Summary
Vi præsenterer metoder til at vurdere, hvordan prædation risiko kan ændre den kemiske kvalitet af planteæder bytte ved at inducere ændringer i kosten til at imødekomme de krav, øget stress, og hvordan nedbrydningen af slagtekroppe fra disse stressede planteædere forsinker efterfølgende plante kuld nedbrydning af jordens mikroorganismer.
Abstract
Mængden og kvaliteten af detritus ind i jorden bestemmer hastigheden af nedbrydning af mikrobielle samfund samt recirkulations satser for kvælstof (N) og kulstof (C) beslaglæggelse 1,2. Plant kuld omfatter størstedelen af detritus 3, og derfor antages det, at nedbrydning er kun marginalt påvirket af biomasse input fra dyr, såsom planteædere og kødædere 4,5. Dog kan kødædere påvirke mikrobiel nedbrydning af plante kuld gennem en kæde af interaktioner, hvor prædation risiko ændrer fysiologien af deres planteædere byttedyr, som igen ændrer mikroorganismernes funktion, når planteædende slagtekroppe nedbrydes 6. En fysiologisk stress respons ved planteædere til risikoen for prædation kan ændre C: N grundstofsammensætningen for planteædere biomasse 7,8,9 fordi stress under prædation risiko øger planteædende basale energibehov der i næringsstof-begrænsede systemer kræfter planteæders at flytte deres forbrug fra N-rige ressourcer til at støtte vækst og reproduktion til C-rige kulhydrater ressourcer til at støtte øget stofskifte 6. Planteædere har begrænset evne til at lagre overskydende næringsstoffer, så stresset planteædere udskiller N da de øger kulhydrat-C forbrug 7. I sidste ende, bytte understreget af prædation risiko øge deres krop C: N-forhold 7,10, hvilket gør dem dårligere kvalitet ressourcer til jordmikrobiel pulje sandsynligvis på grund af lavere tilgængelighed af labil N for mikrobiel enzymproduktion 6. Således nedbrydning af døde stressede planteædere har en priming effekt på funktionen af mikrobielle samfund, der nedsætter den efterfølgende evne til af mikrober til at nedbryde plante kuld 6,10,11.
Vi præsenterer den metode til at vurdere sammenhængen mellem prædation risiko og kuld nedbrydning af jordens mikroorganismer. Vi beskriver, hvordan du: fremkalde stress i planteædere fra prædation risiko measikre disse stressreaktioner, og måle følgerne for mikrobiel nedbrydning. Vi bruger feedback fra en model græsarealer økosystem omfatter jagt edderkop rovdyr (Pisuarina mira), en dominerende græshoppe planteæder (Melanoplus femurrubrum), og en række af græs-og forb anlæg 9.
Protocol
1. Opdrætsanlæg Grasshoppers under stress og stress fri Betingelser
- Brug 0,5 m 2 cirkulære, lukkede mesocosms at forhindre emigration eller immigration af dyrearter (figur 1). Konstruere mesocosms bruger 2,4 m længder på 1,5 m høj ¼ "mesh aluminium hegn som et stillads. Dæk indhegning med 2,5 m længder 1,75 m høj aluminium vindue screening foldet over toppen og bunden af hegn og hæftes sammen langs fold. Deltag i hegn ender til dannelse af en lukket cirkel, og derefter hæfte overlappende vinduet screening sammen for at skabe en tætning. Sæt mesokosmos i jorden i marken ved at grave en 10 cm dyb ved 4 cm bred grøft omkring bunden af mesocosom, sænker mesokosmos ind renden og derefter tamp SOD af grøften omkring den forsænkede del af mesokosmos. Hæftning et cirkulært stykke vindue screening til toppen af mesokosmos.
- Array mesocosms i en replikeret parret eksperimentel udpegetn i marken. Plot steder bør vælges til at matche plantearter identitet og planter relative cover. Sink bure 10 cm ned i jorden på grunden site.
- Ved hjælp af en sweep net, indsamle tidlige (2 nd) stadiums græshoppe nymfer og oplagre dem i mesocosms på naturlige felt tætheder.
