Summary
우리는 predation 위험이 상승 스트레스의 요구를 충족하기 위해식이 변경 사항을 유도하여 herbivore의 먹이의 화학 품질을 변경할 수있는 방법을 평가하기위한 방법을 제시하는 방법이 스트레스 herbivores에서 시체의 분해는 토양 미생물에 의해 후속 식물 쓰레기 분해 속도가 느려집니다.
Abstract
흙을 입력 암설의 수량과 품질이 미생물 지역 사회뿐만 아니라 질소 (N), 탄소 (C) 격리 1,2의 재활용 비율에 의한 분해의 속도를 결정합니다. 식물 쓰레기는 암설 3 대부분을 포함한다, 그래서는 분해 만이 영특 등 herbivores과 4,5 육식 동물과 같은 동물 바이오 매스 입력에 의해 영향을하는 것으로 간주됩니다. 그러나 육식 공룡들은 predation 위험이 턴 변하는 토양 미생물 기능에 herbivore의 시체는 6 분해하는 자신의 herbivore의 먹이의 생리를 변경하는 상호 작용의 사슬을 통해 식물 쓰레기의 미생물 분해에 영향을 미칠 수 있습니다. predation의 위험에 herbivores에 의한 생리적 스트레스 반응은 C를 변경할 수 있습니다 herbivore의 바이오 매스 7, 8, 9의 N 원소 성분을 predation 위험에서 스트레스 herbivore 기저 에너지 수요가 증가하기 때문에 그 영양분이 제한된 시스템 강제 herbivore에s은 (는) 상승 신진 대사에게 6을 지원하기 위해 C 풍부한 탄수화물 자원으로 성장과 번식을 지원하는 N-풍부한 자원으로부터 소비를 이동합니다. Herbivores는 초과 영양분을 저장하는 제한된 능력을 가지고 있으므로 herbivores는 배설 강조 N 사람들은 탄수화물-C 소비 7 증가로. 결국, 자신의 신체 C을 증가 predation 위험에 의해 스트레스를 먹이 : N 비율 7,10를, 그들 미생물 효소 생산 6 불안정한 N 낮은 상황에 가능성이 때문에 토양 미생물 풀 가난한 품질의 자원 만들기. 따라서, 스트레스 herbivores의 시체의 분해는 식물 쓰레기 6,10,11을 분해하는 미생물에 후속 능력을 감소 미생물 지역 사회의 기능에 프라이밍 효과가 있습니다.
우리는 토양 미생물에 의해 predation 위험 및 쓰레기 분해 사이의 관계를 평가하는 방법론을 제시한다. predation 위험에서 herbivores에 스트레스를 유발, MEA : 우리는하는 방법에 대해 설명합니다확실히 그 스트레스 반응 및 미생물 분해에 대한 결과를 측정합니다. 우리는 사냥 거미는 육식 동물 (Pisuarina 미라), 지배적 인 메뚜기의 herbivore (Melanoplus femurrubrum), 그리고 풀과 forb 식물 9 다양한을 포함하는 모델 초원 생태계에서 통찰력을 사용합니다.
Protocol
1. 양육 스트레스 아래 메뚜기 및 스트레스 무료 조건
- 이주 또는 동물 종의 이민 (그림 1)을 방지하기 위해 0.5 m 2 원형, 폐쇄 mesocosms을 사용합니다. 1.5 2.4 m 길이를 사용하여 mesocosms을 구축 m 높이 ¼ "비계와 같은 메쉬 알루미늄 울타리는. 펜싱의 상단과 하단에 접 2.5 m 길이 1.75 m 높은 알루미늄 창 심사로 펜싱을 커버, 접이식 따라 함께 잘라. 펜싱 가입 폐쇄 된 원을 형성하고 주식 인감을 함께 심사 중복 창. mesocosom의 기본 주변에 4cm 폭 트렌치의 깊이 10cm를 파고에 의해 현장에서 땅에 mesocosm을 설정하는 종료로 mesocosm를 침몰 트렌치 한 다음 mesocosm의 움푹 들어간 부분 주위에 트렌치의 잔디를 쟁이다. mesocosm의 상단에 창 심사 스테 플 원형 조각.
