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Environment

Protocollo sperimentale per eterogeneità del terreno manipolazione Plant-indotta

Published: March 13, 2014 doi: 10.3791/51580

Summary

Comprendere il ruolo di eterogeneità ambientale in specie la convivenza è tipicamente concentrata sui tipi di eterogeneità che sono estrinseco alla composizione delle specie della comunità. Noi forniamo i dettagli sui metodi innovativi per la creazione di trattamenti eterogeneità del terreno utilizzando terreni soggetti a pianta-suolo risposte di condizionamento, o eterogeneità intrinseca alla composizione della comunità.

Abstract

La teoria Coesistenza ha spesso trattato eterogeneità ambientale come indipendente dalla composizione della comunità, ma le risposte biotici quali risposte pianta-suolo (PSF) hanno grandi effetti sulle prestazioni dell'impianto, e creare eterogeneità ambientale, che dipende dalla composizione della comunità. Comprendere l'importanza di FPF per il montaggio comunità vegetale richiede la comprensione del ruolo di eterogeneità in PSF, oltre a significare effetti FPF. Qui, descriviamo un protocollo per la manipolazione eterogeneità del terreno vegetale-indotta. Due esperimenti sono presentati esempio: (1) un esperimento sul campo con una griglia 6-patch di suoli per misurare risposte della popolazione vegetali e (2) un esperimento serra con suoli 2-permutazione per misurare le risposte individuali vegetali. I terreni possono essere raccolti dalla zona di influenza della radice (suoli della rizosfera e direttamente adiacente alla rizosfera) di piante in campo da specie vegetali conspecifici e heterospecific. Replicare collectioni sono usati per evitare pseudoreplicating campioni di terreno. Questi suoli sono poi poste in macchie separate per i trattamenti eterogenei o misti per un trattamento omogeneizzato. Si deve prestare attenzione a garantire che i trattamenti eterogenei e omogeneizzati sperimentano lo stesso grado di disturbo del suolo. Le piante possono poi poste in questi trattamenti del suolo per determinare l'effetto di eterogeneità suolo pianta indotta sulle prestazioni dell'impianto. Dimostriamo che i vegetali indotta risultati eterogeneità nei risultati diversi di quanto previsto dai modelli tradizionali di coesistenza, forse a causa della natura dinamica di queste risposte. Teoria che incorpora eterogeneità ambientale influenzato dalla comunità di montaggio e il lavoro empirico supplementare è necessaria per determinare quando l'eterogeneità intrinseca alla comunità montaggio si tradurrà in diversi esiti di assemblaggio rispetto eterogeneità estrinseco alla composizione della comunità.

Introduction

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Uno degli obiettivi primari della comunità dell'ecologia è quello di spiegare e prevedere i processi che governano assemblea comunitaria. Tuttavia, comunità vegetali sono spesso più diversificata di quanto previsto dalla teoria convivenza 1, e gli ecologisti di restauro hanno bisogno di capire i meccanismi di coesistenza di ripristinare con successo diverse comunità indigene 2. Eterogeneità ambientale è un meccanismo teoricamente importante che può aiutare a spiegare gli alti livelli di diversità delle comunità, ma manipolazioni sperimentali di eterogeneità sono infrequenti 3 e concentrarsi sulla eterogeneità abiotici (ad esempio, recensito in Lundholm 4). Teoria che incorpora eterogeneità presuppone in genere che l'eterogeneità è estrinseco alla comunità montaggio. Eterogeneità estrinseca è governato da fattori quali la tipologia del paesaggio, che sono indipendenti dalla composizione della comunità. Eterogeneità Extrinsic può provocare convivenza attraverso nicchia partizionamento (Reviewed a Melbourne et al. 3, ad esempio Pacala e Tilman 5 e Chesson 6). Tuttavia, gran parte l'eterogeneità ambientale rilevante per le comunità vegetali può essere intrinseca alla comunità, sviluppando come la comunità assembla e in funzione dell'identità della specie nella comunità. Eterogeneità intrinseca può derivare da una valutazione biotici, che può portare alla convivenza attraverso la frequenza-dipendenza negativa (ad esempio Bever et al. 7). Qui, descriviamo un nuovo metodo per manipolare l'eterogeneità del terreno vegetale indotta, un tipo di eterogeneità terreno che è intrinseco alla comunità e nasce da una valutazione pianta-suolo.

Feedback Plant-suolo (PSF) si verificano quando le piante influenzare la struttura del suolo, la chimica, o biota in un modo che colpisce successiva performance dell'impianto in quel terreno, e PSF hanno grandi effetti medi sulle prestazioni dell'impianto in comunità vegetali autoctone 8. Studi di FPF sono tipicamente sia i terreni dal campo o terreni condizionati raccolti sperimentalmente, poi chiesto come le piante svolgono nel rispetto conspecifici terreno heterospecific o sterilizzato il terreno 9. Se le piante migliori prestazioni in conspecifici relativo terreno di riferimento suoli, poi PSF sono positive, mentre se le piante rendimento migliore in terreni di riferimento, PSF sono negativi. Reciproco PSF negativo può portare alla coesistenza dipendente dalla frequenza tra le specie 7. Mentre gli effetti medi di FPF sono ben caratterizzati-8, gli effetti di eterogeneità spaziale in FPF sono capiti male 10.

