Ligando o risco de predação, Stress herbívoro fisiológica e decomposição da maca Usina

Resumo

Nós apresentamos métodos para avaliar como o risco de predação podem alterar a qualidade química da presa herbívoro induzindo mudanças na dieta para atender às demandas de estresse elevado, e como a decomposição de carcaças desses herbívoros estressados ​​retarda a decomposição da leitegada subsequente planta por micróbios do solo.

Resumo

A quantidade e qualidade dos detritos entrem no solo determina a taxa de decomposição por comunidades microbianas, assim como as taxas de reciclagem de azoto (N) e ^1,2 a fixação do carbono (C). Ninhada planta compreende a maioria dos detritos ^3, e assim presume-se que a decomposição é apenas marginalmente influenciado por entradas de biomassa a partir de animais tais como os herbívoros e carnívoros ^4,5. No entanto, os carnívoros podem influenciar decomposição microbiana de lixo planta através de uma cadeia de interações em que o risco de predação altera a fisiologia da sua presa herbívoro que, por sua vez funcionamento microbiana do solo altera quando as carcaças de herbívoros são decompostos ^6. A resposta ao estresse fisiológico por herbívoros ao risco de predação pode alterar o C: N composição elementar da biomassa herbívoro ^7,8,9 porque o estresse de risco de predação aumenta exigências herbívoros basais de energia que em nutrientes limitada herbívoro forças sistemass para mudar o seu consumo de N-ricos recursos para apoiar o crescimento e reprodução de recursos C-ricos em carboidratos para apoiar o metabolismo aumentado ^seis. Herbívoros têm capacidade limitada para armazenar o excesso de nutrientes, tão estressado herbívoros excretam N, pois aumentam o consumo de carboidratos-C ^7. Em última análise, presa salientada por risco de predação aumentar o seu corpo razão C: N ^7,10, tornando-os recursos de qualidade inferior para o compartimento microbiano provavelmente devido à baixa disponibilidade de N lábil para a produção de enzima microbiana ^6. Assim, a decomposição de carcaças de herbívoros estressados ​​tem um efeito primário sobre o funcionamento de comunidades microbianas que diminui a capacidade subseqüente ao de micróbios para se decompor lixo planta ^6,10,11.

Nós apresentamos a metodologia para avaliar as ligações entre o risco de predação e decomposição por microrganismos do solo. Nós descrevem como: induzir estresse em herbívoros de risco de predação; meacerteza que essas respostas ao estresse, e medir as conseqüências sobre a decomposição microbiana. Usamos idéias a partir de um modelo de ecossistema pastagem compreendendo a caça aranha predador (Pisuarina mira), um herbívoro dominante gafanhoto (Melanoplus femurrubrum), e uma variedade de grama e plantas forb ^9.

Protocolo

1. Grasshoppers de criação sob estresse e de estresse Grátis

1. Utilizar 0,5 m ² circular, mesocosmos fechados para evitar a emigração ou imigração de espécies animais (Figura 1). Construir mesocosmos usando 2,4 m de comprimento de 1,5 m de altura ¼ "malha cerca de alumínio como um andaime. Cubra a esgrima com 2,5 m de comprimento 1,75 m de altura seleção da janela de alumínio dobrado sobre a parte superior e inferior da cerca e grampeadas ao longo dobra. Junte-se à esgrima acaba de formar um círculo fechado e grampeado a janela de sobreposição triagem em conjunto para criar um selo. Definir os mesocosmos no solo em campo, cavando a 10 cm de profundidade por 4 cm de largura trincheira ao redor da base do mesocosom, afundar o mesocosmos em da vala e, em seguida, apertar o sod da trincheira ao redor da parte submersa do mesocosmo. uma peça do grampo circular de triagem janela para a parte superior do mesocosmo.
2. Mesocosmos matriz em uma replicados desig emparelhado experimentalN no campo. Plot locais devem ser selecionados para coincidir com a identidade de espécies de plantas e cobertura relativa planta. Pia gaiolas 10 centímetros no chão no local trama.
3. Usando uma rede de varredura, coleta iniciais (2 ^ª) ninfas de gafanhoto e armazená-las para os mesocosmos em densidades naturais de campo.
4. Usando uma rede de varredura, a captura de indivíduos de uma caça sentar-e-espera dominante (não web tecelagem) espécies de aranhas predadoras. Cola fechou a quelíceras aranha (peças bucais utilizados para subjugar presas) com cimento de secagem rápida, para efeitos de risco dissociados da seleção própria sobrevivência favorecendo gafanhotos individuais com melhores habilidades para escapar da predação de aranha. Estocar as aranhas em densidades de campo a um mesocosmos de cada par. Este será o tratamento do stress. Mesocosmos sem aranhas será o tratamento livre de estresse.
5. Permitir ninfas gafanhoto para desenvolver a final estágios (4 ^º e 5 ^º) estádio. Colete todos os indivíduos das gaiolas e RAndomly atribuir indivíduos de cada gaiola para um dos três grupos de ensaio seguintes: (1) validação do estado de estresse fisiológico, (2) validação da mudança de estequiometria corpo elemental, (3) a decomposição microbiana.

