Linking Prädationsrisiko, Herbivore Physiologische Stress und mikrobielle Zersetzung des Pflanzenstreu

Summary

Wir präsentieren Methoden zu bewerten, wie Prädationsrisiko können die chemische Qualität des herbivore Beute durch Induktion Veränderungen in der Ernährung zu Forderungen der erhöhten Beanspruchung gerecht zu verändern, und wie die Zersetzung von Tierkörpern aus dieser gestressten Pflanzenfresser verlangsamt nachfolgenden Pflanzenstreu Zersetzung durch Bodenmikroorganismen.

Abstract

Die Quantität und Qualität von Detritus in den Boden bestimmt die Geschwindigkeit der Zersetzung durch mikrobielle Gemeinschaften sowie recycle von Stickstoff (N) und Kohlenstoff (C)-Sequestrierung ^1,2. Streu umfasst die Mehrheit der Detritus ^3, und so wird davon ausgegangen, dass die Zersetzung nur marginal von Biomasse Eingänge von Tieren wie Pflanzen-und Fleischfresser ^4,5 beeinflusst. Jedoch kann Fleischfresser mikrobielle Zersetzung Pflanzenstreu über eine Kette von Wechselwirkungen in dem Prädationsrisiko verändert die Physiologie ihres herbivore Beute, die wiederum ändert Bodenmikroorganismen Funktionieren wenn die herbivore Karkassen ⁶ zerlegt beeinflussen. Eine physiologische Stressantwort von Pflanzenfressern auf die Gefahr der Plünderung können die C: N elementare Zusammensetzung von herbivore Biomasse ^7,8,9, weil Stress aus Prädationsrisiko erhöht herbivore basalen Energiebedarf dass Nährstoff-Systeme mit begrenzten Kräften herbivores, um ihren Verbrauch von N-reichen Ressourcen zu verlagern, um Wachstum und Reproduktion C-reichen Kohlenhydrat Ressourcen unterstützen zu unterstützen erhöhten Stoffwechsel ^6. Pflanzenfresser haben eine begrenzte Fähigkeit, überschüssige Nährstoffe zu speichern, so betonte Pflanzenfresser scheiden N als sie erhöhen Kohlenhydrat-C-Verbrauch ^7. Letztlich Beute gestresst durch Prädation Risiko erhöhen ihren Körper C: N-Verhältnis ^7,10, so dass sie schlechtere Qualität Ressourcen für die mikrobiellen Pool wahrscheinlich aufgrund der geringeren Verfügbarkeit von labile N für mikrobielle Enzymproduktion ^6. So hat Zersetzung von Tierkörpern von gestressten Pflanzenfresser eine stimulierende Wirkung auf das Funktionieren des mikrobiellen Gemeinschaften, die spätere Fähigkeit verringert sich der Mikroben Pflanzenstreu ^6,10,11 zersetzen.

Wir präsentieren Ihnen die Methodik zur Verknüpfung zwischen Prädationsrisiko und Streuzersetzung durch Bodenmikroben bewerten. Wir beschreiben, wie: Erbrechen Stress Pflanzenfresser aus Prädationsrisiko; measicher, dass diese Stress-Reaktionen, und messen Sie die Auswirkungen auf die mikrobielle Zersetzung. Wir nutzen Erkenntnisse aus einem Modell Wieseoekosystem, das die Jagd Spinne predator (Pisuarina mira), eine dominante grasshopper Pflanzenfresser (Melanoplus femurrubrum) und eine Vielzahl von Gras und forb Pflanzen ^9.

