Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Environment

Eksperimentell protokoll for Manipulere Plant-indusert Soil Heterogenitet

Published: March 13, 2014 doi: 10.3791/51580

Summary

Forstå rollen som miljø heterogenitet i arts sameksistens har vanligvis fokusert på typer av heterogenitet som er extrinsic til samfunnets artssammensetning. Vi tilbyr nye detaljerte metoder for å skape jord heterogenitet behandlinger med jord som er utsatt for å plante-jord tilbakemeldinger condition, eller heterogenitet egenverdi for samfunnet sammensetning.

Abstract

Sameksistens teori har ofte behandlet miljø heterogenitet som å være uavhengig av samfunnet sammensetning, men biotiske feedbacks som plante-jord ved avbestilling (PSF) har store effekter på plante ytelse, og skape miljø heterogenitet som avhenger av samfunnet sammensetning. Forstå viktigheten av PSF for plantesamfunn montering nødvendig forståelse av rollen til heterogenitet i PSF, i tillegg til å bety PSF effekter. Her beskriver vi en protokoll for å manipulere plante-indusert jord heterogenitet. To eksempel eksperimenter presenteres: (1) et felteksperiment med en 6-patch rutenett av jord for å måle plantebefolknings svar og (2) et drivhus eksperiment med to-patch jord for å måle individuelle plante svar. Jordsmonn kan hentes fra sonen av rot innflytelse (jord fra rhizosphere og direkte tilknytning til rhizosphere) av planter i feltet fra conspecific og heterospecific plantearter. Replikere samleioner anvendes for å unngå pseudoreplicating jordprøver. Jorda blir så plassert i egne patcher for heterogene behandlinger eller blandet for en homogenisert behandling. Forsiktighet bør utvises for å sikre at heterogene og homogeniserte behandlinger oppleve samme grad av jord forstyrrelse. Planter kan deretter plasseres i disse jordbehandlinger for å bestemme effekten av plante-indusert jord heterogenitet på anleggsytelse. Vi viser at plante-indusert heterogenitet resultater i ulike utfall enn spådd av tradisjonelle sameksistens modeller, kanskje på grunn av den dynamiske naturen av disse feedbacks. Teori som inkorporerer miljø heterogenitet påvirket av montering samfunnet og ytterligere empirisk arbeid er nødvendig for å fastslå når heterogenitet iboende til montering samfunnet vil resultere i forskjellige monterings utfall sammenlignet med heterogenitet extrinsic til fellesskapet sammensetning.

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Et av de viktigste målene for samfunnsøkologi er å forklare og forutsi de prosesser som styrer samfunnet forsamlingen. Men plantesamfunn er ofte mer mangfoldige enn spådd av sameksistens teori 1, og restaurering økologer trenger å forstå sameksistens mekanismer for å lykkes gjenopprette diverse innfødte samfunn to. Miljø heterogenitet er en teoretisk viktig mekanisme som kan bidra til å forklare høye nivåer av samfunnet mangfold, men eksperimentelle manipulasjoner av heterogenitet er sjeldne tre og fokus på abiotiske heterogenitet (f.eks anmeldt i Lundholm 4). Teori som inkorporerer heterogenitet forutsetter vanligvis at heterogenitet er extrinsic til montering samfunnet. Extrinsic heterogenitet er styrt av faktorer som for eksempel landskap typologi, som er uavhengig av samfunnet sammensetning. Extrinsic heterogenitet kan resultere i sameksistens gjennom nisje partisjonering (reviegiftet seg i Melbourne et al. 3, f.eks pacala og Tilman 5 og Chesson 6). Men mye av den miljø heterogenitet relevant for plantesamfunn kan være iboende i samfunnet, utvikling som samfunnet setter sammen og avhengig av identiteten til arter i samfunnet. Intrinsic heterogenitet kan resultere fra biotiske tilbakemeldinger, noe som kan føre til sameksistens gjennom negativ frekvens-avhengighet (f.eks Bever et al. 7). Her beskriver vi en ny metode for å manipulere plante-indusert jord heterogenitet, en type jord heterogenitet som er iboende i samfunnet og oppstår fra plante-jord feedbacks.

Plant-jord ved avbestilling (PSF) oppstår når plantene påvirker jordstrukturen, kjemi, eller biota på en måte som påvirker etterfølgende plante ytelse i at jord, og PSF har store middel effekter på plante ytelse i lokale plantesamfunn 8. Studier av PSF har vanligvis enten samlet jord fra feltet eller klimaanlegg jord eksperimentelt, og spurte hvordan planter utføre i conspecific jord i forhold til heterospecific eller sterilisert jord ni. Hvis plantene prestere bedre i conspecific jord i forhold til referansen jord, deretter PSF er positive, mens hvis plantene prestere bedre i referansejord, PSF er negative. Gjensidig negative PSF kan føre til frekvensavhengig sameksistens mellom arter 7.. Mens gjennomsnitts effektene av PSF er godt karakterisert 8, er effektene av romlig heterogenitet i PSF dårlig forstått ti.

