Introduction

1La recolonisation des sols par les végétaux après une exploitation minière est un défi de taille non seulement pour les sociétés minières, qui se sont engagées à les restaurer, mais aussi pour les scientifiques voulant comprendre la complexité des mécanismes qui régissent le fonctionnement de cet écosystème particulier. En effet, plusieurs études ont rapporté que les sols, après l’extraction des minerais, deviennent extrêmement pauvres en éléments nutritifs, ce qui les rend impropres à l’installation et au développement de la majorité des espèces végétales (L’Huillier et al., 2010). Le secteur minier de grande envergure étant en pleine croissance à Madagascar (Canavesio, 2014), la perte de la biodiversité et la dégradation de l’environnement sont à craindre.

2Le choix des espèces végétales à implanter sur les sites miniers doit impérativement tenir compte de leur capacité adaptative et de leur résistance aux contraintes extrêmes de tels sites (L’Huillier et al., 2010). Ces espèces, bien que très rares, s’avèrent être des alliées efficaces pour amorcer le processus de restauration écologique de l’écosystème minier (Liu et al., 2014). Elles sont, pour la plupart, qualifiées de « facilitatrices » car leur présence, même transitoire, améliore les conditions du milieu et facilite l’installation et le développement des espèces qui vont leur succéder (Henry et al., 2017).

3Les mécanismes microbiologiques sont très peu exploités dans le phénomène de facilitation « plante-plante » (Houles, 2017). Or, il a été maintes fois rapporté dans la littérature que dans les environnements arides, et/ou fragiles et stressés, la composante biologique du sol joue un rôle fondamental du fait de ses interactions exceptionnelles avec les plantes (Roger-Estrade, 2013). Ainsi, les champignons mycorhiziens sont connus pour leur aptitude à établir des relations symbiotiques avec 95 % des plantes, dont les principaux bénéfices sont : l’amélioration de la nutrition minérale (phosphore et azote) et hydrique, l’amélioration de la structure du sol par la présence des hyphes extra-matriciels et la stimulation des autres micro-organismes bénéfiques par la production de substances spécifiques (Asmelash et al., 2016).

4Concernant l’écosystème minier de Fort-Dauphin à Madagascar (notamment sur le site minier de Mandena), une attention particulière a été portée dans cette étude sur une espèce native, Mimosa latispinosa Lam. (Fabaceae ou Leguminosae). Des études précédentes ont en effet montré que cette espèce est capable de s’adapter aux conditions drastiques du sol après exploitation minière ; elle est également reconnue pour sa capacité à former des relations symbiotiques à la fois avec les rhizobia (bactéries fixatrices d’azote atmosphérique) et les champignons endomycorhiziens à arbuscules (MA) (Sarasin, 2011).

5L’objectif principal de cette étude a été de suivre la dynamique temporelle des MA associés à l’espèce M. latispinosa implantée sur des sols déminéralisés après extraction des minerais. Pour ce faire, les objectifs spécifiques étaient d’évaluer à trois âges différents, d’une part, la densité des spores contenues dans le sol et, d’autre part, leur diversité spécifique.

Matériels et méthodes

Prélèvement des échantillons

6Les échantillons de sol ont été prélevés à une profondeur de 0 à 20 cm dans le site minier de Mandena (S 24°56′56.33″ ; E 46°59′54.08″, à une altitude de 7 m au-dessus du niveau de la mer) à partir de trois parcelles revégétalisées avec M. latispinosa et âgées respectivement de six mois, un an et trois ans. Les échantillons de sol provenant de la forêt conservée dans le site minier de Mandena ont été utilisés comme « sol de référence ».

7Pour chaque parcelle, l’échantillonnage a été réalisé au hasard avec quatre points différents de prélèvement afin d’assurer la meilleure représentativité. Ces quatre prélèvements de sol ont été mélangés dans un container stérile, et ce mélange constitue alors l’échantillon composite de la parcelle. Cette opération est répétée trois fois par parcelle.