Protocol

Ein. Aufzucht Grasshoppers unter Stress und Stress Free AGB

1. Mit 0,5 m ² kreisförmige, geschlossene Mesokosmen zur Auswanderung oder Einwanderung von Tierarten (Abbildung 1) zu verhindern. Konstruieren Mesokosmen mit 2,4 m Länge 1,5 m hoch ¼ "Mesh Aluminium-Zaun als ein Gerüst. Bedecken Sie den Zaun mit 2,5 m Länge 1,75 m hohe Aluminium-Fenster-Screening über die Ober-und Unterseite des Zauns gefaltet und geheftet zusammen falten. Registriert das Fechten Enden, um einen geschlossenen Kreis zu bilden und dann die überlappende Fenster Stapelfasern Screenen zusammen, um eine Dichtung zu schaffen. Den Mesokosmos in den Boden im Bereich von gräbt ein 10 cm tief von 4 cm breiten Graben um die Basis des mesocosom, sinken die in Mesokosmos der Graben und dann stampfen die Grasnarbe des Grabens um den versunkenen Teil des Mesokosmen. Staple ein rundes Stück Fenster-Screening an die Spitze der Mesokosmen.
2. Array Mesokosmen in einer replizierten gepaart experimentellen design im Feld. Plot Standorte sollten ausgewählt werden, um die Pflanzenarten Nämlichkeitskontrollen und relativen Abdeckung passen. Sink Käfigen 10 cm in den Boden am Grundstück Ort.
3. Mit einem Sweep net, sammeln frühen (2 ^nd) instar grasshopper Nymphen und lagern sie in den Mesokosmen an natürlichen Felddichten.
4. Mit einem Sweep net, erfassen Individuen einer beherrschenden sit-and-wait Jagd (nicht Web Weben) spider Raubtierarten. Kleber schloss die Spinne Cheliceren (Mundwerkzeuge verwendet, um Beute zu unterwerfen) mit schnell trocknenden Zement entkoppelt Risiko Effekte aus tatsächlichen Überleben Auswahl Bevorzugung einzelner Heuschrecken mit besseren Fähigkeiten spider Prädation entziehen. Stock die Spinnen bei Felddichten um ein Mesokosmen von jedem Paar. Dies wird der Stress-Behandlung sein. Mesokosmen ohne Spinnen wird die stressfreie Behandlung.
5. Lassen grasshopper Nymphen zu spät (4 ^th und 5 ^th) instar Stufen zu entwickeln. Sammle alle Personen aus den Käfigen und randomly weisen Personen aus jedem Käfig auf eine der drei nachfolgenden Assay Gruppen: (1) Validierung von physiologischen Stress Zustand, (2) Validierung der Verschiebung im Körper elementaren Stöchiometrie, (3) die mikrobielle Zersetzung.

2. Validieren Grasshopper Spannungszustand

1. Messen grasshopper Standard metabolische Rate (SMR), als die Rate der Kohlendioxid-Emissionen ( ) In einer aus eventuellen Durchströmung Respirometrie System mit einem Luftdurchsatz von 200 ml / min. Entfernen Wasserdampf, indem strömende Luft durch ein Trockenmittel.
2. Nach Nahrungsentzug von 16 h (Wasser sollte vorhanden sein), wiegen einzelne Heuschrecken (± 0,1 mg), und legen Sie sie in transparent 50 ml (9,2 cm L x 2,0 cm D) Respirometer Kammern und es ihnen ermöglichen, von der Handhabung für mindestens erholen 10 Minuten vor Beginn der Messungen.
3. Unter konstanten durchschnittlichen Umgebungstemperatur Temperatur (± 1% Standardfehler Variation) innerhalb der Kammer Respirometer, analysieren ausgeatmete Luft mittels einer Infrarot-CO _2-Analysator (z. B. Qubit S151-1 ppm Auflösung). Messen Sie den Mittelwert minimalen Steady-State- für 10 min.
4. Der Analysator bietet fraktionierten CO _{2-Konzentration} (parts-per-million), doch SMR sollte als Wert berichtet werden, so muss man die Aufnahmen als transformierte = FR _i ( - ) / {1 - [1 - (1/RQ)]}, wobeiiles/ftp_upload/50061/50061eq3.jpg "fo: src =" / files/ftp_upload/50061/50061eq3highres.jpg "/> = aus eventuellen fraktionierten CO _{2-Konzentration;} = Excurrent fraktionierten CO _{2-Konzentration,} FR = Durchfluss (ml min ^-1); RQ = respiratorischen Quotienten, übernahm gleich 0,85 in pflanzenfressenden Tieren.

3. Validieren Umschalttaste in Body Elemental Stöchiometrie

1. Bewerten Carbon: Stickstoff (C: N)-Gehalt einer Probe von Heuschrecken aus dem Feld Mesokosmen gesammelt.
2. Reduzieren Variation in C: N aufgrund der jüngsten Verzehr von Lebensmitteln, indem grasshopper Darminhalt unter einem Binokular.
3. Freeze-Dry den leeren Darm und Körper für 48 Stunden und dann schleifen die einzelnen Karkasse und gut zu einem homogenen Pulver.
4. Messen C: N-Gehalte des Pulvers unter Verwendung einer CNH Autoanalyzer.

