Collegamento rischio di predazione, stress Herbivore fisiologica e decomposizione microbica dei Rifiuti vegetali

Summary

Vi presentiamo i metodi per valutare come rischio di predazione può alterare la qualità chimica delle prede erbivoro inducendo cambiamenti nella dieta per soddisfare le esigenze di stress elevato, e come la decomposizione delle carcasse di questi erbivori stress rallenta la successiva decomposizione della lettiera vegetale da microbi del suolo.

Abstract

La quantità e la qualità dei detriti che entrano nel suolo determina il tasso di decomposizione da comunità microbiche così come i tassi di riciclo di azoto (N) e carbonio (C) ^1,2 sequestro. Lettiera impianto comprende la maggior parte dei detriti ^3, e così si presume che la decomposizione è solo marginalmente influenzato da fattori biomassa da animali come erbivori e carnivori ^4,5. Tuttavia, carnivori possono influenzare decomposizione microbica di rifiuti dell'impianto tramite una catena di interazioni in cui il rischio di predazione altera la fisiologia delle loro prede erbivoro che a sua volta funzionamento microbica del suolo altera quando le carcasse degli erbivori sono decomposti ^6. Una risposta allo stress fisiologico erbivori al rischio di predazione può cambiare il C: composizione elementare N della biomassa erbivoro ^7,8,9 perché lo stress da rischio di predazione aumenta la domanda di energia basali erbivoro che in nutrienti limitata erbivoro sistemi di forzes a spostare il loro consumo da N-ricco di risorse per sostenere la crescita e la riproduzione di C-ricco di risorse per sostenere il metabolismo di carboidrati elevato ^6. Gli erbivori hanno una capacità limitata di immagazzinare sostanze nutritive in eccesso, in modo da sottolineare erbivori espellono N in quanto aumentano il consumo di carboidrati-C ^7. In definitiva, in preda sottolineato rischio di predazione aumentare il loro corpo rapporto C: N ^7,10, che li rende le risorse di qualità inferiore per la piscina microbica del suolo probabilmente a causa della minore disponibilità di labile N per la produzione di enzimi microbici ^6. Così, la decomposizione delle carcasse degli erbivori stress ha un effetto priming sul funzionamento delle comunità microbiche che diminuisce la capacità a seguito di microbi per decomporre lettiera vegetale ^6,10,11.

Vi presentiamo la metodologia per valutare i collegamenti tra rischio di predazione e la decomposizione della lettiera di microbi del suolo. Si descrivono come: indurre stress in erbivori dal rischio di predazione; meache le risposte allo stress, e misurare le conseguenze sulla decomposizione microbica. Usiamo intuizioni da un ecosistema di prateria modello comprendente la caccia ragno predatore (Pisuarina mira), un erbivoro dominante cavalletta (Melanoplus femurrubrum), e una varietà di piante e di erba forb ^9.

Protocol

1. Grasshoppers allevamento sotto stress e le condizioni di stress gratis

1. Con 0,5 m ² circolare, mesocosmi chiusi per prevenire l'emigrazione o immigrazione di specie animali (Figura 1). Costruire mesocosmi con 2,4 m di lunghezza di 1,5 m di altezza da ¼ "in alluminio recinzione in rete come un ponteggio. Coprire la scherma con 2,5 m lunghezza 1,75 screening di alluminio finestra alta m ripiegato sopra la parte superiore e inferiore della scherma e pinzati insieme lungo piega. Unisciti alla scherma finisce per formare un cerchio chiuso e quindi il fiocco finestra sovrapposta di screening insieme per creare un sigillo. Impostare il mesocosmo nel terreno nel campo scavando a 10 cm di profondità di 4 cm larghezza trincea intorno alla base del mesocosom, affondare il mesocosmo in la trincea e poi pesta la zolla della trincea intorno il ribassamento del mesocosmo. Staple un pezzo circolare di screening finestra nella parte superiore del mesocosmo.
2. Mesocosmi Array in un replicato designazione abbinato sperimentalen nel campo. Località Plot dovrebbe essere selezionati per abbinare l'identità delle specie vegetali e relativa copertura vegetale. Lavello gabbie 10 centimetri nel terreno nel sito di trama.
3. Utilizzando una rete di sweep, la raccolta precoce (2 ^°) instar ninfe cavalletta e immagazzinarli nei mesocosmi a densità dei campi naturali.
4. Utilizzando una rete di sweep, catturare individui di una dominante sit-and-wait caccia (non web tessitura) ragno specie predatrici. Incollare chiuse la cheliceri ragno (apparato boccale utilizzati per sottomettere prede) con rapida essiccazione cemento agli effetti del rischio disaccoppiati dalla selezione sopravvivenza reale favorendo cavallette individuali con migliori capacità di eludere predazione ragno. Immagazzinare i ragni a densità di campo a uno mesocosmo di ciascuna coppia. Questo sarà il trattamento stress. Mesocosmi senza ragni sarà il trattamento senza stress.
5. Lasciare ninfe cavalletta di sviluppare al fine (4 ^° e 5 ^°) Ciclo di instar. Raccogliere tutti gli individui dalle gabbie e randomly assegnare gli individui da ogni gabbia a uno dei tre gruppi di analisi successive: (1) la convalida dello stato di stress fisiologico, (2) la convalida di spostamento stechiometria corpo elementare, (3) decomposizione microbica.

