Waiting
Login processing...

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

Environment

Experimenteel protocol voor het manipuleren van Plant-geïnduceerde bodemheterogeniteit

Published: March 13, 2014 doi: 10.3791/51580

Summary

Inzicht in de rol van milieu heterogeniteit in soorten coëxistentie is meestal gericht op het vormen van heterogeniteit die extrinsieke aan de samenstelling van de gemeenschap soorten zijn. Wij bieden nieuwe gedetailleerde methoden voor het creëren bodemheterogeniteit behandelingen met behulp van bodems onder plant-bodem feedback conditioning, of heterogeniteit inherent aan de gemeenschap samenstelling.

Abstract

Coëxistentie theorie is vaak behandeld milieu heterogeniteit als onafhankelijk van de gemeenschap samenstelling, maar biotische geven zoals plant-bodem feedbacks (PSF) hebben grote effecten op de plant performance, en het creëren van ecologische heterogeniteit die afhankelijk is van de gemeenschap samenstelling. Inzicht in het belang van PSV voor plantengemeenschap assemblage vereist begrip van de rol van de heterogeniteit in PSF, naast PSV effecten betekenen. Hier beschrijven we een protocol voor het manipuleren van plant-geïnduceerde bodemheterogeniteit. Twee voorbeeld experimenten worden gepresenteerd: (1) een veldexperiment met een 6-patch net van de bodem te planten reacties bevolking te meten en (2) een serre-experiment met 2-patch bodems tot individuele plant responsen te meten. Bodems kunnen worden afgehaald bij de zone van wortel invloed (bodems van de rhizosfeer en direct grenzend aan de rhizosfeer) van planten in het veld van soortgenoten en Heterospecifieke plantensoorten. Repliceren verzamelenionen worden gebruikt vermijden pseudoreplicating bodemmonsters. Deze gronden worden dan geplaatst in afzonderlijke patches voor heterogene behandelingen of gemengd voor een gehomogeniseerd behandeling. Zorg moeten worden genomen om ervoor te zorgen dat de heterogene en gehomogeniseerd behandelingen ervaren dezelfde mate van verstoring van de bodem. Planten kunnen dan in deze bodembehandelingen worden geplaatst om het effect van plant-geïnduceerde bodemheterogeniteit op plant performance bepalen. We laten zien dat planten veroorzaakte heterogeniteit leidt tot andere uitkomsten dan voorspeld door de traditionele coëxistentie modellen, misschien vanwege de dynamische aard van deze feedback. Theorie dat milieu heterogeniteit beïnvloed door het samenvoegen gemeenschap en extra empirisch werk omvat is nodig om te bepalen wanneer heterogeniteit inherent aan de montage gemeenschap zal resulteren in verschillende assemblage uitkomsten vergeleken met heterogeniteit extrinsieke aan de gemeenschap samenstelling.

Introduction

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

Een van de belangrijkste doelen van de gemeenschap ecologie is te verklaren en voorspellen van de processen die gemeenschappen. Echter, plantengemeenschappen zijn vaak meer divers dan voorspeld door coëxistentie theorie 1, en ​​restauratie ecologen moeten samenleven mechanismen te begrijpen om diverse inheemse gemeenschappen 2 met succes te herstellen. Milieu heterogeniteit is een theoretisch belangrijk mechanisme dat kan helpen verklaren hoge niveaus van diversiteit gemeenschap, maar experimentele manipulaties van heterogeniteit zijn zeldzaam 3 en focus op abiotische heterogeniteit (bijvoorbeeld beoordeeld in Lundholm 4). Theorie dat heterogeniteit bevat veronderstelt gewoonlijk dat heterogeniteit is extrinsiek aan de montage gemeenschap. Extrinsieke heterogeniteit wordt beheerst door factoren zoals landschapstypologie, die onafhankelijk zijn van de gemeenschap samenstelling zijn. Extrinsieke heterogeniteit kan resulteren in coëxistentie via niche partitionering (revietrouwen in Melbourne et al.. 3, bijvoorbeeld Pacala en Tilman 5 en Chesson 6). Echter, veel van de milieu heterogeniteit aan plantengemeenschappen relevant kunnen inherent aan de gemeenschap, de ontwikkeling als de gemeenschap assembleert en afhankelijk van de identiteit van de soort in de gemeenschap. Intrinsieke heterogeniteit kan het gevolg zijn van biotische geven, wat kan leiden tot co-existentie door negatieve frequentie-afhankelijkheid (bv Bever et al.. 7). Hier beschrijven we een nieuwe methode voor het manipuleren van plant-geïnduceerde bodemheterogeniteit, een grondsoort heterogeniteit die inherent is aan de gemeenschap en komt voort uit plant-bodem feedbacks.