Perché PSF si verificano sulla scala delle singole piante 7 e perché le piante sono spesso non casualmente distribuiti nello spazio e nel tempo, PSF sono suscettibili di condurre a eterogeneità del terreno, che noi chiamiamo l'eterogeneità del terreno vegetale-indotta. A differenza di molte altre forme di eterogeneità (ad esempio topologia paesaggio), questo heterogeneity è intrinseca alla comunità montaggio e può quindi influenzare assemblea comunitaria diverso rispetto a forme più estrinseci di eterogeneità. Per comprendere l'influenza di questa forma di eterogeneità sulle prestazioni dell'impianto e coesistenza, dobbiamo metodi sperimentali che manipolano eterogeneità suolo pianta indotta. Qui, dimostriamo tale metodo, che utilizza terreni condizionati con le due specie per creare un trattamento eterogeneo con patch separate da due origini suolo e un trattamento omogeneo, che è una miscela dei due origini suolo. Questo miscuglio terreno potrebbe rappresentare almeno due scenari plausibili in campo: (1) disturbo (ad esempio roditori, agricoltura) che mescola suoli di diversa origine o (2) piante di due specie che crescono in prossimità, in modo tale che le loro zone di influenza radice mescolano e omogeneizzare.

Vi presentiamo due esperimenti di esempio che utilizzano l'eterogeneità del terreno vegetale indotto a rispondere alle domande fondamentali a differenti levels di organizzazione ecologica: (1) Sei popolazioni di piante rispondono a piantare indotta eterogeneità del suolo? e (2) Sei singole piante rispondono alla eterogeneità del terreno vegetale indotta? Descriviamo un esperimento sul campo con 6 patch del suolo per affrontare la prima questione e un esperimento di serra con 2 patch del suolo per affrontare la seconda questione. Quantificare popolazione e le risposte individuali delle piante per l'eterogeneità del suolo è essenziale per capire come assembly influenze eterogeneità della comunità.

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Protocol

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1. Raccogliere campo Suoli per produrre trattamenti del suolo eterogenei e omogenei

  1. Identificare le due specie di piante cooccurring in habitat simili e tipi di suolo per lo studio (ad esempio, Figura 1a). Determinare la quantità di terreno necessaria basato su suolo dimensioni patch da usare nell'esperimento (ad esempio un terzo alla metà della zona root principale della specie focali ", o il volume racchiuso dalla sfera root) e il numero di patch richiesto per l'esperimento (vedi protocollo 2 e 3, di seguito).
    1. Per Rumex spp. (Figura 1a), utilizzare i cerotti suolo di 10 cm x 10 cm x 18 cm (lunghezza x larghezza x profondità) per la zona approssimativa radice di 10 centimetri di raggio dalla base della pianta per 18 cm di profondità (5.655 centimetri 3 di terreno di questa zona definita di influenza radice per un singolo impianto produce 3 patch terreno di 1800 centimetri 3).
  2. Sito campo Indagine per individuare individui adulti delle due specie focali. Evitare di individui la cui roozona t probabile sovrappone con le altre specie focali (ad esempio individui Rumex trovano a 0,25 m delle altre specie). Segnare il numero di persone necessarie per ottenere la quantità necessaria di terreno con bandiere pin.
    1. Mark 20 scelto a caso gli individui di ogni Rumex spp. per 20 unità sperimentali (2 specie x 2 trattamenti al terreno x 5 repliche) che necessitano rispettivamente di 3 patch suolo di ogni specie focali (come nel protocollo 2, di seguito).
  3. Sterilizzare attrezzature suolo raccolta (pale, guanti, trasporto container), con un mix di circa 1:10 di candeggina (5-10% NaClO) e acqua per rimuovere tutte le particelle di terreno. Attrezzature secco prima dell'uso per evitare effetti di candeggina sul biota del suolo. Etichettare ogni pezzo di equipaggiamento con nastro adesivo di laboratorio per indicare la specie focale cui suolo si raccolgono o trasportano per evitare la contaminazione incrociata (ad es etichetta una pala per le specie A e una seconda pala per la specie B).
  4. Controllare meteo e condizioni del suolozioni prima di iniziare la raccolta del suolo per i recenti eventi di precipitazione. Evitare di raccogliere i terreni troppo umidi (fangoso o completamente saturo) o la raccolta di suolo durante un evento di precipitazione per ridurre al minimo il compattamento del suolo. Evitare di raccogliere suoli che sono troppo secco (molto duro e difficile da inserire in una pala) per facilitare la separazione suolo da radici.
  5. Raccogliere suolo campo dal marcati individui delle due specie focali in lotti replicare per evitare pseudoreplication (ad esempio, un campione di suolo singolo contenente un agente patogeno raro essere successivamente miscelato attraverso repliche sperimentali).
    1. Scavare la zona radice completa di un individuo della specie A (come definito al punto 1.1) con la pala sterile opportunamente marcato, rimuovere visibili radici grossolane dal terreno con i guanti sterili opportunamente etichettati, e posizionare suolo nel opportunamente marcato contenitore per il trasporto sterile (per esempio secchio). Per un esperimento con 4 unità sperimentali in ogni blocco e 1 singolo impiantoS 'zona della radice fornendo abbastanza terreno per 1 unità sperimentale (come nella sezione 1.2.1), ripetere questa procedura per tre altri individui di specie A.
    2. Ripetere la Sezione 1.5.1 per le specie B.
    3. Trasportare la raccolta suolo replica da entrambe le specie al sito sperimentale. Posizionare suolo in unità sperimentali per il blocco 1 dell'esperimento (come nel protocollo 2 o 3, di seguito), in cui un blocco contiene un'unità sperimentale da ciascuna combinazione di trattamento (cioè ogni specie x ogni trattamento del suolo).
    4. Ripetere Sezione 1.5.3.
    5. Ripetere Sezioni 1.5.1-1.5.4 per i rimanenti blocchi nell'esperimento. Raccogliere suolo da gruppi di individui di almeno 1 m di distanza da luoghi di raccolta precedenti per ogni replica di raccolta per ridurre al minimo pseudoreplication.

