Linking predasjonsrisiko, Herbivore fysiologisk stress og mikrobiell nedbryting av Plant Kull

Summary

Vi presenterer metoder for å vurdere hvordan predasjonsrisiko kan endre den kjemiske kvaliteten på herbivore byttedyr ved å fremkalle endringer i kostholdet for å oppfylle kravene fra økt stress, og hvordan nedbrytning av skrotter fra disse stressede planteetere bremser påfølgende plante kull nedbryting av jord mikrober.

Abstract

Mengden og kvaliteten av detritus påbegynner jorda bestemmer frekvensen av spaltning ved bakteriesamfunn samt resirkulere priser av nitrogen (N) og karbon (C) binding ^1,2. Plant kullet omfatter størstedelen av detritus ^3, og så er det antatt at dekomponering bare marginalt påvirket av biomasse innganger fra dyr som planteetere og rovdyr ^4,5. Imidlertid kan rovdyr påvirke mikrobiell nedbryting av plante kullet via en kjede av interaksjoner som predasjonsrisiko endrer fysiologi av deres herbivore byttedyr som igjen endrer jord mikrobiell funksjon når herbivore skrotter er dekomponert ^6. En fysiologisk stressrespons ved planteetere til risikoen for predasjon kan endre C: N elementsammensetning av herbivore biomasse ^7,8,9 fordi stress fra predasjonsrisiko øker herbivore basal energibehov som i nærings-limited systemer styrker herbivores å skifte sitt forbruk fra N-rike ressurser for å støtte vekst og reproduksjon til C-rik karbohydrater ressurser til å støtte økt metabolisme ^6. Planteetere har begrenset evne til å lagre overflødig næring, så stresset planteetere skille N som de øker karbohydrat-C forbruk ^7. Til syvende og sist, byttedyr stresset av predasjonsrisiko øke sin kropp C: N forholdet ^7,10, noe som gjør dem dårligere kvalitet ressurser for jord mikrobiell bassenget trolig på grunn av lavere tilgjengelighet av labilt N for mikrobiell enzym produksjon ^6. Dermed har nedbryting av skrotter av stressede planteetere en grunning effekt på funksjon av mikrobielle samfunn som reduserer etterfølgende evne til å av mikrober å dekomponere plante kull ^6,10,11.

Vi presenterer metodikken for å evaluere sammenhengen mellom predasjonsrisiko og søppel nedbryting av jord mikrober. Vi beskriver hvordan du: forårsake stress i planteetere fra predasjonsrisiko; measikker på at de stressresponser, og måle konsekvensene for mikrobiell nedbryting. Vi bruker innsikt fra en modell gressletter økosystem bestående av jakt spider rovdyr (Pisuarina mira), en dominerende gresshoppe herbivore (Melanoplus femurrubrum), og en rekke av gress og forb planter ^9.

Protocol

1. Oppdretter Grasshoppers under stress og stress gratis betingelser

1. Bruk 0,5 m ² sirkulære, lukkede mesocosms å hindre utvandring eller innvandring av dyrearter (figur 1). Konstruer mesocosms bruker 2,4 m lengder på 1,5 m høy ¼ "mesh aluminium gjerde som et stillas. Dekk fekting med 2,5 m lengder 1,75 m høy aluminium vindu screening kastet over toppen og bunnen av gjerder og stiftes sammen langs fold. Bli med fekting slutter å danne en lukket sirkel og deretter stifte overlappende vindu screening sammen for å skape en sel. Sett mesocosm i jorden i feltet ved å grave en 10 cm dyp med 4 cm bred grøft rundt bunnen av mesocosom, synke mesocosm inn grøften og deretter tamp torven av grøften rundt forliste delen av mesocosm. Staple et sirkulært stykke av vindu screening til toppen av mesocosm.
2. Array mesocosms i en replikert sammenkoblet eksperimentell design i feltet. Plot steder bør velges for å passe plantearter identitet og plante relativ dekselet. Sink bur 10 cm ned i bakken på tomten området.
3. Ved hjelp av en sveip netto, samle tidlig ^(2.) instar gresshoppe nymfer og lager dem inn i mesocosms på naturlige felt tettheter.
4. Ved hjelp av en sveip netto, fange individer av en dominerende sitte-og-vente jakt (ikke web veving) edderkopp rovdyr. Lim stenge edderkoppen chelicerae (munndeler som brukes til å undertrykke byttedyr) med hurtigtørkende sement til frakoblede risiko effekter fra selve overlevelse utvalg favoriserer enkelte gresshopper med bedre evner til å lure seg unna edderkopp predasjon. Lager edderkoppene på feltet tettheter til ett mesocosm av hvert par. Dette vil være den stress behandling. Mesocosms uten edderkopper vil være stress gratis behandling.
5. Tillat gresshoppe nymfer til å utvikle sent ^(4. og ^5.) instar etapper. Samle alle personer fra merdene og randomly tildele enkeltpersoner fra hver merd til en av tre påfølgende analysen grupper: (1) validering av fysiologisk stress staten, (2) validering av skift i kroppen elementært støkiometri, (3) mikrobiell nedbryting.

