens dans les racines de plantes endomycotrophes, ici le sorgho. Des graines pré-germées de sorgho ont été plantées sur chacun des types de sols dilués à l’aide de sable déminéralisé stérilisé (Kuszala et Gianinazzi, 2010). Après 21 jours de culture, les systèmes racinaires des plants de sorgho ont été récupérés et colorés selon la méthode de Phillips et Hayman (1970) puis découpés en fragments d’environ 1 cm. Dix fragments ont été ensuite montés entre lame et lamelle (dix répétitions par dilution). La présence ou l’absence d’une colonisation mycorhizienne a été établie pour chaque fragment de racine. Le NPP a été calculé par la formule suivante :

Log10 NPP = (x log a) – K

où x est la moyenne des godets mycorhizés, a le facteur de dilution et K est donné par la table de Fisher et Yates (1963).

Analyses statistiques

12Pour toutes les variables étudiées, une analyse de variance a été effectuée (Anova). Les ensembles de données ne répondant pas aux hypothèses de l’Anova (normalité, homoscédasticité) ont été transformés selon les besoins, mais les résultats sont présentés dans leur échelle de mesure originale. Les moyennes ont été comparées selon le test de Newman-Keuls. La signification statistique a été déterminée à p < 0,05. Les analyses statistiques ont été effectuées avec le logiciel XLSTAT 2018.

Résultats

Activité microbienne globale des sols

13Comme le montre la figure 1, l’activité microbienne globale du topsoil forestier de la zone de conservation se démarque significativement avec une activité de l’ordre de 132,18 µg de fluorescéine.h^-1.g^-1 de sol. Ensuite, vient le groupe formé par les sols sous Vernoniopsis caudata, Morella spathulata, Vaccinium emirnense et Polyscia ornifolia, avec des teneurs en fluorescéine libérées respectivement de 43,55 µg 44,10 µg ; 42,31 µg et 45,80 µg.h^-1.g^-1 de sol. Le sol sous Phillipia floribunda présente l’activité la plus faible (29,82 µg de fluorescéine.h^-1.g^-1 de sol) ainsi que le sol déminéralisé (15,64 µg de fluorescéine. h^-1.g^-1 de sol).

Figure 1 – Activité microbienne globale des sols.

Activité phosphatasique acide des sols

14La figure 2 montre l’activité de la phosphatase acide des différents sols rhizosphériques des espèces étudiées. Le sol sous l’espèce non pionnière Vaccinium emirnense a une activité phosphatasique significativement élevée par rapport aux autres sols avec 672,5 µg de p-nitrophénol.h^-1.g^-1 de sol. Les sols sous les espèces pionnières sont dans un même groupe avec des activités phosphatasiques significativement élevées comparées à celle du sol forestier de référence. Les valeurs pour Phillipia floribunda, Morella spathulata, Vernoniopsis caudata sont respectivement de 585,73 ; 583,13 µg et 533,56 µg de p-nitrophénol.h^-1.g^-1 de sol. Le sol sous Polyscia ornifolia et le topsoil de la forêt de la zone de conservation ont des activités significativement proches avec respectivement 173,98 et 220 µg de p-nitrophénol.h^-1.g^-1 de sol.

15Le sol déminéralisé a une activité significativement faible avec 11,74 µg de p-nitrophénol.h^-1.g^-1 de sol. Les sols sous Vaccinium emirnense, Phillipia floribunda, Morella spathulata et Vernoniopsis caudata présentent de meilleures activités que le sol de référence.

Figure 2 – Quantité de para-nitrophénol produite par heure et par gramme de sol rhizosphérique étudié.

Potentiel infectieux mycorhizogène des sols

16L’évaluation du potentiel infectieux mycorhizogène (PIM) des différents sols rhizosphériques (tabl. 1) a montré que le sol sous Polyscia ornifolia présente à la fois la densité de spores la plus élevée (3 609 spores/100 g de sol) mais aussi le nombre le plus probable de propagules (503,238 NPP/100 g de sol). Les autres espèces, pionnières ou non, ne présentent aucune différence significative que ce soit en termes de densité de spores ou de nombre le plus probable de propagules.

17Le sol déminéralisé ne présente quasiment plus de PIM, puisque la densité de spores ainsi que son NPP sont très faibles.

Discussion

18Concernant l’activité microbienne globale des sols, les résultats obtenus montrent que le topsoil de la forêt de la zone de conservation présente l’activité la plus élevée. Les sols rhizosphériques sous les espèces pionnières Polyscia ornifolia et Vernoniopsis caudata, montrent également des activités microbiennes globales élevées. Ces résultats sont en accord avec ceux d’Andriatahiana (2015) et de Baohanta (2011) qui ont mis en évidence une activité microbienne globale significativement élevée dans des sols rhizosphériques de certaines plantes pionnières. En effet, l’importance des espèces pionnières dans l’amélioration des propriétés des sols a largement été documentée.