Plant-bodem feedbacks (PSF) optreden wanneer planten invloed op de bodemstructuur, chemie, of biota op een manier die latere plant performance in dat de bodem beïnvloedt, en PSV hebben grote gemiddelde effecten op de plant performance in inheemse plantengemeenschappen 8. Studies van PSV hebben meestal ofwel verzameld bodems uit het veld of geconditioneerd bodems experimenteel, dan vroeg hoe planten presteren in soortgenoten bodem ten opzichte van Heterospecifieke of gesteriliseerde bodem 9. Als planten beter presteren in soortgenoten bodem ten opzichte van referentie bodems, dan PSF zijn positief, terwijl als planten beter presteren in verwijzing bodems, PSF zijn negatief. Wederzijdse negatieve PSF kan leiden tot frequentie-afhankelijke co-existentie tussen soorten 7. Terwijl de gemiddelde effecten van PSV zijn goed gekarakteriseerde 8 worden de effecten van ruimtelijke heterogeniteit in PSF slecht begrepen 10.

Omdat PSV zich voordoen op de schaal van individuele planten 7 en omdat planten worden vaak nonrandomly verspreid in ruimte en tijd, PSF zijn waarschijnlijk leiden tot bodemheterogeniteit, die we-fabriek veroorzaakte bodemheterogeniteit noemen. In tegenstelling tot veel andere vormen van heterogeniteit (bijv. landschap topologie) Dit heterogeneity is inherent aan de montage gemeenschap en kunnen dus invloed gemeenschap assemblage anders dan meer extrinsieke vormen van heterogeniteit. Om de invloed van deze vorm van heterogeniteit op plant performance en coëxistentie begrijpen, moeten we experimentele methodes die plant-geïnduceerde bodemheterogeniteit manipuleren. Hier tonen we een dergelijke werkwijze die bodem geconditioneerd door twee soorten een heterogene behandeling met aparte patches twee bodem oorsprong en een homogene behandeling, dat een mengsel van de twee bodem oorsprong maken gebruikt. Deze grond mengen kon tenminste twee plausibele scenario's op het gebied vertegenwoordigen: (1) storing (bijvoorbeeld knaagdieren, landbouw) die bodems van verschillende herkomst of (2) planten van twee soorten in de nabijheid, mengt zodat hun zones van wortel invloed vermengen en homogeniseren.

We presenteren twee voorbeeld experimenten die plant-geïnduceerde bodemheterogeniteit gebruiken om belangrijke vragen te beantwoorden op verschillende levels van ecologische organisatie: (1) Heeft plantenpopulaties reageren op planten-geïnduceerde bodemheterogeniteit? en (2) geen individuele planten reageren op plant-geïnduceerde bodemheterogeniteit? We beschrijven een veldexperiment met behulp van 6 bodem pleisters op de eerste vraag en een serre-experiment aan te pakken met behulp van 2 bodem patches om de tweede vraag te beantwoorden. Het kwantificeren van zowel bevolking als individuele plant reacties op bodemheterogeniteit is essentieel om te begrijpen hoe heterogeniteit invloeden gemeenschappen.

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

1. Verzamel veldgrond aan heterogene en homogene bodembehandelingen Produce

  1. Identificeer twee cooccurring plantensoorten in vergelijkbare habitats en bodemtypes voor studie (bijv. figuur 1a). Bepaal hoeveelheid vuil nodig op basis grondflard grootte voor gebruik in het experiment (bijvoorbeeld een derde tot de helft van het brandpunt soort primaire wortelzone of volume omvat door de kluit) en het aantal patches voor het experiment (zie Protocol nr. 2 en 3 hieronder).
    1. Voor Rumex spp. (Figuur 1a), gebruik aarde flarden van 10 cm x 10 cm x 18 cm (lengte x breedte x diepte) voor ongeveer wortelzone van 10 cm straal van basis van planten tot 18 cm diepte (5655 cm 3 bodem van deze gedefinieerde zone van wortel invloed voor een individuele plant levert 3 bodem flarden van 1800 3) cm.
  2. Enquête veld site om volwassen individuen van de twee zwaartepunten soorten te vinden. Vermijd personen van wie de root zone waarschijnlijk overlapt met andere focale soorten (bijv. Rumex individuen zich binnen 0,25 meter van de andere soorten). Markeer het aantal individuen nodig om de vereiste hoeveelheid grond te vinden met pin vlaggen.
    1. Mark 20 willekeurig gekozen individuen van elke Rumex spp. 20 experimentele eenheden (2 soorten x 2 bodembehandelingen x 5 herhalingen) die elk om 3 bodem patches van ieder knooppunt soorten (zoals in Protocol nr. 2, hieronder).
  3. Steriliseren bodem gasopvangapparatuur (schoppen, handschoenen, vervoer van containers) met een ongeveer 01:10 mengsel van bleekwater (5-10% NaClO) en water om alle bodemdeeltjes te verwijderen. Droog apparatuur voor gebruik om bleekwater effecten op het bodemleven voorkomen. Label elk apparaat met laboratorium tape om het brandpunt soorten waarvan de bodem zal het verzamelen of het vervoer naar kruisbesmetting (bijv. label een schop voor soorten A en een tweede schop voor soort B) voorkomen te geven.
  4. Het weer en de bodem voorwaardenties voor het begin van de bodem collectie voor de recente neerslag gebeurtenissen. Vermijd het verzamelen van gronden die te nat (modderig of volledig verzadigd) of het verzamelen bodem tijdens een neerslag gebeurtenis om bodemverdichting te minimaliseren. Vermijd het verzamelen van bodems die te droog zijn (zeer hard en moeilijk om een ​​schop te voegen in) om te helpen bij het scheiden van de bodem van de wortels.
  5. Verzamel veld bodem van gemerkte individuen van de twee zwaartepunten soorten in repliceren batches te pseudoreplication (bv. een enkel grondmonster met een zeldzame ziekteverwekker wordt vervolgens gemengd over experimentele replica) te vermijden.
    1. Graaf totale wortelzone van een individu van species A (zoals gedefinieerd in stap 1.1) met de geschikte gemerkte steriele schop, verwijdert toegankelijk grove wortels uit de grond door het juist gemerkte steriele handschoenen en plaats bodem in de geschikt-gelabelde steriele transport container (bijv. emmer). Voor een experiment met 4 experimentele eenheden in elk blok en 1 individuele plant'S wortelzone verstrekken van voldoende grond voor 1 experimentele eenheid (zoals in paragraaf 1.2.1), herhaalt u deze procedure voor 3 extra individuen van soorten A.
    2. Herhaal sectie 1.5.1 voor soorten B.
    3. Vervoer de repliceren bodem collectie van beide soorten aan de proeftuin. Plaats de bodem in de experimentele eenheden voor blok 1 van het experiment (zoals in Protocol nr. 2 of 3, hieronder), waar een blok bevat een experimentele eenheid van elke behandeling combinatie (dwz elke soort x elke bodem behandeling).
    4. Herhaal Sectie 1.5.3.
    5. Herhaal afdelingen 1.5.1-1.5.4 voor de overige blokken in het experiment. Verzamel bodem van groepen personen ten minste 1 m afstand van de vorige verzamelen locaties voor elke repliceren collectie pseudoreplication minimaliseren.

