Discussion

4.1 Description de l’aire de distribution et de la niche écologique

La répartition et le nombre important de stations échantillonnées dans cette étude confirment la large distribution de l’espèce en France (Reeves et al. 2001). Découverte sur des sites miniers en Belgique, l’espèce est actuellement présente sur de nombreuses stations non minières au Luxembourg et dans le Jura Suisse (Molitor et al. 2005; Basic et al. 2006a). Cette étude présente de nouvelles stations non minières en France. Les stations présentent de larges disparités écologiques. Ainsi, les paramètres édaphiques et biotiques de la niche écologique de l’espèce montrent des gammes de variation importantes. Au niveau abiotique, l’altitude varie de plus de 2 000 m, ce qui ne permet pas de classer l’espèce dans un étage de végétation donné. De plus, l’espèce est répartie sur neuf domaines géologiquement et géographiquement distincts. La variation bimodale du pH sépare les stations en deux groupes : 26 stations acidoclines (pH < 5,5 ; Julve, 1998) et 37 neutrophiles. Une large tolérance aux variations de pH a également été observée au Luxembourg, sur la base d’une étude de 47 sites (Molitor et al. 2005). Nos sites se distinguent également selon les ressources minérales. Les stations minières sur dalles rocheuses/éboulis ou les pelouses anthropisées sont oligotrophes avec des

108 C/N élevés. D’autres stations sont riches en matière organique et en phosphore assimilable comme les habitats de prairies de fauches ou de pâtures.

4.2 Classification des sites sur la base des concentrations totales en

éléments en traces.

Actuellement, les stations métallifères à N. caerulescenscorrespondent aux sites d’activités minières (Reeves et al. 2001; Assunção et al. 2003; Schmitt-Sirguey 2004; Dechamps et al.

2008b) et aux stations à serpentine (Visioli et al. 2011). Dans ces dernières stations, les caractéristiques édaphiques comme un ratio Ca/Mg inférieur à un, des teneurs élevées en éléments en traces et une déficience en macroéléments rendent facile leur discrimination (Kazakou et al. 2008). En revanche, la distinction des stations minières est moins aisée, ce qui a poussé certains auteurs à proposer qu’on utilise les teneurs-seuils en éléments en traces dans les sols au-delà desquelles l’épandage des boues en agriculture est interdit comme limites entre sol métallifère et non métallifère (Bert et al. 2002). Dans cette étude, des stations non minières présentent des concentrations totales en Cd et en Ni supérieures à leurs limites respectives de 2 et 50 mg kg^-1 tout en conservant des rapports ETtot/Fetot linéaires correspondant à une origine liée au fond pédogéochimique local (Baize 1997). Baize et Sterckeman (2001) ont par ailleurs également observé dans le Jura suisse des concentrations pseudo-totales comprises entre 2 et 6 mg kg^-1 en Cd dans des sols non miniers, qu’ils soient cultivés ou sous forêt. Ainsi, les limites de teneurs en ET pour l’épandage des boues en agriculture ne permettent pas de discriminer les stations minières des autres stations. D’après nos résultats, les teneurs de 8 mg kg^-1 pour le Cd et de 100 mg kg^-1 pour le Ni, correspondant aux vibrisses supérieures des boîtes à moustache, paraissent des limites mieux adaptées pour distinguer les sols miniers des autres sols. Concernant Cu, Pb et Zn, il n’y aurait pas lieu de modifier les seuils puisque l’analyse des distributions des teneurs en ces éléments confirme les seuils proposés par la réglementation sur l’épandage des boues en agriculture.

109

4.3 Nouvelle définition des groupes édaphiques

L’extraction à la cobaltihexamine met en exergue une large variabilité des concentrations en ET disponibles pour l’absorption racinaire avec des coefficients de variations supérieurs à 100 % au sein des groupes édaphiques mais aussi au sein des stations. Cette variabilité vient d’une différence des concentrations totales et du pH, les deux principaux paramètres des modèles empiriques (Tableau 12). Les ions échangeables correspondent aux ions susceptibles de réapprovisionner la solution du sol à mesure que celle-ci est appauvrie par l’absorption racinaire. La quantité échangeable est donc un bon indicateur de la disponibilité des ions pour les racines. C’est pour cette raison que ce paramètre est utilisé dans la modélisation mécaniste du prélèvement des cations majeurs et en traces par les racines (Tinker et Nye, 2000 ; Sterckeman et al, 2004, Custos et al, 2014).