19L’accent est généralement mis sur la capacité de ces espèces à former des îlots de fertilité grâce à la prolifération de micro-organismes au niveau de la rhizosphère (Ramanankierana et al., 2006 ; Duponnois et al., 2001). Cependant, Phillipia floribunda, une des espèces pionnières, diffère des deux autres car elle présente une activité significativement plus faible. Par ailleurs, Vaccinium emirnense, une Ericaceae non pionnière, présente une activité similaire à celle des espèces pionnières. En outre, l’activité microbienne globale d’un sol est influencée par ses caractères physicochimiques, le taux et la qualité de sa matière organique (Schnürer et Rosswal, 1982 ; Frankenberg et Dick, 1982) et par l’espèce qui le colonise (Cabugao et al., 2017). Une des caractéristiques des Ericaceae est de produire une litière riche en tanins qui engendre des accumulations de matière organique et des formes récalcitrantes d’azote dans les sols (Read et al., 2004), essentiellement mobilisées par les symbiotes éricoïdes (Cornelissen et al., 2001). Kraus et al. (2003) ont démontré que le tanin des Ericaceae peut influencer l’activité microbienne des sols en inhibant les enzymes extracellulaires et en rendant non disponibles certains substrats nécessaires à la croissance microbienne. D’après ces mêmes auteurs, la concentration en tanin peut varier selon l’espèce. C’est donc cette concentration en tanin qui pourrait être à l’origine de la différence des activités microbiennes.

20En ce qui concerne la phosphatase acide, les sols sous Ericaceae (Vaccinium emirnense et Phillipia floribunda) présentent des activités significativement élevées. Dans la nature, les phosphatases acides prédominent et montrent une minéralisation optimale du phosphore dans les sols acides (Olander et Vitousek, 2000 ; George et al., 2002 ; Doda et Tabatabai, 2003). Or, des études ont montré que la colonisation par les espèces d’Ericaceae entraînait une forte acidification du sol résultant généralement d’une libération de H⁺ dans l’espace symplastique via l’action des H⁺/ATPases (Álvarez et al., 2010 ; Kim et Guerinot, 2007). C’est donc cette acidification des sols qui pourrait être à l’origine de la forte activité dans les sols sous ces deux espèces. Pour les deux autres espèces pionnières, Vernoniopsis caudata et Morella spathulata, les résultats montrent des valeurs significativement supérieures à celles pour l’espèce secondaire Polyscia ornifolia. Ces résultats rejoignent encore ceux d’Andriatahiana (2015) et de Rabemanantsoa (2015) qui ont suggéré une activité importante de la phosphatase acide dans les sols sous les espèces pionnières. La production de phosphatases par les micro-organismes augmente la disponibilité des ions orthophosphates dans le sol (Marschne et al., 2011). Par conséquent, la présence de ces enzymes est d’une grande importance dans les programmes de revégétalisation (Garcia, 2000). La forte activité phosphatasique des espèces pionnières de l’étude (Phillipia floribunda, Vernoniopsis caudata) pourrait donc contribuer à l’amélioration de la teneur en phosphore des sols à restaurer.

21Le potentiel infectieux mycorhizogène d’un sol est d’une grande importance dans le cadre d’un projet de restauration des sols perturbés, notamment pour la valorisation des plantes facilitatrices (Sanon, 2005 ; Baohanta, 2011 ; Duponnois et al., 2013). Les espèces pionnières tiennent ainsi une place importante dans la restauration des potentialités mycorhizogènes des sols dégradés (Azcon-Aguilar et al., 2003). Les résultats obtenus au cours de cette étude ont ainsi mis en évidence que les sols sous l’espèce pionnière Polyscia ornifolia présentent à la fois la densité de spores et le NPP les plus élevés par rapport aux autres sols. De plus, les deux autres espèces pionnières induisent des valeurs de NPP similaires à celles du sol forestier bien que la densité des spores y soit significativement plus faible.

22La symbiose mycorhizienne joue un rôle important dans la survie des espèces végétales. En effet, cette association symbiotique donne à certaines plantes pionnières la capacité de coloniser des sols dégradés, fréquemment carencés en éléments nutritifs tels que le phosphore ou l’azote (Duponnois et al., 2007). Ainsi, l’installation d’espèces pionnières mycotrophes favoriseraient par la suite le développement d’autres espèces végétales via leur effet reconnu de « plantes nurses » (Azcon-Aguilar et al., 2003). Les trois espèces pionnières de cette étude présentent un potentiel mycorhizogène intéressant et pourraient donc être valorisées dans le projet de restauration du site minier de Mandena. Vernoniopsis caudata et Morella spathulata, déjà évaluées comme des espèces pionnières hautement mycotrophes (Ramanankierana et al., 2014), pourraient potentiellement jouer ce rôle de « plantes nurses ».

Conclusion

23Les résultats de la présente étude ont mis en évidence que les espèces pionnières étudiées (Phillipia floribunda, Vernoniopsis caudata et Morella spathulata) présentent des caractéristiques microbiologiques intéressantes. Cependant, ce sont surtout Vernoniopsis caudata et Morella spathulata qui disposent des bonnes caractéristiques microbiologiques (activités enzymatiques et richesse en propagules apte à générer une mychorization). Par ailleurs, le sol rhizosphérique de l’espèce non pionnière Vaccinium emirnense a des caractéristiques microbiologiques très intéressantes, similaires à celles des espèces pionnières. V. emirnense serait ainsi valorisable, au même titre que les espèces pionnières, dans un projet de restauration écologique. Enfin, Polyscia ornifolia est une source intéressante de propagules pour des inoculations futures. Ces résultats ouvrent des perspectives de valorisation des espèces pionnières natives de la région pour l’amélioration des propriétés microbiologiques des sols à restaurer et la création des conditions nécessaires à la succession végétale.