Fordi PSF oppstå på omfanget av enkelte anlegg 7 og fordi plantene er ofte nonrandomly distribuert i tid og rom, PSF vil sannsynligvis føre til jord heterogenitet, som vi kaller plante-indusert jord heterogenitet. I motsetning til mange andre former for heterogenitet (f.eks landskap topologi), dette heterogeneity er iboende til montering samfunnet og kan dermed påvirke samfunnet forsamlingen annerledes enn mer ytre former for heterogenitet. For å forstå innflytelsen av denne formen for heterogenitet på anlegget ytelse og sameksistens, må vi eksperimentelle metoder som manipulerer plante-indusert jord heterogenitet. Her vi viser en slik metode, som bruker jord betinget av to arter for å lage en heterogen behandling med separate flekker fra to jord opprinnelse og en homogen behandling, som er en blanding av de to jord opprinnelse. Denne jordblanding kan utgjøre i det minste to troverdige scenarier på området: (1) forstyrrelse (for eksempel gnagere, jordbruk) som blander jord av forskjellig opprinnelse, eller (2) planter av to arter som vokser i umiddelbar nærhet, slik at de soner av roten påvirkning blander og homogenisere.

Vi presenterer to eksempel eksperimenter som bruker plante-indusert jord heterogenitet å svare på viktige spørsmål på ulike levels av økologisk organisasjon: (1) Har plantepopulasjoner svare på plante-indusert jord heterogenitet? og (2) Har enkelte anlegg svare på plante-indusert jord heterogenitet? Vi beskriver en feltforsøk ved hjelp av seks jord patcher for å ta det første spørsmålet og et drivhus eksperiment ved hjelp av to jord patcher å ta opp andre spørsmål. Kvantifisere både befolkningen og enkelte plante svar på jord heterogenitet er avgjørende for å forstå hvordan heterogenitet påvirker samfunnet forsamlingen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

En. Samle Felt Jordsmonn å produsere Heterogene og homogen jord behandlinger

  1. Identifisere to cooccurring plantearter i samme habitat og jordtyper for studier (f.eks Figur 1a). Bestem mengde jord nødvendig basert på jordplasterstørrelsen til bruk i eksperimentet (for eksempel en tredjedel til halvparten av de brenn artens primære rotsonen, eller volumet som omfattes av rotklumpen) og antallet av flekker som er nødvendig for forsøket (Se protokoll 2 og 3 nedenfor).
    1. For Rumex spp.. (Figur 1a), bruke jord flekker av 10 cm x 10 cm x 18 cm (lengde x bredde x dybde) for omtrentlig rotsonen av 10 cm radius fra bunnen av anlegget til 18 cm dybde (5655 cm 3 jord fra dette definert sone av root innflytelse for ett enkelt anlegg gir tre jord flekker av 1800 cm 3).
  2. Survey-feltet for å finne voksne individer av de to brenn arter. Unngå disse personene dersom root sone sannsynlig overlapper med de andre fokale arter (f.eks Rumex individer som ligger innenfor 0,25 m fra de andre arter). Markere antall personer som trengs for å få den nødvendige mengden av jord med pin flagg.
    1. Mark 20 tilfeldig valgt individer av hver Rumex spp.. for 20 eksperimentelle enheter (to arter x 2 jord behandlinger x 5 replikat) som hver krever tre jord patcher fra hver fokusarter (som i protokoll 2, nedenfor).
  3. Steril jord samle utstyr (spader, hansker, transport containere) med en ca 01:10 blanding av blekemiddel (5-10% NaClO) og vann for å fjerne alle jordpartikler. Tørr utstyr før bruk for å unngå blekemiddel effekter på jord biota. Merk hver bit av utstyr med laboratorie tape for å angi fokus arter som jord det vil samle eller transport for å unngå kryss-smitte (f.eks etiketten en spade for artene A og en annen spade for arter B).
  4. Sjekk vær og jord tilstandsjoner før du begynner jord samling for de siste nedbørshendelser. Unngå å samle jord som er for vått (gjørmete eller fullt mettet) eller samle jord under en nedbør tilfeller minimere jordpakking. Unngå å samle jord som er for tørr (veldig hardt og vanskelig å sette en spade i) for å hjelpe til med å skille jord fra røttene.
  5. Samle felt jord fra merkede individer av to brenn arter i replikere partier for å unngå pseudoreplication (for eksempel en enkelt jordprøve inneholdende et sjeldent patogen blir deretter blandet tvers eksperimentelle replikater).
    1. Grave opp den komplette rotsonen av et individ arter A (som definert i trinn 1.1) med det passende merkede sterile spade, fjerne synlige grove røtter fra jord med den passende merkede sterile hansker, og plassere jord i passende merkede steril transportbeholder (f.eks bøtte). For et eksperiment med fire eksperimentelle enheter i hver blokk og ett enkelt anlegg'S rotsonen gi nok jord for en eksperimentell enhet (som i avsnitt 1.2.1), gjenta denne prosedyren for tre ekstra individer av arten A.
    2. Gjenta pkt. 1.5.1 for arter B.
    3. Transportere den replikere jord samling fra begge arter til den eksperimentelle nettstedet. Plasser jord i eksperimentelle enheter for blokk 1 av forsøket (som i protokoll 2 eller 3, nedenfor), hvor en blokk inneholder en eksperimentell enhet fra hver behandlingskombinasjon (dvs. hver art x hver jordbehandling).
    4. Gjenta pkt. 1.5.3.
    5. Gjenta § § 1.5.1-1.5.4 for de resterende blokkene i forsøket. Samle jord fra grupper av individer minst 1 m avstand fra tidligere innsamlingssteder for hver replikere samling for å minimere pseudoreplication.

