の操作植物に誘導される土壌の不均一性のための実験プロトコール

サマリー

種の共存の環境異質性の役割を理解することは、一般的にコミュニティの種組成に外因性である不均一性の種類に焦点を当てている。私たちは、植物、土壌のフィードバック調節、またはコミュニティ組成に固有の不均一性の対象に土壌を使用した土壌の不均一トリートメントを作成するための新たな詳細な方法を提供する。

要約

しかし、このような植物、土壌のフィードバック（PSF）などの生物的フィードバックは、プラントの性能に大きな影響を持って、地域社会の組成に依存する環境の不均一性を作成し、共存理論は、多くの場合、群集組成とは無関係であるとして、環境の不均一性を治療しました。植物群落アセンブリ用のPSFの重要性を理解することは、PSFの効果を意味するように加えて、PSFにおける異質性の役割の理解を必要とする。ここでは、植物に誘導される土壌の不均一性を操作するためのプロトコルを記述します。 2つの例示的な実験が示されている：植物集団の応答を測定し、（2）2つのパッチ土壌温室実験を個々の植物の応答を測定するために、土壌の6パッチグリッド（1）野外実験。土壌は、同種および異種の植物種からフィールドに植物の根の影響（根圏からの土壌や根圏に直接隣接）の区域から採取することができる。収集複製するイオンは、土壌サンプルをpseudoreplicating回避するために使用される。これらの土壌は、その後、均質化された治療のために、異種の治療または混合のために別々のパッチに配置されます。ケアは異質で均質化された治療法は、土壌撹乱同程度の体験を保証するために注意すべきである。植物を、植物の性能に対する植物誘導性土壌の不均一性の影響を決定するために、これらの土壌処理中に配置することができる。我々はおそらく、これらのフィードバックの動的な性質の伝統的な共存のモデルによって予測されるよりも、異なる結果でその植物に誘導される異質性の結果を、示しています。組立コミュニティと追加の実証研究に影響を受け、環境異質性を組み込んだ理論は組み立てコミュニティに固有の不均一性が群集組成に異質の外因性と比較して別のアセンブリの結果になりますかを決定するために必要とされている。

概要

社会生態学の主要な目標の一つは、地域社会のアセンブリを管理するプロセスを説明し、予測することである。しかし、植物群落は、頻繁に共存論¹で予測されるよりもより多様であり、復元生態学者は正常に多様なネイティブコミュニティー^2を復元するために共存のメカニズムを理解する必要があります。環境異質性は社会の多様性を高いレベルで説明することはできますが、理論的に重要な機構であるが、不均一性の実験操作は³まれである（ 例えばルンドホルム⁴に概説されている）非生物的異質性に焦点を当てる。異質性を組み込んだ理論は、一般的に不均一性が組立コミュニティに外因性であることを前提としています。外因異質性群集組成とは無関係であるような景観類型などの要因によって支配される。外因異質性はニッチ分割（revieを通じて共存につながることができますメルボルンら ^3、 例えば Pacalaとティルマン⁵とChesson ^6）に結婚。しかし、植物群落に関連する環境の不均一性の多くは、社会が組み立てとして発展し、地域社会における種のIDに応じて、地域社会に固有のかもしれません。本質的な不均一性は、負の周波数依存性（ 例えば飲料玩具ら ^7）を介して共存する可能性が生物的フィードバック、に起因することができます。ここでは、植物に誘導される土壌の不均一性、コミュニティに固有のものであると植物、土壌のフィードバックから生じる土壌の不均一性のタイプを操作するための新規な方法について説明します。

植物の土壌のフィードバック（PSF）植物がその土壌中のその後のプラント性能に影響を与える方法で、土壌構造、化学、または生物相に影響を与える、とPSFはネイティブ植物群落⁸におけるプラント性能に大きな平均効果を持っているときに発生する。 PSFの研究は、通常、どちらかを実験フィールドから土壌やエアコンの土壌を収集し、その後、植物が土壌^9の異種または滅菌するために同種の土壌関係でどのように実行するか尋ねた。植物は土壌を参照するために同種の土壌相対的にパフォーマンスが向上する場合、植物が参照土壌でより良いを実行すると、PSFは否定的であるが、その後、PSFは、陽性である。相反負のPSFは種⁷間の周波数依存の共存につながることができます。 PSFの平均効果は⁸よく特徴付けられているが、PSFの空間的不均一性の影響はあまり^10を理解している。

植物は、多くの場合、作為的に空間的にも時間的にも分散しているため、PSFは個々の植物⁷の規模で発生しているため、PSFは、我々は、植物によって誘発される土壌の不均一呼び出す土壌の不均一性につながる可能性がある。異質性の多くの他の形態（ 例えば 、風景トポロジー）とは異なり、このheterogeneitYは、組み立てのコミュニティに固有のものであるため、異なった異質性より外因性形態よりもコミュニティの集合体に影響を与えることができる。プラント性能上の不均一性との共存のこの形式の影響を理解するために、我々は植物誘導性土壌の不均一性を操作する実験方法を必要とする。ここでは、2土壌の起源と2土壌起源の混合物である均質な治療とは別のパッチが適用された異種の治療を作成するために2種によって調整土壌を使用していますこのような方法を、示しています。すぐ近くに成長している2種の異なる起源または（2）植物の土壌を混合する（1）妨害（ 例えば 、げっ歯類、農業）、このようなルートの影響の彼らのゾーンというこの土壌混合は、フィールド内に2個以上のもっともらしいシナリオを表すことができ混在して均質化する。

我々は、異なるのleveで重要な質問に答えるために、植物に誘導される土壌の不均一性を使用する2つの例の実験を提示生態組織のLSは：（1）植物群は、土壌の不均一を植えるに誘導されるように反応するのですか？及び（2）個々の植物は、植物によって誘発される土壌の不均一性に応えるのですか？私たちは、第二の問題に対処するために2土壌のパッチを使用して最初の質問と温室実験に対処するために6土壌のパッチを使用してフィールド実験について説明します。土壌の不均一に人口と、個々の植物の応答の両方を定量化することは不均一性が、コミュニティの集合体にどのように影響するかを理解するために不可欠です。

プロトコル

1。異機種で均質な土壌処理剤を製造するためのフィールド土壌を収集

1. 研究のための類似の生息地や土壌タイプにおける2共起植物種（ 例えば 図1a）を特定します。土壌の量を測定し、実験に必要なパッチの数（焦点種の主要ルートゾーンの半分、またはルートボールに包含されるボリュームに例えば三分の一）の実験で使用するために土壌のパッチサイズに基づいて必要（以下、プロトコル2および3を参照）。
   1. ギシギシ属のため。 （ 図1a）、この定義されたゾーン〜18 cm奥行き（5655センチメートル³土壌に植物の根元から10cm半径のおおよそのルートゾーン用×18センチメートル（長さ×幅×奥行き）×10cmの10cmの土壌のパッチを使用し1個々の植物のルートの影響は1800センチメートル^3）の3土壌のパッチが得られます。
2. 2つの焦点の種の大人の個人を特定する調査現場。そのカンガルー個人を避けるTゾーンはおそらく他の焦点の種（ 例えばギシギシの個人が他の種の0.25メートル内にある）と重なっている。マークピンフラグを土壌の必要量を得るのに必要な個体の数。
   1. マーク20は、ランダムに各ギシギシ属の個人を選んだ。それぞれが（下のプロトコル2、のように）各焦点種から3土壌のパッチを必要とすることを20実験単位（2種×2土·トリートメント×5回の反復）のために。
3. すべての土壌粒子を除去して、約1時10分漂白剤の混合物（5〜10％のNaClO）と水と土壌の収集機器（シャベル、手袋、コンテナを輸送する）滅菌する。土壌生物相に対する漂白効果を回避するために使用前に乾いた機器。その土壌には、交差汚染（ 例えばラベル1種Aのためのシャベルと種Bのための第二のシャベル）を回避するために収集したり、輸送する焦点種を示すために、実験室でのテープで各機器にラベルを付けます。
4. 気象や土壌の条件を確認してください最近の降水イベントの土壌の収集を開始する前にtions。 （泥または完全に飽和）あまりにも濡れている土壌の収集や土壌圧縮を最小限に抑えるために降水イベント中に土壌を採取することは避けてください。根から土壌を分離するのを助けるために（非常に難しいと困難にシャベルを挿入するために）乾燥しすぎている土壌を採取することは避けてください。
5. pseudoreplication（ 例えば 、その後の実験の反復間で混合される希少な病原体を含む単一の土壌サンプル）を回避するために複製バッチで2つの焦点の種のマークされた個人からの畑土壌を収集します。
   1. 種A、適切に標識された無菌のシャベルと（ステップ1.1で定義されている）、適切に標識された滅菌手袋と土壌から見える粗い根を削除し、適切に標識された土壌を置くの個々の完全ルートゾーンを掘る無菌輸送容器（ 例えばバケット ）。各ブロックの4つの実験台と1個々の植物を用いた実験のために（1.2.1項のように）1実験単位のための十分な土壌を提供するのルートゾーンは、種Aの3つの追加の個人のために、この手順を繰り返します
   2. 種Bの繰り返しセクション1.5.1
   3. 実験サイトに両方の種から複製土壌のコレクションを輸送する。 （以下のプロトコル2又は3に記載のように）実験のための実験1ブロック単位で土壌を置き、ブロックは、各処理の組み合わせ（ すなわち、各々の種X毎土壌処理）からの実験単位を含む場合。
   4. セクション1.5.3を繰り返します。
   5. 実験では残りのブロックのためのセクションを1.5.1-1.5.4を繰り返します。少なくとも1メートルごとに、前の収集場所から遠いレプリケートコレクションpseudoreplicationを最小化するために個人のグループから土を集める。

FigurE 1。植物に誘導される土壌の不均一性を操作する例フィールド実験計画。（A）土壌、植物、土壌のフィードバックの影響を研究するための標準プロトコルに続いて、フィールド内の同種（α）とheterospecifics（β）の根の影響のゾーンから収集されます⁹ 。 （b）は、異種の植物のA（α土壌）からの土壌から構成される土壌や植物、B（ 'β'土壌）からの土壌を用いた実験処置は格子状に配置され、均質化された土壌の処理は、これらの2起源から土壌の等量混合物を使用して作成されている。この例では、フィールド土壌のグリッドが地面に沈んだ大径ポットに挿入され、各グリッドの周りの領域は、粗い、滅菌砂が充填されている。この図は、ブラントらから変更されている^。10

2。例フィールド実験、植物人口応答を測定するために、異機種間で均質な土壌のグリッドの作成

1. 異種の処理（ すなわち 、交流グリッドセルは、種Aまたは種Bから採取された土壌が含まれている）と、均質な治療を生成するために複製畑土壌の収集（プロトコル1）から土壌を使用する（ すなわち 、各グリッドセルから土壌の1:1混合物が含まれています次の手順では、実験のブロック1のための種AおよびB）（ 図1b）。
   1. すべての土壌粒子を除去するために約1時10分漂白剤の混合物（5〜10％のNaClO）および水土壌処理装備（トロエル、手袋、プラスチックグリッド）を滅菌する。土壌生物相に対する漂白効果を回避するために使用前に乾いた機器。その土壌、それが使用されるかどうか示すために、交差汚染（ 例えばラベル種Aのための1コテと種B第二こて）、プラスチックグリッドを回避するために処理するフォーカル種を示すために実験用テープで各機器ラベルを付ける異種または同種土壌処理のために。
   2. に取り外し可能なプラスチック製のグリッドを配置地面に沈没ポット[または他のプロットやグリッド収容するのに十分な大きさのコンテナ]フィールド採取した土壌（ステップ1.1.1のように、 例えば 1800センチメートル³ /グリッド·セル）で満たされることを。ステップ1.1で決定されたサイズの6セル（ 図1b）を例えば 2×3グリッド、所望の寸法のカスタム構築されたグリッドを使用してください。
      1. β土壌細胞に土と種Bから土壌をαのグリッド細胞に土壌パッチの種類、種Aから土の場所spadefulsを交互に異種の治療のため（ 図1b）。
      2. 均質な治療のために、均等に2土壌タイプを配布し、各土壌の種類の層を形成しないように注意しながら、 それぞれのグリッドセルに土壌のAとBの交互spadefulsを配置します（ 図を図1b）。 1800センチメートル³の例の土壌パッチ（第1.1.1項）、各グリッドセル内の各土壌型の900センチメートル^3を配置します。
      3. sと土壌の不均一性と土壌の撹乱を交絡避けるために不均一で均質な土壌の処置を作成するときに妨害を等量（ すなわち 、同じ程度に土壌土塊を分割）を製造するURE。
   3. 任意の空き領域が（ 図1bのように）使用される大きな鍋の中のグリッドの外側に残っている場合は、滅菌した砂で、この領域を埋める。任意の標準的な方法（ 例えばオートクレーブ滅菌、γ線照射）を使用して、砂を殺菌。
   4. そのまま土壌パッチを残して、ポットの外に垂直にプラスチック製のグリッドを持ち上げます。これは、異なる個人からの根は植物の根は、複数の土壌のパッチ（ つまりグリッドセル）に成長できるようにするために不可欠である複数のパッチを、体験して土壌や各工場で対話することができます。
   5. 完全な実験的なブロックを生成するための実験台の第二の対の繰り返しセクション2.1.2-2.1.4（各Focaからを植えるその中に異質土壌すなわちグリッドL種及び4実験単位の合計のため、各焦点種を植えるその中に均質な土壌グリッド）。
2. 残りの土壌を用いた実験の残りのブロックについて、手順2.1は、コレクション（プロトコル1）を複製します。所望であれば、最小（図示せず）で外部植物からシェーディングを保つために、プロットの周りの風景の生地を使用して、実験的な領域にわたって、ブロック内のブロック、およびプロットをランダム化する。
3. 各実験ポット（2焦点種×2土壌処理）の各グリッド·セルに焦点種の植物の種子。土壌の治療と交絡植物の遺伝子型または種子表面の微生物コミュニティを避けるために、プールされた種子を使用しています。各ギシギシ属の例えば、植物種子。個々に明確に植えた個体を同定するために12植付位置（グリッドセル当たり2箇所）に、水溶性接着剤プラスチック爪楊枝に接着その種（ 図1a）のための鍋に。
4. 人口RESを測定個々の定期的な人口調査を通じて、このような発芽および生存などの実験台、、のponses（ 例えばステップ2.3のように爪楊枝を使って）種子の植え付けの場所をマーク。パッチの中で土を混合避けるために、測定されたすべての応答のための土壌の乱れを最小限に抑えることができます。
   1. フォーカル種に対する人口応答の期待収益率に基づいて、適切な国勢調査の間隔を決定します。例えば、 ギシギシ属毎週センサスを実施しています。それはすぐに発芽することができます。
   2. 焦点の種の生活史に基づいて、適切な期間、実験を続ける。例えば、短命の多年生ギシギシ属のために少なくとも2年間の実験を続けている。すべてのライフステージでのデータを取得する。

3。個々の植物の応答を測定するための鉢に、異機種間、均質化し土壌と例の温室実験、

1. 複製畑土壌の収集（プロトコル1）から土壌を使用ブロックのための異機種処理（種Aまたは種Bから採取された土壌で埋めポットのすなわち 、各半分）で均質な処理（ すなわちポット種AとBからの土の1:1混合物が含まれています）（ 図2a）を生成する次の手順では実験の1。
   1. 輸送容器（ 例えばバケツ ）にポッティング前に、1:1混合物を生成するための滅菌砂でそれぞれの種からフィールド採取した土壌をミックス。土壌から根の分離を促進、土壌圧縮を軽減し、洗濯根に特に有用である、ポットに排水を改善するためにこれを行います。任意の標準的な方法（ 例えばオートクレーブ滅菌、γ線照射）を使用して、砂を殺菌。
   2. 砂と畑土壌の各バッチを混合した場合（ すなわち 、同じ程度に土壌土塊を分割）、外乱の等量を生成するようにしてください。
2. APとの機器（こて、手袋、プラスチックシート）を取り扱う土壌を殺菌すべての土壌粒子を除去するために近接して1時10分漂白剤の混合物（5〜10％のNaClO）と水。土壌生物相に対する漂白効果を回避するために使用前に乾いた機器。これを示すために、その土壌には（種Aと種Bのための第二のコテ用などのラベル1コテ）交差汚染を回避するために、処理するフォーカル種と硬いプラスチックシートの各側面を示すために実験室でのテープで各機器にラベルを付ける土壌の種類は、異種土壌処理での各側にポッティングされる。
3. （3.1.1項）から2つの焦点の種からのフィールド土壌砂の混合物を使用して異種の土壌処理を作成します。
   1. 半分（ 図2a）でそれを分割する鍋の中央に硬いプラスチックシートを配置します。ポットを使うことの半分は適切な土壌パッチサイズ（ステップ1.1）への体積で同等であるような大きさ。例えば、 ギシギシ属のための直径15cm、18 cm奥行きとポットを使用しています。 図1aの（総容積3181センチメートル^3）。
   2. 2人の研究者が同時にポットが入力されていてもとしての側面を維持するために、適切に標識されたこてで（ 例えば 、α種Aから土を）ポットの適切な側にそれぞれの種からフィールド採取した土壌を追加している。
   3. そのまま土壌のパッチを残し、土から垂直に持ち上げてプラスティック製を削除します。これは植物が不均一性を体験し、植物にとって必須のポット内の土壌の両方のパッチを、体験することができます。
   4. 異種の土壌処理の完全なブロックを生成するために3つの追加実験単位の繰り返しセクション3.3.1-3.3.3（2種の異種治療におけるX 2土壌のパッチの種類、 図2）。
4. （3.1.1項）から2つの焦点の種から畑土壌砂の混合物を使用して、均質な土壌処理を作成します。
   1. 3.3.1項を繰り返します。 2研究者は、同時に両方にαおよびβ土壌の両方を追加している適切に標識されたこてで鍋の側面に、均等に各パッチ内の両方の土壌の種類を配布し、レイヤーの作成を避けること。 3.3.3項を繰り返します。
   2. 均質な土壌処理（2焦点種のそれぞれのための1ポット）の完全なブロックを生成する第二の実験単位については、セクション3.4.1を繰り返します。
5. 繰り返しますコレクション（プロトコル1）を複製、残りの土で実験中の残りのブロックのための3.2から3.4を繰り返します。温室ベンチ全体で、ブロック内のブロック、およびプロットをランダム化します。

図2。植物に誘導される土壌の不均一性を操作する例温室実験計画。（a）の分野における種A（α土）と種B（β土）の根の影響のゾーンから収集された土壌は場所です各ポット（異質処理）の半分ポット（均質処理）を通して混合中のd。 （B）種Aの植物は、その後、異種治療で、均質な治療の1面に、各土壌のパッチ型実験に植えられている。ここでは、唯一の1種（A）は、この設計に植え示されている。完全に相反デザインは、異種治療内の各土壌処理とパッチ型に植え第2焦点種（B）の植物が含まれるであろう。

6. 植物要因計画の各土壌のパッチタイプに焦点種AとBの苗（2種×3土壌のパッチタイプ[土壌のα、β土壌、αとβの土壌の均質な混合物]; 図2b）。
7. このような植物体の大きさ、バイオマス生産、または機能特性のような植物の性能を示すため、個々の植物の応答を測定します。測定するための適切な特徴は、焦点種との科学的問題に依存しますインタレスト。
   1. 植物は、植物の根は、両方の土壌パッチに成長していることを確認するために（ 例えば 、約ロゼット形成広葉草本のための土壌のパッチの幅を1.5倍）、土壌のパッチに比べて大きいが表示されるまで実験を続ける。実験の持続時間は、このように焦点種の増殖速度に依存するであろう。
   2. 土壌環境への現実的な応答が必要な場合収穫植物や/または測定応答植物はポットバウンドになる前に（ すなわち根の成長は、ポットと根円鍋の底の範囲によって制限されます）。例えば、ポットに結合した植物の根は、フィールド内の植物と同様にして、土壌の列全体で餌はほとんどありません。

結果

種は、コミュニティの集合体への影響で、人口や個人レベル（ 図3、図4）の両方で多様な方法で、植物に誘導される土壌の不均一性を答えた。植物群は、植物によって誘発される土壌の不均一性に対応するかどうかを判断するには、フィールド実験を種の3同属のペアを使用してプロトコル2のように設立されました。植物群は、3ヶ月間毎週、発芽植え種子の合計の割合と第生育期で死亡したもの苗の合計の割合は、（死亡率は、生存の逆を表す）（ 図3）を算出したcensusedた。我々は、この実験では、植物集団に影響を与えた不均一性を操作することに成功したことを示唆し、植物に誘導される土壌の不均一性に重要な植物集団の応答を発見した。いくつかの種は、土壌混合に非加算応答を示したように観測された応答均質な治療（αβ土壌パッチ）は、その処理（α、または同種、土壌のパッチとβまたは同族、土壌のパッチ）を作成するために混合した2種類の土壌への中間応答はなかった。例えば、 ナスcarolinenseは低い発芽を持っていたし、 ギシギシとギシギシ、土壌タイプ単独（ 図<...

ディスカッション

植物は大きく、その土壌環境と、その土壌を経験し、その後の植物（ 例えばピーターマンら ^13）は、多くの場合、種特異的な効果を持っているので、植物に誘導される土壌の不均一性は、自然な地 ​​域社会で可能性が高い。しかし、植物群落上の不均一性のこのタイプの役割についての我々の理解は^、10,14最小限に抑えられます。ここでは、フィールドに別の起源（異なる種の根の影響すなわちゾーン）から土壌を使用して、植物に誘導される土壌の不均一性を操作するための手法を提案する。植物の応答に影響を与える他の変数との交絡植物に誘導される土壌の不均一性を回避するためのプロトコルの中の重要なステップは次のとおりです。（1）フィールドから収集され、実験単位に置かれた土壌サンプルのpseudoreplicationを回避し、（2）土壌の撹乱の量を等しくする異質で均質な土壌トリートメントに置か現場の土壌のため。 Pseudoreplication O異質で均質な治療法が異なる個々の植物や、よく間隔をおいた位置（ステップ1.5）からの複製バッチで土を採取することにより回避するこ...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
シャベル	任意の	NA	2つのシャベル、土壌起源の各種ごとに1つずつ持っていると便利です。
こて(s)	任意の	NA	土壌起源の各種ごとに1つずつ、同じサイズのこてを少なくとも2つ用意する必要があります。
グローブ	NA	ガーデニンググローブ	ならどなたでも
希釈漂白剤	任意の	NA	私たちは、土壌収集の間にすべての機器を滅菌するために、~1:10濃度の家庭用漂白剤(5〜10%のNaClOを含む)を水に使用します。
プラスチックグリッド任意の		NA	カスタム。温室の壁の建設からプラスチックシートを使用して、フィールド実験で使用するグリッドを作成しました。ただし、操作可能な硬いプラスチックであれば、何でも使用できます。3つのグリッドがあると、各実験ユニット間で滅菌することなく、相互の不均一な処理と均質な処理を行うことができます。
プラスチック仕切り	NA	ならどれでも	。温室実験のためにポットの底まで滑り落ちることができるように、ポットの最小幅に合うようにカットされた硬いプラスチックシートを使用しました。研究者がブロック内の実験ユニットが充填される順序をランダム化したい場合、各実験ユニット間のディバイダーを滅菌することなく、少なくとも2つのディバイダー(1つは不均一処理用、もう1つは均質処理用)を用意すると便利です。
バケツまたは手押し車	NA		土壌を輸送するための任意のコンテナ。
Seeds	Any	NA	畑で手作業で種を集めます。種子は、必要に応じて園芸業者から注文することもできます。
プラスチックつまようじ	Soodhalter Plastics、Inc.	805KP	野外実験では、個体の発芽と生存のモニタリングを容易にするために、つまようじに接着された個々の種子を植えます。
水溶性接着剤	エルマーの	エルマーの接着剤-すべて	プラスチック製のつまようじに種子を接着するために、任意の水溶性接着剤を使用できます。
ポット		NA	ポットのサイズは、使用する実験植物と必要な土壌パッチの数(例:2または6)によって異なります。
砂		NA	粗い砂は、鉢の排水を改善するために、畑の土壌と混合することができます。
ラボテープ	任意の	NA	テープは、土壌の取り扱いに使用される機器に原産種をラベル付けするために使用できます。
ピンフラグ	任意の	NA	フラグを使用して、土壌収集の前にフィールド内の個人を識別できます。
ランドスケープファブリック		任意のNA	ランドスケープファブリックをフィールドで使用することで、実験圃場外の植物の成長を最小限に抑えることができます。