Figura 1
Figure 1. Campo Esempio disegno sperimentale manipolazione eterogeneità del terreno vegetale-indotta. (A) I suoli sono raccolti dalla zona di influenza radice di conspecifici (α) e heterospecifics (β) nel campo, seguendo protocolli standard per lo studio degli effetti della pianta-suolo feedbacks 9 . (B) i trattamenti sperimentali con terreni eterogenei composti da terreni di impianto A (α) suoli e dei terreni di impianto B (suoli β ') sono disposte in una griglia, e trattamenti del suolo omogeneizzati creati con una miscela in parti uguali di suoli di queste due origini . In questo esempio, griglie di suoli campo sono inseriti in vasi di grande diametro affondate nel terreno e la zona intorno ogni griglia è riempito con grossa, sabbia sterilizzata. Questa cifra è stata modificata da Brandt et al. 10

2. Un esperimento Esempio Campo, la creazione di griglie di suolo eterogeneo e omogeneo per misurare le risposte delle piante Popolazione

  1. Utilizzare terreni da una raccolta suolo campo replicare (protocollo 1) per produrre un trattamento eterogeneo (cioè celle della griglia alternata contengono suolo raccolti da specie A o specie B) e un trattamento omogeneo (cioè ogni cella della griglia contiene una miscela 1:1 di suolo da specie A e B) (Figura 1b) per il blocco 1 dell'esperimento nelle seguenti fasi.
    1. Sterilizzare attrezzature per la movimentazione del terreno (cazzuole, guanti, griglia in plastica) con un misto di circa 1:10 di candeggina (5-10% NaClO) e acqua per rimuovere tutte le particelle di terreno. Attrezzature secco prima dell'uso per evitare effetti di candeggina sul biota del suolo. Etichettare ogni pezzo di equipaggiamento con nastro adesivo di laboratorio per indicare la specie focale cui suolo si tratterà di evitare la contaminazione incrociata (ad es etichetta una spatola per le specie A e una seconda spatola per le specie B) e la griglia in plastica per indicare se sarà utilizzato per il trattamento del suolo eterogeneo od omogeneo.
    2. Posizionare griglia rimovibile inuna pentola affondata nel terreno [o altro terreno o contenitore abbastanza grande per ospitare la griglia] per essere riempito con il campo raccolte del suolo (ad esempio 1.800 centimetri cellulare 3 / griglia come al punto 1.1.1). Utilizzare una griglia custom-costruito delle dimensioni desiderate, ad esempio 2 x 3 griglia con 6 celle di dimensioni determinati nella fase 1.1 (Figura 1b).
      1. Per il trattamento eterogeneo di alternare tipi di patch terreno, posto palate di suolo da specie A nelle celle della griglia per α suolo e terreni provenienti da specie B in cellule per il terreno β (Figura 1b).
      2. Per il trattamento omogeneo, collocare alternati palate di suoli A e B in ciascuna cella della griglia, avendo cura di distribuire uniformemente i due tipi di suolo ed evitare la formazione di strati di ogni tipo di terreno (Figura 1b). Ad esempio la patch terreno di 1800 centimetri 3 (sezione 1.1.1), posizionare 900 centimetri 3 di ogni tipo di terreno in ogni cella della griglia.
      3. Essere sure per produrre la stessa quantità di disturbo (per esempio rompere le zolle di terreno nella stessa misura) per la creazione di trattamenti del suolo eterogenei ed omogenei per evitare di confondere disturbo terreno con eterogeneità del terreno.
    3. Se nessuna zona vuota rimane intorno alla parte esterna della griglia all'interno della pentola utilizzata (come in Figura 1b), riempire questa zona con sabbia sterile. Sterilizzare sabbia utilizzando qualsiasi metodo standard (ad esempio autoclave, gamma-irradiazione).
    4. Sollevare la griglia di plastica in verticale fuori dalla pentola, lasciando intatte le patch del suolo. Questo permette radici provenienti da diversi individui di interagire nel terreno e ogni pianta per vivere più patch, che è essenziale per consentire le radici delle piante di crescere in macchie suolo multipli (cioè celle della griglia).
    5. Ripetere sezioni 2.1.2-2.1.4 per una seconda coppia di unità sperimentali per produrre un blocco completo sperimentale (cioè una griglia di suolo eterogeneo in cui piantare ogni focaspecie l e una griglia di terreno omogeneo nel quale piantare ogni specie focale, per un totale di 4 unità sperimentali).
  2. Ripetere il punto 2.1 per le rimanenti blocchi l'esperimento con il terreno restante replicare collezioni (protocollo 1). Randomize blocchi, e le trame all'interno dei blocchi, in tutta l'area sperimentale, usando il tessuto paesaggio intorno le trame se lo si desidera, di mantenere sfumature dal verde al di fuori di un minimo (non mostrato).
  3. Semi di piante di specie focali in ogni cella della griglia di ogni piatto sperimentale (2 specie focali x 2 trattamenti al terreno). Utilizzare seme pool di evitare genotipi vegetali di confondimento o comunità microbiche seme di superficie con i trattamenti del suolo. Per esempio, i semi di piante di ogni Rumex spp. nella pentola di tale specie (Figura 1a) incollati individualmente stuzzicadenti di plastica con colla solubile in acqua in 12 posizioni di impianto (2 posizioni per ogni cella della griglia) per individuare chiaramente i soggetti piantati.
  4. Misurare res popolazioneponses delle unità sperimentali, come la germinazione e la sopravvivenza, attraverso un censimento regolare dei singoli assegnati luoghi di impianto di semi (ad esempio utilizzando stuzzicadenti come al punto 2.3). Ridurre al minimo disturbo del terreno per una risposta misurata per evitare di mescolare il suolo tra macchie.
    1. Determinare gli opportuni intervalli di censimento in base al tasso atteso di risposte della popolazione per le specie focali. Ad esempio, effettuare censimenti settimanali per Rumex spp. che possono germinare rapidamente.
    2. Continua l'esperimento per una durata appropriata in base alla storia della vita della specie focali. Ad esempio, continuare l'esperimento per almeno 2 anni per breve durata perenne Rumex spp. per ottenere i dati su tutte le fasi della vita.