Figur 1
Figure en. Eksempel feltet eksperimentell design manipulere plante-indusert jord heterogenitet. (A) Jord er hentet fra sonen av rot påvirkning av conspecifics (α) og heterospecifics (β) i feltet, etter standardprotokoller for å studere effekten av plante-jord feedbacks 9 . (B) Forsøksbehandlinger med heterogene jordsmonn som består av jordsmonn fra anlegg A (α jord) og jord fra anlegg B ('β' jord) er anordnet i et gitter, og homogeniserte jordbehandlinger laget med en lik blanding av jordsmonn fra disse to opprinnelse . I dette eksempel blir gittere av jordsmonn felt innsatt i stor diameter potter nedsunket i bakken, og området rundt hvert gitter er fylt med grovt, sterilisert sand. Dette tallet har blitt forandret fra Brandt et al. 10

2. Eksempel på et felteksperiment, Lage Rister av heterogene og homogen jord å måle plantebestand Responses

  1. Bruk jord fra en gjengivelse felt jord samling (protokoll 1) for å frembringe en heterogen behandling (dvs. vekslende gitterceller inneholder jord oppsamlet fra art A-eller arts B), og en homogen behandling (dvs. hvert gittercelle inneholder en 01:01 blanding av jord fra artene A og B) (Figur 1b) for blokk 1 av eksperimentet i de neste trinnene.
    1. Steril jord håndteringsutstyr (murskjeene, hansker, plastnett) med en ca 01:10 blanding av blekemiddel (5-10% NaClO) og vann for å fjerne alle jordpartikler. Tørr utstyr før bruk for å unngå blekemiddel effekter på jord biota. Merk hver bit av utstyr med laboratorie tape for å angi fokus arter som jord det vil håndtere å unngå kryss-smitte (f.eks etiketten en sparkel for artene A og en annen sparkel for arter B) og plastnett for å vise om det vil bli brukt for den heterogene eller homogene jord behandling.
    2. Plasser flyttbare plast grid innen gryte nedsunket i bakken [eller annen tomt eller beholder stor nok til å romme risten] til å bli fylt med felt oppsamlet jord (for eksempel 1800 cm 3 / grid cell som i trinn 1.1.1). Bruke en spesialkonstruert rutenett av de ønskede dimensjoner, f.eks en 2 x 3 rutenett med seks celler av størrelse bestemmes i trinn 1.1 (Figur 1b).
      1. For den heterogene behandling av vekslende jord patch typer, sted spadefuls av jord fra art A til gridceller for α jord og jord fra arter B inn i celler for β jord (Figur 1b).
      2. For den homogene behandling, plasserer alternerende spadefuls av jordsmonn a og b i hver grid celle, ta vare å fordele de to jordtyper og unngå dannelse av lagene i hver jordtype (Figur 1b). For eksempel jord oppdateringen av 1800 cm 3 (avsnitt 1.1.1), plassere 900 cm 3 av hver jordtype i hver grid celle.
      3. Vær sure å produsere like mye forstyrrelser (dvs. bryte opp jord klumper i samme grad) når du oppretter heterogene og homogene jord behandlinger for å unngå confounding jord forstyrrelse med jord heterogenitet.
    3. Hvis et tomt område forblir rundt utsiden av risten i den store gryte som brukes (som i figur 1b), fylle dette området med steril sand. Steril sand ved hjelp av en standard metode (f.eks autoklavering, gamma-stråling).
    4. Løft plastnettet vertikalt ut av potten, forlater jorden patcher intakt. Dette gjør at røtter fra ulike individer til å samhandle i jorda og hver plante å oppleve flere oppdateringer, som er avgjørende for at planterøttene til å vokse inn i flere jord patcher (dvs. grid celler).
    5. Gjenta Sections 2.1.2-2.1.4 for et andre par av eksperimentelle enheter for å produsere en fullstendig eksperimentell blokk (dvs. et rutenett av heterogene jord hvori plante hver focal arter og et gitter av homogen jord hvori plante hver fokal arter, for en total av fire eksperimentelle enheter).
  2. Gjenta trinn 2.1 for resterende blokkene i forsøket med de resterende jord replikere samlinger (Protokoll 1). Tilfeldig blokker, og plotter i blokker, gjennom hele forsøksområdet, ved hjelp av liggende stoff rundt flatene hvis ønskelig, for å holde skyggelegging fra utsiden vegetasjon på et minimum (ikke vist).
  3. Plante frø av fokale arter inn hver grid celle i hver eksperimentell pott (to fokale arter x 2 jord behandlinger). Bruk pooled frø for å unngå konfunderende plante genotyper eller frø-overflate mikrobielle samfunn med jord behandlinger. For eksempel, plante frø av hver Rumex spp.. inn i potten for at arter (Figur 1a) individuelt limt til plasttannstikkere med vannløselig lim i 12 planting stillinger (2 stillinger per gittercelle) for å identifisere de plantet individer.
  4. Mål befolknings responses av de eksperimentelle enheter, som for eksempel spiring og overlevelse, gjennom en vanlig folketellingen av individuelle marked planting steder av frø (f.eks ved hjelp av tannpirkere som i trinn 2.3). Minimer forstyrrelse av jorda for noen respons målt til å unngå å blande jord blant patcher.
    1. Bestem de aktuelle folketellingen intervaller basert på den forventede befolknings svar for de fokale arter. For eksempel gjennomføre ukentlige folketellinger for Rumex spp.. som kan spire raskt.
    2. Fortsett forsøket etter en passende varighet basert på livet historien til de fokale arter. For eksempel fortsette eksperimentet i minst to år for kortvarig flerårig Rumex spp.. å innhente data om alle livsstadier.