2. Validere Grasshopper Stress State

1. Mål gresshoppe standard metabolic rate (SMR), som frekvensen av karbondioksid utslipp ( ) I en incurrent gjennomstrømning respirometry system med en luftmengde på 200 ml / min. Fjerne vann damp ved føring strømmende luft gjennom et tørkemiddel.
2. Etter mat deprivasjon av 16 timer (vann bør være tilgjengelig), veie individuelle gresshopper (± 0,1 mg), og plassere dem i gjennomsiktige 50 ml (9,2 cm L x 2.0 cm D) respirometer kamre og tillate dem å komme seg fra håndtering i minst 10 min før målinger påbegynnes.
3. Under konstant gjennomsnittlig omgivelsestemperatur raturen (temperatur ± 1% standard feil variasjon) innen respirometer kammeret, analysere respirasjonsgasser luft ved hjelp av en infra-rød CO ₂ analysator (f.eks Qubit S151-1 ppm oppløsning). Mål gjennomsnittlig minimal steady-state i 10 min.
4. Instrumentet gir fractional CO _{2-konsentrasjon} (deler per million), men SMR skal rapporteres som en rate, så en må transformeres opptakene som = FR _i ( - ) / {1 - [1 - (1/RQ)]}, hvoriles/ftp_upload/50061/50061eq3.jpg "fo: src =" / files/ftp_upload/50061/50061eq3highres.jpg "/> = incurrent brøk konsentrasjon av CO _2; = Excurrent brøk konsentrasjon av CO _2, FR = infusjonshastighet (ml min ^-1); RQ = respiratorisk forhold, antatt lik 0,85 i planteetende dyr.

3. Validere Shift i Body Elemental Støkiometri

1. Evaluere Carbon: Nitrogen (C: N) innhold av et utvalg av gresshopper samlet inn fra feltet mesocosms.
2. Redusere variasjon i C: N på grunn av nylig matforbruket ved å fjerne gresshoppe gut innholdet under et disseksjonsmikroskop.
3. Frys-tørke den tomme tarmen og kroppen i 48 timer og deretter male den enkelte kadaveret og gut til en homogen pulver.
4. Måle C: N innholdet i pulveret ved hjelp av en CNH autoanalyzer.

