Methodenartikel

Linking predatierisico, Herbivore fysiologische stress-en Microbiële afbraak van Plant Litter

DOI:

10.3791/50061

⸱

12 maart 2013

 ,  ,  , 
1School of Forestry and Environmental Studies, Yale University, 2Department of Biological Sciences, Virginia Tech, 3Department of Ecology, Evolution and Behavior, The Hebrew University of Jerusalem

In dit artikel

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

We methode om te evalueren hoe predatie risico kan de chemische kwaliteit van herbivoor prooi te veranderen door het induceren van veranderingen in het dieet op de eisen van verhoogde stress te voldoen, en hoe de ontbinding van karkassen van deze stress herbivoren vertraagt ​​latere fabriek strooiselafbraak door de bodem microben.

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De kwantiteit en kwaliteit van detritus in de bodem bepaalt de snelheid van de afbraak door microbiële gemeenschappen en recycle de tarieven van de stikstof (N) en koolstof (C) conservatoir beslag op 1,2. Plantenafval omvat het merendeel van detritus 3 en dus wordt aangenomen dat ontleding slechts marginaal beïnvloed door biomassa input van dieren zoals herbivoren en carnivoren 4,5. Echter, carnivoren kan microbiële afbraak van planten-nest te beïnvloeden via een keten van interacties waarin predatierisico verandert de fysiologie van hun herbivoor prooi die op zijn beurt verandert bodem microbiële werking wanneer de herbivoor karkassen worden 6 afgebroken. Een fysiologische reactie op stress door herbivoren om het risico van predatie kunt de C: N elementaire samenstelling van herbivoor biomassa 7,8,9 omdat stress van predatie risico neemt herbivoor basale energieprestatie-eisen die in voedselarme beperkte systemen krachten herbivoors om hun verbruik te verschuiven van N-rijke middelen om de groei en voortplanting te ondersteunen C-rijke koolhydraten middelen om verhoogde stofwisseling te ondersteunen 6. Herbivoren hebben een beperkte mogelijkheid om overtollige voedingsstoffen op te slaan, zo gestrest herbivoren scheiden N als ze toenemen koolhydraten-C vermogen 7. Uiteindelijk prooi benadrukt door predatie risico verhogen hun lichaam C: N-verhouding 7,10, waardoor ze slechtere kwaliteit middelen voor de bodem microbiële zwembad waarschijnlijk te wijten aan lagere beschikbaarheid van labiele N voor microbiële productie van enzymen 6. Zo ontbinding van karkassen van beklemtoonde herbivoren heeft een aanzuigende werking op het functioneren van microbiële gemeenschappen dat latere vermogen daalt tot van microben te ontbinden planten nestje 6,10,11.

We presenteren de methodologie voor verbanden tussen predatie risico en afbraak van afval te evalueren door de bodem microben. We beschrijven hoe: stress te induceren in herbivoren van predatie risico; meaervoor dat deze stressreacties, en meet de gevolgen voor microbiële afbraak. We maken gebruik van inzichten uit een model graslandecosysteem bestaande uit de jagende spin roofdier (Pisuarina mira), een dominante sprinkhaan herbivoor (Melanoplus femurrubrum), en een verscheidenheid van gras en FORB planten 9.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Opfok Grasshoppers onder stress en Stress Free Voorwaarden

  1. Gebruik 0,5 m 2 circulaire, gesloten mesokosmossen aan emigratie of immigratie van diersoorten (figuur 1) te voorkomen. Construct mesokosmossen met behulp van 2,4 m lengte van 1,5 m hoog ¼ "mesh aluminium hek als een steiger. Bedek de schermen met 2,5 m lengte 1,75 m hoge aluminium raam-screening gevouwen over de boven-en onderkant van het hekwerk en geniet samen langs vouw. Word lid van de omheining eindigt met een gesloten cirkel te vormen en dan nieten de overlappende venster screening samen om een ​​afdichting te creëren. de mesocosm Stel in de bodem in het veld door het graven van een 10 cm diep bij 4 cm breed geul rond de basis van de mesocosom, zinken de mesocosm in de sleuf en stampen de zode van de sleuf in het verzonken gedeelte van het mesocosm. nieten een cirkelvormig stuk vensteronderzoek boven de mesocosm.
  2. Array mesokosmossen in een gerepliceerde gekoppeld experimentele aanwijzingn in het veld. Plot locaties dienen te worden geselecteerd om de plantensoorten identiteit en planten relatieve deksel passen. Sink kooien 10 cm in de grond op het perceel site.
  3. Met behulp van een sweep net, verzamel vroeg (2 e) instar sprinkhaan nimfen en voorraad ze in de mini wereld op natuurlijke veld dichtheden.
  4. Met behulp van een sweep net, vast te leggen individuen van een dominante sit-and-wait jacht (niet web weven) spider roofdier soorten. Lijm sloot de spin chelicerae (monddelen gebruikt om prooi te onderwerpen) met sneldrogende cement naar ontkoppelde risico effecten van de werkelijke overleving selectie begunstiging individuele sprinkhanen met betere mogelijkheden om spin predatie te ontlopen. Voorraad van de spinnen in het veld dichtheden op een mesocosm van elk paar. Dit zal de spanning behandeling. Mesokosmossen zonder spinnen zal de stress behandeling.
  5. Laat sprinkhaan nimfen te ontwikkelen tot laat (4 e en 5 e) instar stadia. Verzamel alle personen uit de kooien en randomly toewijzen individuen van elke kooi tot een van de drie volgende test groepen: (1) de validatie van fysiologische stress staat, (2) de validatie van verschuiving in het lichaam van elementaire stoichiometrie, (3) microbiële afbraak.

2. Valideren van Grasshopper Stress staat

  1. Meet sprinkhaan standaard stofwisseling (SMR), als de snelheid van kooldioxide-emissie ( figure-protocol-1 ) In een incurrent doorstroomsysteem respirometry systeem met een debiet van 200 ml / min. Verwijderen waterdamp door het passeren stromende lucht door een droogmiddel.
  2. Na het onthouden van voedsel van 16 uur (met water moet beschikbaar zijn), wegen individuele sprinkhanen (± 0,1 mg), en plaats ze in transparante 50 ml (9,2 cm L x 2,0 cm D) respirometer kamers en hen in staat stellen om te herstellen van de behandeling voor ten minste 10 min aanvang van de metingen.
  3. Onder constante gemiddelde omgevingstemperatuur temperatuur (temperatuur ± 1% standaardfout variatie) binnen de respirometer kamer, analyseren ingeademde lucht met behulp van een infrarood CO 2-analysator (bijv. Qubit S151-1 ppm resolutie). Meet de gemiddelde minimale steady-state figure-protocol-2 gedurende 10 minuten.
  4. De analyzer biedt fractionele CO 2-concentratie (delen per miljoen), maar SMR moet worden opgegeven als een percentage, dus moet men transformeerde de opnames als figure-protocol-3 = FR i ( figure-protocol-4 - figure-protocol-5 ) / {1 - figure-protocol-6 [1 - (1/RQ)]}, waarbijiles/ftp_upload/50061/50061eq3.jpg "fo: src =" / files/ftp_upload/50061/50061eq3highres.jpg "/> = incurrent fractionele concentratie van CO 2; figure-protocol-7 = Excurrent fractionele concentratie van CO 2; FR = debiet (ml min -1); RQ = respiratoir quotiënt, verondersteld gelijk aan 0,85 in plantenetende dieren.

3. Valideren Verschuiving in Lichaamselementaal Stoichiometrie

  1. Evalueer Carbon: Stikstof (C: N) van een monster van sprinkhanen vanuit het veld mesocosms.
  2. Verminder variatie in C: N als gevolg van recente voedselconsumptie door het verwijderen van sprinkhaan darminhoud onder een dissectie microscoop.
  3. Vriesdrogen de lege darmen en het lichaam voor 48 uur en vervolgens vermalen de individuele karkas en darmen tot een homogeen poeder.
  4. Maatregel C: N inhoud van het poeder met behulp van een CNH autoanalyzer.