Tre. Et eksempel Green Experiment, med heterogen og homogenisert jord i potter for å måle Responses enkelt anlegg

  1. Bruk jord fra en gjengivelse felt jord samling (protokoll 1)å frembringe en heterogen behandling (dvs. hver halvdel av en kanne fylt med jord oppsamlet fra art A-eller arts B), og en homogen behandling (dvs. potten inneholder en 1:1 blanding av jord fra artene A og B) (fig. 2a) for blokken 1 av eksperimentet i de neste trinnene.
    1. I transportcontaineren (f.eks bucket) og før innkapsling, bland feltet oppsamlet jord fra hver art med steril sand for å produsere en 1:1-blanding. Gjør dette for å redusere jordpakking og bedre drenering i potter, som er spesielt nyttig for vask røtter, legge til rette for separasjon av røtter fra jorda. Steril sand ved hjelp av en standard metode (f.eks autoklavering, gamma-stråling).
    2. Sørg for å produsere like mye forstyrrelser (dvs. bryte opp jord klumper i samme grad) når du blander hvert parti av felt jord med sand.
  2. Steril jord håndteringsutstyr (murskjeene, hansker, plast ark) med en approximately 01:10 blanding av blekemiddel (5-10% NaClO) og vann for å fjerne alle jordpartikler. Tørr utstyr før bruk for å unngå blekemiddel effekter på jord biota. Merk hver bit av utstyr med laboratorie tape for å angi fokus arter som jord det vil håndtere å unngå kryss-smitte (f.eks etiketten en sparkel for artene A og en annen sparkel for arter B) og på hver side av en stiv plast ark for å indikere hvilke jordtype blir puttet på hver side av den i heterogen jordbehandling.
  3. Lag en heterogen jord behandling ved hjelp av felt jord-sand blandinger fra de to brenn arter (fra pkt. 3.1.1).
    1. Plasser stiv plastplate i midten av potten for å dele den i to (figur 2a). Bruk en pott størrelse slik at halvparten av det er tilsvarende i volum til riktig jord patch størrelse (trinn 1.1). For eksempel bruke en pott med en 15 cm diameter og 18 cm dybde for Rumex spp.. i Figur 1a (totalt volum på3181 cm 3).
    2. Har to forskere legge samtidig feltet oppsamlet jord fra hver art til den riktige side av potten (f.eks α jord fra artene A) med hensiktsmessig merkede trowels, for å holde sidene selv når kjelen er fylt.
    3. Fjern plast skillelinjen ved å løfte den loddrett opp av jorda, forlater jorden patcher intakt. Dette gjør at plantene til å oppleve både flekker av jord i en pott, avgjørende for plantene å oppleve heterogenitet.
    4. Gjenta seksjoner 3.3.1-3.3.3 for tre ytterligere eksperimentelle enheter for å produsere en fullstendig blokk av den heterogene jord-behandling (2 x 2 jordarts patch typer i den heterogene behandling, Fig. 2).
  4. Lag en homogen jord behandling ved hjelp av felt jord-sand blandinger fra de to brenn arter (fra pkt. 3.1.1).
    1. Gjenta pkt. 3.3.1. Har to forskerne legger samtidig både α og β jord til bådesider av potten med riktig-merket trowels, jevnt distribuere både jordtyper innen hver lapp og unngå etablering av lagene. Gjenta pkt. 3.3.3.
    2. Gjenta avsnitt 3.4.1 for en andre forsøksenhet for å produsere en hel blokk av den homogene jordbehandling (one pot for hver av de to brenn arter).
  5. Gjenta trinn 03.02 til 03.04 for resterende blokkene i forsøket med de resterende jord replikere samlinger (Protokoll 1). Tilfeldig blokker, og tomter i blokker, på tvers av drivhusbenken.

Fig. 2
Figur 2. Eksempel drivhus eksperimentell design manipulere plante-indusert jord heterogenitet. (A) Jordsmonn innsamlet fra sonen av roten påvirkning av arten A (α jord), og arten B (β jord) i feltet er plassd i hver halvdel av en kanne (heterogen behandling), eller blandes i løpet av potten (homogen behandling). (B) planter av artene A blir deretter plantet i forsøket i hvert jord patch type i den heterogene behandling og på den ene side av den homogene behandling. Her er bare én art (A) vist plantet i dette designet. En fullt gjensidig utforming ville inneholde planter av de andre fokale arter (B) plantet i hver jordbehandling og patch type innenfor den heterogene behandling.