4.Mikrobiellen Abbau

1. Ort repliziert Paar PVC Kragen (15,4-cm dia., Eingesetzt ~ 4 cm in den Boden) im Bereich Website (3C). Entfernen Sie alle Vegetation innerhalb sie über Clipping an der Bodenoberfläche. Diese Halsbänder sind für die Zersetzung Maßnahmen verwendet. Zusätzlich zu etablieren eine Reihe von PVC Kragen über das Feld Website als ¹³ C natürlich reichlich Kontrollen (siehe unten), zu denen weder Heuschrecken noch Gras-Wurf hinzugefügt handeln.
2. Um ein Kragen in jedem Paar hinzuzufügen 2 intakt, gefriergetrocknete Kadaver von Heuschrecken (Aufnahme der Biomasse aufgenommen) aufgezogen mit predator Risiko wie oben beschrieben mit Feld-Käfigen beschrieben. Zum anderen Kragen in jedem Paar hinzuzufügen 2 intakte gefriergetrockneten Tierkörper ohne predator Risiko aufgezogen.
3. Bedecken Sie die PVC Kragen mit einem Bildschirm zur Heuschrecke Entfernung durch Aasfresser aus den Parzellen zu verhindern und ließ die Heuschrecke Karkassen für 40 Tage zersetzen.
4. Während Karkassen zersetzt werden, label Gras-litter mit ¹³ C.
   1. Konstrukt eine klare Plexiglas Kammer (60 cm x 60 cm x 1,5 m) mit einem Einlaß und Auslaßventil (Abbildung 3B).
   2. Sink ein Quadrat 60 cm x 60 cm Holzrahmen mit einer Gummidichtung mit Silikonfett 5 cm in den Boden (3B) beschichtet.
   3. Schieben der Kammer über dem Holzrahmen so daß die Kammer abgedichtet durch den Gummi (3B) wird.
   4. Schließen Sie die Kammer Einlässe Druckgasflaschen mit 99 Atom-% ¹³ CO _2. Pflanzen im Inneren der Kammer wird mit ¹³ C, wo CO _{2-Konzentrationen} bei Umgebungstemperatur Niveau gehalten werden beschriftet werden (weil erheben Konzentrationen verändert Pflanzen Kohlenstoff Partitionierung). Umgebungs Ebenen werden durch nur pulsierende markiertem CO ₂ für kurze Zeiträume aufrechterhalten. Außerdem sind Kammer Temperaturen überwacht und Kammern werden entfernt, wenn die Temperaturen 5 ° C eine Reichweitebove Umgebungstemperatur.
   5. Eine Woche nach der Markierung, vergleichen δ ¹³ C des Grases-Wurf mit natürlichen Häufigkeit von Werten aus einer Stichprobe von identischen Grasarten mit einer Thermo DELTAplus Isotopenverhältnis-Massenspektrometer (Thermo, San Jose, CA, USA) gesammelt.
5. Nach 40 Tagen, 10 g luftgetrocknete ¹³ C-markierten Gras-Wurf auf jeden Kragen, die zuvor mit Heuschrecke Karkassen geändert worden.
6. Überwachen Sie die Mineralisierung von Gras-Wurf in situ in 75 Tagen durch Kappung jeden Kragen und Verfolgung sowohl insgesamt Bodenatmung und die Atmung von ¹³ CO _2. Dies geschieht mit Hilfe eines Durchfluss-Kammer-Technik, wo Gasproben aus jedem Kragen überwacht werden, in Echtzeit, für 8 min jeweils mit Cavity Ring-Down-Spektroskopie (CRDS; Picarro Inc., Santa Clara, CA, USA; Modell: G1101 -i). CRDS ermöglicht es, gleichzeitig verfolgen sowohl Gesamt-und δ ¹³ Cder Bodenatmung.
7. Schätzen Sie den Beitrag von ¹³ C-markierten Gras-Wurf insgesamt Bodenatmung mit Isotopen Mischen Gleichungen. Die Menge an Gras-Wurf abgeleiteten CO ₂ wird wie folgt berechnet: (. Δ ¹³ C _Atmung - δ ¹³ C _nat.abn) C _{Gras-Wurf stammt} = C _insgesamt × / (δ ¹³ C _Gras-Wurf - δ ¹³ C _{nat . ABN),} wobei C _gesamt die Gesamtmenge an C veratmet während einer gegebenen Messung ist, ist δ ¹³ C _Atmung die δ ¹³ C-C der ausgeatmete für Kragen mit markiertem Gras Einstreu, δ ¹³ C _nat.abn geändert. ist der Mittelwert δ ¹³ C von ausgeatmete C in den drei natürlichen Häufigkeit Kragen (dh diejenigen, die nicht mit Einstreu wurden geändert) und δ ¹³ C _Gras-Wurf wird die δ ¹³ C des Grases Wurf hinzugefügt, um die Zusammenarbeitllars.
8. Überwachung sowohl Bodentemperatur und Feuchtigkeit über das Experiment mit handgehaltenen Sonden, um Unterschiede in Bodenatmung durch Unterschiede in der Temperatur und Feuchtigkeit zu korrigieren.
9. Obwohl für den Feldeinsatz bestimmt sind, das Cavity Ring-Down-Spektroskopie Instrument (Picarro Inc., Santa Clara, CA, USA; Modell: G1101-i) sind Lesungen empfindlich auf Bewegung. Daher sollte man errichten eine Basis Messstation zentral zu allen der Grundstücke mit PVC Kragen, und schließen Sie das Gerät an den Kragen mit Längen von PVC-Schlauch.