Figuur 1
Figure 1. Voorbeeld veld experimenteel ontwerp manipulerende-fabriek veroorzaakte bodemheterogeniteit. (A) Bodems worden verzameld uit de zone van wortel invloed van soortgenoten (α) en heterospecifics (β) in het veld, volgende standaard protocollen voor het bestuderen van de effecten van de plant-bodem feedbacks 9 . (B) Experimentele behandelingen met heterogene gronden bodem bestaat uit plantaardige A (α bodem) en bodems van plantaardige B (β 'bodems) zijn gerangschikt in een raster, en gehomogeniseerd bodembehandelingen gemaakt met een gelijk mengsel van grond uit deze twee oorsprongen . In dit voorbeeld worden roosters scherptediepte bodem ingebracht in potten grote diameter verzonken in de grond en het gebied rond elk rooster gevuld met grof gesteriliseerd zand. Dit cijfer is gewijzigd van Brandt et al.. 10

2. Een voorbeeld veldexperiment, creëren Roosters van heterogene en homogene bodem te planten Bevolking Reacties Meet

  1. Gebruik van de bodem tegen een herhaalde veld verzameling van de bodem (protocol nr. 1) aan een heterogene behandeling (dwz roosterwisselspanning cellen bevatten bodem verzameld van soort A of soort B) en een homogene behandeling veroorzaken (dwz elk rooster cel bevat een 1:1 mengsel van grond uit soorten A en B) (figuur 1b) voor blok 1 van het experiment in de volgende stappen.
    1. Steriliseren bodem stapelaars (troffels, handschoenen, plastic rooster) met een ongeveer 01:10 mengsel van bleekwater (5-10% NaClO) en water om alle bodemdeeltjes te verwijderen. Droog apparatuur voor gebruik om bleekwater effecten op het bodemleven voorkomen. Label elk apparaat met laboratorium tape om het brandpunt soorten waarvan de bodem zal het omgaan met kruisbesmetting (bijv. label een troffel voor soorten A en een tweede troffel voor soorten B) en de kunststof rooster voorkomen aan te geven of het gebruikt zal worden aangeven voor de heterogene of homogene bodembewerking.
    2. Plaats verwijderbare kunststof ineen pot verzonken in de grond [of andere plot of de container groot genoeg om het net tegemoet] te worden gevuld met praktijkgegevens bodem (bv. 1800 cm 3 / gridcel als in stap 1.1.1). Gebruik een op maat gemaakt rooster van de gewenste afmetingen, bijv. een 2 x 3 rooster met 6 cellen van de grootte bepaald in stap 1.1 (Figuur 1b).
      1. Voor de heterogene behandeling van afwisselend grondflard types, plaats spadefuls van de bodem van soort A in gridcellen voor α bodem en de bodem van soort B in cellen voor β bodem (Figuur 1b).
      2. Voor de homogene behandeling, plaatst afwisselend spadefuls van bodems a en b in elke gridcel, zorg ervoor dat verdelen de twee bodemsoorten en voorkomen de vorming van lagen van elk bodemtype (Figuur 1b). Voor het voorbeeld bodem patch van 1800 cm 3 (paragraaf 1.1.1), plaatst 900 cm 3 van elk type bodem in elke gridcel.
      3. Worden sure om gelijke hoeveelheden van verstoring veroorzaken (dwz breken bodem kluiten in dezelfde mate) bij het ​​maken van heterogene en homogene bodembehandelingen te voorkomen verwarrende bodemverstoring met grond heterogeniteit.
    3. Als een leeg gebied blijft rond de buitenkant van het raster in de grote pot gebruikt (zoals in figuur 1b), vul deze met een steriel zand. Steriliseren zand behulp van een standaard methode (bijvoorbeeld een autoclaaf, gamma-straling).
    4. Til het plastic rooster verticaal uit de pot, waardoor de bodem flarden intact. Dit maakt wortels van verschillende individuen te communiceren in de bodem en elke plant meerdere pleisters, hetgeen essentieel belang om plantenwortels groei in meerdere pleisters bodem (dwz rastercellen) ervaren.
    5. Herhaal Secties 2.1.2-2.1.4 een tweede paar experimentele eenheden volledig experimentele blok (een raster van heterogene bodem waarin elke foca plantaardigl soorten en een raster van homogene bodem waarin elke focale soort planten, voor een totaal van 4 experimentele eenheden).
  2. Herhaal stap 2.1 voor de resterende blokken in het experiment met de resterende grond repliceren collecties (protocol 1). Willekeurig blokken en plots binnen handbereik gehele experimentele delen, landschap stof rond plaatsen desgewenst arcering houden van buiten vegetatie op een minimum (niet getoond).
  3. Plantenzaden van focale soorten in elke gridcel van elke experimentele pot (2 focale soorten x 2 bodembehandelingen). Gebruik gepoolde zaad tot verwarrende planten genotypen of zaad-oppervlak microbiële gemeenschappen met de grond behandelingen vermijden. Bijvoorbeeld, plantenzaden van elk Rumex spp. in de pot voor deze soort (figuur 1a) individueel gelijmd plastic tandenstokers met wateroplosbare lijm in 12 planten posities (2 posities per gridcel) om duidelijk de aangeplante individuen.
  4. Meten bevolking responses van de experimentele eenheden, zoals ontkieming en overleving, door bijvoorbeeld een telling van individuele planten gemarkeerde locaties zaden (bijv. met tandenstokers zoals in stap 2.3). Minimaliseer verstoring van de bodem voor elke reactie gemeten om te voorkomen dat het mengen van de bodem onder de patches.
    1. Bepaal de juiste telling intervallen op basis van het verwachte percentage van de bevolking antwoorden voor het brandpunt soorten. Zo voeren wekelijkse tellingen voor Rumex spp. die snel kunnen ontkiemen.
    2. Blijven het experiment gedurende een redelijke termijn op basis van de levensgeschiedenis van de focale soorten. Zo blijft het experiment gedurende minstens 2 jaar voor kortlevende vaste plant Rumex spp. gegevens betreffende alle levensstadia verkrijgen.

3. Een voorbeeld Greenhouse Experiment, met Heterogene en gehomogeniseerd Bodem in potten om individuele plant Reacties Meet

  1. Gebruik van de bodem tegen een herhaalde veld verzameling van de bodem (protocol nr. 1)een heterogene behandeling (dwz elke helft van een pot gevuld met grond verzameld van soort A of soort B) en een homogene behandeling (dwz pot bevat een 1:1 mengsel van grond van soort A en B) (Figuur 2a) voor blokkade 1 van het experiment in de volgende stappen.
    1. In de transport container (bijv. emmer) en voor oppotten, meng het veld verzameld bodem van elke soort met steriel zand om een 1:1 mengsel te produceren. Doe dit om bodemverdichting te verminderen en het verbeteren van drainage in de potten, wat vooral handig is voor het wassen van de wortels, de scheiding van de wortels uit de bodem te vergemakkelijken. Steriliseren zand behulp van een standaard methode (bijvoorbeeld een autoclaaf, gamma-straling).
    2. Zorg ervoor dat u gelijke hoeveelheden van verstoring veroorzaken (dwz breken bodem kluiten in dezelfde mate) bij het ​​mengen van elke partij van het veld bodem met zand.
  2. Steriliseren bodem stapelaars (troffels, handschoenen, plastic folie) met een approximately 01:10 mengsel van bleekwater (5-10% NaClO) en water om alle bodemdeeltjes te verwijderen. Droog apparatuur voor gebruik om bleekwater effecten op het bodemleven voorkomen. Label elk apparaat met laboratorium tape om het brandpunt soorten waarvan de bodem zal het omgaan met kruisbesmetting (bijv. label een troffel voor soorten A en een tweede troffel voor soorten B) en elke kant van een stijf plastic folie te vermijden om aan te geven aan welke bodemtype wordt opgepot aan elke kant van het in de heterogene bodem behandeling.
  3. Maak een heterogene bodem behandeling met behulp van het veld grond-zand mengsel van de twee zwaartepunten soorten (uit paragraaf 3.1.1).
    1. Plaats de stijve kunststof plaat in het midden van een pot te verdelen in tweeën (figuur 2a). Gebruik een pot zodanig gedimensioneerd dat de helft van het in volume gelijk aan de juiste bodem pleistergrootte (stap 1.1). Gebruik bijvoorbeeld een pot met een 15 cm diameter en 18 cm diepte voor de Rumex spp. in fig. 1a (totale3181 cm 3).
    2. Hebben twee onderzoekers tegelijk toe te voegen het veld verzameld bodem van elke soort naar de juiste kant van de pot (bijv. α bodem van A soorten) met de juiste-gelabelde troffels, aan de zijkanten te houden, zelfs als de pot wordt gevuld.
    3. Verwijder de plastic deler tillen verticaal uit de bodem, waardoor de bodem pleisters intact. Hierdoor kan de planten beide stukken grond in een pot, essentieel voor de planten te ervaren heterogeniteit ervaren.
    4. Herhaal de punten 3.3.1-3.3.3 voor 3 extra experimentele eenheden tot een volledige blokkering van het heterogene bodem behandeling te produceren (2 soorten x 2 grondflard types in de heterogene behandeling; Figuur 2).
  4. Maak een homogene bodem behandeling met behulp van het veld grond-zand mengsel van de twee zwaartepunten soorten (uit paragraaf 3.1.1).
    1. Herhaal artikel 3.3.1. Hebben twee onderzoekers tegelijk toe te voegen zowel α en β bodems zowelzijkanten van de pot met de juiste-gelabelde troffels, gelijkmatig verdelen beide grondsoorten binnen elke patch en het vermijden van het ontstaan ​​van lagen. Herhaal punt 3.3.3.
    2. Herhaal punt 3.4.1 voor een tweede experimentele eenheid een volledige blokkering van het homogene bodem behandeling (een pot voor elk van de 2 focale soorten) te produceren.
  5. Herhaal stap 3.2-3.4 voor de resterende blokken in het experiment met de resterende grond repliceren collecties (protocol 1). Willekeurig blokken, en plots binnen handbereik, in de hele kas bank.

Figuur 2
Figuur 2. Voorbeeld kas experimenteel ontwerp manipulerende-fabriek veroorzaakte bodemheterogeniteit. (A) Bodems verzameld uit de zone van wortel invloed van soort A (α bodems) en soorten B (β bodems) in het veld zijn plaatsd in elke helft van een pot (heterogene behandeling) of gemengd in de hele pot (homogene behandeling). (B) Planten van soorten A worden vervolgens geplant in het experiment in elke grondsoort vlek in de heterogene behandeling en aan een zijde van de homogene behandeling. Hier, slechts een soort (A) weergegeven geplant in dit ontwerp. Een volledig wederzijdse ontwerp zou planten van de tweede focale soort (B) geplant in elke bodembewerking en soort patch binnen de heterogene behandeling omvatten.

  1. Plant zaailingen van focale soorten A en B in elk bodemtype patch in een factorieel design (2 soorten x 3 grondflard typen [α bodem, β bodem, en een homogeen mengsel van α en β bodem]; Figuur 2b).
  2. Meet elke individuele plant reacties die plant performance te geven, zoals de omvang van de installatie, de productie van biomassa, of functionele eigenschappen. Geschikte eigenschappen te meten zal afhangen van de focale soorten en wetenschappelijke vragenbelang.
    1. Ga door het experiment tot de planten lijken groot ten opzichte van de bodem van patches (bijv. ongeveer 1,5 maal de breedte van de bodem patch voor-rozet vormen forbs) te zorgen voor de plantenwortels groeien in zowel de bodem patches. Experimentele duur zal dus afhangen van de groei van focale soorten.
    2. Harvest planten en / of de maatregel reacties voor planten worden pot-gebonden (bijvoorbeeld wortelgroei wordt beperkt door de grenzen van de pot en wortels cirkel de bodem van de pot) als realistische reacties op het bodemmilieu gewenst. Bijvoorbeeld, wortels pot afhankelijke planten waarschijnlijk voederen gedurende de kolom grond op een soortgelijke wijze als planten in het veld.

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

Soorten gereageerd op planten-geïnduceerde bodemheterogeniteit op verschillende manieren bij zowel de bevolking en individueel niveau (figuren 3 en 4), met gevolgen voor de gemeenschappen. Om te bepalen of de populaties van planten reageren op plant-geïnduceerde bodemheterogeniteit, werd een veldexperiment opgezet als in Protocol nr. 2 met behulp van drie congenères paar soorten. Plantenpopulaties werden wekelijks censused drie maanden en het percentage van de geplante zaden die ontkiemen en het totale aandeel van de zaailingen die stierven in de eerste groeiseizoen (de sterfte is de inverse van overleving) werden berekend (figuur 3). We vonden significante plantenpopulatie reacties op plant-geïnduceerde bodemheterogeniteit, wat suggereert dat dit experiment succesvol te zijn in het manipuleren van heterogeniteit die plant bevolking beïnvloed was. Sommige soorten vertoonde nonadditive reacties op grond mengen, zodanig dat de respons waargenomen in dehomogene behandeling (αβ bodem pleisters) was niet een tussentijdse reactie op de twee bodemsoorten die werden gemengd met die behandeling (α, of soortgenoten, bodem patches en β, of congeneer, bodem pleisters) te creëren. Bijvoorbeeld, Solanum carolinense hadden lagere kieming en Rumex crispus hadden grotere mortaliteit in een gehomogeniseerd mengsel van soortgenoten en congeneer de bodem dan in beide bodemtype alleen (Figuur 3) 10. Deze resultaten bieden potentiële mechanismen die homogene bodem omgevingen kunnen samenleven, waar verminderde kieming of verhoogde sterfte van een soort geopend plekken zou kunnen bieden voor andere soorten te koloniseren vergemakkelijken.