  1. Plant frøplanter av fokal arter A og B inn i hver lapp jordtypen i en faktoriell utforming (2 arter x 3 jord koblingstyper [α jord, β jord, og en homogen blanding av α og β jord]; figur 2b).
  2. Mål eventuelle individuelle plante svar som indikerer plante ytelse, for eksempel plante størrelse, biomasseproduksjon, eller funksjonelle egenskaper. Passende trekk å måle vil avhenge av fokale arter og de vitenskapelige spørsmålinteresse.
    1. Fortsett eksperimentet inntil plantene vises stor i forhold til jord plastre (f.eks omtrent 1,5 ganger bredden av jord patch for rosettdannende urter) for å sikre at planterøttene vokser inn i begge jord lapper. Eksperimentell varighet vil derved avhenge av veksthastigheten til brenn arter.
    2. Slakteanlegg og / eller måle responser før plantene blir pot-bundet (dvs. rotvekst er begrenset av rammen av potten og røtter sirkel i bunnen av potten) hvis realistisk svar på jordmiljøet er ønsket. For eksempel, røtter av potte-bundet plantene er lite sannsynlig å forage gjennom jordkolonnen på en lignende måte til anlegg i felten.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Arter svarte på plante-indusert jord heterogenitet på ulike måter både befolkningen og individuelt nivå (figur 3 og 4), med implikasjoner for samfunnet forsamlingen. For å avgjøre om plantepopulasjoner svare på plante-indusert jord heterogenitet, ble et felteksperiment etablert som i protokoll 2 ved hjelp av tre congeneric par arter. Plantepopulasjoner ble censused ukentlig i tre måneder, og den totale andelen av plantet frø som spirer og den totale andelen av disse spirene som døde i den første vekstsesongen (hvor dødelighet representerer den inverse av overlevelse) ble beregnet (figur 3). Vi fant signifikante plantebefolknings svar på plante-indusert jord heterogenitet, noe som tyder på at dette eksperimentet var vellykket i å manipulere heterogenitet som påvirket plantepopulasjoner. Noen arter oppviste nonadditive responser til jordblanding, slik at responsen observert ihomogen behandling (αβ jord patcher) var ikke en mellomliggende respons til de to jordtyper som ble blandet for å skape den behandling (α, eller conspecific, jord patcher og β, eller forbindelser, jord patcher). For eksempel, Solanum carolinense hadde lavere spiring og Rumex crispus hadde større dødelighet i en homogenisert blanding av conspecific og kongener for jord enn i enten jordtype alene (figur 3) 10. Disse resultatene gir potensielle mekanismer som homogene jordmiljøer kan legge til rette for sameksistens, hvor redusert spiring eller økt dødelighet av en art kan gi åpne patcher for andre arter å kolonisere.

Figur 3
Figur 3. Eksempel resultater fra feltforsøk med heterogene og homogene jord. ( (b) dødelighet av 3 par congeneric arter plantes i lapper av conspecific jord, kongener jord, eller en homogen blanding av de to jordtyper proporsjon. Noen arter svarte til jord blande i en nonadditive måte, for eksempel, Rumex crispus hadde økt dødelighet i den homogene behandling enn i enten conspecific eller forbindelser (R. obtusifolius) jord flekker i den heterogene behandling. PLALAN = Plantago lanceolata, PLAMAJ = P. major, RUMCRI = R. crispus, RUMOBT = R. obtusifolius, SOLCAR = Solanum carolinense, og SOLDUL = S. Dulcamara. * P <0,05 fra ortogonale kontraster av homogen vs ublandet jord og conspecific vs Kogener jord innen hver art i et blandet effekter modell med en binomisk feilfordeling i R Statistisk Environment 11. Mean proporsjoner presenteres (totalt teller delt på totale utvalget,for konsistens med statistiske metoder 12). Dette tallet har blitt forandret fra Brandt et al. 10 Se Brandt et al. 10 for detaljerte analysemetoder.

For å avgjøre om enkelte planter svare på plante-indusert jord heterogenitet, ble et drivhus eksperiment etablert som i protokoll 3 ved hjelp av to congeneric par av arter. Fordi vi ventet planter for å svare til jord patch typen hvor de ble dyrket i tillegg til potten nivå jord heterogenitet ble stiklinger plantet inn i hver lapp typer innenfor den heterogene behandling (som i figur 2b). Plantene ble dyrket i to måneder, og deretter høstet for å måle ytelse (total biomasse) og funksjonelle egenskaper (inkludert spesifikke bladareal (SLA), som vist i figur 4). Vesentlige plante svar på jord heterogenitet ble observert, noe som tyder på at dette eksperimentet var vellykket i å manipulere en form for jord heteroge teten som påvirker plante ytelse. Vi observerte en nonadditive respons til jordblanding, i hvilke arter som hadde en tendens til å ha lavere SLA, eller tykkere blader, i et homogenisert blanding av conspecific og kongener jord enn i enten jordtype alene (P = 0.031 fra en ortogonal kontrasten homogen vs ublandet jord i et blandet virkninger modell med plantebiomasse som en ko-variabel og blokk som en tilfeldig virkning, Fig. 4). Spesifikk blad området var også lavere i conspecific forhold til kongener jord patcher (P = 0,004 fra en ortogonal kontrast av jord patch typer i den heterogene jord behandling, figur 4). Disse resultatene tyder på at anlegget ressurs oppkjøp strategier svare på plante-indusert jord heterogenitet, noe som har betydning for effekten av slik heterogenitet på plantevekst, fruktbarhet, og arter interaksjoner.