Representative Results

Ein Beispiel Grundstück von grasshopper Standard-Stoffwechsel im Stress und stressfrei sind in Abbildung 2 dargestellt. Aufgrund Körpermasse Unterschiede zwischen den einzelnen Heuschrecken, und die Tatsache, dass metabolische Rate mit einem Body Mass schwankt, sollten Grundstücke metabolische Rate in Bezug auf grasshopper Körpermasse zu präsentieren. Parallel Trends für die verschiedenen Behandlungen zeigen, dass metabolische Rate steigt als konstantes Vielfaches der Standard metabolische Rate (dh es gibt keine Körpermasse x Stoffwechselrate Interaktion) für alle gestressten Menschen.

Grasshopper Körper C und N elementaren Inhalten in Gefahr und ohne Risiko sind in Tabelle 1 dargestellt. Es ist bemerkenswert, dass es eine sehr kleine (4%) Abweichung in Körper C: N-Verhältnis zwischen den Behandlungen. Dennoch können diese kleinen Unterschiede in große Unterschiede im Gras Streuzersetzung durch den mikrobiellen Pool (Abbildung 3) zu übersetzen. Hinzufügen Gras Wurf PVC Kragen zuvor mit gestressten oder Stress-free Heuschrecken geändert führt zu unterschiedlichen Graden der Streuzersetzung, wie in den Kurven beschreiben wider kumulieren CO _{2-Freisetzung} aus dem Boden durch mikrobielle Atmung (Abbildung 3). Experimente sollten überwacht kumulieren, bis Kurven beginnen zu sättigen werden.

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

Tabelle 1. Vergleich der chemischen Zusammensetzung der Heuschrecke herbivore Autocasses von Bedingungen, in denen sie konfrontiert Prädationsrisiko (Stress) und in dem Prädationsrisiko abwesend war (stressfrei). Die Werte sind Mittelwerte ± 1 Standardfehler.

Abbildung 1. Illustration der Ausgestaltung des Feldes Mesokosmen in dem Experiment und Gesamtschema des experimentellen Evaluierung des Risikos Wirkungen auf Streuzersetzung verwendet.

Abbildung 2. Ein Grundstück von herbivore Standard metabolische Rate in Bezug auf herbivore Körpermasse. Die Daten werden in zwei Klassen nach experimentellen Behandlung unterteilt: Heuschrecken aus Mesokosmen mit Prädatoren (Räuber), um Stress zu induzieren, und Mesokosmen, ohne Raubtiere (Kontrolle) und somit ohne Stress. Die Daten stammen aus D. Halwenaund ABl Schmitz 2010, unveröffentlicht.