Analyses chimiques des sols

8Les propriétés chimiques de l’ensemble des sols ont été analysées de la manière suivante. Le pH a été mesuré par électrométrie dans une suspension sol-solvant (1 : 2,5 ; v/v). Le carbone organique total (C) a été dosé par oxydation avec du dichromate de potassium (K₂Cr₂O₇), en présence d’acide sulfurique (H₂SO₄) concentré. L’azote total a été déterminé par la méthode de Kjeldahl décrite par Pauwels et al. (1992). Le phosphore assimilable a été déterminé par la méthode Bray II qui combine extraction du phosphore en milieu acide (HCl 0,1 N) et complexation par le fluorure d’ammonium (NH₄F 0,03 N) de l’aluminium lié au phosphore.

Extraction et dénombrement des spores

9Les spores de MA ont été extraites selon la méthode de tamisage humide décrite par Sieverding (1991). Ainsi, 100 g de sol préalablement séché à l’air ambiant pendant 72 heures ont été tamisés avec des tamis moléculaires de mailles différentes (200 μm, 100 μm, 80 μm et 50 μm), sous un jet d’eau permanent. Chaque fraction de sol retenue dans les différents tamis a été récupérée dans des tubes à centrifuger de 50 ml. Deux séries de centrifugation ont été ensuite réalisées : une première série avec de l’eau distillée stérilisée à 5 000 tours pendant 5 minutes et une deuxième série avec une solution de saccharose à 60 % à 1 000 tours pendant 3 minutes. Les spores qui ont migré par gradient de concentration vers le surnageant ont été récupérées sur du papier Wattman n° 1 quadrillé à travers un appareil de filtration millipore.

10L’observation et le comptage des spores ont été réalisés au microscope (grossissement × 400). Les spores ont été comptées selon leur taille (200 μm, 100 μm, 80 μm et 50 μm) et classées en morphotypes selon leur couleur (noir, brun, marron, jaune, blanc). La densité totale des spores est exprimée en nombre de spores/100 g de sol sec.

Identification des spores

11La description morphologique des spores a été réalisée selon le nuancier standardisé de couleurs des champignons Glomales établi par l’International Culture Collection of (Vesicular) Arbuscular Mycorrhizal Fungi (Invam, https://invam.wvu.edu/).

12Pour l’identification anatomique, une seule spore intacte par morphotype a été montée sur une lame de verre et colorée avec du polyvinyl lactophénol (PVLG) (1 : 1), puis observée afin de décrire son aspect externe. Ensuite, une autre spore du même morphotype a été montée entre lame et lamelle, broyée, colorée avec une solution de PVLG contenant du réactif de Meltzer, puis observée au microscope afin de décrire ses caractères anatomiques (Azcon-Aguilar et al., 2003).

13Les critères de Muthukumar et al. (2009) et de l’Invam ont été utilisés pour l’identification des spores. Ces critères prennent en compte la morphologie, la disposition, la taille, la forme, la couleur des spores, les formes des hyphes sous-jacentes, l’ornementation des murs qui constituent leur paroi, les structures des couches murales et leur réaction aux différentes colorations ainsi que le contenu des spores.

Évaluation de la diversité spécifique des MA

14La diversité des MA a été évaluée en calculant la fréquence relative (fi) et les indices de diversité de Shannon-Weiner (H’), selon les formules suivantes :

Analyses statistiques

15Pour toutes les variables étudiées, une analyse de variance a été effectuée. Les données ne répondant pas aux hypothèses de l’analyse de variance (normalité, homoscédasticité) ont été transformées 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 est de p < 0,05. Les analyses statistiques ont été effectuées avec le logiciel XLSTAT 2018.

Résultats

Propriétés chimiques des sols

16Les propriétés chimiques des sols montrent une évolution après la colonisation du sol par M. latispinosa (tabl. 1). Une nette amélioration de ces propriétés est en effet observée après trois ans de culture de M. latispinosa. Les teneurs en azote (N) et en carbone (C) des sols dépassent largement celles du sol de référence (sol de la forêt de la zone de conservation) avec respectivement une teneur en azote de 0,175 % contre 0,126 % et une teneur en carbone de 2,14 % contre 1,66 %. Par ailleurs, une augmentation progressive du pH du sol déminéralisé (pH = 3,29) est également enregistrée avec l’installation de M. latispinosa.