Les caractérisations faites ici nous ont amenés à considérer quatre types édaphiques. Les caractéristiques des stations calaminaires et à serpentine relevées dans de précédents travaux sont retrouvées dans les stations prospectées. Les sols des stations calaminaires sont connus pour leurs plus fortes concentrations en Cd, Zn et dans certains cas Cu et Pb (Meerts et Van Isacker, 1997; Dechamps et al., 2008b; Escarré et al., 2010). Ces variations viennent des différents processus d’extractions minières et des différences locales en minerais. Ayant la même origine géochimique en lien avec le soufre (Goldschmidt 1937), ces quatre éléments présentent de bonnes corrélations entre eux et sont généralement trouvés ensemble. Cu et Pb sont des éléments peu échangeables et ont des concentrations disparates selon les stations. Néanmoins, ces deux éléments, et en particulier Cu, peuvent influencer et limiter l’hyperaccumulation d’autres éléments (Walker et Bernal 2004; Banasova et al. 2008) et doivent donc être mieux quantifiés. Au sein des trois stations à serpentine, deux des trois principales caractéristiques du syndrome de serpentine sont retrouvées, à savoir les fortes

110 concentrations échangeables en Ni et un ratio Ca/Mg inférieur à un (Brady et al. 2005; Kazakou et al. 2008).

Jusqu’à présent, sur la base des teneurs totales et échangeables en Cd, Ni et Zn, les stations non calaminaires ou sur des roches différentes de la serpentine étaient qualifiées de non métallifères. Or les concentrations échangeables trouvées ici dans trois stations non minières (F03, F05 et F13) sont supérieures à certaines concentrations mesurées en sites miniers. Ces stations ont toutes des pH inférieurs à 5,5 et présentent des anomalies géochimiques en Cd, Ni et Zn (Tableau 4). Un effet important du pH sur la dissolution des éléments des phases solides est confirmé (Wang et al. 2006). De plus, ces pH acides ont une incidence sur les concentrations en Al et dans une moindre mesure en Mn. Ainsi, un groupe particulier, celui des stations sur sol acide (NMA), émerge donc de l’ensemble des stations non minières.

L’effet del’aluminium et du manganèse n’a jamais été étudié chez les hyperaccumulateurs de Cd et Zn. Ces deux éléments sont principalement sous la forme libre Al³⁺ et Mn²⁺ aux pH acides et dépassent majoritairement les 1 800 µmol kg^-1 dans les sols, seuil de toxicité agronomique. Ces formes sont extrêmement toxiques pour les végétaux (Mossor-Pietraszewska 2001; Rout et al. 2001). Leur principal effet se situe au niveau des racines, consistant en une modification de leur morphologie (Horst et al. 1983). Or les racines sont essentielles dans l’hyperaccumulation car une partie importante des processus impliqués se situent à ce niveau (Guimarães et al. 2009). Il semble donc que les individus développés sur ces terres soient tolérants à ces concentrations en Al et en Mn. De nouvelles questions scientifiques émanent de ces résultats, qui concernent la tolérance de N. caerulescens à ces deux éléments sur les 26 stations NMA et, leur influence sur l’hyperaccumulation, en particulier le prélèvement des éléments dans le sol. On peut se demander si les mécanismes de tolérance à Al et Mn pourraient être à l’origine de l’adaptation aux fortes teneurs en éléments en traces et à la capacité constitutive de l’espèce à accumuler Cd, Ni et Zn.

