Lier le risque de prédation, stress physiologique et Herbivore décomposition microbienne de la litière végétale

Summary

Nous présentons les méthodes pour évaluer le risque de prédation peut altérer la qualité chimique des proies herbivores en induisant des changements alimentaires pour répondre aux besoins de stress accru, et comment la décomposition des carcasses de ces herbivores stress ralentit après décomposition de la litière végétale par les microbes du sol.

Abstract

La quantité et la qualité des détritus qui entrent dans le sol détermine la vitesse de décomposition par les communautés microbiennes ainsi que les taux de recyclage de l'azote (N) et de ^1,2 séquestration du carbone (C). Litière végétale comprend la majorité des détritus ^3, et ainsi de suite, on suppose que la décomposition n'est que marginalement influencé par les apports de biomasse provenant d'animaux tels que les herbivores et les carnivores ^4,5. Toutefois, les carnivores peuvent influencer la décomposition microbienne de la litière végétale par une chaîne d'interactions dans lesquelles le risque de prédation modifie la physiologie de leurs proies herbivores qui à son tour modifie le fonctionnement microbienne du sol lorsque les carcasses d'herbivores sont décomposés ^6. Une réponse physiologique au stress par des herbivores au risque de prédation peut changer le répertoire C: N composition élémentaire de la biomasse herbivore ^7,8,9 parce que le stress augmente le risque de prédation de la demande d'énergie herbivores basales que dans les systèmes de forces en éléments nutritifs limitée herbivores à déplacer leur consommation de N-riches ressources pour soutenir la croissance et la reproduction à des ressources d'hydrates de carbone C-riches pour soutenir le métabolisme accru ^6. Les herbivores ont une capacité limitée pour stocker les nutriments en excès, tellement stressé herbivores excrètent N, car ils augmentent la consommation d'hydrates de carbone C ^7. En fin de compte, en proie souligné le risque de prédation augmentent leur corps C: N ratio ^7,10, ce qui les rend plus pauvres des ressources de qualité pour la piscine microbienne du sol probablement due à une plus faible disponibilité de N labile pour la production de l'enzyme microbienne ^6. Ainsi, la décomposition des carcasses d'herbivores stress a un effet d'amorçage sur le fonctionnement des communautés microbiennes qui diminue la capacité ultérieure à des microbes pour décomposer ^6,10,11 litière végétale.

Nous présentons la méthodologie pour évaluer les liens entre les risques de prédation et de décomposition de la litière par les microbes du sol. Nous décrivons comment: induire un stress chez les herbivores du risque de prédation; meaque ces réactions de stress, et de mesurer les conséquences sur la décomposition microbienne. Nous utilisons un aperçu d'un modèle d'écosystème des prairies comprenant la chasse araignée prédateur (Pisuarina mira), un herbivore dominant sauterelle (Melanoplus femurrubrum), et une variété de plantes herbacées et graminées ^9.

Protocol

1. Grasshoppers élevage Under Stress et stress Conditions gratuits

1. Utiliser 0,5 m ² circulaire, mésocosmes fermées pour empêcher l'émigration ou l'immigration des espèces animales (Figure 1). Construire mésocosmes en utilisant 2,4 m de longueur de 1,5 m de hauteur ¼ "barrière de treillis en aluminium comme un échafaudage. Couvrir la clôture de 2,5 m de longueur 1,75 m en aluminium moustiquaire haute replié sur le haut et le bas de la clôture et agrafées le long pli. Participez à la clôture extrémités pour former un cercle fermé et puis agrafer la fenêtre chevauchement dépistage de concert pour créer un joint. Réglez le mésocosme dans le sol dans le champ en creusant à 10 cm de profondeur de 4 cm large tranchée autour de la base du mesocosom, couler le mésocosme en la tranchée et tasser le gazon puis de la tranchée autour de la partie creuse de la mésocosme. Staple un morceau circulaire de store de fenêtre à la partie supérieure de la mésocosme.
2. Mésocosmes tableau reproduit dans une désignation expérimentale jumelén dans le domaine. Emplacements des parcelles doit être sélectionné en fonction de l'identité des espèces végétales et de la couverture végétale par rapport. Sink cages de 10 cm dans le sol sur le site de parcelle.
3. L'aide d'un filet fauchoir, recueillir précoces (2 ^e) des stades nymphes de sauterelles et de les stocker dans les mésocosmes à des densités naturelles de terrain.
4. L'aide d'un filet fauchoir, capturer des individus de position dominante sit-and-wait chasse (non web tissage) araignée espèces prédatrices. Colle fermer la chélicères araignée (pièces buccales servant à maîtriser leurs proies) avec du ciment à séchage rapide à des effets de risque découplés de sélection favorisant la survie réelle sauterelles individuels avec de meilleures capacités d'échapper à la prédation araignée. Stocker les araignées à des densités de terrain à l'un mésocosme de chaque paire. Ce sera le traitement du stress. Mésocosmes sans araignées sera le traitement sans stress.
5. Laissez nymphes de sauterelles se développer à la fin (4 ^e et 5 ^e) étapes larvaires. Ramassez tous les individus des cages et randomly affecter des personnes de chaque cage à l'un des trois groupes de dosage suivantes: (1) la validation de l'état de stress physiologique, (2) la validation de changement de corps élémentaire stoechiométrie; décomposition microbienne (3).