Identification des spores

17L’identification morphotypique des spores issues des sols de Mandena montre qu’elles appartiennent à trois familles : (1) la famille des Glomeraceae avec quatre espèces – Glomus hoi, Funneliformis coronatum, Funneliformis mosseae, Rhizophagus intraradices –, (2) les Gigasporaceae avec Gigaspora sp. et (3) les Acaulosporaceae avec Acaulospora sp.

Densité et diversité des spores

18Les résultats montrent une augmentation de la densité des spores de MA avec le temps (fig. 1). Une différence significative de la densité totale des spores est observée dès la première année de colonisation du sol par M. latispinosa, et cette densité augmente significativement d’année en année passant ainsi de 265 spores/100 g de sol après six mois de culture à 1 168 spores/100 g de sol après trois ans de colonisation. Le sol déminéralisé renferme la densité totale la plus faible avec 59 spores/100 g de sol tandis que le sol forestier de la zone de conservation renferme la densité la plus élevée (2 921 spores/100 g de sol).

19Par ailleurs, trois espèces de MA sont toujours présentes dans le sol déminéralisé (F. mosseae, G hoi et R. intraradices). Bien que la densité de leurs spores soit faible comparée à celles dans les autres sols, il existe une relative codominance entre ces trois espèces dans les sols déminéralisés, surtout entre G. hoi et R. intraradices dont les fréquences relatives respectives sont de 38,20 % et 53,50 % (tabl. 2).

Figure 1 – Évolution dans le temps des espèces présentes dans les sols sous Mimosa latispinosa. A : Acaulospora sp., B : Funneliformis mosseae, C : Glomus hoi, D : Funneliformis coronatum, E : Rhizophagus intraradices

20Après la mise en culture de M. latispinosa, deux nouvelles espèces de MA (Acaulospora sp. et F. coronatum) apparaissent dans le sol. La densité de leurs spores augmente la première année puis diminue fortement la troisième année (fig. 1A et 1D). G. hoi est de plus en plus dominante au cours du temps (fig. 1C), atteignant une fréquence relative importante, de 90,93 %, la troisième année de culture (tabl. 2). En revanche, les densités des spores de F. mossae et R. intraradices n’évoluent pas et ne sont pas significativement différentes de celles rencontrées dans le sol déminéralisé (fig. 1B et 1E).

21Le sol sous culture de M. latipinosa depuis un an présente l’indice de diversité de Shannon-Wiener le plus élevé (1,448) suivi du sol cultivé depuis six mois et du sol forestier, avec des valeurs respectives de 1,115 et de 1,231 (tabl. 2). Le sol sous M. latispinosa depuis trois ans présente l’indice le plus faible (0,566). Il n’existe aucune différence significative entre les indices de diversité des sols colonisés par M. latispinosa depuis six mois, un an et le sol forestier. Cependant, l’indice de diversité des MA dans le sol colonisé par M. latispinosa pendant trois ans a diminué significativement.

Discussion

22Associées à des micro-organismes bénéfiques, tels que les bactéries fixatrices d’azote et les champignons mycorhiziens pour certaines espèces, les légumineuses, comme M. latispinosa, ont la capacité de se développer sur des écosystèmes fortement dégradés. Par ailleurs, leur utilisation dans les programmes de restauration est généralement conseillée (Chaer et al., 2011). Notre étude a évalué l’évolution temporelle de la diversité des MA associés à M. latispinosa sur des sols déminéralisés après exploitation minière. En effet, parmi les micro-organismes interagissant avec les plantes, les MA jouent un rôle important dans la résistance et la survie des plantes dans ces milieux difficiles (Duponnois et al., 2010). Cependant, notre étude montre que la déminéralisation du sol a un fort impact sur la densité et la diversité de ces champignons.