es/ftp_upload/51580/51580fig4highres.jpg "width =" 500 "/>
Figur 4. Eksempel resultater fra et drivhuseksperiment med heterogene og homogene jord. Spesifikk bladområdet (SLA), beregnet som bladområde dividert med tørr masse, av to par av congeneric arter som dyrkes i lapper av conspecific jord, kongener jord, eller en homogen blanding av de to jordtyper. Overall, arter svart på jord blanding i en nonadditive måte, der SLA var lavere i den homogene behandling enn i enten conspecific eller kongener jord flekker i heterogene behandling. Mean trekk ± 1 SE. PLALAN = Plantago lanceolata, PLAMAJ = P. major, RUMCRI = R. crispus, RUMOBT = R. obtusifolius.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Plant-indusert jord heterogenitet er høyst sannsynlig i naturlige miljøer fordi plantene har store og ofte artsspesifikke effekter på deres jord miljø og de ​​etterfølgende planter som opplever at jord (f.eks Petermann et al. 13). Men vår forståelse av hvilken rolle denne type heterogenitet på plantesamfunn minimal 10,14. Her presenterer vi en metode for å manipulere plante-indusert jord heterogenitet, bruke jord fra ulike opphav (dvs. soner av roten påvirkning av ulike arter) i feltet. De kritiske trinnene i protokollen for å unngå forvirrende plante-indusert jord heterogenitet med andre variabler som påvirker plante svar er: (1) å unngå pseudoreplication av jordprøver samlet inn fra feltet og er lagret i eksperimentelle enheter og (2) å utjevne de mengder av jord forstyrrelse for felt jord plasseres i heterogene og homogene jord behandlinger. Pseudoreplication of jordprøver kan oppstå hvis heterogene og homogene behandlinger motta jord hentet fra ulike individuelle planter eller samle steder på feltet, noe som kan unngås ved å samle jord i replikere batcher fra god avstand steder (trinn 1,5). Pseudoreplication kan påvirke studiens resultater hvis, for eksempel oppstår en sjelden patogen i rotsonen av ett anlegg i feltet, og at anleggets jord er bare plassert i en av de to jord behandlinger. I tillegg kan samle steder i feltet variere i ledelse, vegetasjonshistorie, eller jordegenskaper, derfor jord fra hver samle plassering bør brukes i både eksperimentelle behandlinger, randomisering over potensielle konfunderende faktorer. Forstyrrelse til felt jord (dvs. bryte opp av jordklumpene) øker jordpakking og kan påvirke tolkningen av resultatene. For eksempel, dersom den homogene jordbehandling får større forstyrrelse enn den heterogene behandling, da effektenav jord heterogenitet ville være en effekt av jordforstyrrelser. Leserne bør også vurdere statistisk styrke i sin design av disse eksperimentene, noe som vil påvirke den totale mengden av jord som kreves (trinn 1.1) og antall individer av hver fokusarter for å samle jord i feltet (trinn 1,2). Foreløpige eksperimenter kunne brukes for å bestemme effekten størrelse og varians forventet, og denne informasjonen kan så brukes til å lage et eksperiment med tilstrekkelig replikering 15..

Denne protokollen kan enkelt endres for å imøtekomme andre metoder for å studere plante-jord ved avbestilling (for eksempel ved hjelp av jord klimaanlegg i drivhuset 16) og alternative eksperimentelle design (f.eks forskjellige romlige eller tidsmessige skalaer, interspecific konkurranse 17). Andre eksperimenter kan også bruke alternative brenn arter. Valg av fokusarter har implikasjoner for både studiens logistikk ogtolkning av resultater, men fremfor alt bør gjøres for å best adresse for utprøver spørsmål av interesse. Vi viser Representative Resultater for nært beslektede par av arter, som tillot oss å kontrollere til en viss grad for vekst skjema 18 og en effekt av fylogeni på plante-jord tilbakemeldinger svar (f.eks Burns og Strauss 19). Størrelsen av fokal arter bestemmer omfanget av jordplaster benyttes, og deres levetid historie kan påvirke varigheten av forsøket. To brenn arter av forskjellig størrelse kan reagere forskjellig på samme skala av plante-indusert jord heterogenitet hvis de mindre arter som ikke kan integreres på tvers av ulike jord patch typer i samme grad som de større artene (f.eks de mindre artene 'rotsonen er begrenset til en enkelt jord patch). I tillegg bruker arter med en klonal vekst form er sannsynlig å produsere ulike reaksjoner på jord heterogenitet enn arter som reproduserer utelukkende fra frø (som reviomgås i Reynolds og Haubensak 14).

En viktig begrensning ved denne metoden er at mekanismene som styrer responser til jord heterogenitet (f.eks abiotiske faktorer slik som jordkjemi, biotiske faktorer som jord mikrobesamfunn) ikke identifiseres uten ytterligere arbeid. For eksempel, våre resultater tyder på at homogen jord (dvs. blandet jord) kan resultere i nonadditive effekter på både befolkningen og enkelte plantenivå, der plante responser i den homogene behandling ikke var middels i forhold til plante svarene i de to jordtyper som komponerte blandingen. Jord blanding kan forekomme i naturlige miljøer som følge av forstyrrelser, slik som gnagere 'graving, eller som et resultat av overlappende soner av roten innflytelse som planter av forskjellige arter vokser inn i hverandres rote soner. En mulig mekanisme for disse funnene er en effekt av jord biota, noe som kan bidra til nonadditive responss hvis fellesskap av bakterier, sopp eller andre organismer som kommuniserer ved jordblanding, endre biotiske sammensetning av jordsmonnet og dermed plante respons på at jord. Abiotiske mekanismer kan også resultere i nonadditive svar, hvis anlegget funksjonelle responser til abiotiske drivere (f.eks næringsinnhold) er ikke-lineære 20. Andre eksperimenter og prøvetaking er derfor nødvendig å identifisere driverne av anlegget svar på disse jord behandlinger, med implikasjoner for deres søknad til naturlige miljøer. For eksempel kan rollen til jord biotiske faktorer i styrende anlegg responser på plante-indusert jord heterogenitet testes ved hjelp av jord betinget av fokal arter i drivhus i forhold til sterilisert jord, som gir en negativ kontroll for testing av rollen til jord biologisk materiale.

