Développement des plantes d’intérêt sur l’argilite

Parmi les plantes produisant les antioxydants et répondant aux contraintes édaphiques des verses d‘argilite, seuls la lavande et le thym ont été retenus pour effectuer des tests de germination et croissance. Plusieurs essais de germination et de culture ont été réalisés à la fois sur du COx frais et du COx âgé, i.e. stocké depuis 10 ans à l‘air libre et donc fortement oxydé. Il s‘agissait de comparer leur croissance sur l‘argilite avec des plantes modèles de laboratoire (i.e. luzerne et ray-grass) afin d‘affiner nos choix techniques pour l‘étude in situ. Pour suivre le développement racinaire au sein du COx, des observations par tomographie X à haute résolution ont été réalisées.

Un premier essai de germination sur du COx frais ou âgé a été réalisé avec le thym (Thymus

serpyllum) et les deux plantes modèles de laboratoire (luzerne et ray-grass) afin de préciser les

conditions optimales de germination et les temps croissance des plantules (Figure 22). Ces essais ont été réalisés dans des petits pots (piluliers percés en polypropylène de diamètre 35 mm, Chapitre II-§6.1) adaptés à une analyse directe par le micro-tomographe X (Chapitre II-§ 11.3). Sur COx frais et âgé, la luzerne a germé 2 jours après le semis. Pour le thym, la germination a eu lieu 8 jours après le semis sur COx frais et 5 jours après le semis sur COx âgé. Cependant après 30 jours, les plantules de thym, relativement chétives, n‘ont pas résisté (100% de mortalité). En raison d‘un développement racinaire moins dense du ray-grass par rapport à la luzerne, les analyses en tomographie X ont été réalisées uniquement sur la luzerne (Figure 23). Les racines de ray-grass étaient trop fines pour générer un contraste suffisant sous rayons X et être localisées par le tomographe. Les sections et reconstitutions en trois dimensions obtenues par tomographie X donnent des indications sur le cheminement des racines dans l‘argilite du COx (Figure 23). Malgré une forte compacité marquée par l‘absence de vides (en noirs), les racines pivotantes de la luzerne (en bleu) colonisent en profondeur l‘argilite (en gris). Le coefficient d‘absorption X important des sulfures permet aussi d‘apprécier leur distribution (points brillants et orange) au sein de matrice argileuse (en gris) et la diversité granulométrique des agrégats pyriteux. Leur taille varie de quelques millimètres lorsqu‘ils sont associés à des microfossiles (petites ammonites et framboïdes), à moins d‘un micron pour les petits tourillons pyriteux.

Figure 22: Culture de thym (Thymus serpyllum) à gauche et de luzerne (Medicago sativa) à droite sur de l'argilite fraiche (en bas) et âgée (en haut) 5 jours après germination en chambre de culture

Figure 23 : Observation et reconstruction en tomographie X de racines de luzerne au sein de l'argilite 26 jours après germination. (a) Section longitudinale– Le niveau de gris est inversement proportionnel à la densité des

corp ; (b) Reconstruction volumétrique après seuillage et segmentation des racines pivotantes de luzerne (bleue); (c) Répartition tridimensionnelle des pyrites (orange). Diamètre = 35 mm

Un deuxième essai de germination sur COx frais et âgé a été réalisé avec la lavande (Lavandula angustifolia) et le thym (Thymus serpyllum). Ce deuxième test a confirmé, pour le

a _c

b

Argiles

et

sable

Racine

Pore

Minéraux

lourds

Racine

Minéral

lourd

(ammonite

pyriteuse)

thym, des temps de germination assez longs et une mortalité précoce des plantules. Pour les graines de lavande un temps de germination de 38 jours a été observé sur le COx âgé. Le taux de germination faible (6 %), et un taux de mortalité important des plantules sur COx âgé n'a pas permis de réaliser des tomographies racinaires. Sur le COx frais, aucune germination n‘a été observée.

Afin de lever la dormance des graines de lavandes et favoriser leur germination dans l‘argilite, les graines ont été vernalisées dans un premier temps. Dans un second temps, les graines vernalisées ont été prétraitées avec l‘acide gibbérellique (Chapitre II-§6.1). Avec ces prétraitements, les taux de germination ont considérablement augmenté : plus de 60% en boite humide après 7 jours pour les graines de lavandes vernalisées et prétraitées à 200 mg.l-1. Sur le COx frais et âgé, on obtient les mêmes taux de germination avec un prétraitement à l‘acide gibbérellique à 300 mg.l-1. En revanche, pour les graines de lavandes vernalisées sans prétraitement à l‘acide gibbérellique, les taux de germination obtenus après 10 jours sont inférieurs à 10 %. Des résultats similaires ont été obtenus sur les dispositifs témoins sans COx (Figure 25).

Figure 24 : Lavandula angustifolia vernalisée sur COx âgé (à gauche) et prétraitées avec 200 mg.l-1 d’acide gibbérellique sur COx frais et âgé (à droite) à 14 jours et 9 jours après semis respectivement

Figure 25 : Graines de Lavandula angustifolia vernalisées et imbibées pendant h avec de l’eau osmosée (à droite), 100 mg.l-1 d’acide gibbérellique (au milieu), 300 mg.l-1 d’acide gibbérellique (à gauche) jours après

L‘observation par tomographie X du développement racinaire des lavandes dans du COx frais a été réalisée à 50 jours de culture, sans succès. La colonisation racinaire n‘a pas pu être estimée en raison de l‘absence d‘un contraste suffisant entre les racines et l'argilite (résultats non présentés). Après 145 jours de culture, une nouvelle série de sections longitudinales contrastées montre, cette fois-ci, un développement des racines de lavande au sein du COx frais (Figure 26). Dans la section présentée, la racine de lavande (gris foncé) colonise un ensemble très poreux formé de blocs argileux grossiers (en gris clair) et de pores (en noir). Les minéraux lourds (figurés en blanc) sont dispersés au sein des agrégats argileux. La racine exploite les anfractuosités submillimétriques pour se développer en profondeur jusqu‘à la couche drainante sableuse sable de Fontainebleau. La reconstruction en trois dimensions montre le déploiement de la chevelure racinaire au sein de l'argilite (Figure 27). Comme précédemment, après segmentation et seuillage par le logiciel Avizo©, les racines sont représentées en bleu. Toutefois, le seuillage en densité sélectionné ne sépare pas complètement les bulles d'air présentes dans la porosité, des composants racinaires. Néanmoins, si on tient compte uniquement des éléments contigus, on note la présence d‘une racine principale en pivot, caractéristique de la lavande. Le système racinaire est très ramifié et colonise l‘ensemble du volume avec de nombreuses racines secondaires autour de la racine pivot.

Figure 26: Section longitudinale par tomographie X d’un pot d’argilite planté - Lavande germée et cultivée pendant 145 jours sur COx frais

Figure 27: Représentation tomographique en trois dimensions de l'évolution des racines d'une lavande cultivée pendant 145 jours sur le COx frais: Orange: éléments pyriteux; Bleu: racines et bulles d'air

Argiles

Sable

Pores

Racines

Minéraux

Lourds

Racine pivot _Minéraux lourds

La reconstruction 3D indique la dispersion assez homogène des grains de sulfures autour du faisceau racinaire. Leur contact est très intime et les courtes distances sont favorables aux interactions entre les sulfures et la rhizosphère. Ainsi, la lavande après un prétraitement approprié à l‘acide gibbérellique se développe sur le COx de manière « harmonieuse » ; son système racinaire colonise rapidement l‘ensemble du volume argileux disponible sans montrer un quelconque évitement des zones riches en sulfures.

C‘est en raison de ce caractère robuste, que la lavande a été retenue pour la suite de ce travail et surtout pour réaliser les tests in situ.