- Ved hjælp af en sweep net, individer af en dominerende sidde-og-vent jagt (ikke web vævning) spider prædatorarternes fange. Lim lukke edderkop chelicerae (munddele der bruges til at undertrykke bytte) med hurtigtørrende cement til afkoblede risiko effekter fra den faktiske overlevelse udvælgelse begunstiger enkelte græshopper med bedre evner at omgå edderkop rovdrift. Stock edderkopper på mark tætheder til én mesokosmos af hvert par. Dette vil være stress behandling. Mesocosms uden edderkopper vil være den stress fri behandling.
- Tillad græshoppe nymfer at udvikle sig til sene (4 th og 5 th) stadiums stadier. Saml alle individer fra burene og Randomly tildele personer fra hvert bur til én af de tre efterfølgende analyse grupper: (1) validering af fysiologisk stress tilstand, (2) validering af skift i kroppen elementært støkiometri, (3) mikrobiel nedbrydning.
2. Validering Grasshopper Stress stat
- Mål græshoppe standard stofskifte (SMR), som satsen af kuldioxid emission (
) I et incurrent gennemstrømning respirometri system med en luft-strømningshastighed på 200 ml / min. Fjerne vanddamp ved at lede strømmende luft gennem et tørremiddel. - Efter mad berøvelse af 16 timer (vand bør være tilgængelig), individuelle græshopper (± 0,1 mg) afvejes, og læg dem i gennemsigtige 50 ml (9,2 cm L x 2,0 cm D) respirometerkolben kamre og give dem mulighed for at komme sig efter håndtering i mindst 10 min før målingerne påbegyndes.
- Under konstant gennemsnitlig omgivende tem peratur (temperatur ± 1% standard error variation) i respirometerkolben kammer, analysere respirationsgasser luft ved hjælp af en infrarød CO 2-analysatoren (f.eks qubit S151-1 ppm opløsning). Måle den gennemsnitlige minimale steady-state i 10 minutter.
- Analysatoren giver fraktioneret CO 2-koncentration (dele pr million), men SMR bør rapporteres som en sats, så man må forvandlet optagelser som = FR i (
- 
) / {1 - [1 - (1/RQ)]}, hvoriles/ftp_upload/50061/50061eq3.jpg "fo: src =" / files/ftp_upload/50061/50061eq3highres.jpg "/> = incurrent fraktioneret koncentration af CO 2; = Excurrent fraktioneret koncentration af CO 2, FR = strømningshastighed (ml min -1), RQ = respiratorisk kvotient, antages at være lig med 0,85 i planteædende dyr.
) I et incurrent gennemstrømning respirometri system med en luft-strømningshastighed på 200 ml / min. Fjerne vanddamp ved at lede strømmende luft gennem et tørremiddel. 
- 
) / {1 - 3. Validering Shift i Body Elemental Støkiometri
- Evaluer Carbon: nitrogen (C: N) Indholdet af en prøve af græshopper indsamlet i felten mesocosms.
- Reducere variation i C: N grund af nylig foderforbrug ved at fjerne græshoppe tarmindholdet under et dissektionsmikroskop.
- Frysetørre den tomme mave og krop i 48 timer og derefter formale den enkelte slagtekrop og tarmen til et homogent pulver.
- Foranstaltning C: N indholdet i pulveret under anvendelse af en CNH autoanalysator.
4.Mikrobiel nedbrydning
- Sted replikerede par af PVC-halsbånd (15,4 cm dia., Indsat ~ 4 cm ned i jorden) på stedet (figur 3C). Fjern al vegetation i dem via klipning på jordoverfladen. Disse kraver anvendes til nedbrydning foranstaltninger. Derudover etablere et sæt af PVC kraver hen over marken webstedet til at fungere som 13 C naturligt overflod kontroller (se nedenfor), som hverken græshopper eller græs-kuld tilsættes.