- 복제 이점 실험 desig의 배열 mesocosms필드에 N. 플롯 위치는 식물 종의 ID 및 식물 상대 커버에 맞게 선택해야합니다. 음모 사이트에서 땅으로 새장 10cm를 침몰.
- 후릿 그물을 사용하여 초기 (2 차) instar 메뚜기의 nymphs를 수집하고 자연 필드 밀도의 mesocosms으로 재고를.
- 후릿 그물 사용 지배적 앉아 - 및 - 기다리 사냥 (웹 제직되지 않음) 거미의 육식 동물 종의 개인을 캡처합니다. 접착제는 거미 predation을 피하기 위해 더 나은 능력을 가진 개인 메뚜기 좋아해 실제 생존의 선택에서 분리 위험 효과에 시멘트 빠른 건조와 거미 chelicerae을 (먹이를 제압하는 데 사용 mouthparts) 종료합니다. 현장 밀도에서 거미 각 쌍 중 하나 mesocosm로 주식. 이것은 스트레스 치료 될 것입니다. 거미가없는 Mesocosms은 스트레스 무료로 치료 될 것입니다.
- 메뚜기의 nymphs 늦게 (4 일, 5 일) instar 단계로 발전 할 수 있습니다. 케이지와 RA의 모든 개인을 수집, 몸 원소의 화학량 론의 변화 (2) 검증 (3) 미생물 분해 생리적 스트레스 상태 (1) 확인 : ndomly 각 케이지에서 세 이후의 분석 그룹 중 하나 개인을 지정합니다.
2. 확인 애송이의 스트레스 상태
- 이산화탄소 방출의 속도로 메뚜기 표준 신진 대사 속도 (SMR), (측정
) incurrent 흐름을 통해 respirometry 시스템 200 ML / 분의 공기 흐름 속도 인치 건조 대리인을 통해 흐르는 공기를 전달하여 수증기를 제거합니다. - 16 시간의 음식 박탈 (물을 사용할 수 있어야합니다) 후, 개별 메뚜기를 (± 0.1 MG) 무게, 그리고 투명 50 ML (9.2 cm L X 2.0 cm D)에 넣어 respirometer 챔버를하고 적어도에 대한 처리를 복구 할 수 측정하기 전에 10 분 시작.
- 일정한 평균 주위 TEM 이하 respirometer 챔버 내에서 perature은 (온도 ± 1 % 표준 오류 편차), 적외선 CO 2 분석기 (예를 들면 큐빗 S151-1 PPM 해상도)를 사용하여 respired 공기를 분석 할 수 있습니다. 평균 최소한의 정상 상태를 측정 10 분에.
- 분석기는 부분 CO에게 2 농도를 (부품 당 만)를 제공, 아직 SMR은 비율로보고해야합니다, 그래서 한으로 레코딩을 변환해야합니다 = FR I (
- 
) / {1 - [1 - (1/RQ)]} 곳iles/ftp_upload/50061/50061eq3.jpg "강한 : SRC ="/ files/ftp_upload/50061/50061eq3highres.jpg "/> CO 2 = incurrent 부분 농도, CO 2 = excurrent 부분 농도, FR = 유량 (ML 분 -1), RQ = 호흡 지수는 초식 동물에 0.85와 같은 생각했습니다.
) incurrent 흐름을 통해 respirometry 시스템 200 ML / 분의 공기 흐름 속도 인치 건조 대리인을 통해 흐르는 공기를 전달하여 수증기를 제거합니다. 
- 
) / {1 - 3. 바디 원소 화학량 론에 확인 Shift 키
- 질소 (C : N) 필드 mesocosms에서 수집 한 메뚜기의 샘플의 콘텐츠 탄소를 평가합니다.
- 해부 현미경으로 메뚜기에 배의 내용을 제거하여 N 인해 최근 식품 소비 : C에 변화를 줄입니다.
- 48 시간에 빈 창자과 몸을 동결 건조 한 후 균일 한 분말의 개인 시체와 직감을 갈아서.