Figuur 3
Figuur 3. Bijvoorbeeld het gevolg is van een veldexperiment met heterogene en homogene bodems. ( (b) percentage mortaliteit van 3 paren geslachtelijke soorten geplant in stukken soortgenoten bodem, congeneer grond of een homogeen mengsel van de twee grondsoorten. Sommige soorten reageerde op de bodem te mengen in een nonadditive wijze, bijvoorbeeld Rumex crispus waren groter sterfte in de homogene behandeling dan in beide soortgenoten of congeneer (R. obtusifolius) bodem vlekken in de heterogene behandeling. PLALAN = Plantago lanceolata, PLAMAJ = P. grote, RUMCRI = R. crispus, RUMOBT = R. obtusifolius, SOLCAR = Solanum carolinense en SOLDUL = S. Dulcamara. * P <0,05 van orthogonale contrasten van homogene versus onvermengd bodem en soortgenoten vs congeneer bodem binnen elke soort in een gemengde effecten model met een binomiale fout verdeling in de R Statistische Milieu 11. Gemiddelde proporties worden aangeboden (totale aantal gedeeld door de totale steekproef,consistentie met statistische methoden 12). Dit cijfer is gewijzigd van Brandt et al.. 10 Zie Brandt et al.. 10 voor een gedetailleerde analyse methoden.

Om te bepalen of individuele planten reageren op plant-geïnduceerde bodemheterogeniteit, werd een kas experiment opgezet als in Protocol nr. 3 met behulp van twee congenères paar soorten. Omdat we verwachtten planten om aan de grondsoort pleister waarin ze werden gekweekt bovenop de pot niveau bodemheterogeniteit, werden zaailingen geplant in elk patch in de heterogene behandeling (zoals in figuur 2b). De planten werden gedurende 2 maanden en vervolgens geoogst prestaties (totale biomassa) en functionele kenmerken (inclusief specifieke bladoppervlak (SLA), zie figuur 4) te meten. Belangrijke fabriek reacties op bodemheterogeniteit waargenomen, wat suggereert dat dit experiment succesvol in het manipuleren van een vorm van bodem heterogene was heterogeniteit die plant performance beïnvloedt. We zagen een nonadditive reactie op de bodem te mengen, in welke soorten leidt tot lagere SLA, of dikkere bladeren hebben, in een gehomogeniseerd mengsel van soortgenoten en congeneer de bodem dan in beide bodemtype alleen (p = 0,031 van een orthogonale contrast van homogene versus ongemengde grond in een gemengd effectenmodel met plantenbiomassa als covariante en blok als willekeurig effect, Figuur 4). Specifieke blad was ook lager in vergelijking met soortgenoten congeneer bodem Patches (P = 0.004 uit een orthogonale contrast bodemtypes patch in de heterogene bodembehandeling, Figuur 4). Deze resultaten suggereren dat overname planten resource strategieën reageren op planten-geïnduceerde bodemheterogeniteit, die gevolgen hebben voor het effect van een dergelijke heterogeniteit op plantengroei, vruchtbaarheid, en interacties tussen soorten heeft.

es/ftp_upload/51580/51580fig4highres.jpg "width =" 500 "/>
Figuur 4. Bijvoorbeeld het gevolg is van een serre-experiment met heterogene en homogene bodems. Specifiek bladoppervlak (SLA), berekend als bladoppervlak verdeeld in de droge stof, van 2 paar congenères soorten gekweekt in flarden van soortgenoten bodem, congeneer bodem, of een homogeen mengsel van de twee bodemsoorten. Over het algemeen, soorten gereageerd op de bodem te mengen in een nonadditive wijze, waarbij SLA was lager in de homogene behandeling dan in een van beide soortgenoten of congeneer bodem vlekken in de heterogene behandeling. Bedoel eigenschappen ± 1 SE. PLALAN = Plantago lanceolata, PLAMAJ = P. grote, 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