- Til den ene krave i hvert par tilføje 2 intakte, frysetørrede slagtekroppe af græshopper (optage biomassen tilføjet) opdrættet med rovdyr risiko som beskrevet ovenfor under anvendelse field-bure. Til den anden krave i hvert par tilføje 2 intakte frysetørrede kroppe opdrættet uden rovdyr risiko.
- Dæk PVC kraver med en skærm for at forhindre græshoppe fjernelse af skraldemanden fra plots og lad græshoppe slagtekroppe nedbrydes i 40 dage.
- Mens slagtekroppene nedbrydes, label græs-litter med 13 C.
- Konstruere en klar plexiglas-kammer (60 cm x 60 cm x 1,5 m) med et indløb og udløbsventil (figur 3B).
- Sink et kvadrat 60 cm x 60 cm træramme med en gummiforsegling overtrukket med silikonefedt 5 cm ned i jorden (figur 3B).
- Skubbe kammeret oven på træramme, således at kammeret bliver forseglet af gummi (figur 3B).
- Forbind kammeret indløb til komprimerede gasflasker indeholdende 99 atom% 13 CO 2. Planterne inde i kammeret vil blive mærket med 13 C, hvor CO 2-koncentrationen holdes på omgivelsernes niveau (fordi opløftende koncentrationer ændrer plante kulstof partitionering). Omgivende opretholdes ved hjælp af kun pulsere mærket CO 2 i korte perioder. Desuden er kammeret temperaturen overvåges og kamre er fjernet, hvis temperaturen nå 5 ° C enBove omgivelsestemperatur.
- En uge efter mærkning, sammenligne δ 13 C af græsset-kuldet med naturlige overflod værdier indsamlet fra en tilfældig stikprøve af identiske græsarter ved hjælp af en Thermo DeltaPlus isotopforhold massespektrometer (Thermo, San Jose, CA, USA).
- Efter 40 dage, tilsættes 10 g lufttørret 13 C-mærket græs-kuld til hver krave, der tidligere var blevet ændret med græshoppe slagtekroppe.
- Overvåg mineraliseringsgrad på græsset-kuldet in situ over 75 dage ved capping hver krave og sporing af både total jordrespiration og respiration af 13 CO 2. Dette opnås ved anvendelse af en gennemstrømningskammer teknik, hvor gasprøver fra hver krave overvåges, i realtid, i 8 minutter med hver kavitet udklingningstid spektroskopi (CRDS, Picarro Inc., Santa Clara, CA, USA, Model: G1101 -i). CRDS gør det muligt at samtidigt spore både totalt og δ 13 Caf jordrespiration.
- Estimere bidrag af 13 C-mærket græs-kuld til total jordrespiration hjælp isotop blanding ligninger. Mængden af græs-kuld afledt CO 2 beregnes som følger: (. Δ 13 C respiration - δ 13 C nat.abn) C græs-kuld afledt = C total × / (δ 13 C græs-kuld - δ 13 C NAT . ABN), hvor C total er den samlede mængde C indåndes under en given måling, δ 13C respiration er δ 13 C af respirationsgasser-C kraver ændres med mærket græs kuld, δ 13C nat.abn. er den gennemsnitlige δ 13 C af respirationsgasser C i de tre naturlige overflod kraver (dvs. dem, der ikke blev ændret med strøelse), og δ 13 C græs-kuldet er δ 13 C i græsset kuld føjet til den fællesllars.
- Overvåg både jordtemperatur og fugtighed over forsøget med håndholdte prober til at korrigere for forskelle i jordrespiration på grund af forskelle i temperatur og fugtighed.
- Selv beregnet til brug i felten, hulrummet udklingningstid spektroskopi instrument (Picarro Inc., Santa Clara, CA, USA, Model: G1101-i) målingerne er følsomme over for bevægelse. Derfor bør man opføre en base målestation central for alle de parceller, der indeholder PVC kraver, og tilslut instrumentet til kraverne med længder på PVC-slanger.