111

4.4 Absence de spécificité écotypique dans l’hyperaccumulation des

éléments en traces

4.4.1 Niveaux d’hyperaccumulation en Cd, Ni et Zn

Les concentrations foliaires en Cd/Zn et Ni dépassant les seuils d’hyperaccumulation sont principalement retrouvées dans les stations calaminaires et à serpentines respectivement. Avec la modification du seuil d’hyperaccumulation du Zn de 151 à 45 mmol kg-1 (soit 3000 mg kg

-1), la quasi-totalité des populations hyperaccumulent cet élément. (Molitor et al. 2005) trouvent également des concentrations en Zn supérieures à 45 mmol kg^-1 dans l’ensemble des stations non minières luxembourgeoises. De même, les individus de la majorité des stations d’Arabidospsis halleri dépassent ce seuil in situ (Bert et al. 2002). De plus, ces résultats confirment les fortes capacités de translocation observées dans d’autres études. Les populations non hyperaccumulatrices de Zn se trouvent dans des stations où les concentrations en Zn échangeables sont parmi les plus faibles (Tableau 9). C’est le cas de deux stations à serpentine mais aussi des populations sur calcaire des Cévennes et du Jura. Il serait donc intéressant de tester leur capacité à hyperaccumuler Zn en conditions contrôlées.

L’hyperaccumulation du Cd est trouvée dans toutes les populations calaminaires mais aussi dans des populations du Massif Central et sur sols calcaires du Jura. Les concentrations en Cd dans les parties aériennes sont fortement corrélées aux concentrations échangeables dans les sols. Par ailleurs, les concentrations foliaires en Cd in situ dans les stations belges sont peu nombreuses dans la littérature et non mesurées ici. Assunção et al. (2003) montrent qu’elles sont inférieures à la limite de 0,9 mmol kg^-1 pour B03 (La Calamine) et les données de thèse non publiées de Lloyd-Thomas (1995) qu’elles sont de 5,82 mmol kg^-1 pour Prayon. Selon ces auteurs, ces deux populations ne sont pas considérées comme des hyperaccumulatrices de Cd malgré des teneurs dans la population Prayon cinq fois plus élevées que la limite d’hyperaccumulation. Ce jugement vient du fait que les concentrations mesurées pour ces

112 populations étaient beaucoup plus faibles que celles de la population Ganges (Lombi et al.

2000; Roosens et al. 2003). Même si les concentrations foliaires sont inférieures à celles retrouvées dans les autres stations calaminaires, ces deux stations belges présentent les teneurs en Cd échangeable parmi les plus élevées, notamment à Prayon (Tableau 9). Ici, la composition édaphique ne peut donc pas expliquer seule les concentrations observées dans la plante. Au niveau des gènes impliqués dans l’hyperaccumulation, les individus de Prayon présentent des nombres de copies inférieures à ceux de Ganges et St Felix pour un gène de translocation (HMA4) (Lochlainn et al. 2011; Craciun et al. 2012) et un gène de stockage vacuolaire (HMA3) (Ueno et al. 2011). Prayon présente également un influx racinaire plus faible (Lombi et al. 2002). Ces trois résultats tendent à montrer une stratégie différente des populations belges par rapport à Ganges, tendant à l’exclusion du Cd avec une limitation à la fois de son entrée dans les racines et de sa translocation vers les parties aériennes. Le dosage des racines in situ permettrait de vérifier cette hypothèse avec une prédiction d’une plus grande concentration dans les racines que dans les feuilles (Baker 1981).

Les populations à serpentine hyperaccumulent le Ni, mais elles ne sont pas les seules. En effet, l’hyperaccumulation du Ni a été constatée dans trois autres stations non

métallifères dont deux NMN (F32, F57) et une NMA (It02). A notre connaissance, c’est la

première fois que l’on observe in situ, hors sols à serpentine, des populations hyperaccumulant le Ni. Ces individus présentent également de plus faibles concentrations en Cd et en Zn, hormis F55.

4.4.2 Effet de la composition édaphique

L’hyperaccumulation est un phénomène complexe impliquant un nombre important de mécanismes tant au niveau du prélèvement dans le sol que de la translocation et du stockage dans les parties aériennes (Verbruggen et al. 2009; Hanikenne et al. 2011). Les modèles empiriques sont donc la résultante de l’ensemble de ces phénomènes et montrent que les