2. Estado de tensão validar Grasshopper

1. Meça gafanhoto taxa metabólica padrão (SMR), como a taxa de emissão de dióxido de carbono ( ) Num fluxo através do sistema incurrent respirometria com uma taxa de fluxo de ar de 200 ml / min. Remover o vapor de água pela passagem do ar que flui através de um agente de secagem.
2. Depois da privação de alimentos de 16 horas (a água deve estar disponível), pesar gafanhotos individuais (± 0,1 mg), e colocá-los em 50 ml transparente (9,2 cm L x 2,0 cm D) câmaras respirômetro e permitir-lhes recuperar de manipulação para, pelo menos, 10 min antes do começo das medições.
3. Sob constante ambiente média ma tura (temperatura ± 1% variação de erro padrão) no interior da câmara respirômetro, analisar o ar respirado usando uma infra-vermelho analisador de CO ₂ (por exemplo, resolução ppm Qubit S151-1). Medir a média mínima no estado estacionário durante 10 min.
4. O analisador fornece CO fracionário ₂ concentração (partes por milhão), ainda SMR deve ser relatado como uma taxa, por isso deve-se transformado as gravações como FR = _i ( - ) / {1 - [1 - (1/RQ)]}, em queiles/ftp_upload/50061/50061eq3.jpg "fo: src =" / files/ftp_upload/50061/50061eq3highres.jpg "/> = concentração incurrent fracionário de CO _2; = Concentração excurrent fracionário de CO _2; FR = taxa de fluxo (ml min ^-1); RQ = quociente respiratório, assumido igual a 0,85 em animais herbívoros.

3. Mudança em validar Estequiometria Corpo Elemental

1. Avaliar de carbono: azoto (C: N) conteúdo de uma amostra de gafanhotos recolhidos dos mesocosmos campo.
2. Reduzir a variação em C: N, devido ao consumo de alimentos, eliminando recente conteúdo intestinal gafanhoto sob um microscópio de dissecação.
3. Liofilizar o estômago vazio e do corpo durante 48 horas e, em seguida, triturar a carcaça individual e intestino de um pó homogéneo.
4. Medida C: conteúdo de N do pó, utilizando um auto-analisador CNH.

4.A decomposição microbiana

1. Lugar replicado pares de colares de PVC (15,4 cm-diâm., Inserido ~ 4 cm no solo), na localização do campo (Figura 3C). Remova toda a vegetação dentro deles via corte, a superfície do solo. Estes colares são usados ​​para medidas de decomposição. Além disso, estabelecer um conjunto de colares de PVC em todo o local de campo para atuar como ¹³ C natural abundância controles (ver abaixo), a que nem os gafanhotos nem grama maca-são adicionados.
2. Para uma coleira em cada par adicionar duas intactas, liofilizadas carcaças de gafanhotos (gravar a biomassa adicionado) criados com o risco de predadores, como descrito acima, usando-campo gaiolas. Para o colar outro em cada par adicionar 2 intactas liofilizadas carcaças criados sem risco predador.
3. Cubra os colares de PVC com uma tela para impedir a remoção gafanhoto por catadores de parcelas e deixe as carcaças gafanhoto decompor por 40 dias.
4. Enquanto carcaças estão se decompondo rótulo, grama-litter com ¹³ C.
   1. Construir uma câmara de plexiglass claros (60 cm x 60 cm x 1,5 m), com uma entrada e uma válvula de saída (Figura 3B).
   2. Afundar uma quadrícula com 60 cm x 60 centímetros moldura de madeira com um selo de borracha revestida com silício graxa 5 cm no solo (Figura 3B).
   3. Deslizar a câmara na parte superior do caixilho de madeira, de modo que a câmara fica vedado pela borracha (Figura 3B).
   4. Ligam as entradas de câmara de cilindros de gás comprimido que contenha 99% ¹³ átomo de CO _2. Plantas no interior da câmara vai ser marcado com ¹³ C, em que as concentrações de CO ₂ são mantidos a níveis ambientais (porque as concentrações de elevação altera particionamento de carbono da planta). Níveis de ambiente são mantidos por apenas pulsando CO ₂ marcado por curtos períodos de tempo. Além disso, as temperaturas na câmara são controladas e as câmaras são removidas se atingir temperaturas de 5 ° C umabove ambiente.
   5. Uma semana depois de rotulagem, compare C ¹³ δ da erva-lixo com valores de abundância naturais coletados de uma amostra aleatória de espécies de gramíneas idênticos usando um Thermo DeltaPlus razão isotópica espectrômetro de massa (Thermo, San Jose, CA, EUA).
5. Depois de 40 dias, adicione 10 g de ar seco marcada com ¹³ C grama-lixo para cada colar que haviam sido alterado com carcaças de gafanhoto.
6. Monitorar a taxa de mineralização da erva-lixo in situ através de 75 dias por cada colar nivelamento e acompanhamento, tanto a respiração do solo e da respiração de ¹³ de CO _2. Isto é realizado utilizando um fluxo através de técnica de câmara onde amostras de gás a partir de cada anel são monitorizados em tempo real, durante 8 minutos de cada cavidade utilizando espectroscopia de anel-down (CRDS; Picarro Inc., Santa Clara, CA, EUA; Modelo: G1101 -i). CRDS permite que se rastrear simultaneamente tanto total como δ ¹³ Cde respiração do solo.
7. Estimar a contribuição de ¹³ C-rotulado grama-lixo para a respiração total do solo por meio de equações de isótopos de mistura. A quantidade de erva-lixo derivado de CO ₂ é calculado da seguinte forma: (. Δ ¹³ C _respiração - δ ¹³ C _nat.abn) C _{grama-lixo derivado} = C _total × / (δ ¹³ C _grama-lixo - δ ¹³ C _{nat . abn),} onde C _total é a quantidade total de C respirado durante uma dada medição, δ ¹³ C _respiração é a C ¹³ de δ respirados-C para os colares alteradas com ninhada grama rotulados, δ ¹³ C _nat.abn. é a média δ ¹³ C de C respiratórios em três colares de abundância natural (ou seja, aqueles que não foram alterados com a maca), e δ ¹³ C _grama-lixo é o C ¹³ δ da ninhada grama adicionado ao collars.
8. Monitorar a temperatura ea umidade do solo em todo o experimento utilizando de mão sondas para corrigir diferenças de respiração do solo, devido a diferenças de temperatura e umidade.
9. Embora destinado a utilização no campo, a cavidade do instrumento de espectroscopia de anel para baixo (Picarro Inc., Santa Clara, CA, EUA; Modelo: G1101-i) As leituras são sensíveis ao movimento. Portanto, deve-se construir uma estação de medição de base central para todos os lotes contendo colares de PVC, e conectar o instrumento para os colares com comprimentos de tubos de PVC.

Resultados

Uma parcela exemplo de gafanhoto padrão taxas metabólicas em condições de estresse e estresse livres são apresentados na Figura 2. Devido às diferenças de massa corporal entre gafanhotos individuais, eo fato de que a taxa metabólica varia de acordo com a massa corporal, as parcelas devem apresentar taxas metabólicas em relação ao gafanhoto de massa corporal. Tendências paralelas para os diferentes tratamentos indicam que a taxa metabólica aumenta como um múltiplo constante da taxa metabólica padrão (ou seja, não há um corpo de massa x interação taxa metabólica) para todos os indivíduos estressados.

Gafanhoto corpo C eo N elementares em risco e condições livres são apresentadas na Tabela 1. É de notar que existe uma diferença muito pequena (4%) no corpo de C: N rácios entre os tratamentos. No entanto, essas pequenas diferenças podem se traduzir em grandes diferenças na decomposição grama à beira da piscina microbiana do solo (Figura 3).

Adicionando ninhada grama para colares de PVC previamente alterada com gafanhotos estressados ​​ou livre de estresse leva a diferentes graus de decomposição, como refletido nas curvas cumular descrevendo liberação de CO ₂ do solo devido à respiração microbiana (Figura 3). Experimentos devem ser monitorizados até acumular curvas começam a saturar.

	Estresse	Stress Free
De carbono (%)	48,44 ± 0,32	44,73 ± 0,46
Nitrogênio (%)	12,11 ± 0,08	11,62 ± 0,12
Carbono: Nitrogênio	4,00 ± 0,03	3,85 ± 0,04

Tabela 1. Comparação da composição química das gafanhoto carro herbivorecasses de condições em que eles enfrentam o risco de predação (stress) e em que o risco de predação estava ausente (sem stress). Os valores são média ± 1 erro padrão.