3. Una serra sull'esperimento di esempio, con terreno eterogeneo ed omogeneizzato in Pentole misurare le risposte individuali vegetali

  1. Utilizzare terreni provenienti da una collezione suolo replica campo (protocollo 1)per produrre un trattamento eterogeneo (cioè ogni metà di un recipiente riempito con terra raccolta da specie A o specie B) e un trattamento omogeneo (cioè vaso contiene una miscela 1:1 di terreno da specie A e B) (figura 2a) per il blocco 1 dell'esperimento nei seguenti passi.
    1. Nel contenitore di trasporto (per esempio secchio) e prima impregnazione, mescolare il campo suolo raccolti da ciascuna specie con sabbia sterile per produrre una miscela 1:1. Fate questo per ridurre la compattazione del suolo e migliorare il drenaggio nei vasi, che è particolarmente utile per le radici di lavaggio, facilitando la separazione delle radici dal suolo. Sterilizzare sabbia utilizzando qualsiasi metodo standard (ad esempio autoclave, gamma-irradiazione).
    2. Essere sicuri di produrre la stessa quantità di disturbo (per esempio rompere le zolle di terreno nella stessa misura) quando si mescola ogni lotto di terreno di campo con la sabbia.
  2. Sterilizzare attrezzature per la movimentazione del terreno (cazzuole, guanti, fogli di plastica) con un approximately 01:10 miscela di candeggina (5-10% NaClO) e acqua per rimuovere tutte le particelle di terreno. Attrezzature secco prima dell'uso per evitare effetti di candeggina sul biota del suolo. Etichettare ogni pezzo di equipaggiamento con nastro adesivo di laboratorio per indicare la specie focale cui suolo si tratterà di evitare la contaminazione incrociata (ad es etichetta una spatola per le specie A e una seconda spatola per le specie B), e ciascun lato di un foglio di plastica rigida per indicare quale tipo di suolo verrà vaso su ogni lato di essa nel trattamento del suolo eterogeneo.
  3. Creare un trattamento del terreno eterogeneo utilizzando il campo miscele terreno di sabbia delle due specie focali (da punto 3.1.1).
    1. Posizionare il foglio di plastica rigida nel centro di una pentola per dividerlo a metà (Figura 2a). Utilizzare una pentola di dimensioni tali che la metà di esso è equivalente in volume, a dimensione di patch terreno appropriato (fase 1.1). Ad esempio, utilizzare una pentola con un diametro di 15 centimetri e 18 cm di profondità per la Rumex spp. in Figura 1a (volume totale di3181 centimetri 3).
    2. Hanno due ricercatori aggiungono contemporaneamente il campo suolo raccolti da ogni specie a lato appropriato del piatto (ad esempio α suolo da specie A) con cazzuole opportunamente marcati, per mantenere i lati anche se il piatto è pieno.
    3. Rimuovere il divisorio in plastica sollevandolo verticalmente dal terreno, lasciando intatte le patch suolo. Questo permette alle piante di sperimentare entrambe le chiazze di terreno all'interno di un vaso, indispensabili per le piante per vivere eterogeneità.
    4. Ripetere Sezioni 3.3.1-3.3.3 per 3 unità sperimentali aggiuntivi per produrre un blocco completo del trattamento suolo eterogeneo (2 x 2 specie suolo tipi di patch nel trattamento eterogeneo; la figura 2).
  4. Creare un trattamento del terreno omogeneo utilizzando il campo miscele terreno di sabbia delle due specie focali (da punto 3.1.1).
    1. Ripetere Sezione 3.3.1. Sono due ricercatori aggiungere contemporaneamente sia α e β suoli siapareti della pentola con cazzuole opportunamente marcati, in modo uniforme la distribuzione di entrambi i tipi di terreno all'interno di ogni patch ed evitando la creazione di strati. Ripetere Sezione 3.3.3.
    2. Ripetere sezione 3.4.1 per una seconda unità sperimentale per produrre un blocco completo del trattamento terreno omogeneo (una pentola per ciascuna delle 2 specie focale).
  5. Ripetere i passaggi 3,2-3,4 per i blocchi rimanenti nell'esperimento con il terreno restante replicano collezioni (protocollo 1). Randomize blocchi, e le trame all'interno dei blocchi, attraverso la panchina serra.

Figura 2
Figura 2. Esempio serra sperimentale di progettazione manipolazione eterogeneità del terreno vegetale-indotta. (A) Suoli raccolti dalla zona di influenza radice di specie A (α suoli) e di specie B (β suoli) nel campo sono luogod in ogni metà di un piatto (trattamento eterogeneo) o mescolati in tutto il piatto (trattamento omogeneo). (B) Vegetali di specie A vengono poi piantati nell'esperimento in ogni tipo di patch suolo nel trattamento eterogeneo e su un lato del trattamento omogeneo. Qui, una sola specie (A) e 'stato piantato in questo disegno. Un design tutto reciproci dovrebbe includere piante della seconda specie focali (B) piantati in ogni trattamento del suolo e tipo di patch all'interno del trattamento eterogeneo.

  1. Piantine di piante di specie focale A e B in ogni tipo di patch suolo in un disegno fattoriale (2 specie x 3 tipi di patch del suolo [α suolo, β suolo, e una miscela omogenea di α e β suolo]; Figura 2b).
  2. Misurare eventuali risposte individuali delle piante che indicano prestazioni dell'impianto, come la dimensione dell'impianto, la produzione di biomassa, o tratti funzionali. Tratti appropriati per misurare dipenderanno specie focali e le questioni scientifiche diinteresse.
    1. Continua l'esperimento fino piante appaiono grande rispetto alla patch suolo (ad esempio circa 1,5 x la larghezza della zona di terreno per forbs-rosetta formatura) per garantire le radici delle piante crescono in entrambe patch suolo. Durata sperimentale sarà quindi dipenderà dal tasso di crescita delle specie focali.
    2. Impianti di raccolta e / o risposte misura prima che le piante diventano pot-bound (cioè la crescita delle radici è limitata dai confini del vaso e le radici cerchio il fondo della pentola), se si desiderano risposte realistiche per l'ambiente terreno. Ad esempio, radici di piante in vaso sono improbabili a foraggio tutta la colonna di terreno in un modo simile a piante in campo.

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Representative Results

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Specie risposto eterogeneità terreno per piantare indotta in diversi modi sia la popolazione e livello individuale (figure 3 e 4), con implicazioni per il montaggio comunità. Per determinare se le popolazioni di piante rispondono alla eterogeneità del terreno vegetale indotta, un esperimento sul campo è stato stabilito come nel protocollo 2 utilizzando tre paia congeneri di specie. Popolazioni vegetali sono stati censiti settimana per tre mesi e la percentuale totale dei semi piantati che germinati e la percentuale totale di queste piantine, che è morto nella prima stagione di crescita (dove la mortalità rappresenta l'inverso della sopravvivenza) sono stati calcolati (Figura 3). Abbiamo trovato significative risposte della popolazione di piante per l'eterogeneità del terreno vegetale indotta, suggerendo che questo esperimento ha avuto successo nel manipolare eterogeneità che ha influenzato popolazioni vegetali. Alcune specie esposte risposte non additivi per miscelazione del terreno, in modo tale che la risposta osservata nellatrattamento omogeneo (patch suolo αβ) non era una risposta intermedia ai due tipi di suolo che sono stati mescolati per creare quel trattamento (α, o conspecifici, patch suolo e β, o congenere, le patch del suolo). Ad esempio, Solanum carolinense avuto inferiore germinazione e Rumex crispus avuto maggiore mortalità in un omogeneizzato di suoli conspecifiche e congenere di quanto sia sporco Tipo sola (Figura 3) 10. Questi risultati forniscono potenziali meccanismi attraverso i quali gli ambienti del suolo omogenei potrebbero facilitare la convivenza, dove ridotta germinazione o aumento della mortalità di una specie potrebbero fornire aprire le patch per le altre specie a colonizzare.