Representative Results
Et eksempel plot af græshoppe standard stofskifte i stress og stress fri betingelser er præsenteret i figur 2. På grund af body mass forskelle blandt de enkelte græshopper, og det faktum, at stofskiftet varierer med body mass, bør plots præsentere stofskifte i forhold til græshoppe body mass. Parallelle tendenser for de forskellige behandlinger tyder på, at stofskiftet stiger som en konstant multiplum af standard stofskifte (dvs. der er ingen body mass x stofskifte interaktion) for alle stressede individer.
Grasshopper krop C og N elementære indhold i fare og risiko frie betingelser er vist i tabel 1. Det er bemærkelsesværdigt, at der er et meget lille (4%) forskel i kroppen C: N-forhold mellem behandlingerne. Ikke desto mindre kan disse små forskelle udslag i store forskelle i græs kuld dekomponeringen med jordmikrobiel pool (figur 3). Tilføjelse græs kuld til PVC kraver tidligere ændret med stressede eller stress-fri græshopper fører til forskellige grader af kuld nedbrydning, som afspejlet i de kurver beskriver kumulere CO 2-frigivelse fra jorden på grund af mikrobiel respiration (Figur 3). Eksperimenter bør overvåges, indtil kumulere kurver begynder at mætte.
| Stress | Stress Free | |
| Carbon (%) | 48,44 ± 0,32 | 44,73 ± 0,46 |
| Nitrogen (%) | 12,11 ± 0,08 | 11,62 ± 0,12 |
| Carbon: Kvælstof | 4,00 ± 0,03 | 3,85 ± 0,04 |
Tabel 1. Sammenligning af det kemiske indhold af græshoppe planteæder carcasses fra forhold, hvorunder de står prædation risiko (stress), og hvor prædation risiko var fraværende (stress fri). Værdier er middelværdi ± 1 standardafvigelse.
Fig. 1. Illustration af udformningen af feltet mesocosms anvendt i forsøget og opbygningen af den eksperimentelle evaluering af risikoen virkninger på kuld nedbrydning.
Figur 2. Et plot af planteæder standard stofskifte i forhold til planteædere body mass. Dataene er opdelt i to klasser efter eksperimentel behandling: græshopper fra mesocosms indeholder prædatorer (prædation) til at inducere stress og mesocosms uden rovdyr (kontrol) og dermed ingen induceret stress. Data er fra D. Halwenaog EFT Schmitz 2010, ikke offentliggjort.
Figur 3. Curves beskriver kumulativ CO 2-frigivelse af den mikrobielle puljen, mens nedbrydning eksperimentelle græs kuld indgange i PVC kraver. Plottede værdier er middelværdi ± 1 standardafvigelse. Grafen viser, at jord grundes med stressede græshoppe slagtekroppe (rovdyr) resulterer i 19% lavere (ANOVA F 1,6 = 9,06, P <0,05) plante kuld nedbrydningsprodukter satser end jord primet med stress fri græshoppe slagtekroppe (kontrol). Det indsatte viser PVC krave apparatet på området. Figur gengivet fra Hawlena et al. 6 Cick her for at se større figur .
Discussion
Sekvensen af metoder præsenteret her bør tillade systematisk måling af den måde stress i arter omfatter overjordiske fødekæder kan prime jord mikrobielle samfund på måder, der fører til ændring af den efterfølgende nedbrydning af plante kuld. Metoderne er ideelle til at studere økosystemer består af arthropode forbrugere og urteagtige planter, fordi intakte fødekæder kan være rumligt afgrænset og indeholdt i mesocosms.
Rumlig variation kan forekomme som følge af gradienter i baggrunden jordfugtighed, jordtemperatur, plantenæringsstoffer indhold osv. Undersøgelsens design gør det muligt at array-mescosms og PVC kraver til at blokere ad rumlige miljømæssige gradienter og dermed højde for en sådan miljømæssig variation, når der analyseres for effekter.
Selvom beregnet til brug i felten, hulrummet ring-down spektroskopi instrument (Picarro Inc., Santa Clara, Californien, USA, Model: G1101-i) aflæsninger sensitive til bevægelse. Derfor bør man opføre en base målestation central for alle de parceller, der indeholder PVC kraver, og tilslut instrumentet til kraverne med længder på PVC-slanger.