113 concentrations échangeables dans les terres influencent fortement sur les concentrations dans les parties aériennes. Dans les stations du Jura, Basic et al. (2006b) montrent le même modèle. Toutefois, des effets antagonistes d’éléments en traces du sol sur leur prélèvement par les plantes ont été mis en évidence dans cette étude avec par exemple un effet négatif du Zn échangeables sur le Cd et le Ni dans les parties aériennes hormis chez les CAL. Il a été démontré en conditions contrôlées, que les concentrations foliaires en Cd/Ni/Zn varient non seulement selon leurs quantités initiales dans la solution du sol ou de culture en hydroponie mais également en fonction de leurs ratios (Assuncão et al. 2008; Escarré et al. 2013). D’autres interactions, faisant intervenir des éléments majeurs sur le prélèvement des éléments en traces, ont également été retrouvés dans les modèles notamment entre un effet négatif de Al.e sur le Cd.pa chez végétaux dans le type édaphique NMA où les concentrations en Al.e sont les plus élevées ou encore entre un effet positif du Mg échangeable sur les concentrations en Ni. Ainsi, les différences observées pourraient s’expliquer par de la compétition entre éléments vis-à-vis du transport, des affinités et/ou des densités différentes des transporteurs pour les éléments tant au niveau de leur absorption racinaire que de leur translocation vers les parties aériennes. Ces modèles devront être expérimentalement testés pour vérifier leur validité.

5 Conclusion

Cette étude confirme que N. caerulescens est très largement répandue dans les massifs montagneux français et que l’espèce n’est pas inféodée aux sites métallifères vu le grand nombre de stations explorées pour la première fois en milieu non minier. Par ailleurs, les stations prospectées se caractérisent par une très large amplitude dans les paramètres abiotiques décrivant le biotope de l’espèce. Ainsi, les populations étudiées se répartissent sur neuf domaines géologiquement et géographiquement distincts avec des propriétés des sols s’étendant sur une large gamme tant en ce qui concerne le pH (stations acidoclines à

114 neutrophiles) que les ressources minérales (stations oligotrophes à eutrophes). Cette forte variabilité se retrouve également à l’échelle climatique et géomorphologique avec une large amplitude altitudinale des stations ne permettant pas d’inféoder l’espèce à un étage donné.

Concernant les teneurs en éléments en traces du sol totales et échangeables les 63 stations étudiées ici représentent des situations très différentes. Si les plus fortes concentrations en Cd/Zn et en Ni sont retrouvées dans les stations calaminaires et à serpentines respectivement, dans certaines stations non minières, des concentrations proches voire supérieures en Cd, Ni et Zn sont également retrouvées du fait d’anomalies géochimiques locales et de l’acidité des sols. Ainsi, les teneurs limites en ET pour l’épandage des boues en agriculture, classiquement utilisées pour caractériser les populations, ne permettent pas de discriminer les stations minières des autres stations. Dès lors, ce travail conduit à proposer une nouvelle classification des stations à N. caerulescens en prenant en compte la disponibilité des métaux et le pH des sols. Quatre groupes édaphiques ont donc été retenus : calaminaire, sur serpentines, non minières acides et non minières neutrophiles. Concernant l’accumulation des ET in situ, nous avons démontré que l’offre du sol ne permettait pas d’expliquer seule les concentrations observées dans la plante. En effet, si les concentrations échangeables en Cd, Ni et Zn sont les principaux facteurs expliquant leurs concentrations dans la plante, ils n’expliquent toutefois qu’une partie de la variation totale comme le montrent les modèles empiriques développés. Par ailleurs, nous avons également mis en évidence pour la première fois que l’hyperaccumulation du Ni par N. caerulescens n’était pas restreinte aux seules stations sur serpentine. Ces résultats obtenus in situ, mettent en évidence des comportements contrastés des populations. Toutefois, vu l’importance des effets environnementaux sur la réponse de la plante, il advient de les comparer dans des conditions contrôlées notamment en ce qui concerne la disponibilité des éléments.