Figura 3
Figura 3. Esempio deriva da un esperimento sul campo con terreni eterogenei e omogenei. ( (b) la mortalità percentuale di 3 coppie di specie congeneriche piantati in macchie di terreno conspecifiche, suolo congenere, o una miscela omogenea di due tipi di suolo. Alcune specie risposto alla miscelazione del terreno in modo non additivo, ad esempio, Rumex crispus aveva una maggiore mortalità nel trattamento omogeneo rispetto a (R. obtusifolius) patch sia conspecifiche o congeneri suolo nel trattamento eterogeneo. PLALAN = Plantago lanceolata, PLAMAJ = P. importante, RUMCRI = R. crispus, RUMOBT = R. obtusifolius, SOLCAR = Solanum carolinense, e SOLDUL = S. Dulcamara. * P <0.05 da contrasti ortogonali omogenea rispetto del suolo non miscelato e conspecifici vs suolo congenere all'interno di ciascuna specie in un modello a effetti misti con una distribuzione binomiale errore nella R statistico Ambiente 11. Proporzioni medie sono presentati (conteggio totale diviso per campione totale,per coerenza con metodi statistici 12). Questa cifra è stata modificata da Brandt et al. 10 Cfr. Brandt et al. 10 per i metodi di analisi dettagliate.

Per determinare se le singole piante rispondono alla eterogeneità del terreno vegetale indotta, un esperimento serra è stato stabilito come nel protocollo 3 utilizzando due coppie congeneri di specie. Poiché ci aspettavamo piante per rispondere al tipo cerotto terreno in cui sono state coltivate in aggiunta alla eterogeneità terreno-livello pot, piantine sono state piantate in ogni tipo di patch nel trattamento eterogeneo (come in Figura 2b). Le piante sono state coltivate per 2 mesi e poi raccolte per misurare le prestazioni (biomassa totale) e caratteri funzionali (compresi superficie fogliare specifica (SLA), come mostrato in Figura 4). Sono state osservate risposte delle piante significative eterogeneità del terreno, suggerendo che questo esperimento ha avuto successo nel manipolare una forma di mate suolo geneità che influenza le prestazioni dell'impianto. Abbiamo osservato una risposta non additivo di miscelazione del suolo, in cui le specie tendono ad avere minore SLA, o foglie spesse, in una miscela omogeneizzata di suolo conspecifici e congenere di rispetto in entrambi i tipi di terreno da solo (P = 0,031 da un contrasto ortogonale di omogeneo vs miscelato suolo in un modello a effetti mescolato con biomassa vegetale come co e blocco come effetto casuale; la figura 4). Area specifica del foglio è stato inferiore a conspecifici rispetto alle patch di congeneri del suolo (P = 0,004 da un contrasto ortogonale di tipi di patch suolo nel trattamento del terreno eterogeneo; Figura 4). Questi risultati suggeriscono che le strategie di acquisizione delle risorse pianta rispondono a piantare indotta eterogeneità del suolo, che ha implicazioni per l'effetto di tale eterogeneità sulla crescita delle piante, la fecondità, e interazioni tra le specie.

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Figura 4. Esempio risultato di un esperimento serra con terreni eterogenei e omogenei. Zona specifica foglia (SLA), calcolata come area fogliare divisa massa secca, 2 coppie di specie congeneriche coltivati ​​in chiazze di terreno conspecifiche, suolo congenere, o una miscela omogenea della due tipi di suolo. Nel complesso, specie risposto a miscelazione del terreno in modo non additivo, dove SLA era più bassa nel trattamento omogeneo rispetto a chiazze sia conspecifici e congeneri suolo nel trattamento eterogeneo. Tratti ± 1 SE significare. PLALAN = Plantago lanceolata, PLAMAJ = P. importante, RUMCRI = R. crispus, RUMOBT = R. obtusifolius.

