Les individus des différentes populations ( 25 individus
par population en général ) sont mis à enraciner sur des tubes à essai contenant de l'eau distillée. Après
quelques jours, des racines néoformées apparaissent
qu'on laisse se développer durant 5 jours. On mesure alors sur chaque individu la longueur de la plus longue racine néoformée. Pour chaque population, une m.oitié des individus est alors placée sur des tubes à essai conte nant la solution du métal toxique à la concentration désirée. L'autre moitié est mise à nouveau sur l'eau
distillée. Une seconde mesure est effectuée 5 jours après la première, ce qui permet de calculer l'accroissement radiculaire durant cette période. L' accroissem.ent moyen est calculé pour chaque population et pour chaque
traitement.
I.T. en % =
accroissement moyen des plus longues racines en 100 X solution toxique____________________________________________________________
accroissement moyen des plus longues racines en solution non toxique
Cet indice est la mesure de la tolérance de la population à la concentration de l'ion toxique considéré.
Les populations ont été transplantées depuis plusieurs années au Jardin Expérimental Jean Massart à Bruxelles avant d'être utilisées dans les expériences, de sorte que les interactions génotype-environnement peuvent être considérées comme inexistantes.
Dans certaines expériences le sel métallique est utilisé
en solution dans l'eau distillée, dans d'autres expérien ces une quantité constante de nitrate de calcium
( Ca(N
02)2
^ ^ ajoutée ainsi que lepréconisent Wilkins ( 1957 ) et Jowett ( 1958 ).
L'indice de tolérance moyen étant un rapport de deux moyennes, l'erreur standard ou l'intervalle de confiance
sont calculés par la méthode de Bliss ( 1967 ).
iD^îYi^22i2•
Identiquement à la méthode précédente, les individus
sont mis durant quelques jours en rhizogenèse. Une première jnesure de la plus longue racine néoformée est effectuée
et tous les individus de la population testée sont remis en culture sur l'eau distillée pendant 3 ou 5 jours ( en
fonction de l'espèce ). Une seconde mesure est faite, ce qui permet de calculer pour tous les individus de la population l'accroissement radiculaire sur solution non- toxique. Tous les individus sont alors cultivés pendant
un délai identique ( 3 ou 5 jours suivant les cas ) sur la solution toxique. Une troisième mesure de la plus longue racine de chaque individu permet de calculer enfin l'accroissement radiculaire sur solution toxique. On peut établir ainsi pour chaque individu, le rapport entre l'accroissement sur solution toxique et l'accrois sement sur solution non-toxique ce qui correspond à l'indice de tolérance individuel, pour le métal testé à une concentration déterminée. Un indice de tolérance
moyen de la population se détermine dans ce cas en
IV^2^2^ Avanta
2
es_et inconvénients_des_différentes_raéthodesIV.2.2.1. Transplantations réciproques.
Ce dispositif expérimental permet de mesurer la tolérance " globale " des individus en ce sens que l'on peut évaluer dans son ensemble le développement des plantes croissant en milieu toxique par rapport au développement des plantes croissant en milieu non-toxique. Cette méthode permet
aussi de compter le nombre d'individus survivants sur
sol toxique au cours du temps. Les poids frais et les poids secs des plantes entières peuvent être comparés. La production des organes aériens et souterrains au
cours du temps peut être suivie tout au long de l'expérien
ce. L'avantage certain de ce dispositif expérimental est qu'il permet d'évaluer la tolérance des individus au moyen de paramètre se rapportant à la plante entière. Mais, l'inconvénient principal de cette méthode réside
dans le temps nécessaire au développement des plantes. Un autre inconvénient est la surface de terrain considé
rable qu'il faut occuper par un tel dispositif surtout si l'on désire contrôler les résultats obtenus par un nombre suffisant de répétitions.
IV.2.2.2. Mesure de l'indice de tolérance moyen d’une
population.
Cette mesure permet l'établissement rapide d'un indice
de tolérance au niveau d'une ou de plusieurs populations. Du protocole observé dans ce cas découle le fait que les individus cultivés sur solution toxique et les individus
cultivés sur solution non-toxique se développent simulta nément. Tous les individus de toutes les populations et pour tous les traitements, subissent donc simultanément les variations éventuelles des conditions de culture
( lumière, température, etc... ) ce qui assure plus de rigueur à la comparaison des résultats obtenus. Dans les cas où les tests se font sur des graminées, les génotypes se développant sur l'eau distillée sont identiques aux génotypes se développant sur les solutions toxiques
( on prélève autant de chaumes sur un individu que l'expérience comporte de traitements différents ). Par contre, pour certaines espèces, ( Achillea et Plantago par
exemple ) on ne peut procéder de cette manière. Les
Un plus grand nombre d'individus par traitement s'impose dès lors pour que la population soit réellement représentée
au sein de chaque traitement. Avec un nombre restreint d'individus par traitement, la comparaison entre les traitements serait sujette à caution.