-Installatie geïnduceerde bodemheterogeniteit is zeer waarschijnlijk in de natuurlijke gemeenschappen omdat planten hebben grote en vaak soortspecifieke effecten op hun grondgebied milieu en de daaropvolgende planten die dat de bodem (bv. Petermann et al.. 13) ervaren. Echter, ons begrip van de rol van deze vorm van heterogeniteit op plantengemeenschappen is minimaal 10,14. Hier presenteren we een methode voor het manipuleren van planten geïnduceerde bodemheterogeniteit, met grond uit verschillende oorsprongen (bijvoorbeeld zones van wortel invloed van verschillende soorten) in het veld. De kritische stappen in het protocol bij verstorende-fabriek veroorzaakte bodemheterogeniteit met andere variabelen die plant reacties invloed te vermijden zijn: (1) het voorkomen van pseudoreplication van bodemmonsters uit het veld verzameld en geplaatst in experimentele eenheden en (2) de egalisatie van de bedragen van de verstoring van de bodem voor in het veld bodem geplaatst in heterogene en homogene bodembehandelingen. Pseudoreplication of bodemmonsters kunnen zich voordoen als heterogene en homogene behandelingen ontvangen bodem vanuit verschillende individuele planten of verzamelen locaties in het veld, dat kan worden voorkomen door het verzamelen bodem repliceren batches van behoorlijk verdeelde locaties (stap 1.5). Pseudoreplication kan invloed resultaten van de studie indien bijvoorbeeld een zeldzame pathogeen optreedt in de wortelzone van een plant in het veld en bodem die plant is slechts een van de twee bodembehandelingen geplaatst. Bovendien kunnen verzamelen locaties in het veld verschillen beheer vegetatiegeschiedenis of bodemeigenschappen, dus bodem van elke vindplaats worden gebruikt in zowel experimentele behandelingen, randomizing over mogelijke verstorende factoren. Verstoring van het veld gronden (dwz opbreken van de bodem kluiten) verhoogt bodemverdichting en kan de interpretatie van de resultaten beïnvloeden. Als bijvoorbeeld de homogene bodembehandeling ontvangt groter storing dan de heterogene behandeling, dan is het effectvan de bodem heterogeniteit zou een effect van verstoring van de bodem zijn. Lezers moeten ook statistische power te overwegen in hun ontwerp van deze experimenten, waarbij de totale hoeveelheid grond die nodig (stap 1.1) en het aantal individuen van ieder knooppunt soorten waaruit de bodem in het gebied (stap 1.2) te verzamelen zou beïnvloeden. Voorlopige experimenten kunnen worden gebruikt om het effect grootte en variantie wordt bepaald en deze informatie kan vervolgens worden gebruikt om een experiment met voldoende replicatie 15 ontwerpen.

Dit protocol kan eenvoudig worden aangepast om andere methoden voor het bestuderen van plant-bodem feedbacks (bijv. door de bodem van airconditioning in de kas 16) en alternatieve experimentele ontwerpen (bijv. verschillende ruimtelijke en temporele schalen, interspecifieke competitie 17) tegemoet te komen. Aanvullende experimenten kan ook gebruik maken van alternatieve focale soorten. De selectie van focale soort heeft implicaties voor zowel de studie van de logistiek eninterpretatie van de resultaten, maar vooral moet worden gedaan om de beste problemen in het belang van de onderzoeker. We tonen Representatieve resultaten voor nauw verwante paren van soorten, wat ons toeliet om te controleren tot op zekere hoogte voor groei vorm 18 en een effect van fylogenie op plant-bodem feedback reacties (bv. Burns en Strauss 19). De grootte van focale soorten bepaalt de omvang van de bodem pleisters gebruikt en de levensloop kan de duur van het experiment beïnvloeden. Twee focale soorten van verschillende grootte kan verschillend reageren op dezelfde schaal van plantaardige geïnduceerde bodemheterogeniteit als de kleinere soorten niet kunnen integreren in de verschillende bodemtypes patch in dezelfde mate als de grotere soorten (bv. de kleinere soorten 'root zone is beperkt tot een enkele grond patch). Bovendien, met behulp van soorten met een klonale groei vorm is waarschijnlijk verschillende reacties op bodemheterogeniteit dan de soort die uitsluitend uit zaad reproduceren produceren (zoals herzieningewed Reynolds en Haubensak 14).

Een belangrijke beperking van deze werkwijze is dat de mechanismen die reacties op bodemheterogeniteit (bijv. abiotische factoren als grondsoort, biotische factoren als bodem microbiële gemeenschappen) niet geïdentificeerd zonder verdere werkzaamheden. Bijvoorbeeld, onze resultaten suggereren dat homogene bodem (dwz gemengde bodem) kan resulteren in nonadditive effecten op zowel de bevolking en individuele plant niveau, waar planten reacties in de homogene behandeling waren niet intermediair ten opzichte van de reacties te planten in de twee bodemsoorten die componeerde de mengsel. Bodem menging kan optreden in natuurlijke gemeenschappen als gevolg van verstoringen, zoals knaagdieren graven, of als gevolg van overlappende zones van wortel invloed als planten van verschillende soorten groeien in elkaars beworteling zones. Een mogelijk mechanisme voor deze bevindingen is een effect van het bodemleven, die kunnen bijdragen aan nonadditive reacties als gemeenschappen van bacteriën, schimmels of andere organismen interageren op grond mengen, het veranderen van de biotische samenstelling van de bodem en daarmee de plant reacties op dat de bodem. Abiotische mechanismen kunnen ook resulteren in nonadditive reacties, als planten functionele respons op abiotische factoren (zoals nutriënten) zijn niet-lineaire 20. Extra experimenten en steekproeven zijn dus noodzakelijk om de drivers van plantaardige reacties op deze bodembehandelingen identificeren, met gevolgen voor hun toepassing op natuurlijke gemeenschappen. Zo kan de rol van de bodem biotische factoren voor planten reacties op planten geïnduceerde bodemheterogeniteit getest met bodems bepaald door focale soorten in de kas opzichte van gesteriliseerde bodem, wat een negatieve controle voor het testen van de rol van bodemleven verschaffen.