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Discussion

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Eterogeneità del terreno Plant-indotta è altamente probabile in comunità naturali perché le piante hanno effetti grandi e spesso specie-specifici sul loro ambiente del terreno e le successive piante che sperimentano che il suolo (ad es Petermann et al. 13). Tuttavia, la nostra comprensione del ruolo di questo tipo di eterogeneità sulle comunità vegetali è minimo 10,14. Qui, presentiamo un metodo per manipolare eterogeneità terreno vegetale indotta, utilizzando terreno di diversa origine (ossia zone di influenza radice di specie diverse) nel campo. I passaggi critici all'interno del protocollo per evitare confusione eterogeneità del terreno vegetale indotta con altre variabili che influenzano le risposte della pianta sono: (1) evitare pseudoreplication di campioni di terreno prelevati dal campo e inseriti in unità sperimentali e (2) equalizzare la quantità di disturbo del suolo per i terreni dei campi inseriti in trattamenti del suolo eterogenei e omogenei. Pseudoreplication ocampioni di terreno f potrebbero verificarsi se i trattamenti eterogenei ed omogenei ricevono suolo raccolte da diverse piante singole o luoghi di raccolta in campo, che possono essere evitati attraverso la raccolta di terreno in lotti ripetute da posizioni ben distanziati (passo 1,5). Pseudoreplication può influenzare i risultati dello studio se, per esempio, un agente patogeno raro si verifica nella zona delle radici di una pianta in campo e terreno che della pianta è disposta soltanto in uno dei due trattamenti al terreno. Inoltre, raccogliendo posizioni in campo possono differire in gestione, la storia della vegetazione, o di proprietà del suolo: così il terreno da ogni posizione di raccolta deve essere utilizzato in entrambi i trattamenti sperimentali, randomizzazione tutti i potenziali fattori di confondimento. Disturbo ai terreni di campo (cioè rottura di zolle di terra) aumenta la compattazione del terreno e può influenzare l'interpretazione dei risultati. Ad esempio, se il trattamento del suolo omogeneo riceve maggiore perturbazione rispetto al trattamento eterogeneo, allora l'effettodell'eterogeneità del suolo sarebbe un effetto di disturbo del suolo. I lettori dovrebbero anche considerare potenza statistica nella loro progettazione di questi esperimenti, che comprometterebbe la quantità totale di terreno richiesta (passo 1.1) e il numero di individui di ciascuna specie focali da cui raccogliere suolo nel campo (passo 1.2). Esperimenti preliminari potrebbero essere utilizzati per determinare la dimensione atteso e varianza effetto, e queste informazioni possono poi essere usati per progettare un esperimento con replica sufficiente 15.

Questo protocollo può essere facilmente modificato per accogliere altri metodi per studiare le risposte pianta-suolo (ad esempio utilizzando i terreni condizionati in serra 16) e disegni sperimentali alternativi (ad esempio diverse scale spaziali e temporali, interspecifica competizione 17). Ulteriori esperimenti potrebbero anche utilizzare specie focali alternative. La selezione delle specie focali ha implicazioni sia per la logistica dello studio einterpretazione dei risultati, ma soprattutto dovrebbe essere fatto per rispondere meglio alle domande del ricercatore di interesse. Mostriamo Rappresentante Risultati per coppie strettamente connessi di specie, che ci ha permesso di controllare in qualche misura per la forma della crescita 18 e un effetto di filogenesi sulla pianta-suolo risposte di feedback (ad es Burns e Strauss 19). La dimensione della specie focale determina la scala di patch suolo utilizzato e la loro storia di vita può influenzare la durata dell'esperimento. Due specie focali di diverse dimensioni potrebbero rispondere in modo diverso alla stessa scala di eterogeneità del terreno vegetale indotta se la specie più piccole non possono integrare tutti i diversi tipi di patch terreno nella stessa misura come la specie di maggiori dimensioni (ad esempio, zona di radice della specie minori "è limitata ad un patch di suolo singolo). Inoltre, utilizzando specie con una forma di crescita clonale è in grado di produrre risposte diverse a dell'eterogeneità del suolo rispetto alle specie che si riproducono esclusivamente da seme (come ReviEWED in Reynolds e Haubensak 14).

Un importante limitazione di questo metodo è che i meccanismi che regolano le risposte alle eterogeneità del suolo (ad esempio, fattori abiotici quali la chimica del suolo, fattori biotici, come le comunità microbiche del suolo) non sono identificate, senza ulteriori lavori. Ad esempio, i nostri risultati suggeriscono che il suolo omogenea (cioè terreno misto) può provocare effetti non additivi sia la popolazione e livello del singolo impianto, in cui le risposte della pianta nel trattamento omogeneo non erano relative intermedio a piantare le risposte nei due tipi di suolo che compone l' miscela. Miscelazione suolo potrebbe verificarsi in comunità naturali come conseguenza di disturbi, come scavo roditori, o come risultato di zone di influenza radice sovrapposti come piante di diverse specie crescono in rispettive zone di radicazione. Un meccanismo possibile per questi risultati è un effetto del biota del suolo, che potrebbe contribuire alla risposta non additivos se comunità di batteri, funghi o altri organismi interagiscono su di miscelazione del terreno, cambiando la composizione biotica del suolo e quindi le risposte delle piante a detto suolo. Meccanismi abiotici potrebbe anche tradursi in risposte non additivi, se vegetali risposte funzionali ai conducenti abiotici (ad esempio, i livelli di nutrienti) sono non lineari 20. Ulteriori esperimenti e campionamenti sono quindi necessari per identificare i driver delle risposte delle piante a questi trattamenti del suolo, con implicazioni per la loro applicazione alle comunità naturali. Ad esempio, il ruolo del suolo fattori biotici nel governare risposte pianta all'altra indotta eterogeneità terreno può essere provato utilizzando terreni condizionati con le specie focale nella serra rispetto al suolo sterilizzati, che forniscono un controllo negativo per testare il ruolo di biota suolo.