23Par ailleurs, l’installation et le développement de M. latsipinosa induisent une augmentation significative au cours du temps de la densité des spores de MA. Toutefois, cette densité, même après trois années de culture, n’atteint pas celle des sols forestiers. Cela pourrait être lié à la diversité végétale relativement plus élevée dans la forêt (Xiang et al., 2014).

24L’identification des spores a mis en avant la famille des Glomeraceae. En effet, les espèces de cette famille, à laquelle la majorité des MA appartiennent, sont reconnues comme bien adaptées aux environnements soumis à des perturbations et à des stress (Bencherif et al., 2015). Trois espèces de cette famille (F. mosseae, G. hoi et R. intraradices) sont ainsi toujours présentes, bien qu’en faibles quantités, dans le sol déminéralisé.

25Une fois M. latispinosa mise en culture, deux espèces (F. coronatum et Acaulospora sp.) apparaissent et sporulent activement dès la première année de colonisation, puis la densité de spores diminue significativement lors de la troisième année de colonisation. En revanche, Gigaspora sp., pourtant présente dans le sol forestier, n’apparaît pas dans les sols après trois années de culture de M. latispinosa. Ces résultats s’accordent avec ceux de Maherali et Klironomos (2012) ; ces auteurs ont, en effet, mis en évidence que les espèces des Gigasporaceae présentent une colonisation limitée et lente et que, inversement, les espèces des Glomeraceae colonisent rapidement et largement les racines. La compréhension des traits d’histoire de vie des champignons endomycorhiziens – c’est-à-dire leur capacité de colonisation, de dispersion et de tolérance face aux stress – est donc indispensable pour l’amélioration sur le long terme des programmes de restauration des écosystèmes miniers (Guo et al., 2019).

26Une augmentation significative de la densité de G. hoi après la mise en culture de M. latispinosa a également été mise en évidence. Ainsi, après trois ans de colonisation, une forte dominance de G. hoi est observée avec une fréquence relative de plus de 90 %. Cette dominance pourrait être expliquée par l’amélioration de la teneur en azote induite par la présence de M. latipinosa. En effet, Hodge et Fitter (2010) ont montré qu’un enrichissement en azote entraînait une prolifération des spores de petites tailles comme Glomus. D’un point de vue plus spécifique, Barrett et al. (2011) ont mis en évidence une implication directe de G. hoi dans la minéralisation de l’azote à partir de résidus organiques. Cette dominance quasi exclusive de G. hoi dans les sols sous M. latispinosa âgés de trois ans explique les faibles valeurs de l’indice de Shannon-Wiener. En effet, une communauté dominée par une espèce aura un coefficient inférieur à celui d’une communauté où toutes les espèces co-dominent (El Aymani et al., 2019).

27La monoculture de M. latispinosa lors de ces essais pourrait également être à l’origine de la dominance de G. hoi, puisque la composition de la communauté de champignons peut être fortement influencée par l’espèce-hôte (Lin et al., 2015).

Conclusion

28Cette étude a mis en évidence la dynamique (densité et diversité) des espèces de MA associées à M. latispinosa mise en culture sur des parcelles de sol déminéralisé et ce, dans l’écosystème minier de Mandena à Fort-Dauphin (Madagascar). La présence de M. latispinosa sur le sol déminéralisé a amélioré ses propriétés chimiques. Il convient tout de même de souligner que d’autres études sur la toxicité et la structure physique des sols seraient nécessaires pour compléter ces résultats.

29Cette étude a également montré que, malgré l’amélioration des qualités chimiques des sols à réhabiliter, la culture monospécifique de M. latipinosa entraîne, après trois années, une diminution de la diversité des MA, avec une nette dominance de G. hoi par rapport aux autres espèces.

30Les résultats de cette étude sont pionniers. Pour renforcer les processus de restauration écologique d’un écosystème minier, il est indispensable de continuer les recherches sur les mécanismes qui régissent la dynamique des micro-organismes bénéfiques dans un sol déminéralisé seront nécessaires.