4.Mikrobiell nedbryting

1. Plass replikert parene av PVC krage (15.4-cm dia., Innsatt ~ 4 cm inn i jord) i feltet (figur 3C). Fjern all vegetasjon i dem via klipping på jordoverflaten. Disse collars brukes for spaltningsprodukter tiltak. I tillegg etablere et sett av PVC krager over feltet området for å opptre som ¹³ C naturlige overflod kontroller (se nedenfor), som verken gresshopper heller gress-kullet er lagt.
2. Til en krage i hvert par tilsett 2 intakt, frysetørkede skrotter av gresshopper (registrere biomasse lagt til) oppdratt med predator risiko som beskrevet ovenfor ved hjelp felt-bur. Til den andre krage i hvert par tilsett 2 intakte frysetørkede skrotter oppdratt uten rovdyr risiko.
3. Dekk PVC halsbånd med en skjerm for å hindre gresshoppe fjerning av åtseletere fra tomter og la gresshoppe skrotter brytes i 40 dager.
4. Mens skrotter er rotne, etikett gress-litter med ¹³ C.
   1. Konstruer en klar plexiglass kammer (60 cm x 60 cm x 1,5 m) med et innløp og utløp ventil (figur 3B).
   2. Synke en kvadrat 60 cm x 60 cm treramme med en gummipakning belagt med silikonfett 5 cm ned i bakken (figur 3B).
   3. Skyv kammer på toppen av trerammen, slik at kammeret blir forseglet med gummi (Figur 3B).
   4. Forbinder kammer innløpene til komprimerte gassflasker som inneholder 99 atom% ¹³ CO _2. Planter inne i kammeret vil merkes med ¹³ C, der CO ₂ konsentrasjoner opprettholdes ved normale nivåer (fordi heve konsentrasjoner endrer plante karbon partisjonering). Ambient nivåer blir vedlikeholdt av bare pulserende merket CO ₂ for korte perioder av gangen. Dessuten er temperaturen i forbrenningskammeret overvåkes og kamrene er fjernes hvis temperaturer nå 5 ° C aBove ambient.
   5. En uke etter merking, sammenligne δ ¹³ C i gress-kullet med naturlige overflod verdier hentet fra et tilfeldig utvalg av identiske grasarter ved hjelp av en Thermo DELTAplus isotopforhold massespektrometer (Thermo, San Jose, CA, USA).
5. Etter 40 dager, tilsett 10 g lufttørket ¹³ C-merket gress-kullet til hver krage som tidligere hadde blitt endret med gresshoppe skrotter.
6. Overvåk mineralisering rate av gress-kullet in situ over 75 dager ved capping hver krage og sporing både total jord åndedrett og respirasjon av ¹³ CO _2. Dette gjøres ved hjelp av en gjennomstrømning kammer teknikk der gass prøver fra hvert krage overvåkes i sanntid, i 8 min hver bruker hulrom ring ned spektroskopi (CRDS, Picarro Inc., Santa Clara, CA, USA, Modell: G1101 -i). CRDS gjør det mulig å samtidig spore både totalt og δ ¹³ Cav jord åndedrett.
7. Anslå bidraget av ¹³ C-merket gress-kullet til total jord åndedrett ved hjelp av isotopen blande ligninger. Mengden av gress-kullet avledet CO ₂ er beregnet som følger: (. Δ ¹³ C _respirasjon - δ ¹³ C _nat.abn) C _{gress-kullet avledet} = C _totalt × / (δ ¹³ C _gress-kullet - δ ¹³ C _{nat . ABN),} der C _total er den totale mengden av C respirasjonsgasser løpet av en gitt måling, er δ ¹³ C _åndedrett den δ ¹³ C av respirasjonsgasser-C for krager endret med merket gress kullet, δ ¹³ C _nat.abn. er den midlere δ ¹³ C av respirasjonsgasser C i de tre naturlige overflod krager (dvs. de som ikke ble endret med søppel), og ¹³ C δ _gress-kullet er δ ¹³ C av gresset kullet lagt til collars.
8. Overvåke både jordtemperatur og fuktighet over forsøket ved hjelp av håndholdte prober å korrigere for forskjeller i jord åndedrett skyldes forskjeller i temperatur og fuktighet.
9. Selv om ment for bruk i felten, hulrommet ring ned spektroskopi instrument (Picarro Inc., Santa Clara, CA, USA, Modell: G1101-i) målingene er følsomt for bevegelser. Derfor bør man oppføre en base målestasjon sentralt for alle plottene som inneholder PVC halsbånd, og koble instrumentet til halsbånd med lengder av PVC rør.

Representative Results

Et eksempel tomt på gresshoppe standard stoffskifte i stress og stress frie forhold er presentert i Figur 2. På grunn av body mass forskjeller mellom enkelte gresshopper, og det faktum at metabolic rate varierer med body mass, bør tomter presentere stoffskifte i forhold til gresshoppe body mass. Parallelle trender for de ulike behandlinger tyder på at metabolic rate stiger som en konstant multippel av standard metabolic rate (dvs. det er ingen body mass x metabolic rate samhandling) for alle stressede individer.

Grasshopper legemet C og N elementære innholdet i og risiko frie forhold er gjengitt i tabell 1. Det er bemerkelsesverdig at det er en svært liten (4%) forskjell i legemet C: N forhold mellom behandlinger. Likevel kan disse små forskjeller oversette til store forskjeller i gress kullet dekomponering ved jord mikrobiell bassenget (figur 3). Legge gress kullet til PVC halsbånd tidligere endret med stressede eller stress-fri gresshopper fører til ulike grader av søppel nedbryting, noe som reflekteres i svingene beskriver kumulere CO _2-utgaven fra jorda på grunn av mikrobiell respirasjon (figur 3). Forsøkene bør overvåkes til kumulere begynner kurver å mette.

	Stress	Stress Free
Karbon (%)	48.44 ± 0.32	44.73 ± 0.46
Nitrogen (%)	12.11 ± 0.08	11.62 ± 0.12
Carbon: Nitrogen	4,00 ± 0,03	3,85 ± 0,04

Tabell 1. Sammenlikning av kjemisk innhold i gresshoppe herbivore bilcasses fra forholdene der de møtte predasjonsrisiko (stress) og i hvilken predasjonsrisiko var fraværende (stress gratis). Verdiene gjennomsnitt ± 1 standard feil.

Figur 1. Illustrasjon av utformingen av feltet mesocosms benyttet i forsøket og generelle ordningen med den eksperimentelle evaluering av risiko effekter på kull dekomponering.

Figur 2. En tomt på herbivore standard metabolic rate i forhold til herbivore body mass. Dataene er inndelt i to klasser etter eksperimentell behandling: gresshopper fra mesocosms inneholdende predatorer (predasjon) å forårsake stress, og mesocosms uten predatorer (kontroll) og dermed ikke indusert stress. Dataene er hentet fra D. Halwenaog OJ 2010 Schmitz, upublisert.

Figur 3. Curves beskriver akkumulert CO _2-utgaven av den mikrobielle bassenget mens rotne eksperimentelle gress søppel innganger i PVC halsbånd. Plottede verdiene er gjennomsnitt ± 1 standard feil. Grafen viser at jord grunnes med stressede gresshoppe skrotter (predator) resultere i 19% lavere (ANOVA F _1,6 = 9,06, P <0.05) plante søppel nedbrytningsprodukter priser enn jord primet med stress gratis gresshoppe skrotter (kontroll). Det innfelte viser PVC krage anordningen i feltet. Figur gjengitt fra Hawlena et al. ⁶ cick her for å vise større figur .

Discussion

Sekvensen av metodene som presenteres her bør tillate systematisk måling av veien stress i arter som omfatter over bakken næringskjeder kan prime jord mikrobielle samfunn på måter som fører til endring av påfølgende nedbryting av plante kull. Metodene er ideelle for å studere økosystemer består av leddyr forbrukere og urteaktige planter fordi intakte næringskjeder kan romlig omskrevet og inneholdt i mesocosms.

Romlig variasjon kan eksistere på grunn av gradienter i bakgrunnen jordfuktighet, jordtemperatur, anlegg næringsinnhold, etc. Studien design gjør det mulig å rekke mescosms og PVC halsbånd å blokkere langs romlige miljøgradienter og dermed står for slike miljø variasjon når analysere for effekter.

Selv om ment for bruk i felten, hulrommet ring ned spektroskopi instrument (Picarro Inc., Santa Clara, CA, USA, Modell: G1101-i) målingene er sensitive til bevegelse. Derfor bør man oppføre en base målestasjon sentralt for alle plottene som inneholder PVC halsbånd, og koble instrumentet til halsbånd med lengder av PVC rør.

Jord kullet dekomponering har tradisjonelt blitt målt ved å kapsle kjente mengder søppel i glassfiber sekkene, deponering sekkene på jordflaten i feltet og periodisk ny måling poser å tallfeste søppel forsvinning rate (dekomponering). Begrensningen med denne metoden er at man er i stand til å spore skjebne nedbrutt saken eller bestemme bidrag til CO ₂ mineralisering av jord endring (lagt kullet) fra bakgrunnen jord CO ₂ mineralisering. Sporstoffet metode å bruke merket CO ₂ presenteres her bidrar til å lindre dette logistisk begrensning.

Økosystem økologi og biogeokjemi har operert under arbeidstittelen paradigmet at fordi oppspore anlegg-Kullet består flertallet av detritus, er belowground økosystemprosesser bare marginalt påvirket av biomasse innganger fra høyere trofiske nivåer i aboveground næringsnett, for eksempel planteetere selv ^6. Men det er økende bevis for at arter i høyere trofiske nivåer av økosystemer kan ha stor innflytelse på belowground prosesser ^1,4,5. Metoden som presenteres her står å forbedre kvantifisering av bidraget fra høyere trofiske nivåer, enten direkte gjennom biomasse fra skrotten nedfall ^{(12 f.eks, 13)} eller ekskresjon og egestion (f.eks ^{14, 15)} eller indirekte gjennom endring av anlegget fellesskap sammensetning (f.eks ⁹ ) på økosystem næringsstoff sykling. Slik kvantifisering kan bidra til å avsløre mekanismene som dyr styrer økosystemdynamikk som en del av en felles innsats for å forbedre og revidere dagens arbeider paradigme biotiske kontroll over økosystemet fungerer.

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