117

Chapitre 3- Variation of trace metal

accumulation, major nutrient uptake

and growth parameters and their

interactions in 22 populations of

Noccaea caerulescens

Noccaea caerulescens is a model plant for the study of trace metal accumulation and a source of cultivars for phytoextraction. The aim was to characterize 22 populations to better understand their ecophysiology and assess their potential for phytoextraction. Populations from three edaphic groups, i.e. calamine (CAL), serpentine (SERP) and non metalliferous (NMET) sites were grown in hydroponics for seven weeks at moderate trace metal exposure. Growth indicators, element contents and correlations between these variables were compared. All the phenotypical characteristics showed a high variability among individual plants. The edaphic group explained only a minor part of this variability. The SERP populations showed a smaller size, higher cation contents and strong correlations between all element concentrations. This group had the highest trade-off between carbon fixation and cation accumulation. NMET populations did not differ from the CAL ones by the size, and could be distinguished from CAL and SERP by higher Zn and Ni contents. The CAL populations showed higher Cd and Mn accumulations and lower Ca contents. The trade-off between carbon fixation and Cd, Ni and Zn accumulation was low in the CAL and NMET populations.

N. caerulescens appears as a genetically diverse species, which vary not only in trace element contents, but also in carbon allocation, major element contents and ratios between elements.

118

1- Introduction

Noccaea caerulescens (formerly Thlaspi caerulescens) is a pseudo-metallophyte growing both on unpolluted and trace metal enriched soils. This species is particularly known to accumulate in its aboveground parts some trace metals like zinc (Zn), cadmium (Cd) and nickel (Ni) (Meerts et al. 1997; Escarré et al. 2000, 2013; Assunção et al. 2003; Visioli et al.

2011; Lovy et al. 2013). In situ, the plant can concentrate in its shoots up to 53450 mg Zn kg

-1, 2890 mg Cd kg^-1 and 12880 mg Ni kg^-1 (Reeves et al. 2001). Previous studies have shown that this wild species has a good potential for remediation, through phytoextraction, of soils moderately contaminated with Cd (Zhao et al. 2002; Schwartz et al. 2003; Maxted et al.

2007; Liu et al. 2008). Feasible trace metal phytoextraction implies simultaneous improvement of several plant characteristics, such as metal uptake, biomass production and growth speed. The achievement of phytoextraction may thus imply genetic engineering, necessarily based on existing variation for parameters of interest in candidate species. Actually, natural variation of Zn, Cd or Ni hyperaccumulation has been largely investigated in

N. caerulescens (Meerts et Van Isacker. 1997; Escarré et al. 2000, 2013; Assunção et al.

2003; Visioli et al. 2011; Lovy et al. 2013). In the field, the various studied populations have shown contrasted accumulation abilities, some of them being able to hyperaccumulate Cd, Ni and Zn in their shoots at higher concentrations than the others (Reeves et al. 2001; Assunção

et al. 2003; Basic et al. 2006a). In general, the highest concentrations of Cd and Zn have been measured in calamine sites and those of Ni in serpentine ones (Assuncao et al. 2003; Chardot et al. 2007), leading to the idea that hyperaccumulation of trace elements could be mainly attributed to their high bioavailability in soils. However, when cultivated in controlled conditions, the calamine populations of N. caerulescens exhibited lower ability to hyperaccumulate Zn in their shoots than the non-metallicolous ones (Escarré et al. 2000, 2013). For Cd, the reverse was found with the calamine populations exhibiting the highest

119 concentrations (Escarré et al. 2000) except in Belgian calamine populations which show no group difference with non-metallicolous populations from Luxembourg (Dechamps et al.

2005).

Although exploration of natural variation of trace metal hyperaccumulation provides interesting phenotypic data, the underlying genetic mechanisms are still far from being uncovered, as hyperaccumulation would be a multigenic process with a complex homeostasis network (Verbruggen et al. 2009; Hanikenne et al. 2011), involving around a hundred genes (Van de Mortel et al. 2006; . 2008). This makes very unlikely, on the mean term, the creation of transgenic cultivars for phytoextraction, for example by introducing Cd hyperaccumulation ability in a high dry matter yield crop. That is why there is a need to also investigate natural variation of nutritional and growth parameters, in order to exploit original genetic combinations created in the wild. Therefore, what now appears essential is to estimate on a large scale the natural variability not only of trace metal accumulation, nutrient uptake, or plant growth taken separately, but also of the interactions between these parameters. As an example, in a perspective of efficient phytoextraction, it seems essential to ensure that increasing amounts of metallic elements are accumulated during cultivation, and that they