2. Validation État de stress Grasshopper

1. Mesurer le taux métabolique standard sauterelle (SMR), selon le taux d'émission de dioxyde de carbone ( ) Dans un écoulement continu incurrent système respirométrie avec un débit d'air de 200 ml / min. Enlever la vapeur d'eau en faisant passer de l'air s'écoulant à travers un agent desséchant.
2. Suite à la privation de nourriture de 16 h (l'eau doit être disponible), peser sauterelles individuels (± 0,1 mg), et les placer dans transparent de 50 ml (9,2 cm L x 2,0 cm P) chambres respiromètre et leur permettre de se remettre de la manipulation pendant au moins 10 min avant le début des mesures.
3. Sous moyenne constante température ambiante température (température de ± 1% de variation de l'erreur-type) dans la chambre respiromètre, analyser l'air respiré à l'aide d'une infra-rouge analyseur de CO ₂ (par exemple Qubit résolution ppm S151-1). Mesurer la moyenne minimale en régime permanent pendant 10 min.
4. L'analyseur fournit CO ₂ concentration fractionnelle (parties par million), mais SMR doit être signalé comme un taux, donc il faut transformer les enregistrements comme FR = _i ( - ) / {1 - [1 - (1/RQ)]}, oùiles/ftp_upload/50061/50061eq3.jpg "fo: src =" / files/ftp_upload/50061/50061eq3highres.jpg "/> = concentration fractionnelle incurrent de CO _2; = Concentration fractionnelle exhalant de CO _2; taux d'écoulement FR = (ml min ^-1); QR = quotient respiratoire, supposé égal à 0,85 dans herbivores.

3. Maj valider en Stoechiométrie Élémental Corporel

1. Évaluer carbone: azote (C: N) contenu d'un échantillon de sauterelles recueillies auprès des mésocosmes sur le terrain.
2. Réduire les variations dans C: N due à la consommation alimentaire récente en supprimant le contenu des intestins sauterelles sous un microscope à dissection.
3. Lyophiliser l'intestin vide et le corps pendant 48 heures, puis rectifier la carcasse individuelle et de l'intestin pour obtenir une poudre homogène.
4. Mesurer C: teneurs en azote de la poudre à l'aide d'un auto-analyseur CNH.