2. Convalida Grasshopper stress Stato

1. Misurare cavalletta standard di tasso metabolico (SMR), in quanto il tasso di emissione di biossido di carbonio ( ) In un flusso continuo incurrent sistema respirometria con una portata d'aria di 200 ml / min. Eliminare l'acqua in vapore facendo passare l'aria che scorre, attraverso essiccante.
2. A seguito di privazione di cibo per 16 ore (l'acqua deve essere disponibile), pesare cavallette individuali (± 0,1 mg), e metterli in trasparente 50 ml (9,2 cm L x 2,0 cm P) respirometro camere e permettere loro di recuperare da gestire per almeno 10 min prima di iniziare le misurazioni.
3. In media costante tem temperatura (temperatura ± 1% Variazione errore standard) all'interno della camera respirometro, analizzare l'aria respirata utilizzando raggi infrarossi _analizzatore di CO2 (ad esempio Qubit S151-risoluzione di 1 ppm). Misurare la media minima allo stato stazionario per 10 min.
4. L'analizzatore dispone di CO ₂ concentrazione frazionale (parti per milione), ma SMR deve essere riportato come un tasso, per cui bisogna trasformare le registrazioni da FR = _i ( - ) / {1 - [1 - (1/RQ)]}, doveiles/ftp_upload/50061/50061eq3.jpg "fo: src =" / files/ftp_upload/50061/50061eq3highres.jpg "/> = concentrazione incurrent frazionario di CO _2; = Concentrazione excurrent frazionata di CO _2; FR = portata (ml min ^-1); RQ = quoziente respiratorio, assunto pari a 0.85 in animali erbivori.

3. Spostamento Convalida in Stechiometria Corpo Elementale

1. Valutare carbonio: azoto (C: N) contenuto di un campione di cavallette raccolti dai mesocosmi campo.
2. Ridurre la variazione di C: N a causa di consumo di alimenti recente rimuovendo contenuto intestinale cavalletta sotto un microscopio da dissezione.
3. Liofilizzare l'intestino vuoto e il corpo per 48 ore e poi macinare la carcassa individuale e intestino a una polvere omogenea.
4. Misura C: N contenuto della polvere utilizzando un autoanalizzatore CNH.