Dimostriamo significative risposte delle piante ai eterogeneità del terreno vegetale indotta, suggerendo che le piante si influenzano la heterogenei ambientalety che colpisce assemblea comunitaria pianta (Figura 5). L'eterogeneità può quindi essere intrinseca alla composizione della comunità, in contrasto con i tipi più estrinseci di eterogeneità che gli studi di montaggio comunità vegetale sono più frequentemente considerate 3. Il nuovo metodo qui presentato ha il potenziale per conciliare le previsioni contrastanti tra teoria e risultati di esperimenti sul rapporto tra eterogeneità ambientale e specie la convivenza, o diversità 4,14. La teoria predice che l'eterogeneità ambientale porta ad una maggiore diversità di specie (recensione a Melbourne et al. 3), esperimenti precedenti però manipolando direttamente il suolo di nutrienti eterogeneità hanno trovato spesso la tendenza opposta (rivisto in Lundholm 4 e Reynolds e Haubensak 14), suggerendo che altri tipi di di eterogeneità, come quelli derivanti da una valutazione pianta-terreno, devono essere esaminati.Questo metodo di manipolazione eterogeneità del terreno vegetale indotta indica meccanismi specifici con cui coesistenza può essere agevolato in ambienti omogenei. Ad esempio, se le piante residenti hanno germinazione minore o maggiore mortalità in terreni omogenei, come è stato trovato per alcune specie (Figura 3), allora questi ambienti più omogenea può essere più invasible, in contrasto con le previsioni della teoria tradizionali. Inoltre, le previsioni di coesistenza per ogni coppia di specie in terreni eterogenei possono essere calcolati 7 utilizzando specie risposte ad ogni tipo di patch terreno all'interno del trattamento eterogeneo, consentendo ai ricercatori di determinare per quali specie potrebbero aspettare l'eterogeneità del terreno vegetale indotto per facilitare la coesistenza 10.

Figura 5
Figura 5. Panoramica concettualedel valore di affrontare l'eterogeneità del terreno vegetale-indotta. (a) concettualizzazione tradizionale dell'influenza di eterogeneità sulla coesistenza e assemblea comunitaria si è concentrata sugli effetti di eterogeneità estrinseco alla composizione della comunità (ad esempio topologia paesaggio) su assemblea comunitaria. (B) I nuovi metodi proposti qui includono gli effetti delle piante sul suolo eterogeneità guidati da feedback pianta-suolo, dove le piante influenzano il biota, la chimica, o la struttura del suolo in un modo che influenza la successiva prestazioni dell'impianto in quel terreno. Questa prospettiva riconosce che l'eterogeneità intrinseca alla composizione della comunità, includendo sia gli effetti biotici e abiotici, influenza anche il montaggio.

Manipolare eterogeneità che è intrinseca alla comunità permette rigorosi test del potenziale di coesistenza dipendente dalla frequenza che potrebbe derivare da una valutazione biotiche, come il PLAfeedback nt-suolo, e integra la nostra comprensione di questo meccanismo con la maggior corpo della teoria coesistenza 9. Poiché questo tipo di eterogeneità è dinamica nel tempo, la sua influenza sul gruppo comunitario dipenderà dalla lunghezza del tempo necessario per una valutazione pianta-suolo per sviluppare e la lunghezza della pianta-suolo effetti risposte legacy in comunità. Pertanto, sono necessari ulteriori lavori empirici sulla scala temporale su cui questi effetti si sviluppano e si degradano. Le applicazioni future che potrebbero emergere da questo lavoro così sono informato nuova teoria che incorpora eterogeneità guidato da processi intrinseci di feedback (ad esempio Fukami e Nakajima 20) ed ulteriori prove empiriche del ruolo di questi processi intrinseci in assembly (ad es Brandt et al. 10).

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Acknowledgments

Ringraziamo Squire Valleevue e la Valle Ridge Farms della Case Western Reserve University, tra cui A. Locci, C. Bond, e A. Alldridge, aiuto che istituisce la giardino comune. J. Ganci, L. Huffman, L. Gonzales, SC Leahy, B. Ochocki, A. Ubiles, C. Yu, X. Zhao, e NM Zimmerman hanno fornito assistenza campo. AJB e Johannesburg sono stati finanziati da fondi di avvio da CWRU a JHBGAD stato supportato da una Programmi estivi in ​​concessione Undergraduate Research di CWRU finanziati dal Howard Hughes Medical Institute. Questo lavoro è stato supportato anche da finanziamenti della National Science Foundation di Johannesburg (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.

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References

  1. Agrawal, A. A., et al. Filling key gaps in population and community ecology. Front. Ecol. Environ. 5, 145-152 (2007).
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  9. Bever, J. D., et al. Rooting theories of plant community ecology in microbial interactions. Trends. Ecol. Evol. 25, 468-478 (2010).
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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).

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