Vi viser betydelige plante svar på plante-indusert jord heterogenitet, noe som tyder på at plantene selv påvirke miljø heterogeneity som påvirker plante fellesskap sammenstillingen (figur 5). Heterogenitet kan dermed være iboende i samfunnet sammensetning, i motsetning til de mer ytre typer heterogenitet at studier av plantesamfunn forsamlingen har oftere ansett tre. Romanen Metoden som presenteres her har potensial til å forene motstridende spådommer fra teori og resultater fra forsøk om forholdet mellom miljø heterogenitet og arter sameksistens, eller mangfold 4,14. Teori spår at miljø heterogenitet fører til økt artsmangfold (anmeldt i Melbourne et al. 3), har imidlertid tidligere eksperimenter direkte manipulere jord næringsstoff heterogenitet ofte funnet motsatt trend (anmeldt i Lundholm 4 og Reynolds og Haubensak 14), noe som tyder på at andre typer av heterogenitet, slik som de som følge av plante-jord feedbacks, bør undersøkes.Denne metoden for å manipulere plante-indusert jord heterogenitet indikerer spesifikke mekanismer som sameksistens kan gjøres lettere i homogene omgivelser. For eksempel, hvis hørende planter har lavere spiring eller høyere mortalitet i homogene jordarter, som ble funnet for noen arter (figur 3), da disse mer homogene miljøer kan være mer invasible, i motsetning til de tradisjonelle prediksjoner av teorien. Videre kan sameksistens spådommer for hver art par i heterogene jord beregnes 7 ved hjelp av arts svar til hver jord patch typer innenfor den heterogene behandling, slik at forskere for å finne ut for hvilke arter de kan forvente plante-indusert jord heterogenitet å lette sameksistens 10.

Figur 5
Figur 5. Konseptuell oversiktav verdien av adressering plante-indusert jord heterogenitet. (a) Tradisjonell konseptualisering av påvirkning av heterogenitet på sameksistens og samfunnet forsamlingen har fokusert på effekten av heterogenitet ytre til fellesskapet sammensetning (f.eks liggende topologi) på samfunnet forsamlingen. (B) De nye fremgangsmåter som foreslås her inkluderer virkningene av planter på jord heterogenitet drevet av plante-jord tilbakemeldinger, hvor plantene påvirke levende organismer, kjemi, eller strukturen til jorden på en måte som påvirker etterfølgende anleggsytelse ved at jord. Dette perspektivet erkjenner at heterogenitet egenverdi til samfunnet sammensetning, herunder både biotiske og abiotiske effekter, påvirker også montering.