- C을 측정 : CNH autoanalyzer를 사용하여 분말 N 내용.
4.미생물의 분해
- 장소 필드 사이트 (그림 3C)에 (15.4 cm의 DIA., 땅에 ~ 4cm를 삽입) PVC 목걸이의 쌍을 복제. 토양 표면에서 클리핑을 통해 내 모든 식물을 제거합니다. 이 목걸이는 분해 조치에 사용됩니다. 또한, 메뚜기 나 잔디 쓰레기도를 추가 13 C 자연 풍부한 컨트롤 (아래 참조)의 역할을 할 수있는 필드 사이트에있는 PVC 목걸이 세트를 설정합니다.
- 필드 새장을 사용하여 위에 설명 된대로 약탈 위험을 키운 메뚜기의 2 그대로, 동결 건조 시체 (바이오 매스에 추가 기록)을 추가 각 쌍에서 한 칼라 있습니다. 다른 칼라에 각 쌍에서 육식 동물의 위험없이 키운이 그대로 동결 건조 시체를 추가합니다.
- 플롯에서 썩은 고기를 메뚜기 제거를 방지하고 메뚜기의 시체는 40 일 동안 분해하도록 화면 PVC 목걸이를 다룹니다.
- 시체가 부패하는 동안 라벨 풀-LI13 C.로 tter
- 입구와 출구 밸브 (그림 3B)에 명확한 플렉시 글라스 챔버 (60cm X 60cm X 1.5 m)를 생성합니다.
- 지상 (그림 3B)에 실리콘 그리스 5cm으로 코팅 고무 씰과 X 60cm 목재 프레임 사각형 60cm를 침몰.
- 따라서 챔버 고무 (그림 3B)에 의해 봉인되고있는 목조 프레임의 상단에있는 챔버 슬라이드.
- 챔버 내부에 99 원자 % 13 CO 2를 포함하는 압축 가스 실린더에 챔버 유입구에 연결합니다. 식물은 (엘리베이 농도 변하는 공장 탄소 파티션 나누기 때문에) CO 2 농도가 주변 수준에서 유지됩니다 13 C,이 표시됩니다. 주위 수준은 시간의 짧은 기간 동안 표시 CO 2를 pulsing에 의해 관리됩니다. 또한, 챔버 온도는 모니터링하고 온도가 5 ° C에 도달하면 챔버가 제거됩니다bove 주변.
- 일주일 라벨 후, 열 DeltaPlus 동위 원소 비율 질량 분석기 (열, 산호세, CA, USA)를 사용하여 동일한 잔디 종의 무작위 샘플에서 수집 한 자연 풍부한 값과 잔디 쓰레기 δ 13 C를 비교합니다.
- 40일 후, 이전에 메뚜기의 시체와 함께 개정 된 각 칼라에 공기 건조 13 C-라벨 잔디 쓰레기 10g을 추가합니다.
- 각 칼라를 캡핑 및 전체 토양 호흡 및 13 CO 2의 호흡 모두를 추적하여 75일에 걸쳐 현장에서 잔디 쓰레기의 mineralization 속도를 모니터링합니다. 이는 8 분에 대해 실시간으로 흐름을 통해 챔버 기술 각 칼라에서 가스 샘플을 모니터링 사용하여 수행되는 각 사용 캐비티 링 다운 분광법 (CRDS, Picarro 주식회사, 산타 클라라, CA, USA, 모델 : G1101 -I). CRDS 한 동시에 전체와 δ 모두 13 C를 추적 할 수 있습니다토양 호흡의.
- 동위 원소 혼합 방정식을 사용하여 총 토양 호흡 13 C-라벨 풀 - 쓰레기의 기여를 예상하고 있습니다. CO 2를 파생 풀 - 쓰레기의 양이 다음과 같이 계산됩니다 : (. δ 13 C 호흡 - δ 13 C nat.abn) C 잔디 쓰레기 파생 = C 총 × / (δ 13 C 풀 - 쓰레기 - δ 13 C NAT . ABN), 어디 C 총 주어진 측정하는 동안 respired C의 총 금액이며, δ 13 C의 호흡이 표시 잔디 쓰레기, δ 13 C nat.abn으로 수정 목걸이에 대한 respired-C의 δ 13 C입니다. 평균 δ 세 자연 풍부한 목걸이에 respired C 13 C (즉, 쓰레기를 수정되지 않은 사람들), 그리고 δ 13 C 잔디 쓰레기 잔디 쓰레기의 δ 13 C의 공동에 추가됩니다있다llars.
- 인해 온도와 수분의 차이로 토양 호흡의 차이에 대한 해결하기 위해 휴대용 프로브를 사용하여 실험에서 토양 온도와 수분을 모두 모니터링 할 수 있습니다.
- 필드 사용하기위한 것이지만, 캐비티 링 다운 분광 악기 (Picarro 주식회사, 산타 클라라, CA, USA, 모델 : G1101-I) 수치가 운동에 민감합니다. 따라서, 하나는 PVC 목걸이를 포함하는 플롯의 모든 중심 기본 측정 스테이션을 세우고 있으며, PVC 관의 길이와 칼라에 악기를 연결해야합니다.
Representative Results
스트레스와 스트레스 무료 조건에서 메뚜기 표준 신진 대사 속도의 예 플롯은 그림 2에 표시됩니다. 신체 질량 개인 메뚜기 간의 차이, 그리고 신진 대사 속도를 몸 질량에 따라 달라집니다 있다는 사실로 인해, 플롯은 메뚜기의 몸 질량과 관련하여 신진 대사 속도를 제시해야합니다. 다른 트리트먼트 병렬 동향은 신진 대사 속도가 모든 스트레스를 개인에 대한 표준 신진 대사 속도가 일정한 여러 (즉, 시체는 질량 X 대사율의 상호 작용이없는)로 상승 나타냅니다.
메뚜기 몸 C 및 위험 및 위험 무료 조건에서 N 원소 내용은 표 1에 표시됩니다. 트리트먼트 사이의 N 비율 : 그것은 몸 C의 매우 작은 (4 %)의 차이가 있다는 것을 주목할만한 것입니다. 그럼에도 불구하고,이 작은 차이는 토양 미생물 수영장에서 잔디 쓰레기 분해에 큰 차이 (그림 3)에 번역 할 수 있습니다. 이전에 스트레스 나 스트레스없는 메뚜기와 개정 PVC 목걸이에 잔디 쓰레기를 추가하면 같은 설명 곡선에 반영, 쓰레기 분해의 다른 학위로 연결하면 미생물의 호흡 (그림 3)에 의한 토양의 CO 2 릴리스를 쌓아 올린. 곡선은 포화하기 시작 쌓아 올린 때까지 실험을 모니터링해야합니다.
| 스트레스 | 무료 스트레스 | |
| 탄소 (%) | 48.44 ± 0.32 | 44.73 ± 0.46 |
| 질소 (%) | 12.11 ± 0.08 | 11.62 ± 0.12 |
| 탄소 : 질소 | 4.00 ± 0.03 | 3.85 ± 0.04 |
표 1. 메뚜기의 herbivore 차의 화학 내용의 비교그들은 predation 위험 (스트레스)를 직면하고있는 predation 위험이 결석하는 조건에서 casses는 (무료 스트레스). 값은 의미 아르 ± 1 표준 오류입니다.
그림 1. 쓰레기 분해에 위험 효과의 실험적 평가의 실험 및 전반적인 체계에 사용되는 필드 mesocosms의 디자인의 그림.
그림 2. herbivore 몸 질량과 관련하여 herbivore 표준 신진 대사 속도의 줄거리. 데이터는 실험적인 치료에 따라 두 종류로 구분됩니다 : 프레데터 (제어) 및 따라서 더 유발 스트레스없이 스트레스를 유발하는 육식 동물 (predation) 및 mesocosms을 포함 mesocosms에서 메뚜기. 데이터 D. Halwena 출신그리고 OJ 심슨 사건 Schmitz 2010 년 게시되지 않은.