We tonen significante fabriek reacties op plant-geïnduceerde bodemheterogeniteit, wat suggereert dat planten zelf invloed hebben op de milieu-heterogeneity dat beïnvloedt plantengemeenschap montage (figuur 5). Heterogeniteit kan derhalve inherent aan de gemeenschap samenstelling, in tegenstelling tot de meer extrinsieke soorten heterogeniteit studies plantengemeenschap samenstel vaker overwogen 3. De nieuwe methode hier gepresenteerde heeft potentieel om tegenstrijdige voorspellingen van de theorie en de resultaten van experimenten over de relatie tussen milieu heterogeniteit en soorten samenleven, of diversiteit 4,14 verzoenen. Voorspelt dat milieu heterogeniteit leidt tot verhoogde diversiteit soorten (beoordeeld in Melbourne et al.. 3), hebben echter eerdere experimenten direct manipuleren bodemnutriënten heterogeniteit vaak tegengestelde trend (beoordeeld in Lundholm 4 en Reynolds en Haubensak 14), wat suggereert dat andere heterogeniteit, zoals die welke voortvloeien uit plant-bodem feedbacks, moeten worden onderzocht.Deze methode van het manipuleren van plant-geïnduceerde bodemheterogeniteit geeft specifieke mechanismen waardoor coëxistentie kan worden vergemakkelijkt in homogene omgevingen. Als bijvoorbeeld resident planten lagere kiemen of hogere mortaliteit in homogene bodems, zoals gevonden voor sommige soorten (figuur 3), dan zijn deze homogener omgeving kan meer invasible zijn tegen de traditionele voorspellingen van de theorie. Verder kunnen naast elkaar bestaan ​​voorspellingen voor elke soort pair in heterogene gronden worden berekend met behulp van 7 soorten antwoorden op alle bodemtypen patch binnen de heterogene behandeling, waardoor onderzoekers om te bepalen voor welke soorten ze zou verwachten-fabriek veroorzaakte bodemheterogeniteit coëxistentie 10 te vergemakkelijken.

Figuur 5
Figuur 5. Conceptuele overzichtvan de waarde van het aanpakken van plant-geïnduceerde bodemheterogeniteit. (a) De traditionele conceptualisering van de invloed van heterogeniteit voor co-existentie en de gemeenschap assemblage heeft zich gericht op het effect van heterogeniteit extrinsieke aan de gemeenschap samenstelling (bijv. landschap topologie) op gemeenschappen. (B) De hier voorgestelde nieuwe methoden omvatten de effecten van planten op de bodem heterogeniteit gedreven door plant-bodem feedbacks, waar planten invloed op de fauna en flora, chemie, of de structuur van de bodem op een wijze die latere plant performance in dat de bodem beïnvloedt. Dit perspectief erkent dat heterogeniteit inherent zijn aan de gemeenschap samenstelling, met inbegrip van zowel biotische en abiotische effecten, beïnvloedt ook de montage.

Manipuleren heterogeniteit dat is inherent aan de gemeenschap maakt strenge testen van de mogelijkheden voor frequentie-afhankelijke co-existentie die zou kunnen voortvloeien uit biotische feedbacks, zoals plant-bodem feedbacks, en integreert ons begrip van dit mechanisme met de grotere lichaam van coëxistentie theorie 9. Omdat dit type heterogeniteit is dynamisch verloop van tijd, zal de invloed op de gemeenschap montage afhankelijk van de lengte van de tijd die het duurt voor plant-bodem feedbacks te ontwikkelen en de lengte van de plant-bodem feedback legacy effecten in gemeenschappen. Zo wordt verder empirisch werk nodig op de tijdschaal waarop deze effecten te ontwikkelen en af ​​te breken. Toekomstige toepassingen die kunnen voortkomen uit deze werkzaamheden omvatten dus informeren nieuwe theorie dat heterogeniteit gedreven door intrinsieke feedback processen (bv. Fukami en Nakajima 20) en verdere empirische tests van de rol van deze intrinsieke processen in de assemblage (bijvoorbeeld Brandt et al.. 10) bevat.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

Wij danken Case Western Reserve University Squire Valleevue en Valley Ridge Farms, waaronder A. Locci, C. Bond, en A. Alldridge, om hulp tot oprichting van de gemeenschappelijke tuin. J. Haken, L. Huffman, L. Gonzales, SC Leahy, B. Ochocki, A. Ubiles, C. Yu, X. Zhao, en NM Zimmerman verstrekt veld hulp. AJB en JHB werden gefinancierd door het opstarten van fondsen van CWRU naar JHBGAD werd ondersteund door een zomerprogramma's in Undergraduate Research subsidie ​​van CWRU gefinancierd door het Howard Hughes Medical Institute. Dit werk werd ondersteund door de National Science Foundation financiering aan JHB (DEB 1.250.170).

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).
Experimenteel protocol voor het manipuleren van Plant-geïnduceerde bodemheterogeniteit
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