Manipulere heterogenitet som er iboende i samfunnet gjør grundige tester av potensialet for frekvensavhengig sameksistens som kan resultere fra biotiske tilbakemeldinger, som for eksempel plant-jord tilbakemeldinger, og integrerer vår forståelse av denne mekanismen med større kropp av sameksistens teori ni. Fordi denne type heterogenitet er dynamisk over tid, vil dens påvirkning på fellesskap sammenstillingen avhenge av hvor lang tid det tar for plante-jord tilbakemeldinger til å utvikle og lengden av plante-jord tilbakemelding tradisjonelle effekter i fellesskap. Dermed er ytterligere empirisk arbeid som trengs på den temporale skala over hvilke disse effektene utvikle og dårligere. Fremtidige søknader som kan dukke opp fra dette arbeidet og dermed inkludere informere ny teori som inkorporerer heterogenitet drevet av indre tilbakemeldingsprosesser (f.eks Fukami og Nakajima 20) og ytterligere empiriske tester av den rollen disse iboende prosesser i forsamlingen (f.eks Brandt et al. 10).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Vi takker Case Western Reserve universitetets Squire Valleevue og dalen Ridge Farms, inkludert A. Locci, C. Bond, og A. Alldridge, for å få hjelp etablere felles hage. J. Hooks, L. Huffman, L. Gonzales, SC Leahy, B. Ochocki, A. Ubiles, C. Yu, X. Zhao, og NM Zimmerman gitt felt assistanse. AJB og JHB ble finansiert ved oppstart midler fra CWRU til JHBGAD ble støttet av en sommer programmer i Undergraduate Research stipend fra CWRU finansiert av Howard Hughes Medical Institute. Dette arbeidet ble også støttet av National Science Foundation midler til JHB (DEB 1250170).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Shovel(s) Any NA It is helpful to have at least two shovels, one for each species of soil origin.
Trowel(s) Any NA It is necessary to have at least two trowels of identical size, one for each species of soil origin.
Gloves Any NA Gardening gloves can be used.
Diluted bleach Any NA We use an ~1:10 concentration of household bleach (containing 5-10% NaClO) to water to sterilize all equipment between soil collections.
Plastic grid(s) Any NA CUSTOM. We used plastic sheeting from the construction of greenhouse walls to create the grid used in the field experiment. However any stiff plastic that can be manipulated can be used. It is helpful to have three grids to produce reciprocal heterogeneous treatments and a homogeneous treatment without needing to sterilize between each experimental unit.
Plastic dividers Any NA CUSTOM. We used stiff sheets of plastic, cut to fit the pot minimum width, such that they can slide down to the bottom of the pot for the greenhouse experiment. It is helpful to have at least two dividers, one for heterogeneous and one for homogeneous treatments, if investigators want to randomize the order in which experimental units within a block are filled without needing to sterilize the divider in between each experimental unit.
Buckets or wheelbarrows Any NA Any container for transporting soils.
Seeds Any NA We collect seeds in the field by hand. Seeds can also be ordered from horticultural suppliers, if appropriate.
Plastic toothpicks Soodhalter Plastics, Inc. 805KP We plant individual seeds glued on toothpick in the field experiment to facilitate monitoring germination and survival of individuals.
Water soluble glue Elmer's Elmer's Glue-all Any water soluble glue can be used to adhere seeds to plastic toothpicks.
Pots Any NA Pot size will depend on experimental plants used and number of soil patches desired (e.g. 2 or 6).
Sand Any NA Coarse sand may be mixed with field soils to improve drainage in pots.
Lab tape  Any NA Tape may be used to label equipment used in handling soils with the species of origin.
Pin flags Any NA Flags can be used to identify individuals in the field prior to soil collection.
Landscape fabric Any NA Landscape fabric can be used in the field to minimize the growth of plants outside experimental plots.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Agrawal, A. A., et al. Filling key gaps in population and community ecology. Front. Ecol. Environ. 5, 145-152 (2007).
  2. Suding, K. N. Toward an era of restoration in ecology: successes, failures, and opportunities ahead. Ann. Rev. Ecol. Evol. System. 42, 465-487 (2011).
  3. Melbourne, B. A., et al. Invasion in a heterogeneous world: resistance, coexistence or hostile takeover. Ecol. Lett. 10, 77-94 (2007).
  4. Lundholm, J. T. Plant species diversity and environmental heterogeneity: spatial scale and competing hypotheses. J. Veg. Sci. 20, 377-391 (2009).
  5. Pacala, S. W., Tilman, D. Limiting similarity in mechanistic and spatial models of plant competition in heterogeneous environments. Am. Natural. 143, 222-257 (1994).
  6. Chesson, P. General theory of competitive coexistence in spatially-varying environments. Theor. Pop. Biol. 58, 211-237 (2000).
  7. Bever, J. D., Westover, K. M., Antonovics, J. Incorporating the soil community into plant population dynamics: the utility of the feedback approach. J. Ecol. 85, 561-573 (1997).
  8. Kulmatiski, A., Beard, K. H., Stevens, J. R., Cobbold, S. M. Plant-soil feedbacks: a meta-analytical review. Ecol. Lett. 11, 980-992 (2008).
  9. Bever, J. D., et al. Rooting theories of plant community ecology in microbial interactions. Trends. Ecol. Evol. 25, 468-478 (2010).
  10. Brandt, A. J., de Kroon, H., Reynolds, H. L., Burns, J. H. Soil heterogeneity generated by plant-soil feedbacks has implications for species recruitment and coexistence. J. Ecol. 101, 277-286 (2013).
  11. R: A language and environment for statistical computing. Foundation for Statistical Computing. Vienna, Austria. (2012).
  12. Crawley, M. J. The R Book. John Wiley & Sons, Ltd. (2007).
  13. Petermann, J. S., Fergus, A. J. F., Turnbull, L. A., Schmid, B. Janzen-Connell effects are widespread and strong enough to maintain diversity in grasslands. Ecology. 89, 2399-2406 (2008).
  14. Reynolds, H. L., Haubensak, K. A. Soil fertility, heterogeneity, and microbes: towards an integrated understanding of grassland structure and dynamics. Appl. Veg. Sci. 12, 33-44 (2009).
  15. Sokal, R. R., Rohlf, F. J. Biometry, 3rd edn. W. H. Freeman. (1995).
  16. Klironomos, J. N. Feedback with soil biota contributes to plant rarity and invasiveness in communities. Nature. 417, 67-70 (2002).
  17. Mommer, L., van Ruijven, J., Jansen, C., van de Steeg, H. M., de Kroon, H. Interactive effects of nutrient heterogeneity and competition: implications for root foraging theory? Funct. Ecol. 26, 66-73 (2012).
  18. Felsenstein, J. Phylogenies and the comparative method. Am. Natural. 125, 1-15 (1985).
  19. Burns, J. H., Strauss, S. Y. More closely related species are more ecologically similar in an experimental test. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 108, 5302-5307 (2011).
  20. Fukami, T., Nakajima, M. Community assembly: alternative stable states or alternative transient states. Ecol. Lett. 14, 973-984 (2011).
Eksperimentell protokoll for Manipulere Plant-indusert Soil Heterogenitet
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Brandt, A. J., del Pino, G. A., Burns, J. H. Experimental Protocol for Manipulating Plant-induced Soil Heterogeneity. J. Vis. Exp. (85), e51580, doi:10.3791/51580 (2014).More

Brandt, A. J., del Pino, G. A., Burns, J. H. Experimental Protocol for Manipulating Plant-induced Soil Heterogeneity. J. Vis. Exp. (85), e51580, doi:10.3791/51580 (2014).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter