Summary
שיטה זו מסבירה כיצד לבנות ולהפעיל C 13 רציף ו15 N קאמרי תיוג איזוטופ למדים או תיוג רקמות צמח ההפרש. נציג תוצאות מטבולים וסימון מבני של gerardii Andropogon הם דנו.
Abstract
איתור איזוטופים יציבים נדירים מחומר צמחי מהמערכת האקולוגית מספק את המידע רגיש ביותר על תהליכים אקולוגיות; מCO 2 נתיבים והיווצרות חומר אורגני בקרקע לסמן ביולוגי היציב, איזוטופ בקנה מידה קטנה חיטוט. צימוד איזוטופים יציבים רבים כגון 13 C עם 15 N, יש 18 O או H 2 הפוטנציאל לחשוף מידע עוד יותר על מערכות יחסים מורכבים stoichiometric במהלך תמורות biogeochemical. חומר צמחי איזוטופ שכותרתו נעשה שימוש במחקרים שונים של פירוק פסולת והיווצרות חומר אורגני בקרקע 1-4. ממחקרים אלה ואחרים, לעומת זאת, זה הפך להיות ברור כי רכיבים מבניים של חומר צמחי מתנהגים בצורה שונה מאשר רכיבי חילוף חומרים (תרכובות כלומר. Leachable משקל מולקולריים נמוכות) במונחים של ניצול חיידקים ואחסון פחמן ארוך טווח 5-7. היכולת ללמוד רכיבים מבניים ומטבולייםבנפרד מספק כלי חדש ורב עוצמה לקידום חוד החנית של לימודי biogeochemical מערכת אקולוגית. כאן אנו מתארים שיטה להפקת 13 C ו15 N חומר צמחי שכותרתו כי גם מתויג באופן אחיד לאורך כל הצמח או באופן דיפרנציאלי שכותרתו במרכיבי צמח מבניים ומטבוליים.
כאן, אנו מציגים את הבנייה ותפעול של C 13 רציף ו15 N קאמרי תיוג שיכול להיות שונה כדי לענות על צרכי מחקר שונים. חומר צמחי שכותרת אחידה מופק על ידי תיוג רצוף משתיל למסוק, תוך תיוג ההפרש מושגת על ידי הסרת גידול הצמחים מהשבועות קאמריים לפני הקציר. נציג תוצאות מAndropogon גדל gerardii Kaw להפגין את יכולתה של המערכת ליעילות חומר צמחי תווית ברמות הממוקדות. באמצעות שיטה זו יש לנו מיוצר חומר צמחי עם 4.4% אטום C 13 ו6.7 אטום% 15 </ Sup> תווית מפעל האחיד N, או חומר שמתויג באופן דיפרנציאלי על ידי עד 1.29 אטום% 13 C ו0.56% אטום 15 N בחילוף החומרים שלו ורכיבים מבניים (רכיבי שיורי מים לחילוץ וחמים מים חמים, בהתאמה). אתגרים טמונים בשמירה על טמפרטורה נכונה, לחות, CO 2 ריכוז, ורמות אור באטום 13 C-CO 2 אווירה לייצור במפעל מוצלח. קאמרי תיאור זה מייצג כלי מחקר שימושיים כדי לייצר ביעילות באופן אחיד או באופן דיפרנציאלי חומר צמחי שכותרתו רב איזוטופ לשימוש בניסויים ברכיבה על אופני biogeochemical מערכת אקולוגית.
Introduction
הבנת הדינמיקה של תהליכי צמח אדמת אווירה היא קריטית עבור לחזות במדויק כיצד הפחמן העולמי (C) וחנקן פונקציה מחזורי בתנאים סביבתיים בהווה ובעתיד (N). איזוטופים יציבים הם כלים רבי עוצמה במחקרים כמותיים של C-צמח אדמת אווירה ורכיבה על אופניים לא זמין. איתור איזוטופים יציבים נדירים מחומר צמחי מהמערכת האקולוגית מספק מידע רגיש במחקרים של רכיבה על אופניים biogeochemical, מCO 2 נתיבים ואדמת היווצרות חומר אורגנית לסמן ביולוגי היציב, איזוטופ בקנה מידה קטנה חיטוט למשל 4,8,9. שילוב 13 תיוג C עם 15 N תיוג, או איזוטופים יציבים אחרים כגון H 2 O או 18 ברקמות צמח מספק גבוה איתור, מצע למעקב, אך מורכב לשימוש במחקרי מצמידים של צמח וביוכימיה אדמה. היכולת אחידה או באופן דיפרנציאלי לתייג מודעות חומר צמחי מבניות ומטבולייםיכולת נוספת ds מטרה לענות על שאלות מורכבות על C ו-N רכיבה דרך מערכות אקולוגיות. היתרון של שימוש בחומר צמחי איזוטופ שכותרתו במחקרים כמותיים של חשבונאות C ו-N, לעומת זאת, תלוי ביכולת לייצר 13 C ו15 N חומר הנקרא כי הוא גם באופן אחיד או באופן דיפרנציאלי שכותרתו.
תיוג איזוטופ נעשה שימוש במחקרי טיפול בצמח C ו-N התבוללות 10, הקצאת 11 וrhizodeposition 12. חומר צמחי שכותרת אחידה 13 C ו15 N מספק מצע שכותרתו מורכבת ללימודים של פירוק פסולת 1,4, 2,6 פעמים היווצרות חומר אורגני בקרקע, קרקע פליטת CO2 4, מארג מזון אדמה לומד 13, ומחקרים של C אדמת מגורים 2,14. מחקרי ניצול 13 biochar C שכותרתו מחומר צמחי שכותרתו גם מתחילים לגלות מידע חדש על העבר התעלםבריכות char האדמה 15. בעוד 15 N, H 2, ו18 O תיוג קל יחסית להשיג באמצעות טיפול במים ודשנים, האתגר קיים בייצור חומר צמחי אחיד 13 C שכותרתו דרך 13 C-CO 2 קיבעון.