Figura 1. Ilustração do desenho do campo mesocosmos usado na experiência e o esquema geral de avaliação experimental do efeito de risco em decomposição.

Figura 2. Uma parcela de herbívoro taxa metabólica padrão em relação à massa corporal herbívoro. Os dados são divididos em duas classes de acordo com o tratamento experimental: gafanhotos de mesocosmos contendo predadores (predação) para induzir estresse e mesocosmos sem predadores (controle) e, portanto, sem estresse induzido. Os dados são do D. HalwenaSchmitz e JO 2010, não publicado.

Figura 3. Curvas descrevendo cumulativo CO ₂ release à beira da piscina enquanto decomposição microbiana entradas grama experimentais de decomposição em colares de PVC. Valores representados são a média ± um erro padrão. O gráfico demonstra que os solos preparados com carcaças estressados ​​gafanhoto (predador) resultam em 19% menor (ANOVA F _1,6 = 9,06, P <0,05) as taxas de decomposição de plantas de solos imunizadas com carcaças sem stress gafanhoto (controle). A inserção mostra o aparelho de colarinho PVC no campo. Figura reproduzida de Hawlena et al. ⁶ Cick aqui para ver figura maior .

Discussão

A seqüência de métodos apresentados aqui devem permitir a medição sistemática do estresse maneira de espécies que compõem teias acima do solo de alimentos podem comunidades microbianas em solos principais caminhos que levam à alteração da subsequente decomposição do lixo planta. Os métodos são ideais para estudar os ecossistemas compostas por consumidores de artrópodes e plantas herbáceas porque teias alimentares inteiros pode ser espacialmente circunscrito e contido dentro mesocosmos.

Variabilidade espacial podem existir devido a gradientes de umidade do solo residual, a temperatura do solo, teor de nutrientes de plantas, etc O desenho do estudo permite mescosms matriz e colares de PVC para bloquear espaciais ao longo de gradientes ambientais e, assim, conta a variação ambiental, ao analisar os efeitos.

Embora destinado a utilização no campo, a cavidade do instrumento de espectroscopia de anel para baixo (Picarro Inc., Santa Clara, CA, EUA; Modelo: G1101-i) se as leituras sãonsitive ao movimento. Portanto, deve-se construir uma estação de medição de base central para todos os lotes contendo colares de PVC, e conectar o instrumento para os colares com comprimentos de tubos de PVC.

Decomposição do solo tem sido tradicionalmente medido colocando quantidades conhecidas de ninhada em sacos de malha de fibra de vidro, depositando os sacos para a superfície do solo no campo e, periodicamente, re-medir os sacos de areia para quantificar taxa desaparecimento (decomposição). A limitação deste método é que a pessoa é capaz de rastrear o destino da matéria em decomposição, ou para determinar a contribuição de CO ₂ a mineralização da alteração do solo (areia adicionado) de fundo mineralização CO _2. O método de rastreamento usando rotulado CO ₂ apresentou aqui ajuda a aliviar esta restrição logístico.

Ecologia ecossistema e biogeoquímica têm operado sob o paradigma de trabalho que por causa planta uneaten-Maca compreende a maioria dos detritos, processos ecossistêmicos subterrâneos são apenas marginalmente influenciado por entradas de biomassa de níveis tróficos superiores na cadeia alimentar acima do solo, tais como herbívoros próprios ^6. No entanto, há evidências crescentes de que espécies de níveis tróficos superiores dos ecossistemas pode ter uma profunda influência sobre processos subterrâneos ^1,4,5. O método aqui apresentado representa para melhorar a quantificação da contribuição de níveis tróficos superiores, quer directamente através da biomassa da deposição de carcaça (por exemplo, ^{12, 13)} ou excreção e egestion (por exemplo ^{14, 15)} ou indiretamente através da alteração da composição da comunidade vegetal (por exemplo, ⁹ ) no ciclismo ecossistema de nutrientes. Essa quantificação pode ajudar a revelar os mecanismos pelos quais os animais controlam dinâmica do ecossistema, como parte de um esforço concertado para melhorar e rever o paradigma atual de trabalho de controle biótico sobre o funcionamento do ecossistema.

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Nome do reagente ou do equipamento	Companhia	Número de catálogo	Comentários (opcional)
Anel cavidade para baixo espectroscópio	Picarro Inc., Santa Clara, CA, EUA	# Modelo G1101-i
CO2 respirômetro	Qubit Systems, Kingston, Ontário, Canadá	Modelo S151 #
13C	Sigma-Aldrich	372382
Espectrofotômetro	Thermo, San Jose CA, EUA	Modelo: Delta V Plus Spectrophotometer de massa de razão isotópica