4.La décomposition microbienne

1. Lieu reproduit paires de colliers en PVC (15,4 cm de diamètre., Inséré ~ 4 cm dans le sol) dans le site d'étude (figure 3C). Retirez toute la végétation en eux par l'intermédiaire écrêtage à la surface du sol. Ces colliers sont utilisés pour des mesures de décomposition. En outre, établir un ensemble de colliers en PVC à travers le lieu de travail pour agir comme ¹³ C naturelle de l'abondance des contrôles (voir ci-dessous), à laquelle ni les sauterelles, ni herbe litière sont ajoutés.
2. Pour un collier de chaque paire ajouter 2 intactes, lyophilisés carcasses de sauterelles (enregistrement de la biomasse dans l'original) élevés avec des risques prédateur tel que décrit ci-dessus en utilisant le terrain cages. Pour l'autre collier de chaque paire ajouter 2 intactes lyophilisés carcasses élevés sans risque prédateur.
3. Couvrir les colliers en PVC avec un écran pour empêcher le retrait sauterelle par les charognards des parcelles et de laisser les carcasses de sauterelles se décomposer pendant 40 jours.
4. Alors que les carcasses se décomposent étiquette, de l'herbe-litter avec ¹³ C.
   1. Construire une chambre en plexiglas transparent (60 cm x 60 cm x 1,5 m) avec une entrée et une vanne de sortie (figure 3B).
   2. Lavabo de 60 cm carrés x 60 cm Cadre en bois avec un joint en caoutchouc enduit de graisse silicone de 5 cm dans le sol (figure 3B).
   3. Glisser la chambre au-dessus du cadre en bois de sorte que la chambre est fermée par le caoutchouc (Figure 3B).
   4. Connectez les entrées de la chambre de bouteilles de gaz comprimé contenant 99% atomique ¹³ CO _2. Plantes à l'intérieur de la chambre sera marqué par ¹³ C, où concentrations de CO ₂ sont maintenus à des niveaux ambiants (parce que les concentrations de levage modifie la répartition du carbone végétal). Les niveaux ambiants sont maintenus que par pulsation marquée CO ₂ pendant de courtes périodes de temps. En outre, les températures de la chambre sont surveillés et les chambres sont retirés si la température atteint 5 ° C parbove ambiante.
   5. Une semaine après l'étiquetage, comparer δ ¹³ C de l'herbe-à litière avec des valeurs d'abondance naturels recueillies auprès d'un échantillon aléatoire d'espèces de graminées identiques à l'aide d'un thermo DeltaPlus spectromètre de masse isotopique (Thermo, San Jose, CA, USA).
5. Après 40 jours, ajouter 10 g de séchage à l'air marqué au ¹³ C herbe litière pour chaque collier qui avait été modifié antérieurement par des carcasses de sauterelles.
6. Surveiller le taux de minéralisation de l'herbe litière in situ dans 75 jours par plafonnement chaque collier et le suivi à la fois la respiration totale du sol et la respiration de ¹³ CO _2. Ceci est accompli en utilisant un flux continu technique de la chambre où des échantillons de gaz de chaque collier sont surveillés en temps réel, pendant 8 minutes chaque cavité ring-down utilisant la spectroscopie (CRDS; Picarro Inc, Santa Clara, CA, USA; Modèle: G1101 -i). CRDS permet de suivre simultanément total et δ ¹³ Cla respiration du sol.
7. Estimer la contribution de ¹³ C marqué l'herbe litière à la respiration totale du sol en utilisant les équations de mélange d'isotopes. La quantité d'herbe litière dérivés de CO ₂ est calculé comme suit: (. Δ ¹³ C _respiration - δ ¹³ C _{nat.abn) C-herbe litière dérivée} = C × _totale / (δ ¹³ C _{herbe litière} - δ ¹³ C _{nat . abn),} où C _total est la quantité totale de C respiré pendant une mesure donnée, δ ¹³ C _respiration est le δ ¹³ C du respiré-C pour les colliers modifiée avec de la litière d'herbe étiquetés, δ ¹³ C _nat.abn. est la moyenne δ ¹³ C de C respiré dans les trois colliers abondance naturels (ceux qui n'ont pas été modifiés avec de la litière), et δ ¹³ C _{herbe litière} est le δ ¹³ C de la litière d'herbe ajoutée à la coopérationllars.
8. Surveiller la température du sol et l'humidité à travers l'expérience en utilisant des sondes à main pour corriger les différences dans la respiration du sol dus aux différences de température et d'humidité.
9. Bien que destiné à une utilisation terrain, l'appareil de spectroscopie cavité ring-down (Picarro Inc, Santa Clara, CA, USA; Modèle: G1101-i) lectures sont sensibles au mouvement. Par conséquent, il convient de construire une station de mesure de base au centre de toutes les parcelles contenant des colliers en PVC, et brancher l'instrument sur les colliers avec des longueurs de tuyau en PVC.

Representative Results

Une parcelle exemple de sauterelles standards taux métaboliques dans des conditions de stress et le stress libres sont présentés dans la figure 2. En raison des différences de masse corporelle chez les sauterelles individuels, et le fait que le taux métabolique varie en fonction de la masse corporelle, les parcelles devraient présenter des taux métaboliques par rapport à la masse corporelle sauterelle. Tendances parallèles pour les différents traitements indiquent que le taux métabolique augmente avec un multiple constant du taux métabolique standard (ie il n'y a pas de masse corporelle x taux d'interaction métabolique) pour tous les individus stressés.

Grasshopper corps C et teneurs en azote élémentaire à des risques et des conditions libres sont présentés dans le tableau 1. Il est à noter qu'il ya une très faible (4%) différence dans le corps ratios C: N entre les traitements. Néanmoins, ces petites différences peuvent se traduire par de grandes différences dans la décomposition des litières herbe près de la piscine microbienne du sol (figure 3). Ajoutant de la litière d'herbe à des colliers en PVC modifiées précédemment avec des sauterelles stressées ou sans stress conduit à différents degrés de décomposition de la litière, comme en témoignent les courbes décrivant cumuler dégagement de CO ₂ dans le sol en raison de la respiration microbienne (Figure 3). Les expériences doivent être surveillés jusqu'à cumuler les courbes commencent à saturer.

	Stress	Stress Free
Carbone (%)	48,44 ± 0,32	44,73 ± 0,46
Azote (%)	12,11 ± 0,08	11,62 ± 0,12
Carbone: azote	4,00 ± 0,03	3,85 ± 0,04

Tableau 1. Comparaison de la composition chimique de la voiture herbivore sauterellecarcasses de conditions dans lesquelles ils sont confrontés risque de prédation (stress) et dans laquelle le risque de prédation était absent (sans stress). Les valeurs sont la moyenne ± 1 erreur standard.