4.Microbiële afbraak

  1. Place gerepliceerd paar kragen PVC (15,4 cm dia. Ingevoegde ~ 4 cm in de grond) op het gebied site (Figuur 3C). Verwijder alle vegetatie binnen deze via knippen op het bodemoppervlak. Deze kragen worden gebruikt voor ontleding maatregelen. Bovendien stellen een aantal PVC kragen over het veld site als 13 C natuurlijk abundantie controles (zie hieronder), waaraan noch sprinkhanen of grass-nest toegevoegd.
  2. Een kraag in elk paar voeg 2 intact, gevriesdroogde geslachte sprinkhanen (registreert de biomassa toegevoegd) gehouden met predator risico zoals hierboven beschreven met veld-kooien. Om de andere kraag toe te voegen in elk paar twee intacte gevriesdroogde karkassen grootgebracht zonder roofdier risico.
  3. Bedek de PVC kragen met een scherm om sprinkhaan verwijdering te voorkomen door aaseters van de percelen en de sprinkhaan karkassen ontleden voor 40 dagen te laten.
  4. Terwijl karkassen worden ontbindend, label gras-litter met 13 C.
    1. Construeren helder plexiglas kamer (60 cm x 60 cm x 1,5 m) met een inlaat en uitlaatklep (Figuur 3B).
    2. Sink een vierkant 60 cm x 60 cm houten frame met een rubberen afdichting gecoat met siliconen vet 5 cm in de grond (Figuur 3B).
    3. Schuif de kamer boven het houten frame zodat de kamer wordt afgesloten door de rubber (Figuur 3B).
    4. Sluit de kamer inhammen om gasflessen met 99 atoom% 13 CO 2. Planten in de kamer zal gelabeld worden met 13 C, waar de CO 2-concentraties worden gehandhaafd op omgevingstemperatuur niveaus (omdat verheffen concentraties verandert plantaardige koolstof partitionering). Ambient niveaus worden gehandhaafd door slechts pulseren gelabeld CO2 gedurende korte tijd. Ook worden kamertemperaturen bewaakt en kamers worden verwijderd als temperatuur oplopen tot 5 ° C eenBove ambient.
    5. Een week na de etikettering, vergelijk δ 13 C van het gras-nest met natuurlijke overvloed waarden verzameld uit een aselecte steekproef van dezelfde grassoort met een Thermo DeltaPlus isotoop ratio massaspectrometer (Thermo, San Jose, CA, USA).
  5. Na 40 dagen, voeg 10 g luchtgedroogd 13 C-gelabeld gras-nest aan elke halsband die eerder waren gewijzigd met sprinkhaan karkassen.
  6. Bewaken van de mineralisatiesnelheid van het gras-nest in situ in 75 dagen door aftopping elke kraag en het bijhouden van zowel de totale bodem ademhaling en de ademhaling van 13 CO 2. Dit wordt bereikt met een flow-through kamer techniek waarbij gas monsters van elke kraag worden bewaakt, in real time, 8 min. elk met cavity ring-down spectroscopie (CRDS, Inc Picarro, Santa Clara, CA, USA; Model: G1101 -i). CRDS maakt het mogelijk om gelijktijdig te volgen zowel de totale als δ 13 Cvan bodemademhaling.
  7. Schat de bijdrage van 13 C-gelabeld gras-nest aan de totale bodemademhaling met behulp van isotopen mengen vergelijkingen. De hoeveelheid gras-nest afgeleid CO 2 wordt als volgt berekend: (. Δ 13 C ademhaling - δ 13 C nat.abn) C gras-nest afgeleid = C totaal × / (δ 13 C gras-nest - δ 13 C nat . abn), waarbij C totaal is de totale hoeveelheid ingeademde C gedurende een bepaalde meting δ 13 C ademhaling het δ 13 C-C van ingeademde voor kragen gewijzigd met gelabelde gras strooisel, δ 13 C nat.abn. is de gemiddelde δ 13 C van ingeademde C in de drie natuurlijke overvloed kragen (dat wil zeggen degenen die niet werden gewijzigd met strooisel), en δ 13 C gras-nest is de δ 13 C van het gras nest toegevoegd aan de collars.
  8. Bewaakt zowel bodemtemperatuur en vocht in het experiment via draagbare probes te corrigeren voor verschillen in bodemademhaling gevolg van verschillen in temperatuur en vochtigheid.
  9. Hoewel bedoeld voor gebruik in het veld, de cavity ring-down spectroscopie-instrument (Picarro Inc, Santa Clara, CA, USA, Model: G1101-i) metingen zijn gevoelig voor beweging. Daarom moet men richten een nulmeting station centraal in al de percelen die PVC kragen, en het instrument verbinden met de kragen met een lengte van PVC-buis.

Resultaten

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Een voorbeeld perceel van sprinkhaan standaard stofwisseling in stress en stress vrije omstandigheden zijn weergegeven in figuur 2. Door lichaamsgewicht verschillen tussen individuele sprinkhanen, en dat stofwisseling varieert lichaamsgewicht moet plots aanwezig stofwisseling in relatie tot sprinkhaan lichaamsgewicht. Parallel trends voor de verschillende behandelingen te geven dat stofwisseling stijgt als een constante veelvoud van standaard metabolisme (dwz er is geen body mass x stofwisseling interactie) voor alle gestresste individuen.

Sprinkhaan body C en N elementaire inhoud risico en risico vrije omstandigheden zijn weergegeven in Tabel 1. Opvallend is dat er een zeer klein (4%) verschil in body C: N verhouding tussen de behandelingen. Toch kunnen deze kleine verschillen vertalen in grote verschillen in gras strooiselafbraak de bodem microbiële pool (figuur 3).