그림 3. PVC 목걸이의 실험 잔디 쓰레기 입력을 분해하는 동안 미생물의 수영장에서 누적 CO 2 방출을 설명하는 곡선. 해본 값은 평균 아르 ± 1 표준 오류가 발생합니다. 그래프는 토양이 스트레스 메뚜기의 시체 (육식 동물) 19 % 감소의 (ANOVA F 1,6 = 9.06, P <0.05) 식물 쓰레기 분해 속도 스트레스 무료 메뚜기의 시체 (제어)로 중이오 토양보다. 결과 중이오 것을 보여줍니다 삽입이 분야에서 PVC 칼라 장치를 보여줍니다. Hawlena 외에서 복제 그림 6. 큰 그림을 보려면 여기를 Cick .
Discussion
여기에 제시된 방법의 순서는 지상 식품 거미줄을 포함하는 종의 방식으로 스트레스 체계적인 측정을 허용해야 식물 쓰레기의 후속 분해의 변경으로 이어질 방법으로 주요 토양 미생물 커뮤니티하실 수 있습니다. 그대로 식품 거미줄이 spatially circumscribed 및 mesocosms에 포함 할 수 있기 때문에 방법은 arthropod 소비자와 풀의 공장으로 구성 생태계를 연구에 이상적입니다.
공간 변화 배경 토양 수분의 기울기로 인해 발생할 수 있습니다, 토양 온도, 식물 영양소 콘텐츠 등 연구 설계는 효과를 분석 할 때 배열 mescosms 및 PVC 목걸이로 하나가 이러한 환경 변화에 대한 공간 환경 그라디언트를 따라 차단함으로써 계정을 할 수 있습니다.
필드 사용하기위한 것이지만, 캐비티 링 다운 분광 악기 (Picarro 주식회사, 산타 클라라, CA, USA, 모델 : G1101-I) 수치가 SE 아르운동에 nsitive. 따라서, 하나는 PVC 목걸이를 포함하는 플롯의 모든 중심 기본 측정 스테이션을 세우고 있으며, PVC 관의 길이와 칼라에 악기를 연결해야합니다.
토양 쓰레기 분해은 전통적으로, 유리 섬유 메쉬 가방에 쓰레기 알려진 수량을 둘러싸고 분야에서 토양 표면에 가방을 입금하고 정기적으로 쓰레기 실종 속도 (분해)를 수량화하기 위해 가방을 다시 측정하여 측정되었습니다. 이 방법의 한계는 하나가 분해 물질의 운명을 추적하거나 배경 토양 CO 2 mineralization의 토양 개정 (추가 쓰레기)의 2 mineralization을 함께 할 수있는 기여를 파악할 수없는 것입니다. CO 2로 표시 사용하면 여기에 제시된 추적 방식이 기술적 제약 조건을 완화하는 데 도움이됩니다.
생태계 생태학 및 biogeochemistry는 작업 패러다임에 따라 운영 한 그 때문에 uneaten 공장- 쓰레기는 암설의 대부분을 포함하고, belowground 생태계 프로세스는 영특 등 herbivores 자신의 6과 같은 지상 식품 거미줄에서 더 높은 영양 수준에서 바이오 매스 입력에 의해 영향을받습니다. 그러나, 생태계의 높은 영양 수준의 종 belowground 프로세스 1,4,5에 상당한 영향을 미칠 수있는 성장 증거가있다. 여기에 제시된 방법 (예 : 9 지육 증착 (예 : 12, 13) 또는 배설 및 egestion (예 : 14, 15) 또는 간접적으로 식물 사회 구성의 변경을 통해에서 바이오 매스를 통해 직접하거나, 높은 영양 수준의 공헌 정량화을 향상시키기 위해 서 ) 생태계 영양 사이클링 있습니다. 이러한 정량화는 동물 생태계 기능 이상 biotic 컨트롤의 현재 작업 패러다임을 개선하고 수정하는 공동의 노력의 일환으로 생태계 역학을 제어하는하여 메커니즘을 공개 할 수 있습니다.
Disclosures
우리는 공개 할 아무 것도 없습니다.
Acknowledgments
이 연구는 예일 기후와 에너지 연구소, 미국 국립 과학 재단 (National Science Foundation)의 자금에 의해 지원되었다.
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).