Figure 1. Illustration de la conception du champ mésocosmes utilisés dans l'expérience et l'économie de l'évaluation expérimentale des effets des risques sur la décomposition de la litière.

Figure 2. Une parcelle de taux métabolique herbivore-type par rapport à la masse corporelle des herbivores. Les données sont divisées en deux classes selon les traitements expérimentaux: sauterelles de mésocosmes contenant des prédateurs (prédation) pour induire le stress et mésocosmes sans prédateurs (contrôle) et donc pas de stress induit. Les données sont tirées D. Halwenaet Schmitz JO 2010, non publié.

Figure 3. Courbes décrivant cumulatif dégagement de CO ₂ près de la piscine tout en décomposition microbienne expérimentales apports de litière d'herbe dans des colliers en PVC. Valeurs représentées sont la moyenne ± 1 erreur standard. Le graphique montre que les sols amorcée avec des carcasses de sauterelles stressés (prédateur) se traduisent par 19% de moins (ANOVA F = _1,6 9,06, P <0,05) les taux de décomposition de la litière végétale que les sols amorcées avec des carcasses de stress sauterelles libres (contrôle). L'encart représente le dispositif de collier de PVC dans le domaine. Figure reproduite à partir Hawlena et al. ⁶ Cick ici pour agrandir la figure .

Discussion

La séquence des méthodes présentées ici devraient permettre une mesure systématique de la contrainte manière espèces comprenant les réseaux trophiques-dessus du sol peut prime communautés microbiennes du sol dans les chemins qui mènent à une altération de la décomposition subséquente de la litière végétale. Les méthodes sont idéales pour étudier les écosystèmes constitués de consommateurs arthropodes et les plantes herbacées, car les réseaux trophiques intacts peuvent être spatialement circonscrite et contenue dans les mésocosmes.

La variabilité spatiale peut exister en raison de gradients d'humidité du sol de fond, la température du sol, la teneur en éléments nutritifs des plantes, etc Le plan de l'étude permet de mescosms tableau et des colliers en PVC pour bloquer le long de gradients environnementaux spatiales et ainsi tenir compte des variations de l'environnement tels lors de l'analyse des effets.

Bien que destiné à une utilisation terrain, l'appareil de spectroscopie cavité ring-down (Picarro Inc, Santa Clara, CA, USA; Modèle: G1101-i) sont des lectures soinsitive au mouvement. Par conséquent, il convient de construire une station de mesure de base au centre de toutes les parcelles contenant des colliers en PVC, et brancher l'instrument sur les colliers avec des longueurs de tuyau en PVC.

Décomposition de la litière du sol a toujours été mesurée en plaçant des quantités connues de litière dans des sacs en filet en fibre de verre, déposer les sacs sur la surface du sol sur le terrain et périodiquement re-mesurer les sacs à quantifier la vitesse de disparition de la litière (décomposition). La limitation de cette méthode est que l'on n'est pas en mesure de retracer le destin de la matière décomposée ou de déterminer la contribution du CO ₂ minéralisation de l'amendement du sol (litière ajoutée) à partir du sol CO fond ₂ de la minéralisation. La méthode des traceurs marqués à l'aide de CO ₂ présentée ici permet d'atténuer cette contrainte logistique.

L'écologie et biogéochimie des écosystèmes exploités dans le paradigme de travail que parce que des plantes non consommésLitière comprend la majorité des détritus, les processus des écosystèmes souterrains ne sont que marginalement influencé par les apports de la biomasse par rapport aux niveaux trophiques supérieurs dans la chaîne alimentaire hors sol, comme les herbivores eux-mêmes ^6. Cependant, il existe des preuves de plus en plus que les espèces des niveaux trophiques supérieurs des écosystèmes peuvent avoir une profonde influence sur les processus de ^1,4,5 souterraines. La méthode présentée ici est d'améliorer la quantification de la contribution des niveaux trophiques supérieurs, soit directement par la biomasse de dépôt carcasse (par exemple ^{12, 13)} ou de l'excrétion et égestion (par exemple ^{14, 15),} soit indirectement par l'altération de la composition des communautés végétales (par exemple ⁹ ) sur le cycle des éléments nutritifs des écosystèmes. Cette quantification peut aider à révéler les mécanismes par lesquels les animaux contrôlent la dynamique des écosystèmes dans le cadre d'un effort concerté pour améliorer et réviser le paradigme actuel de travail de contrôle biotique sur le fonctionnement des écosystèmes.

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