Un autre avantage de cette méthode réside dans la variabi lité raisonnable des résultats obtenus ( + 10 % en général )
IV.2.2.3. Moyenne populationnelle des indices de tolérance individuels.
Par rapport à la méthode précédente, ce protocole présente
des avantages similaires quant à la rapidité de la détermi nation des indices de tolérance.
Les mêmes individus croissant successivement sur l'eau
distillée puis sur les solutions toxiques, il faut veiller à contrôler plus sévèrement les conditions de culture pour
éviter que de trop fortes variations de ces conditions
n'affectent dans un sens ou dans un autre la croissance sur solution normale par rapport à la croissance sur solution
toxique. Ce dispositif a cependant l'avantage de permettre des expériences comprenant un plus grand nombre de
traitements. Les mêmes plantes croissant successivement sur les solutions toxiques et non-toxiques on économise en
effet une place considérable ainsi que du matériel d'expé rience, Enfin, il faut signaler que la variabilité est souvent fort élevée ce qui empêche parfois de comparer
des traitements entre eux lorsque les concentrations en métal respectives de ces traitements ne sont pas suffisam ment distinctes.
IV^2^3^_Limites_de_validité_d j^un_indice_de_tolérance.
Pour un métal utilisé en solution à une concentration
déterminée, on mesurera un indice de tolérance représenta tif de la population testée. Néanmoins, pour une même popu lation soumise à la même concentration d'un métal déterminé l'indice de tolérance variera en fonction des critères
suivants ;
“ âge des individus sélectionnés pour le test
Des plantes en début de végétation donneront en général un indice de tolérance plus élevé que des plantes testées
- plantes récoltées sur le terrain ( mines ) ou plantes transplantées au jardin expérimental.
Des populations semblables peuvent donner après transplan
tation des indices de tolérance plus faibles car en transplantation, les plantes ne sont plus dans les
conditions écologiques optimales pour leur développement ; certaines espèces affichent parfois un métabolisme plus faible après quelques années de transplantation.
- plantes se développant en pleine terre ( dans la nature ou
en transplantation ) ou plantes cultivées en permanence en serre.
Les conditions de culture différentes auxquelles sont
soumis ces deux lots de plantes engendrent des réponses
différentes quant à l'indice de tolérance.
- Conditions expérimentales dépendant des installations ( serre ), de la saison et des variations rapides du climat.
Les conditions de culture dans les serres ne sont malheu
reusement pas toujours identiques. En été notamment, la température trop élevée de la serre engendre des diminu tions de l'indice de tolérance.
Les variations rapides de l'ensoleillement engendrent également des variations au niveau de la croissance radiculaire. Ces variations sont responsables de la fluctuation des indices de tolérance effectués à des
moments distincts ( mêmes rapprochés dans le temps ),
sur une même population.
L'indice de tolérance d'une population pour un métal donné et utilisé à une concentration précise n'a pas une valeur
universelle.
Ces observations expliquent que pour comparer des indices de tolérance entre eux il est impératif que les populations comparées soient testées simultanément dans les mêmes
conditions. Il faut également que les plantes soient cultivées de manière identique. On ne pourra valablement comparer des populations se développant en serre à des populations récoltées dans la nature ou dans le jardin expérimental
La valeur génétique de l'indice de tolérance appelle elle aussi quelques commentaires. Ceux-ci seront faits au
IV.3. Tolérance au zinc.
IV^3^1 ^_Mise_en_évidence d_|^écotYpes_tolêrants_au_zinc.
Nous rappellerons ici les résultats obtenus à ce propos par Simon ( 1973 ). Plusieurs espèces provenant de
Plombières, Breinig, Prayon et Mausbach ont été testées pour leur tolérance au zinc par la méthode de " l'indice de tolérance moyen d'une population ". Des populations témoins provenant de sites non métallifères également
testées permettent la comparaison entre écotypes tolérants et non-tolérants.
Les résultats illustrés par la figure 34 montrent que les
populations métallicoles de Plombières ( Festuca ovina,
Agrostis tenuis et Arrhenatherum elatlus ) sont nettement zinc-tolérantes par rapport aux populations de sites
normaux testées simultanément. Ces expériences étant effectuées sur des populations transplantées depuis plus de deux ans au Jardin Expérimental Jean Massart, les différences observées entre les populations métallicoles
et les populations des sols normaux sont des différences génotypiques.
Des résultats analogues sont observés pour les populations végétales provenant des autres sites métallifères, telles
les populations de Festuca ovina récoltées à Breinig et à Mausbach, la population de Molinia coerulea récoltée à Mausbacj ( figure 35 ).
Les pelouses du site industriel de Prayon également conta
minées par le zinc sont constituées presque essentiellement
d'un groupement mono-spécifique à Agrostis tenuis. Les
tests de tolérance au zinc de cette population montrent qu'i s'agit également d'un écotype zinc-tolérant ( figure 36 ) .
De plus, des distinctions au niveau du substrat ( collines calcaires et collines siliceuses ) engendrent le dévelop pement d'écotypes adaptés à ces deux types de substrats mais ces distinctions n'apparaissent pas dans les tests relatifs à la tolérance au zinc ( Simon, 1973 ) .
L'ensemble de ces résultats montre que les populations se développant dans les sites contaminés par le zinc,
développent une zinc-tolérance significative. Ce caractère zinc-tolérant est génotypique et constitue une adaptation évidente des plantes aux substrats contaminés par ce métal.
Figure34;Tolérance au zinc;
Fr ; population témoin de Frasnes. Tr: population témoin de Trazegnies.
Ma:population témoin de Matagne.
PI : population métallicole de Plombières.
Les histogrammes montrent l'indice de tolérance de ces populations testées sur une concentration en zinc de 30 mg/l(lt;Zn 30).L'indice de tolérance
est exprimé en ^ de l'accroissement radiculaire de chaque population cultivée sur l'eau distillée, (d'après Simon,1973»mémoire).
7.
80- M
Fostuco Molinia
Figure 3^Tolérance au zinc des populations
de Festuca ovina et Molinia coerulea prove nant de Breinig et Mausbach.Les populations sont testées sur une solution de zinc à
30
mg/l.L'indice de tolérance est expriméen ^ de l'accroissement radiculaire moyen obtenu sur l'eau distillée.
Fr ; population témoin de Frasnes .
L : Population témoin de Lavaux-Ste-Anne. Br : population métallicole de Breinig, M ;population métallicole de Mausbach.
Figure 36;Tolérance au zinc des populations d'Agrostis tenuis de Prayon,testées sur une concentration en zinc de 30 mg/l.Les indices
de tolérance sont exprimés en ^ de l’accrois sement radiculaire obtenu sur l'eau distillée. Tr:population témoin de Trazegnies.
Psi:population des collines siliceuses de Prayon.
Pca:population des collines calcaires de Prayon.
IV^3^2^_Variation_de_l_[^indiçe_de__tolérançe_au_zinc_en
£2D££i2Q_^ê_l§_£2D£Ê2£EËÈi2D_êîî_2inç_dans_les
Ë2l22i2DË_^2_22iÈ222•
a) Matériel et méthodes.
Pour étudier l'influence de la concentration en zinc sur le caractère zinc-tolérant des populations végétales, plusieurs populations d'Agrostis tenuis métallicoles et non-métallicoles ont été testées simultanément. Les
indices de tolérance au zinc moyens de chaque population
ont été déterminés en fonction d'une gamme de concentration en zinc définie. Pour ces essais expérimentaux, les
populations métallicoles d'Agrostis de Plombières et de
Prayon ont été retenues. La population non-métallicole servant de population témoin provient de Trazegnies.
Les concentrations en zinc utilisées sont :
10-25-30-50 et 100 mg de Zn/litre. Le zinc est ajouté sous forme de Zn S0^.7H20. Le pH des solutions est voisin de
5,6.
b) Résultats
Les résultats repris au tableau 28 montrent que les popula tions métallicoles sont significativement tolérantes au
zinc par rapport à la population témoin de Trazegnies. La figure 37 illustre ces distinctions entre populations tolérantes et populations non-tolérantes.
La courbe de la population non-tolérante accuse dès les
faibles concentrations une chute importante pour devenir
rapidement asymptotique. Au contraire, les populations tolérantes voient leur croissance diminuer lentement, chacune se situant d'ailleurs à un palier distinct. Dans la gamme des concentrations choisies, l'expression de la
variation de l'indice de tolérance au zinc en fonction de la concentration de ce métal, est logarithmique. Par passage aux logarithmes, on obtient une relation linéaire liant les indices de tolérance des différentes populations aux concentrations en zinc utilisées ( figure 38 ).
Cette expérience montre encore que le niveau du caractère zinc tolérant est propre à la population testée. Deux populations métallicoles peuvent avoir des indices de tolérance distincts pour une même concentration en zinc.
FÎ2ure_37 : Variation de l'indice de tolérance au zinc
chez Agrostis tenuis en fonction de la concentra tion en zinc dans le milieu de culture.
PI = Population métallicole de Plombières.
Pr = Population métallicole de Prayon ( collines
siliceuses ).
Tr = Population témoin de Trazegnies.
Les indices de tolérance sont exprimés en % de l'accroissement radiculaire obtenu sur eau distillée. La plus forte erreur standard de chaque traitement est indiquée.
Figure 38;Comparaison des indices de tolérance de
populations d'Agrostis tenuis cultivées en absence(A) et en présence de calcium(B).Le graphique C est la superposition des graphiques A et ü.Cette figure illus tre également le caractère logarithmique de la variation de l'indice de tolérance au zinc en fonction de la
concentration en zinc dans le milieu de culture. 1- Population métallicole de Plombières.
2- Population métallicole de Prayon(collines siliceuses).
3- Population témoin de Trazegnies.
Pour toutes les droites de régression représentées s r est toujours supérieur à
0
,900
.IV^3^3i_Effet_des_çatigns_biggènes_sur_le_niveau_de_la tQl꣧DSê_ËÜ_5ÎDS_âê§_E9ËülË£i2ïiË_Y§2Étales.
L'analyse de la tolérance au zinc des populations végétales cultivées sur des solutions monosalines de sulfate de zinc fournit des résultats physiologiques d'un intérêt certain. Cependant, écologiquement, il faut tenir compte du fait que les plantes sont confrontées avec un substrat dont la compo
sition comprend du zinc mais aussi de nombreux cations biogènes tels le calcium, le magnésium, le potassium et le sodium. C'est l'interaction entre le zinc et ces différents cations qu'il faut donc considérer.
Parmi ces cations, le calcium est généralement le plus
abondant. L'influence du calcium sur le niveau de tolérance au zinc des populations a été abordé en testant des popula
tions de différentes espèces sur des solutions mixtes de sulfate de zinc ( diverses concentrations ) et de nitrate de calcium à raison de 0,5 g/l. ( = 85 mg Ca/1 ) . Les populations d'Agrostis tenuis de Plombières , Prayon
( silice ) et Trazegnies, ont été testées sur une gamjne de concentrations en zinc ( 10-25-30-50 et 100 mg Zn/1 ).
Cette expérience s'est déroulée simultanément avec l'expé rience déjà décrite au f IV.3.2., ce qui permet de comparer
les mêmes populations d'Agrostis soumises à des concentra
tions en zinc identiques avec et sans calcium dans le milieu de culture ( tableau 28 ). La figure 38 montre les
résultats obtenus et met en évidence l'effet du calcium sur la tolérance au zinc des populations d'Agrostis.
Des essais expérimentaux similaires ont été réalisés sur diverses populations d'Armeria maritima ( Lefèbvre 1977 )
et sur plusieurs populations de Festuca ovina. ( tableau 28 ). Chez Armeria maritima, les résultats indiquent qu'à une
concentration de 25 ppm de zinc, le nitrate de calcium à
0,5 g/l ( - 85 ppm de calcium ) n'a pas d'effet sensible sur la croissance des populations calaminaires : celles-ci poussent aussi bien avec ou sans calcium ( It voisin de 100 % Par contre, la population maritime non tolérante est très
sensible à la présence de calcium : sur 25 ppm de zinc pur, sa croissance radiculaire est nulle, alors qu'en présence de
calcium elle atteint 80 % de la normale.
De même, sur 5C ppm de zinc pur, les populations de la région d'Aix-la-Chapelle montrent un indice de tolérance nettement
d*Armeria maritima,de Festuca ovina et d*
tenuis.Les différentes populations sont simultané
ment testées sur des solutions monosalines de sulfate de zinc et sur des solutions mixtes de sulfate de zinc et de nitrate de calcium(0,5 g/i)»
(D'après Simon et Lefèbvre,1977 )
Zn SO4.7 H2O Zn SO4.7 H2O +Ca(N03)î.4 H2O zinc mg/l 10 25 30 50 100 10 25 30 50 100 Armeria maritima Plombières 101.2 96,5 — 95,4 39.2 _ 71,2 -
1
La Calamine - 90,3 - 83,9 — - 72,0 - 46,3 38.1 Busbach 78,1 - 23,8 _ - 86,7 - 48,8\
Breinig - 76,9 - 21.8 14,8 - 85,3 - 52,7 22,0 1 Agrostis tenuis Plombières 67,6 56,3 51,3 39,9 33,2 79,9 65,0 63,0 55,7 45,7 Prayon 51,3 50,1 39,5 26,6 19,7 51,7 51,9 40,6 26,1 27,8 Trazegnies 6,3 2.4 1,8 1.1 0,6 10,4 4,7 4,6 3.1 2.3 j Festuca ovina Plombières Mausbach Breinig Frasnes 68,5 73,3 50,1 4,2 79,2 70.4 53.5 14.1j
inférieur à celui des populations de la région d'Eupen alors
que sur la même concentration, mais en présence de
Ca(N
0^)2 ^^2^
^ 9/1/ l'indice de tolérance est identique pour ces deux populations.Chez Agrostis tenuis, les indices de tolérance de la
population témoin ( Trazegnies ) sont nettement plus élevés lorsque le calcium est ajouté au zinc. La population
tolérante de Plombièresmontre une légère activation à
toutes les concentrations testées. La population de Prayon ne réagit à l'adjonction de calcium qu'à partir de 100 ppm de zinc.
Chez Festuca ovina seule la population témoin calcicole ( Frasnes ) a réagi à l'adjonction de calcium.
Ces résultats montrent que d'une manière générale le calcium réduit la toxicité du zinc aux basses concentrations chez
les populations témoins ; chez les populations tolérantes cet effet n'est sensible qu'à des concentrations plus élevées et dépend du niveau de tolérance de la population. Si l'on s'en référé au paragraphe ci-dessus, on peut
affirmer que dans le site de Breinig la toxicité du métal est
fortement atténuée par les doses considérables de calcium dans le sol ; à Plombières, où la toxicité du zinc n'est pas tamponnée par de grandes quantités de calcium, le niveau de
tolérance requis pour la survie sur les déblais miniers est plus élevé.
En fait, la toxicité du zinc pour les plantes ne dépend pas uniquement de sa concentration dans le sol, mais aussi des
interactions de l'ion métallique avec les éléments nutritifs du sol, notamment le calcium. La mise en évidence de
différences du niveau de tolérance peut dépendre du traite ment. Ainsi, chez Armeria raaritima, si l'on compare les populations de Plombières et de Breinig ( tableau 28 ) poussant sur 25 ppm de zinc en présence de calcium on conclut que ces populations ont à peu près le même niveau de tolérance, mais à des concentrations plus élevées la tolérance plus grande de la population de Plombières est manifeste. Sur zinc pur, cette différence s'extériorise dès
25 ppm. Il est donc plus intéressant d'utiliser une gamme assez large de concentrations plutôt qu'une seule.
L'effet de quatre ions ( potassium, calcium, magnésium, sodium ) sur la toxicité du zinc a été étudiée pour une
Tableau du potass ium, magnésium » cale ium et
sodium(5.10 ) sur la toxicité du zinc(5.10 ) dans deux populations d'Agrostis tenuis.
Plombières rpopulation métallicole Trazegnies:population témoin.
(d’après Simon et Lef èbvre , 1977 •)
Zn Zri’^+Mg” Zn”3K* Zn^+Ca* Zn*’HNa’
Plombières A 66,4 86,7 83,2 79,9 56,9 B 100,0 130,6 125,3 120,3 86,7 Trazegnies A 2,3 5,3 3,1 4,3 1,8 B 100,0 230,4 134,7 Î86,9 78,3 A : indices de tolérance.
B : Variation relative de l’indice de tolérance par rapport à Zn 5. lO""* M = 100 %.
Tableau
3
ÿIndices de tolérance au zinc et au plomb chez Armeria maritima et chez Agrostis tenuispoussant côte à côte sur la mine de Plombières, (d’après Simon et Lef èbvre, 1977 •)
Calcium Zinc Plomb
ppm 85 10 25 50 25 +Ca85 50 +Ca85 10 30 + Ca
Armeria maritima 68,9 117,6 116,4 96,3 99,1 103,5 6,7 18,6 Agrostis tenuis 92,6 100,5 84,4 63,0 82,1 56,4 2,3 14,3
témoin ( Trazegnies ) d'Agrostis tenuis.
Chaque population comprend 25 individus qui sont cultivés simultanément sur les différents traitements. Pour pouvoir