Het toevoegen van gras nest met PVC kragen eerder gewijzigd met de gespannen of stress-vrije sprinkhanen leidt tot verschillende graden van afbraak van afval, zoals weerspiegeld in de bochten beschrijven cumuleren CO 2 die vrijkomt bij de bodem als gevolg van microbiële respiratie (figuur 3). Experimenten moeten worden gecontroleerd tot cumuleren bochten begint te verzadigen.

Spanning Stress Free
Carbon (%) 48,44 ± 0,32 44,73 ± 0,46
Stikstof (%) 12,11 ± 0,08 11,62 ± 0,12
Koolstof: Stikstof 4,00 ± 0,03 3,85 ± 0,04

Tabel 1. Vergelijking van de chemische inhoud van sprinkhaan herbivoor autocasses van omstandigheden waarin ze geconfronteerd predatie risico (stress) en waarin predatie risico afwezig was (stress). Waarden zijn gemiddelden ± 1 standaardfout.

figure-results-1
Figuur 1. Illustratie van het ontwerp van het gebied mesokosmossen gebruikt in het experiment en opzet van de experimentele risicoanalyses effecten op strooiselafbraak.

figure-results-2
Figuur 2. Een perceel van herbivoor standaard stofwisseling in relatie tot herbivoor lichaamsmassa. De data zijn verdeeld in twee klassen volgens experimentele behandeling: sprinkhanen van mesocosms met roofdieren (predatie) om stress induceren en mesocosms zonder predatoren (controle) en dus geen geïnduceerde stress. De gegevens zijn afkomstig D. Halwenaen PB Schmitz 2010, niet gepubliceerd.

figure-results-3
Figuur 3. Curves beschrijven cumulatieve CO 2 release van de microbiële zwembad terwijl ontbindend experimentele gras nest ingangen in PVC kragen. Uitgezette waarden zijn gemiddelden ± 1 standaard fout. De grafiek laat zien dat de bodem gevuld met gestreste sprinkhaan karkassen (roofdier) resulteren in 19% lager (ANOVA F 1,6 = 9,06, p <0,05) planten strooiselafbraak tarieven dan de bodem gevuld met stress-vrij sprinkhaan karkassen (controle). De inzet toont het PVC kraag inrichting in het veld. Figuur overgenomen uit Hawlena et al.. 6 Beoordeling Kick-hier om een grotere afbeelding te bekijken .

Discussie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De volgorde van de methoden die hier gepresenteerd moet het mogelijk maken een systematische meting van de manier waarop stress in soort waartoe bovengrondse voedselwebben kan prime bodem microbiële gemeenschappen op manieren die leiden tot wijziging van de daaropvolgende afbraak van plantaardige nest. De methoden zijn ideaal voor het bestuderen van ecosystemen bestaat uit geleedpotigen consumenten en kruidachtige planten, omdat intact voedselketens kan ruimtelijk worden omschreven en vervat in mesokosmossen.

Ruimtelijke variabiliteit kunnen bestaan ​​als gevolg van gradiënten in achtergrond bodemvocht, bodemtemperatuur, plant voedingsstoffen, etc. De opzet van het onderzoek maakt het mogelijk om scala mescosms en PVC kragen te blokkeren langs ruimtelijke milieu-gradiënten en daarmee goed voor een dergelijke omgevingsvariatie bij de analyse voor de effecten.

Hoewel bedoeld voor gebruik in het veld, de cavity ring-down spectroscopie-instrument (Picarro Inc, Santa Clara, CA, USA, Model: G1101-i) metingen sensitive op beweging. Daarom moet men richten een nulmeting station centraal in al de percelen die PVC kragen, en het instrument verbinden met de kragen met een lengte van PVC-buis.

Bodem strooiselafbraak oudsher gemeten door het omsluiten van bekende hoeveelheden afval in glasvezel zakken, de neerlegging van de zakken op het bodemoppervlak in het veld en op gezette tijden opnieuw meten van de zakken om zwerfvuil verdwijnen tarief (decompositie) te kwantificeren. De beperking van deze methode is dat men niet in staat is om het lot van de ontbonden kwestie te traceren of de bijdrage tot 2 mineralisatie van de bodem wijziging (toegevoegd nest) van achtergrond bodem CO 2 mineralisatie CO bepalen. De tracer methode met het label CO 2 gepresenteerde hier helpt verlichten deze logistieke beperking.

Ecosystem ecologie en biogeochemie hebben geëxploiteerd onder de werkende paradigma dat, omdat niet opgegeten planten-Nest bestaat uit de meerderheid van afval, worden ondergrondse ecosysteemprocessen slechts marginaal beïnvloed door biomassa input van hogere trofische niveaus in bovengrondse voedselweb, zoals herbivoren zelf 6. Er is echter steeds meer aanwijzingen dat soorten in hogere trofische niveaus van ecosystemen kan een grote invloed op ondergrondse processen 1,4,5 hebben. De methode hier gepresenteerde staat om kwantificering van de bijdrage van hogere trofische niveaus, hetzij te verbeteren, rechtstreeks via biomassa uit karkas depositie (bijv. 12, 13) of de excretie en egestion (bijv. 14, 15) of indirect via wijziging van plantengemeenschap samenstelling (bijv. 9 ) op het ecosysteem voedselkringloop. Dergelijke kwantificering kan helpen onthullen de mechanismen waarmee dieren de dynamiek van ecosystemen beschikken als onderdeel van een gezamenlijke inspanning om te verbeteren en herziening van het bestaande werk-paradigma van biotische controle over het functioneren van ecosystemen.

Openbaarmakingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

We hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dit onderzoek werd ondersteund door middelen van de Yale Klimaat en Energie Institute en de Amerikaanse National Science Foundation.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Naam van het serum of uitrusting Vennootschap Catalogusnummer Opmerkingen (optioneel)
Cavity ring naar beneden spectroscoop Picarro Inc, Santa Clara, CA, USA Model # G1101-i
CO2 respirometer Qubit Systems, Kingston, ON, Canada Model # S151
13C Sigma-Aldrich 372382
Spectrofotometer Thermo, San Jose CA, USA Model: Delta V Plus isotopische verhouding Spectrofotometer

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Wardle, D. A., et al. Ecological linkages between aboveground and belowground biota. Science. 304, 1629-1633 (2004).
  2. Hattenschwiler, S., Tiunov, A. V., Scheu, S. Biodiversity and litter decomposition in terrestrial ecosystems. Annu. Rev. Ecol. Syst. 36, 191-218 (2005).
  3. Cebrian, J. Role of first-order consumers in ecosystem carbon flow. Ecol. Lett. 7, 232-240 (2004).
  4. Aboveground-Belowground Linkages. Bardgett, R. D., Wardle, D. A. , Oxford University Press. Oxford. (2010).
  5. Schmitz, O. J., Hawlena, D., Trussell, G. C. Predator control of ecosystem nutrient dynamics. Ecol. Lett. 13, 1199-1209 (2010).
  6. Hawlena, D., Strickland, M. S., Bradford, M. A., Schmitz, O. J. Fear of predation slows plant litter decomposition. Science. 336, 1434-1438 (2012).
  7. Hawlena, D., Schmitz, O. J. Physiological stress as a fundamental mechanism linking predation to ecosystem functioning. Am. Nat. 176, 537-556 (2010).
  8. Stoks, R. D. eB. lock, M,, McPeek, M. A. Alternative growth and energy storage responses to mortality threats in damselflies. Ecol. Lett. 8, 1307-1316 (2005).
  9. Hawlena, D., Schmitz, O. J. Herbivore physiological response to predation risk and implications for ecosystem nutrient dynamics. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 107, 15503-15507 (2010).
  10. Schimel, J. P., Weintraub, M. N. The implications of exoenzyme activity on microbial carbon and nitrogen limitation in soil: a theoretical model. Soil Biol. Biochem. 35, 1-15 (2003).
  11. Allison, S. D., et al. Low levels of nitrogen addition stimulate decomposition by boreal forest fungi. Soil Biol. Biochem. 41, 293-302 (2009).
  12. Bump, J. K., et al. Ungulate carcasses perforate ecological filters and create biogeochemical hotspots in forest herbaceous layers allowing trees a competitive advantage. Ecosystems. 12, 996-1007 (2009).
  13. Yang, L. H. Periodical cicadas and resource pulses in North American forests. Science. 306, 1565(2004).
  14. Belovsky, G. E., Slade, J. B. Insect herbivory accelerates nutrient cycling and increases plant production. Proc. Nat. Acad. Sci. U.S.A. 97, 14412(2000).
  15. Frost, C. J., Hunter, M. D. Recycling of nitrogen in herbivore feces: plant recovery, herbivore assimilation, soil retention, and leaching losses. Oecologia. 151, 42(2007).

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Koolstof stikstofverhoudingkarkassen van sprinkhanenbodemrespiratiecavity ring down spectroscopieisotoopmengvergelijkingenexperimenteel ontwerp van mesocosmen

Gerelateerde artikelen