תיוג רציף איזוטופ משתיל לפדיון בתא אטום מייצר תיוג איזוטופ אחיד בכל המפעל. שיטות אחרות, כגון תיוג חזר דופק 16 ויישום בריסוס או הפתילה 17,18 לא לייצר חומר אחיד איזוטופ שכותרתו צמח, ולא תיוג ברור ההפרש של C-תרכובות מסוימות (למשל חילוף חומרים לעומת מבני) 19. שיקול חשוב בתיוג איזוטופ הוא תיוג יעילות, בשל העלות הגבוהה של תרכובות מועשרים איזוטופ הנדיר בשימוש בתיוג. למרות תיוג 13 C רציף נעשה שימוש ב2-4,20 העבר, אין למיטב ידיעתנותיאור שפורסם מפורט טכני של קאמרי תיוג רציף עם עדות ליעילות תיוג גבוהה ושליטה מדויקת של הכמות והאחידות של תיוג איזוטופ.
בחוד החנית של פירוק אשפה ואדמת מחקר היווצרות חומר אורגני הוא התפיסה שחומר צמחי מטבולים (כלומר leachable, תרכובות יציבה, משקל מולקולריים נמוכות) וחומר מבני מפעל (כלומר. ליגנין, תאית, hemicellulose) מעובדים באופן שונה במונחים של חיידקים שימוש יעילות, היווצרות חומר אורגנית בקרקע, ואחסון C קרקע ארוך טווח 5-7. חומר צמחי שמתויג באופן דיפרנציאלי ברכיבים המבניים וחילוף חומרים שלו, ולכן, הוא כלי שימושי בקידום פירוק המלטה ומחקר היווצרות חומר אורגני בקרקע. תיוג ההפרש עם איזוטופים כפולים מאפשר העתקה של רכיבים מבניים ומטבוליים בנפרד דרך המערכת האקולוגית באמצעות techniqu איזוטופ מרובה בריכהדואר 21.
תיוג איזוטופ רציף עם 13 C ואיזוטופים אחרים בתא אטום דורש תשומת לב קפדנית לשתול תנאים פיסיולוגיים כדי למקסם את תפוקת מפעל ויעילות תיוג איזוטופ. קוצים של טמפרטורה יומית חייבים להיות מבוקרים כדי למנוע נזק צמח כאשר גדל בחדר אטום. טווח אופטימלי של לחות וטמפרטורה נדרש לשמור הפיוניות מפעל פתוחה ו-CO 2 ספיגה 22. רמות גבוהה של אדים לחות גורם לקירות החדר, אשר ממזער זמינות אור ועלול לגרום נזק למבנה התא. שיקול דעת לאיזוטופ יעילות תיוג על ידי ביטול איזוטופים שפע טבעיים מהתא (לדוגמא מגיע משתילה עם חומר אורגני בקרקע) ולהימנע מחשיפה לאוויר החיצוני הוא חשובה כאשר עובדים עם תרכובות כבד איזוטופ יקרים שכותרתו.
כאן, אנו מציגים שיטה לבנייה והפעלהC הרציף הכפול 13 ו15 קאמרי תיוג N איזוטופ לייצור של חומר צמחי שגם מסומן או שיש רכיבים המבניים וחילוף חומרים שלו שכותרתו ברמות שונות באופן אחיד. 13 תיוג C נמצאים בשליטה ברמת התא, תוך הפריה ו15 N תיוג היא שלט ברמת הסיר הבודד. נציג תוצאות מוצגות כדי להדגים את יכולתה של שיטה זו כדי לשלוט בטמפרטורה, לחות, וריכוז CO 2 לאורך כל עונת הגידול. תוצאות מgerardii Andropogon גדל, Kaw גם להפגין את יכולתה של שיטה זו כדי לייצר חומר צמחי אחיד או באופן דיפרנציאלי שכותרתו. ערכת עיצוב חדר והמבצע הספציפית שתוארה יכולה להיות שונה כדי לצמוח מיני צמחים שונים, כמו גם כדי להכיל 2 H או 18 O תיוג.
Protocol
1. בנייה קאמרית
- לבנות את תא התיוג בחממה על מנת לאפשר לפוטנציאל אור הטבעי מרבי לגידול צמחים. ודא כי אספקת חשמל נאותה היא זמינה לשלטון את כל מרכיבי התא.
- לבנות את תא התיוג על ידי ההרכבה 3.175 מ"מ קירות עבים שקופים אקריליק (פוליקרבונט יהיה מתאים גם) ו6.35 מ"מ תקרת אקריליק שקוף עבה על מסגרת אלומיניום עם רצפת פלדה צבועה בלבן על מנת למקסם את החזר שמש. הממדים של החדר יכולים להיות מותאמים לצרכי מחקר בודדים.
- הר קאמרי ב¾ בדיקט (19 מ"מ) על בלוקים.
- לקדוח חורים בזכוכית אקריליק, מסגרת האלומיניום ורצפת פלדה וברגי שימוש להדק את כל המרכיבים יחד.
- לאטום את כל התפרים עם קולק סיליקון כדי להבטיח את החותם אטום.
- לבנות דלת על ידי ההרכבה חלק אחד של ציפוי אקריליק על ברגים ארוכים, אשר יכול להיות מוברגת באמצעות רמואגוזי כנף vable.
- לאטום את הדלת עם מזג אוויר הפשטה כדי למנוע דליפת אוויר.
- בחר אזור סמוך ישירות לתא כמרכז הבקרה לעלות כל הטמפרטורה, הלחות, 2 שולט CO, וציוד מעקב.
- לקדוח חורים קטנים בזהירות בקיר החדר הסמוך למרכז השליטה על כל חוטי החשמל וצינורות גז. השתמש קולק סיליקון כדי לאטום את החורים סביב כל החוטים והצינורות כדי למנוע דליפת אוויר.
- בדוק את התא לדליפת אוויר על ידי ממלא אותו ברמה גבוהה של CO 2 (למשל 800 עמודים לדקה) ולתת לה לשבת לילה. אם ריכוז ה-CO 2 בתא נשמר ברמתו המקורית אז זה אטום. אם הריכוז יורד לילה ולאחר מכן יש לבחון את כל התפרים ואטמו עם סיליקון קולק עד חותם אטום מושגת.
- לכמה צמחים המותאמים לתנאי אור גבוהים, להוסיף אורות מחוברים לשעון עצר לצד החיצוני המיידי של גhamber להגדיל את חדירת אור ופריון מפעל.
2. בקרת טמפרטורה ולחות
- לווסת את טמפרטורת חדר על ידי התקנת מזגן מפוצל מסוג מסחרי עם סלילי הקירור (מאייד) הממוקמים בתוך החדר והסלילים של המדחס וקבל נמצאים מחוץ לחממה כדי לפזר את החום. הגדר את המזגן כדי לשמור על הטמפרטורה הרצויה.
- השתמש במסיר לחות בחדר קטן כדי לשלוט בלחות בחדר.
- לקדוח חור ניקוז דרך הרצפה של החדר הסמוך למסיר הלחות.
- הסר את אספן העיבוי ממסיר הלחות, ולחבר את צינור ניקוז ממסיר הלחות דרך חור הניקוז ברצפה של החדר.
- מתחת לחדר, הנח את הצנצנת פתוחה מלאים במים למסיר הלחות כדי לנקז ישירות לתוך. זה יוצר חותם אטום אלא גם לאפשר איזון לחץ.
- חבר את הבקר למערכת מסיר הלחות עם ממסר מצב מוצק ולהגדיר את בקר הלחות עם אזעקה גבוהה ולהניף כדי לשמור על תנאי גידול אופטימליים בחדר. תנאי טמפרטורה ולחות אופטימליים יהיו שונים עבור מיני צמחים שונים.
3. 2 בקרה CO
- העשרת 13 C-CO 2 מושגת באמצעות שני 2 טנקים טהורים CO גז, אחד מ10% אטום 13 C-CO 2 ומעלה ואחד 1.1 אטום% 13 C-CO 2 (שפע טבעי).
- לפקח CO ריכוז 2 על ידי בעל משאבת סרעפת ברציפות לצייר קאמרי אוויר דרך אינפרא אדום גז Analyzer (Irga) ולאחר מכן לשאוב את האוויר חזרה לחדר, ובכך שמירה על מערכת סגורה (איור 1).
- Seאזעקת ta נמוכה ולהקה מת על תוכנת Irga לשמור 2 ריכוזי CO בטווח רצוי. כאן, אנו משתמשים אזעקה נמוכה של 360 עמודים לדקה עם להקה המתה 40 עמודים לדקה כדי לשמור על CO 2 ריכוזים בין 360-400 עמודים לדקה.
- חבר שסתום ויסות לכל טנק ובזהירות להתאים אותם כדי להשיג את רמת העשרת C יעד 13. הגדר את הרגולטורים טנק ל20 psi.
- הכנס שסתום סולנואיד בין שסתום הוויסות והרגולטור של כל טנק. הצטרפות שקעים של שני שסתומים המדידה יחד וצינור אותם למרכז החדר. חוט ממסר מצב מוצק לפלט Irga לשלוט שסתומי סולנואיד (איור 1).
4. מערכת ניטור מרחוק מבוסס אינטרנט
- לפקח על ריכוזי CO 2 מתוכנת Irga על ידי כניסתו לקובץ מקומי אחת 30 שניות.
- יצירת שירות מותאם אישית (לדוגמא בפרל או שפת תכנות אחרת) כדי לאסוףעד ערכים מקובץ הרישום המקומי CO 2, יחד עם חותמת זמן המחשב הנייד הנוכחי, ולהעלות אותם ליישום אינטרנט עורפי.
- הגדר את יישום האינטרנט לשאילתא הטמפרטורה ונתוני חיישן לחות.
- שימוש במערכת ניטור כדי לבדוק את המצב של הטמפרטורה בתא כל חמש דקות כדי למנוע קוצים טמפרטורה פוטנציאליים שיהרסו את הצמחים אם מערכת מיזוג אוויר לא הצליחה.
- לעקוב אחר נתוני CO 2, הטמפרטורה ולחות בכל דפדפן אינטרנט סטנדרטי, כך שכל קוצים טמפרטורה צפויים או 2 טיפות CO יכולים להיות השתתפו באופן מיידי ל.
5. מערכת השקיה
- לקדוח חור קטן בקיר של חדר הזכוכית אקרילית לכל סיר.
- השתמש בצינורות השקיה כדי ליצור טבעת השקיה בטפטוף אחד לכל סיר ולהאכיל את צינורות ההשקיה דרך קיר התא אל החוץ.
- לאטום את החורים סביב צינור ההשקיה עם קולק סיליקוןכדי למנוע דליפת אוויר.
- על הצד החיצוני של החדר, לחבר את צינורות ההשקיה בצינור למשאבת peristaltic.
- השתמש מהדק צינור קטן כדי לסגור את כל צינורות ההשקיה כדי למנוע דליפת אוויר בין ההשקיה.
6. צמחי שתילה
- בחר גודל סיר מתאים לצמחים שגדלו. הנה, 40, 15 סירי L משמשים.
- יצירת תערובת שתילה ללא אדמה על ידי הערבוב של חול, ורמיקוליט, וקרמיקה נקבובית פרופיל.
- בדוק את יכולת ספיחת מים של תערובת השתילה על ידי שקילה יבשה סיר מלא, סופג את הסיר במים ומאפשרים לו לרוקן לחלוטין, ובמשקל של הסיר רטוב. השתמש ביכולת ספיחת מים המרבית זה כדי להבטיח שכותרתו דשן העודף ומים לא להדליף מהסירים בזמן השקיה.
- לנבוט זרעים באדמת שתילה לפני שתילתם בסירים. הדבר זה מבטיח שזרעים מונבטים רק בהצלחה התחילו בתא התיוג.
- לחסן t הוא השתילים עם תרחיף אדמה טרי להציג את החיידקים מועילים.
- ברגע שהזרעים ניבטו, להשתיל בזהירות שתילים לסירים במספר הרצוי.
- ברגע שהעציץ, להעביר את הסירים לתא ולהרכיב כל סיר עם צינור השקיה בודד.
7. איטום הקאמרי
- כאשר איטום הדלת ראשון לתא מסה גדולה של אוויר חיצוני ממלאת את חלל החדר. לשפשף את CO החיצוני זה 2 על ידי חיבור scrubber סיד סודה למשאבת האוויר כדי לקרצף את ריכוז CO 2 עד לפחות 200-250 לדקה לפני מילוי החדר אחורי עד 400 עמודים לדקה באמצעות תערובת טנק 13 C-CO 2.
- נסה לשמור על החדר סגור דרך משך עונת הגידול כדי למזער את השפע טבעי CO זיהום 2.
- לפקח על גידול צמחים באופן חזותי ולהתאים הפריה והשקיה על פי דרישה.
- השתמש פתרון דשן, כגון הפתרון של הוגלנד הותאם 23, כדי להפרות את הצמחים דרך מערכת ההשקיה.
- תווית הדשן עם 15 N באמצעות 15 N-kno subsolution 3 ב% אטום ממוקדים 15 N רמה על ידי ערבוב 98% אטום 15 N-kno 3 עם שפע טבעי 15 N-kno 3 (אטום% 0.37 15 N).
- מערבבים את מספיק מפתרון הדשן על כל אירוע הפריה לכל התא, המבוסס על יכולת ספיחת מים של תערובת השתילה. הנח את הכמות הנכונה של דשן לסיר אחד בצנצנת זכוכית, ולהכין קנקנים רבים יש סירים.
- Unclamp צינורות ההשקיה ולמקם כל אחד מהם בצנצנת עם פתרון הדשן, ולאחר מכן לחבר אותם למשאבת peristaltic.
- צמחי מים על ידי שאיבת מים באמצעות משאבת peristaltic דרך Irri הטפטוף הבודדצינורות gation באופן קבוע כצמחים צריכים את זה.
- הפריה עם הפתרון של הוגלנד צריכה לעקוב אחר ביקוש צמח או עיצוב ניסיוני, עם דרישה תזונתית גוברת ככל שעולה פריון מפעל למקסם את התפוקה.
- ראשית, לשאוב הפתרון של הוגלנד דרך צינור ההשקיה, ולאחר מכן לשאוב שטיפת מים דרך למזער את הצמיחה של אצות וחיידקים בצינורות.
- Reclamp כל הצינורות לאחר הפריה והשקיה כדי למנוע דליפת אוויר חדר.
9. תיוג אחיד ודיפרנציאל
- תיוג ההפרש של רכיבים מבניים ומטבוליים, להסיר צמחים מתא תיוג 1-3 שבועות לפני הקציר. צמחים כי הם להיות מתויגים באופן אחיד יכולים להישאר בתא התיוג האטום ברציפות עד קציר ומושקה בפתרון של 15 N-הוגלנד.
- שמור על הצמחים הוסרו בחממה בתקופה זו, כך שהם מקבלים אור נאות ו-CO 2 בשפע טבעי 13 ג
- ל15 N תיוג ההפרש, ממשיך לדשן ולהשקות את הצמחים כרגיל, אבל להשתמש בשפע טבעי 15 N-kno 3 בתמיסת הדישון של הוגלנד.
10. קציר
- להפסיק להשקות צמחים 1 שבוע לפני קציר ולכן צמחים מתחילים להזדקן ובינוני שתילה מתייבש.
- פתח את התא ולהעביר את הסירים לגזיר וקציר מיידיים של ביומסה עילי
- יוצקים את תערובת השתילה ושורשים על מסך גס.
- השתמש במסך כדי להפריד את השורשים מתערובת השתילה ולנער את השורשים חופשיים של תערובת שתילה.
- הנח את השורשים על מסננת 2 מ"מ ולשטוף אותם במים כדי להסיר כל חומר שתילה הנותרת. להשתמש בפינצטה כדי להסיר כל vermiculite שעשויה לדבוק בשורשים.
- לאפשר שורשי אוויר יבש בהכנה לניסויים עתידיים.
s = "jove_title"> 11. המלטת כימיה
- שוקל חומר צמחי אוויר יבש כדי לקבוע קאמרי תיוג ביומסה.
- טוחנים subsample לאנליזה כימית.
- הנח 2.0 גרם של המלטת תנור מיובש (60 ° C) בחומצת 125 מיליליטר שטף בקבוק ולהוסיף 50 מיליליטר של מים deionized.
- מניחים את המדגם על צלחת בוחש שחומם מראש (60 ° C) ולמקם את הבר בוחש בבקבוק. הגדר את ערבוב ל200 סל"ד ולאפשר את המדגם כדי לחמם למשך 30 דקות.
- לאחר 30 דקות, לסנן את פתרון ההמלטה באמצעות מיקרומטר 20 ניילון להשתלב במערכת סינון אבק.
- מעביר את התמצית לצינור שטף חומצת preweighed ולהקפיא.
- העבר את שאריות פסולת מוצקות למחבת אלומיניום preweighed ויבשה ב60 ° C. לשקול סיר והמלטה לאחר ייבוש לקביעת מסת שאריות מים חמים.
- להקפיא לייבש את תמצית מים החמים ולשקול כדי לקבוע את מסת תמצית מים החמים.
- המלטה לנתח תנור מיובש (60 מעלות צלזיוס) מים חמים מיובשים בהקפאה,תמצית, ושאריות מים חמים בתנור יבש בAnalyzer Elemental - יחס איזוטופ ספקטרומטר מסות (EA-IRMS).
Representative Results
קאמרי התיוג שלנו הוא 1.2 MX 2.4 MX 3.6 מ 'בגודל ומחזיק 40,15 סירי L (איור 1). מערכת הבקרה הממוחשבת Irga נשמרה CO 2 ריכוזים בין ערכי הקבוצה שלנו 360 ו400 עמודים לדקה בתקופה הפעילה photosynthetically של היום (איור 2 א). התכונה מעורר CO 2 הנמוכה בIrga מופעלת שסתומי סולנואיד לאפשר CO 2 מ13 C מועשר וטנקים שפע טבעיים לתוך התא כאשר ריכוז ירד מתחת לסף המינימאלי (למשל 360 עמודים לדקה). תכונת הלהקה המתה עצרה את הזרימה כאשר הריכוז הגיע לנקודה העליונה הסט (למשל 400 עמודים לדקה). מערכת ניטור לחות מחוברת למזגן ומסיר הלחות התקיים תנאי אקלים במסגרת הפרמטרים הקבוצה לאורך כל עונת גידול הטמפרטורות וiSeries (איור 2b). אנו משמשים יחידת מיזוג אוויר של טונה (3.5 קילוואט) לKEEP מגניב הקאמרית.
מערכת הניטור מרחוק הורשתה לראות את הנתונים המחובר בכל עת באמצעות דפדפן אינטרנט סטנדרטי. ערכי 2 ריכוזים, הטמפרטורה ולחות CO נדגמו על ידי יישום האינטרנט כדי להציג את הגרפים על 24-240 שעות האחרונות, ב24 מרווחי שעה. זה יצר ויזואליות מהירות כדי לאשר שהתנודות יומיות היו בגבולות הצפויים. צופה בממשק האינטרנט הראה גם את המצב הנוכחי קאמרי, כמו גם התראות הניתנות לבעיות פוטנציאליות, כגון לא מקבל נתונים אחרונים. בכל עת במערך השלם יכול גם להוריד מממשק האינטרנט.
מדדנו קרינה פעילה photosynthetically (PAR) במיידי פנים וחוץ של החדר בארבע נקודות עם ובלי האורות באמצע הקיץ ובאמצע היום באמצעות חיישן קוונטים. PAR בתא היה 31.5% נמוך יותר מאשר חיצוני כאשר אורות התא wבטרם לסירוגין 22% נמוכים יותר מאשר חיצוני כאשר האורות דלקו. לפיכך, האורות קאמריים יסייעו להגדיל באופן משמעותי את חדירת PAR בתוך התא על ידי 9.5% (P <0.05).
מערכת התיוג המתמשכת שלנו הייתה מסוגלת לייצר 2759 גרם של א ' ביומסה gerardii, 37% מהם היו ביומסה עילית ו63% מהם היה ביומסה מתחתיה. השגנו 4.4% אטום 13 תווית צמח כולו C בחומר הצמחי האחיד שלנו על ידי הגדרה שסתומים סולנואידים על שני הטנקים 2 CO בהתאם (איור 1, לוח 1). השגנו 6.7% אטום 15 תווית צמח כל N בחומר הצמחי האחיד שלנו על ידי ערבוב 98% אטום 15 N-kno 3 עם 0.37% אטום 15 N-kno 3 בkno subsolution 3 של הפתרון של הוגלנד הותאם 23 (טבלה 1) . אנחנו השקינו את א ' שבועי gerardii עם 750 מיליליטר נוזל כולל (מים בתוספת הפתרון של הוגלנד) לאורך הים הולך וגדלבן. אנו מופרה עם 200-500 מיליליטר של 15 N שכותרתו הפתרון של הוגלנד בשבוע בהתאם לפריון מפעל.
אנו מנוצלים בשיטת המיצוי במים החמים כדי לקבוע אם היו הבדלים איזוטופי בין אחיד והחומר צמחי שכותרתו באופן דיפרנציאלי. לצמחים שכותרתו באופן דיפרנציאלי, על קציר הסרנו את כל עלים שהיו מתים לחלוטין וטפלו באלה בנפרד כפי שסביר להניח שלא מתויגים באופן דיפרנציאלי. כאשר מסתכלים על 13 תוכן C, כל ארבעת ימי ההתאגדות היו שונים באופן משמעותי מזה בזה על הצמח כולו ותמצית מים החמים, אבל ליום ששאריות מים החמים 14 ו22 לא היו שונים באופן משמעותי מכל אחד אחר (טבלה 1). כאשר משווים את השברים רקמות צמח בתוך כל יום, תמצית המים החמים והשאריות היו שונות באופן משמעותי מכל אחד אחר לכל ארבעת ימים וביום 22 הצמח כולו, לחלץ, והשאריות היו כל signiשונה ficantly מזו (טבלה 1). ל15 ההתאגדות N למרכיבי צמח, היו הבדלים בין ימים של שברים התאגדות ורקמות צמח. לתמצית מים החמים כל ארבעת ימי ההתאגדות היו שונים באופן משמעותי מכל אחד אחר ל15 N, ולכל הצמח והמים החמים שאריות הימים קצרים יותר התאגדות היו שונים באופן משמעותי מהימים הארוכים של התאגדות (טבלה 1). שברי רקמות הצמח בצמחים אחידים לא היו שונים באופן משמעותי מזה ב15 N, אבל תמצית המים החמים והשאריות היו שונים באופן משמעותי מזה ב15 N להמלטה שכותרתו באופן דיפרנציאלי.
כל הערכים איזוטופים הם דיווחו על שימוש באחוזי אטום (% אטום) סימון (משוואה 1), שהוא סימון מדויק יותר מאשר% להשתמש ברמות גבוהות של כבדהעשרת איזוטופ 21. לדוגמא:
(1)
במחקר זה, רצנו ניתוחים סטטיסטיים באמצעות גרסת SAS 9.2. בדקנו הבדלים בין רמות אור פנים וחוץ תא באמצעות מבחן t מזווג. בדקנו הבדלים בין 13 C ו15 N תיוג של תמציות מים חמות ושאריות מים חמים באמצעות ניתוח בכיוון אחד של שונות (ANOVA) בPROC ANOVA. נהגנו מבחן מגוון רב של דאנקן לניתוח השוואות מרובות. משמעות הייתה מקובלת ברמה-P של 0.05. נהגנו מבחן סכום דרגת Wilcoxon כדי לבדוק שהנתונים פגשו את ההנחות של הניתוח.
איור 1. Schematתרשים ic של חדר 40 קיבולת סיר הרציף רב איזוטופ תיוג ממעוף ציפור. קווים מקווקווים מייצגים חיווט חשמלי, ואילו קווים מוצקים מייצגים גז או צינורות מים. לחץ כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר.
. איור 2) ריכוז הממוצע CO 2 (ppm) (+ / -. SE) על פני תקופה של עשרים וארבע שעות ביממה לעונת גידול כולו ב ') בטמפרטורה ממוצעת (מעלות צלזיוס), מעגלים פתוחים, ולחות (%), נסגרו חוגים . (+ / - SE) על פני תקופה של עשרים וארבע שעות ביממה לעונת גידול כולו לחץ כאן לצפייה im הגדול יותרגיל.
| מדים (0) | ההפרש (7) | ההפרש (14) | ההפרש (22) | ||
| כל המלטה | 13 C Atom% | 4.46 ± 0.02 Aab | 3.93 ± 0.05 Ba | 3.64 ± 0.03 Ca | 3.35 ± 0.06 Db |
| 15 N Atom% | 6.69 ± 0.07 Aa | 6.72 ± 0.01 Aa | 6.33 ± 0.06 Ba | 6.41 ± 0.07 Ba | |
| 13 C Atom% | 4.59 ± 0.04 Aa | 3.35 ± 0.06 Bb | 2.79 ± 0.06 Cb | 2.37 ± 0.03 Dc | |
| 15 N Atom% | 6.69 ± 0.03 Aa | 6.43 ± 0.01 Bb | 5.89 ± 0.07 Db | 6.16 ± 0.05 Cb | |
| שאריות מים חמים | 13 C Atom% | 4.37 ± 0.06 Ab | 4.1 ± 0.03 Ba | 3.79 ± 0.10 Ca | 3.66 ± 0.05 Ca |
| 15 N Atom% | 6.57 ± 0.04 Ba | 6.71 ± 0.02 Aa | 6.45 ± 0.02 Ca | 6.44 ± 0.03 Ca |
טבלת 1.
Discussion
עיצוב זה לתא תיוג איזוטופ מתמשך שימש כדי לייצר באופן אחיד ואופן דיפרנציאלי 13 C ו15 N שכותרתו א gerardii לשדה הבא וניסויים במעבדה. במהלך שלוש עונות גידול של מבצע, הקאמרית שמרה בהצלחה טמפרטורה, לחות, ו-CO 2 ריכוזים במסגרת הפרמטרים הקבועים (איור 2). האמינות של מערכת בקרת הטמפרטורה היא קריטית בתקופת השיא של הקיץ, כאשר קרינת שמש גבוהה יכולה לגרום להתחממות יתר בתא האוויר חזק. ביטול לחות עודפת הנגרמת על ידי דיות מגידול הצמחים מבטיח כי הפיוניות המפעל תישאר פתוחה לספיגה פוטוסינתטיים 22 וכי עיבוי מים לא לעכב חדירת אור או לפגוע במבנה של החדר.
הניטור הרציף הקרוב של CO 2 ריכוז על ידי תוכנת Irga נשמר רציף13 תיוג C של הצמחים בעת שגדלו בתא. בשל פעילות הפוטוסינתזה הגבוהה של א gerardii גדל בחדר הזה, CO 2 שהוזרק למערכת בתדירות גבוהה בשעות יום של עונת השיא גדל כאשר פעילות פוטוסינתזה משכה 2 ריכוזים CO עד 360 עמודים לדקה, בערך כל דקות 15-20. המדידה של מועשר ו13 2 טנקי C-CO שפע טבעי אפשרו ל4.4% אטום אווירת 13 C נשלטה באמצעות עונת הגידול לתיוג רקמות צמח אחיד. 13 C-CO 2 ייצור יכול גם להיות מושגת על ידי ערבוב 13 C-נתרן ביקרבונט או קרבונט 13 C-נתרן וחומצה הידרוכלורית, לעומת זאת סוג זה של מערכת הוא מורכב יותר ודורש יותר ניטור ותחזוקה, ולכן אנו ממליצים על שימוש בגז 2 13 C-CO. שיקול חשוב לניטור CO conce 2ntrations באמצעות Irga הוא שמנתחי אינפרא אדום לאבד שני שלישים מרגישותם בעת מדידת 13 C-CO 2. הערכה נמוכה מדי של עמודים לדקה בכ .2.9% לתערובת 4.4% 13 C-CO 2 שלנו לא הייתה דאגה רבה לנו, אבל יכולה להפוך לבעיה משמעותית יותר כאשר תיוג ברמות 13 C גבוהים יותר 27.
gerardii א 'היא עונה חמה tallgrass הרב שנתי ערבת מיני graminoid. העיצוב של החדר הזה היה מותאם לא ייצור gerardii (איור 1). הגודל והגובה של החדר נבחרו בתמורה לפרודוקטיביות הגובה המרבית של א ' gerardii בתחום, כמו גם לייצור ביומסה הצמח הרצוי לניסויים עתידיים. א gerardii ידוע להיות אור מוגבל בתחום 24,25. PAR בתוך חממה יכול להצטמצם על ידי 30-47% בהשוואה לרמות חיצוניים 26. מאז המפעל שלנוים גדלו בתא זכוכית אקריליק בתוך חממה, הגבלת PAR הייתה דאגה. כאשר מופעלים, אורות הניאון גדלו PAR בתוך התא על ידי 9.5%, מה שאולי עזר להגדיל את התפוקה בזנים רגישים לאור זה. בעת השימוש בעיצוב חדר זה לגדול סוגים אחרים של הצרכים פיסיולוגיים ספציפיים צמחים כגון גודל, תאורה, דרישות תזונתית, רגישות טמפרטורה, ולחות קרקע צריך להיות מותאם בזהירות כדי לשמור על תנאי גידול אופטימליים לצמחים.
כאשר עובד עם תרכובות יקרות שכותרת isotopically, כגון 10% אטום 13% 2 ו98 אטום C-CO 15 N-kno 3, יעילות של תיוג הוא שיקול חשוב. עיצוב חדר זה מייעל 13 תיוג C על ידי עושה את כל המאמצים כדי לאטום את החדר ולמזער את דליפת אוויר לתוך ומחוץ לתא. אם החדר הזה מעולם לא נפתח במהלך עונת הגידול, ולאחר מכן אף אחד מתווית 13 Ced-CO 2 מהחדר הוא דלף לאווירה. CO 2 לבנות במהלך נשימה לילית אינו מופיע לפגוע בצמחים והוא נלקח במהירות לאחר הזריחה (איור 2). במהלך תיוג ההפרש, התא נפתח לזמן קצר כדי להסיר את הסירים שכותרתו דיפרנציאלי, אבל זה לא הופיע לדלל 4.4% אטום תיוג 13 C הממוקד של הצמחים שכותרתו ברציפות (טבלת 1). 13 תיוג C היה מותאם גם על ידי שפשוף את אוויר באטמוספרה ראשוני לכוד בתא על איטום. במהלך בדיקות ראשוניות על החדר בלי לשפשף ראשוני של CO 2 באטמוספרה, צמחים נמדדו יש רמת 13 C בדילול מלא בעלים הראשונים שהופקו מאת העלים מאוחר יותר הפיק. לשפשף הראשוני של CO 2 באטמוספרה על תא סגירה מופיע לחסל את הבעיה על ידי מתן אפשרות לתיוג 13 C רציף משתיל לפדיון. שמירת תערובת שתילה ללא אדמת חול, ורמיקוליט, וחימר גם מבטלת שפע טבעי CO 2 מזיהום הנשימה אדמה. החיסול של אדמה מהמערכת דורש שיקולי הפריה וחיסון זהירים, אשר יכולה להיות ייחודי למינים צמחים שונים. 15 N תיוג באמצעות 15 הפתרון של N Hoegland 7% אטום הממוקד מיוצר חומר צמחי שכותרת מאוד ב6.7% אטום 15 N (טבלה 1). דילול קל מהתווית 15 N הממוקד עלול להיגרם על ידי כמה שפע טבעי N בתערובת השתילה או מחיסון אדמת הילידים.
במהלך ביוסינתזה של תרכובות, אפליה טבעית של 13 C (או 15 N) מתרחשת כתוצאה מחלוקה הקינטית והפצת איזוטופ nonstatistical בתרכובות המסונתזת. לכן, במקרה של C, מוצרים משניים (למשל שומנים, תרכובות פנול) בדרך כלל מתרוקנים ב13 C בהשוואה למוצרים עיקריים (פחמימות). אפליית 13 C טבעי זה מופיעה להתמיד גם כאשר צמחים גדלים באווירת 13 C מועשרת, כפי שניתן לראות בהבדל הקטן באטום% C 13 של תמציות מים החמים ושאריות מים חמים של הצמחים שכותרתו באופן אחיד (טבלה 1 ). חלוקה הקינטית טבעית זה היא קטן מאוד בהשוואה להעשרה ולא להתפשר האחידות של התיוג.
תיוג ההפרש של רקמות צמח מבניות ומטבוליים הוא טכניקה חדשנית עם פוטנציאל ללימודים מתקדמים בפירוק פסולת, אקולוגיה של חיידקים והיווצרות חומר אורגני בקרקע. ההבדל ב13 C ו15 N של תמציות מים החמים ושאריות מים חמים מצביע על דילול משמעותי של 13 C ו15 N בleachable, נמוךתרכובות מולקולריות משקל (תמציות מים חמים) מהחומר המבני הצמח (שאריות מים חמים) לאחר 7, 14, ו22 ימים של תיוג ההפרש (P <0.005). תיוג ההפרש זה של רקמות צמח יכול לשמש כדי לעקוב אחר גורלם של רכיבים מבניים ומטבוליים בנפרד דרך מערכת אקולוגית. תיוג ההפרש 13 C היה יותר קיצוני מ15 תיוג ההפרש N. זה יכול להיות בגלל המיידיות של 13 דילול C בעת הסרת הצמחים מאווירת שכותרת 13 C-CO 2, ואילו תווית 15 N עדיין נשארה בתערובת השתילה לקצת זמן ו15 N דילול מתרחש לאט יותר. תיוג ההפרש דרסטיים יותר של 15 N, ניתן לשקול שטיפת הסירים עם מים לפני ההפריה שפע טבעי בשבועות האחרונים של גידול מחוץ לחדר.
העיצוב והתפעול של 13 מתמשכים זה <מערכת תיוג C ו15 N / sup> למדים או ההפרש, חילוף חומרים ותיוג רקמות מבני, צמח מספקת שיטה חדשה להפקת חומר צמחי שכותרת isotopically למחקר מתקדם. העיצוב והפרטים מבצעיים של תא זה נבחרו ל4.4% אטום C 13 ו7 אטום% 15 N תיוג של א ' gerardii, אך יכול להיות מותאם לסוגי צמחים אחרים ורמות תיוג איזוטופ. תנאי הגידול שתוארו כאן צריכים להיות מותאמים כדי להתאים את דרישות גודל, טמפרטורה, לחות, אור, מים וחומרי מזון של מיני צמחים מסוימים של עניין. תיוג עם 18 O או H 2 יכול גם להיות מושגת על ידי תיוג המים המשמשים במערכת ההשקיה. המערכת המתוארת כאן כתובות רבות של האתגרים של אחיד ודיפרנציאלי 13 תיוג C של חומר צמחי. עיצוב תא בסיסי זו יכול להיות בשימוש על ידי קבוצות מחקר אחרות כדי לייצר חומר צמחי שכותרת מאוד לעו"דanced מחקרים בbiogeochemistry המערכת האקולוגית.
Disclosures
יש המחברים אין לחשוף.
Acknowledgments
תודה מיוחדת למתקן צמח הצמיחה והמתקן אנליטיים EcoCore באוניברסיטת קולורדו ולתלמידים הרבים והמורים שסייעו בפרויקט זה. עבודה זו ממומנת על ידי המענק # NSF DEB 0918482, משרד החקלאות האמריקאי הלאומיים לצרכי מלגה, וקרן Cotrufo-Hoppess למחקר אקולוגיה אדמה.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 40 in Remote Tower Fan | Living Accents | FS10-S3R-A | |
| 42 in Electric Tower Fan with remote control | LASKO | 2559 | |
| Mr. Slim Split-type air conditioner | Mitsubishi Electric | R410A | |
| Electronic 24 hr time switches | Intermatic | ET100C | Operates Fluorescent Light System |
| iSeries Humidity and Temp Controller | Omega | CHiTH-i8DV33-5-El | |
| Solid State Relay | Omega | SSRL240 | |
| CKR Series Solid State Relay | Crydon | ||
| Solenoid Coils | Dayton | 6X543 | |
| GasHound CO2 Analyzer | LI-COR | LI-800 | |
| Dehumidifier | Dayton | 1DGX4 | |
| Specialty gas regulator | Airgas | CGA 580 | |
| T5 Hight Output Commercial Fluorescent Light System | Hydro Farm | FLT48 | |
| Air pump | Thermo Scientific | 420-1901 | |
| Masterflex Cartridge Pump HeadSystem | Cole Parmer | 7553-70 | |
| 1900 Series Network Switch | Catalyst | ||
| Profile Porus Ceramic Top Dressing | Greens Grade | ||
| Industrial Quartz 40 mesh | Unimin | 4095 | |
| Mycorrhizae Professional Growing Medium | ProMix | ||
| Vermiculite and Perlite | Thermo-Ran | C633 | |
| Potassium Nitrate- 15N 98 atom % | Sigma-Aldrich | 335134 | |
| Carbon-13C Dioxide 10 atom % | Sigma-Aldrich | 600180 | |
| Medical grade CO2 | Airgas | ||
| Regulator | Airgas | CGA 350 | |
| 4 in box fans | Grainger | ||
| Masterflex PharMed BPT Tubing | Cole Parmer | HV-06508-24 |
References
- Bird, J. A., Torn, M. S. Fine roots vs. Needles: A comparison of (13)C and (15)N dynamics in a ponderosa pine forest soil. Biogeochemistry. 79, 361-382 (2006).
- Bird, J. A., van Kessel, C., Horwath, W. R. Stabilization of C-13-carbon and immobilization of N-15-nitrogen from rice straw in humic fractions. Soil Sci. Soc. Am. J. 67, 806-816 (2003).
- Denef, K., Six, J. Contributions of incorporated residue and living roots to aggregate-associated and microbial carbon in two soils with different clay mineralogy. Eur. J. Soil Sci. 57, 774-786 (2006).
- Rubino, M. Carbon input belowground is the major C flux contributing to leaf litter mass loss: Evidences from a C-13 labelled-leaf litter experiment. Soil Biol. Biochem. 42, 1009-1016 (2010).
- Cotrufo, M. F., Wallenstein, M. D., Boot, C. M., Denef, K., Paul, E. The Microbial Efficiency-Matrix Stabilization (MEMS) framework integrates plant litter decomposition with soil organic matter stabilization: do labile plant inputs form stable soil organic matter. Glob. Change Biol. 19, 988-995 (2013).
- Mambelli, S., Bird, J. A., Gleixner, G., Dawson, T. E., Torn, M. S. Relative contribution of foliar and fine root pine litter to the molecular composition of soil organic matter after in situ degradation. Org. Geochem. 42, 1099-1108 (2011).
- Prescott, C. E. Litter decomposition: what controls it and how can we alter it to sequester more carbon in forest soils. Biogeochemistry. 101, 133-149 (2010).
- Denef, K., Roobroeck, D., Wadu, M., Lootens, P., Boeckx, P. Microbial community composition and rhizodeposit-carbon assimilation in differently managed temperate grassland soils. Soil Biol. Biochem. 41, 144-153 (2009).
- Bird, J. A., Kleber, M., Torn, M. S. C-13 and N-15 stabilization dynamics in soil organic matter fractions during needle and fine root decomposition. Org. Geochem. 39, 465-477 (2008).
- Andresen, L. C., Jonasson, S., Strom, L., Michelsen, A. Uptake of pulse injected nitrogen by soil microbes and mycorrhizal and non-mycorrhizal plants in a species-diverse subarctic heath ecosystem. Plant Soil. 313, 283-295 (2008).
- Horwath, W. R., Pregitzer, K. S., Paul, E. A. C-14 Allocation in tree soil systems. Tree Physiol. 14, 1163-1176 (1994).
- Denef, K. Community shifts and carbon translocation within metabolically-active rhizosphere microorganisms in grasslands under elevated CO2. Biogeosciences. 4, 769-779 (2007).
- Pollierer, M. M., Langel, R., Korner, C., Maraun, M., Scheu, S. The underestimated importance of belowground carbon input for forest soil animal food webs. Ecol. Lett. 10, 729-736 (2007).
- Stewart, D. P. C., Metherell, A. K. Carbon (C-13) uptake and allocation in pasture plants following field pulse-labelling. Plant Soil. 210, 61-73 (1999).
- Santos, F., Torn, M. S., Bird, J. A. Biological degradation of pyrogenic organic matter in temperate forest soils. Soil Biol. Biochem. 51, 115-124 (2012).
- Bromand, S., Whalen, J. K., Janzen, H. H., Schjoerring, J. K., Ellert, B. H. A pulse-labelling method to generate 13C- enriched plant materials. Plant Soil. 235, 253-257 (2001).
- Putz, B. A simple method for in situ-labelling with 15N and 13C of grassland plant species by foliar brushing. Methods Ecol. Evol. 2, 326-332 (2011).
- Wichern, F., Mayer, J., Joergensen, R., Müller, T. Evaluation of the wick method for in situ <sup>13</sup>C and <sup>15</sup>N labelling of annual plants using sugar-urea mixtures. Plant Soil. 329, 105-115 (2010).
- Fahey, T. J. Transport of Carbon and Nitrogen Between Litter and Soil Organic Matter in a Northern Hardwood Forest. Ecosystems. 14, 326-340 (2011).
- Stewart, C. E., Paustian, K., Conant, R. T., Plante, A. F., Six, J. Soil carbon saturation: Evaluation and corroboration by long-term incubations. Soil Biol. Biochem. 40, 1741-1750 (2008).
- Fry, B. Stable Isotope Ecology. , Springer. (2006).
- Nippert, J. B., Fay, P. A., Carlisle, J. D., Knapp, A. K., Smith, M. D. Ecophysiological responses of two dominant grasses to altered temperature and precipitation regimes. Acta Oecol. Int. J. Ecol. 35, 400-408 (2009).
- Hoagland, D. R. aA., I, D. The Water-Culture Method for Growing Plants without Soil. , The College of Agriculture, University of California, Berkeley. Berkeley, CA. (1950).
- Lett, M. S., Knapp, A. K. Consequences of shrub expansion in mesic grassland: Resource alterations and graminoid responses. J. Veg. Sci. 14, 487-496 (2003).
- Knapp, A. K., Seastedt, T. R. Detritus Aaccumulation limits productivity of tallgrass prairie. Bioscience. 36, 662-668 (1986).
- Ting, K. C., Giacomelli, G. A. Solar photosynthetically active radiation transmission through greenhouse glazings. Energy Agric. 6, 121-132 (1987).
- McDermitt, D. K., Welles, J. M., Eckles, R. D. Effects of Temperature, Pressure and Water Vapor on Gas Phase Infrared Absorption by CO2. , Li-Cor, Inc.. Lincoln, NE. Forthcoming.