Jord kuld nedbrydning er traditionelt blevet målt ved at indeslutte kendte mængder strøelse til glasfiber mesh poser, aflejring poserne på jordoverfladen inden for området og jævne mellemrum at måle poserne at kvantificere kuld forsvindingshastigheden (sønderdeling). Begrænsningen ved denne metode er, at man ikke er i stand til at spore skæbne nedbrudt materiale eller bestemme bidrag til CO 2 mineralisering af jordens ændring (tilføjet strøelse) fra baggrunden jord CO 2 mineralisering. The tracer metode under anvendelse af mærket CO2 præsenteret her hjælper afhjælpe denne logistiske begrænsninger.
Ecosystem økologi og biogeokemi har opereret under arbejdstitlen paradigme, fordi levnet plante-Kuld omfatter størstedelen af detritus, er jordbunden økosystemprocesser kun marginalt påvirket af biomasse input fra højere trofiske niveauer i overjordiske fødekæder, såsom planteædere selv 6. Men der er voksende beviser for, at arter i højere trofiske niveauer af økosystemer kan have en dybtgående indflydelse på jordbunden processer 1,4,5. Den metode, der præsenteres her står til at forbedre kvantificeringen af bidraget fra højere trofiske niveauer, enten direkte ved hjælp af biomasse fra slagtekrop aflejring (fx 12, 13) eller udskillelse og egestion (f.eks 14, 15) eller indirekte via ændring af plantevækstens sammensætning (f.eks 9 ) på økosystemet næringsstofomsætning. En sådan kvantificering kan bidrage til at afsløre de mekanismer, som dyrene styrer økosystemets dynamik som en del af en samlet indsats for at forbedre og revidere den nuværende arbejdstid paradigme biotisk kontrol over økosystemernes funktion.
Disclosures
Vi har intet at afsløre.
Acknowledgments
Denne forskning blev støttet af midler fra Yale Klima-og Energiministeriet Institute og det amerikanske National Science Foundation.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Cavity ring down spectroscope | Picarro Inc., Santa Clara, CA, USA | Model # G1101-i | |
| CO2 respirometer | Qubit Systems, Kingston, ON, Canada | Model # S151 | |
| 13C | Sigma-Aldrich | 372382 | |
| Spectrophotometer | Thermo, San Jose CA, USA | Model: Delta V Plus Isotope Ratio Mass Spectrophotometer |
References
- Wardle, D. A., et al. Ecological linkages between aboveground and belowground biota. Science. 304, 1629-1633 (2004).
- Hattenschwiler, S., Tiunov, A. V., Scheu, S. Biodiversity and litter decomposition in terrestrial ecosystems. Annu. Rev. Ecol. Syst. 36, 191-218 (2005).
- Cebrian, J. Role of first-order consumers in ecosystem carbon flow. Ecol. Lett. 7, 232-240 (2004).
- Aboveground-Belowground Linkages. Bardgett, R. D., Wardle, D. A. , Oxford University Press. Oxford. (2010).
- Schmitz, O. J., Hawlena, D., Trussell, G. C. Predator control of ecosystem nutrient dynamics. Ecol. Lett. 13, 1199-1209 (2010).
- Hawlena, D., Strickland, M. S., Bradford, M. A., Schmitz, O. J. Fear of predation slows plant litter decomposition. Science. 336, 1434-1438 (2012).
- Hawlena, D., Schmitz, O. J. Physiological stress as a fundamental mechanism linking predation to ecosystem functioning. Am. Nat. 176, 537-556 (2010).
- 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).
- 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).
- 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).
- Allison, S. D., et al. Low levels of nitrogen addition stimulate decomposition by boreal forest fungi. Soil Biol. Biochem. 41, 293-302 (2009).
- 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).
- Yang, L. H. Periodical cicadas and resource pulses in North American forests. Science. 306, 1565 (2004).
- 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).
- 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).