Abbildung 3. Kurven beschreiben kumulativen CO _{2-Freisetzung} durch die mikrobielle Pool, während Zersetzung experimentellen Gras Wurf Eingänge in PVC Kragen. Dargestellten Werte sind Mittelwerte ± 1 Standardfehler. Die Grafik zeigt, dass Böden mit gestressten grasshopper Schlachtkörper (Raubtier) Ergebnis in 19% niedriger (ANOVA F _1,6 = 9,06, p <0,05) Pflanzenstreu Abbauraten als Böden mit stressfrei grasshopper Karkassen (Kontrolle) grundiert. Grundiert Der Einschub zeigt die PVC Kragen Gerät im Feld. Abbildung aus Hawlena et al wiedergegeben. ⁶ Cick Sie hier, um größere Zahl anzuzeigen .

Discussion

Die Reihenfolge der hier vorgestellten Methoden sollten systematische Messung der Art und Weise Stress in Spezies, die oberirdischen Nahrungsnetze erlauben kann prime mikrobiellen Gemeinschaften in einer Weise, die zur Veränderung der anschließenden Zersetzung der Streu führen. Die Methoden sind ideal für das Studium Ökosysteme Arthropoden Verbraucher und krautigen Pflanzen umfasst, weil intakte Nahrungsketten räumlich abgegrenzt werden kann und sich in Mesokosmen.

Räumliche Variabilität kann bestehen aufgrund Gradienten im Hintergrund Bodenfeuchte, Bodentemperatur, Anlagen Nährstoffgehalt, etc. Das Design der Studie erlaubt es, array mescosms und PVC Kragen entlang räumlichen Umwelt Gradienten blockieren und dadurch Konto für solche umweltbedingte Variation bei der Analyse für Effekte.

Obwohl für den Feldeinsatz bestimmt sind, das Cavity Ring-Down-Spektroskopie Instrument (Picarro Inc., Santa Clara, CA, USA; Modell: G1101-i) sind Lesungen sensitive auf Bewegung. Daher sollte man errichten eine Basis Messstation zentral zu allen der Grundstücke mit PVC Kragen, und schließen Sie das Gerät an den Kragen mit Längen von PVC-Schlauch.

Soil Streuzersetzung traditionell durch Einschließen bekannten Mengen von Müll in Fiberglas Mesh-Taschen, Ablegen der Säcke auf der Bodenoberfläche auf dem Feld und in regelmäßigen Abständen erneut die Messung der Säcke Müll Verschwindensrate (Zersetzung) Quantifizierung gemessen worden. Die Einschränkung dieser Methode ist, dass man unfähig ist, das Schicksal der zerlegt Angelegenheit zu verfolgen oder zu bestimmen, den Beitrag bis ₂ Mineralisierung der Bodenverbesserung (hinzugefügt Wurf) aus dem Hintergrund Boden CO ₂ Mineralisierung CO ist. Die Tracer-Methode unter Verwendung von markierten CO ₂ hier vorgestellten lindert diese logistische Einschränkung.

Ecosystem Ökologie und Biogeochemie haben unter dem Arbeitstitel Paradigma betrieben, weil uneaten Anlage-Wurf umfasst die Mehrheit der Detritus, sind unterirdische Ökosystem-Prozesse nur marginal von Biomasse Eingänge aus höheren trophischen Ebenen in der oberirdischen Nahrungsnetze, wie Pflanzenfresser sich ⁶ beeinflusst. Allerdings gibt es immer mehr Belege dafür, dass die Arten in höheren trophischen Ebenen von Ökosystemen einen tiefgreifenden Einfluss auf unterirdische Prozesse ^1,4,5 haben. Die hier vorgestellte Methode steht die Quantifizierung des Beitrags der höheren trophischen Ebenen zu verbessern, entweder direkt durch Biomasse aus Karkasse Abscheidung (z. B. ^{12, 13)} oder Ausscheidung und egestion (z. B. ^{14, 15)} oder indirekt durch Veränderung der Pflanzengesellschaft Zusammensetzung (z. B. ⁹ ) auf Ökosystem Nährstoffkreislauf. Solche Quantifizierung kann helfen, zeigen die Mechanismen, durch die Tiere zu kontrollieren Dynamik von Ökosystemen als Teil einer konzertierten Anstrengung zur Verbesserung und Überarbeitung des aktuellen Arbeitsverzeichnisses Paradigma der biotischen Kontrolle über das Funktionieren von Ökosystemen.

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