4.Decomposizione microbica

1. Luogo replicato coppie di collari in PVC (15,4 cm dia., Inserito ~ 4 cm al suolo) nel sito di campo (Figura 3C). Rimuovere tutta la vegetazione al loro interno tramite ritaglio sulla superficie del suolo. Questi collari sono utilizzati per misure di decomposizione. Inoltre, definire una serie di collari in PVC attraverso il sito campo di agire come ¹³ C naturale abbondanza di controllo (vedi sotto), a cui si aggiungono né cavallette né erba lettiera.
2. Per un collare in ogni coppia aggiungere 2 intatti, liofilizzati carcasse di cavallette (registrare la biomassa aggiunto) allevati con il rischio di predatore come sopra descritto utilizzando field-gabbie. Per il collare altro in ogni coppia aggiungere 2 intatte liofilizzati carcasse allevati senza rischi predatore.
3. Coprire i collari in PVC con uno schermo per impedire la rimozione cavalletta da spazzini delle trame e lasciare che le carcasse cavalletta decomporsi per 40 giorni.
4. Mentre le carcasse sono in decomposizione, etichetta erba-litter con ¹³ C.
   1. Costruire una camera di plexiglass trasparente (60 cm x 60 cm x 1,5 m) con un ingresso e valvola di scarico (Figura 3B).
   2. Lavello un quadrato di 60 cm x 60 centimetri telaio in legno con una guarnizione di gomma rivestito con grasso al silicone 5 centimetri nel terreno (Figura 3B).
   3. Far scorrere la camera sulla parte superiore del telaio di legno in modo che la camera diventa sigillata dalla gomma (Figura 3B).
   4. Collegare gli ingressi delle camere per bombole di gas compressi contenenti il 99% atomo di ¹³ CO _2. Piante all'interno della camera sarà marcato con ¹³ C, in cui sono mantenute concentrazioni di CO ₂ a livelli ambiente (in quanto le concentrazioni elevabili partizionamento pianta altera carbonio). Livelli ambientali sono mantenuti da solo pulsante etichettato di CO ₂ per brevi periodi di tempo. Inoltre, la temperatura nella camera sono monitorati e camere vengono rimossi se le temperature raggiungono i 5 ° C aBove ambiente.
   5. Una settimana dopo l'etichettatura, confrontare δ ¹³ C dell'erba-lettiera con valori di abbondanza naturali raccolti da un campione casuale di specie erbacee identici utilizzando una Thermo DELTAplus rapporto isotopico spettrometro di massa (Thermo, San Jose, CA, USA).
5. Dopo 40 giorni, aggiungere 10 g di aria secca ¹³ C-marcato erba lettiera ad ogni collare che era stato modificato in precedenza con le carcasse cavalletta.
6. Monitorare la velocità di mineralizzazione dell'erba-lettiera in situ in 75 giorni dalla tappatura ogni collare e il monitoraggio sia la respirazione totale del suolo e la respirazione di ¹³ CO _2. Questa operazione viene eseguita utilizzando un flusso attraverso la tecnica della camera in cui vengono monitorati campioni di gas da ogni collo, in tempo reale, per 8 minuti ciascuna cavità con ring-down spettroscopia (CRDS, Picarro Inc., Santa Clara, CA, USA; Modello: G1101 -i). CRDS permette di monitorare contemporaneamente sia totale e δ ¹³ Cdi respirazione del suolo.
7. Stima del contributo di ¹³ C-marcato erba lettiera alla respirazione totale del suolo utilizzando le equazioni di isotopi di miscelazione. La quantità di erba lettiera derivato CO ₂ è calcolato come segue: (. Δ ¹³ C _respirazione - δ ¹³ C _nat.abn) C _{erba lettiera derivata totale} = C × / (δ ¹³ C _{grass-rifiuti} - δ ¹³ C _{nat . ABN),} dove C _totale è la quantità totale di C respirato nel corso di una data misura, δ ¹³ C _respirazione è il δ ¹³ C di respirato-C per collari addizionati con la lettiera erba etichettato, δ ¹³ C _nat.abn. è la media δ ¹³ C di C respirata nei tre collari abbondanza naturale (vale a dire quelle che non sono state modificate con i rifiuti), e δ ¹³ C _{erba lettiera} è il δ ¹³ C della cucciolata erba aggiunto al collars.
8. Monitorare sia la temperatura del suolo e l'umidità in tutta l'esperimento utilizzando sonde portatili per correggere le differenze di respirazione del suolo a causa di differenze di temperatura e umidità.
9. Anche se destinati ad uso sul campo, l'anello verso il basso strumento di spettroscopia cavità (Picarro Inc., Santa Clara, CA, USA; Modello: G1101-i) le letture sono sensibili al movimento. Pertanto, si dovrebbe erigere una stazione di misura base centrale a tutti i grafici contenenti collari in PVC, e collegare lo strumento ai collari con lunghezze di tubo in PVC.

Representative Results

Un esempio di trama cavalletta tariffe standard metabolici in condizioni di stress e lo stress liberi sono presentati nella figura 2. A causa delle differenze di massa corporea tra cavallette individuali, e il fatto che il tasso metabolico varia con la massa corporea, trame dovrebbe presentare tassi metabolici in relazione alla massa corporea cavalletta. Tendenze parallele per i diversi trattamenti indicano che il tasso metabolico aumenta come un multiplo costante di standard tasso metabolico (cioè non vi è massa corporea x interazione metabolica rate) per tutti gli individui stressati.

Grasshopper corpo C e contenuto N elementari a rischio e condizioni di libertà sono riportati in Tabella 1. È da notare che vi è un piccolo (4%) differenza di corpo C: N rapporti tra i trattamenti. Tuttavia, queste piccole differenze possono tradursi in notevoli differenze di decomposizione erba lettiera in piscina microbica del suolo (Figura 3). L'aggiunta di lettiera erba per collari in PVC precedentemente modificato con cavallette stressate o senza stress porta a diversi gradi di decomposizione della lettiera, che si riflette nelle curve che descrivono cumulare rilascio di CO ₂ dal suolo dovuto alla respirazione microbica (Figura 3). Gli esperimenti devono essere monitorati fino cumulare le curve iniziano a saturare.

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

Tabella 1. Confronto tra il contenuto chimico auto herbivore cavallettacasses dalle condizioni in cui hanno affrontato il rischio di predazione (stress) e in cui il rischio di predazione è assente (senza stress). I valori sono media ± 1 errore standard.

Figura 1. Illustrazione del disegno del campo mesocosmi utilizzato nell'esperimento e schema generale della valutazione sperimentale rischio di effetti sulla decomposizione della lettiera.

Figura 2. Un grafico di tasso metabolico erbivoro norma in rapporto alla massa del corpo erbivoro. I dati sono suddivisi in due classi in base al trattamento sperimentale: cavallette di mesocosmi contenenti predatori (predazione) per indurre lo stress, e mesocosmi senza predatori (controllo) e quindi non lo stress indotto. I dati sono da D. HalwenaGU e Schmitz 2010, inedito.

Figura 3. Curve descrivono cumulativo CO ₂ rilascio da parte del pool di decomposizione microbica mentre sperimentali ingressi erba lettiera in collari in PVC. Valori tracciati sono media ± 1 errore standard. Il grafico dimostra che il suolo innescato con stressati carcasse cavalletta (predatore) risultato nel 19% inferiore (ANOVA F _1,6 = 9.06, p <0.05) di piante tassi di decomposizione della lettiera terreni già vaccinati con le carcasse senza stress cavalletta (controllo). L'inserto mostra l'apparato collare PVC nel campo. Figura riprodotta da Hawlena et al. ⁶ Scattare qui per ingrandire la figura .

Discussion

La sequenza dei metodi qui presentati dovrebbero consentire la misurazione sistematica dello stress modo in specie in cui rientra fuori terra catene alimentari possono prime comunità microbica del terreno in modo da ridurre al alterazione della successiva decomposizione della lettiera vegetale. I metodi sono ideali per lo studio degli ecosistemi composti da consumatori artropodi e piante erbacee, perché le catene alimentari intatti possono essere spazialmente circoscritto e contenuto all'interno mesocosmi.

Variabilità spaziale può esistere a causa di gradienti di umidità del suolo, fondo, temperatura del suolo, il contenuto di elementi nutritivi, ecc Il progetto dello studio permette di mescosms matrice e collari in PVC per bloccare spaziali lungo gradienti ambientali e quindi conto di tale variazione ambientale quando si analizzano gli effetti.

Anche se destinati ad uso sul campo, l'anello verso il basso strumento di spettroscopia cavità (Picarro Inc., Santa Clara, CA, USA; Modello: G1101-i) se le letture sononsitive al movimento. Pertanto, si dovrebbe erigere una stazione di misura base centrale a tutti i grafici contenenti collari in PVC, e collegare lo strumento ai collari con lunghezze di tubo in PVC.

Cucciolata decomposizione nel suolo è stato tradizionalmente misurata racchiudendo quantità note di rifiuti in sacchetti di rete in fibra di vetro, depositare i sacchetti sulla superficie del suolo in campo e periodicamente ri-misura le borse di quantificare scomparsa tasso di lettiera (decomposizione). Il limite di questo metodo è che si è in grado di tracciare il destino della materia decomposta o determinare il contributo di CO ₂ mineralizzazione dell'emendamento suolo (lettiera aggiunto) dal suolo, fondo di CO ₂ mineralizzazione. Il metodo del gas tracciante con l'etichetta di CO ₂ presentato qui aiuta ad alleviare questo vincolo logistico.

Ecologia degli ecosistemi e biogeochimica hanno operato sotto il paradigma di lavoro che, a causa dell'impianto non consumati-Rifiuti comprende la maggior parte dei detriti, processi degli ecosistemi ipogea sono solo marginalmente influenzate da input di biomassa provenienti da livelli trofici superiori in reti trofiche fuori terra, come erbivori stessi ^6. Tuttavia, vi è una crescente evidenza che le specie a livelli trofici superiori degli ecosistemi possono avere una profonda influenza sui processi ipogea ^1,4,5. Il metodo qui presentato si distingue per migliorare la quantificazione del contributo dei livelli trofici superiori, sia direttamente attraverso la biomassa da deposizione carcassa (ad esempio ^{12, 13)} o l'escrezione e egestion (ad esempio ^{14, 15)} o indirettamente attraverso l'alterazione della composizione vegetale comunità (ad esempio ⁹ ) sull'uso della bicicletta ecosistema dei nutrienti. Tale quantificazione può aiutare a rivelare i meccanismi attraverso i quali gli animali controllano la dinamica degli ecosistemi come parte di uno sforzo concertato per migliorare e rivedere il paradigma di lavoro corrente di controllo biotico sul funzionamento degli ecosistemi.

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