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Versuchsprotokoll für die Manipulation von Plant-induzierte Bodenheterogenität

doi: 10.3791/51580 Published: March 13, 2014

Summary

Das Verständnis der Rolle von Umwelt Heterogenität in der Art Koexistenz ist in der Regel auf Arten von Heterogenität, die äußerlich der Gemeinde Artenzusammensetzung sind konzentriert. Wir bieten neue Methoden für die Erstellung detaillierter Bodenheterogenität Behandlungen mit Böden unterliegen Pflanze-Boden Feedback Anlage, oder intrinsische Heterogenität der Community Komposition.

Abstract

Koexistenz Theorie oft Umwelt Heterogenität behandelt, als unabhängig von der Zusammensetzung der Gemeinschaft, jedoch biotischen erteilen, wie Pflanze-Boden erteilen (PSF) haben große Auswirkungen auf die Leistung der Anlage und erstellen Umwelt Heterogenität, die auf die Gemeinde Zusammensetzung abhängt. Verständnis der Bedeutung der PSF für Pflanzengemeindeversammlung erfordert Verständnis der Rolle von Heterogenität in der PSF, die neben PSF Wirkungen bedeuten. Hier beschreiben wir ein Protokoll für die Manipulation von Pflanzen-induzierte Bodenheterogenität. Zwei Beispiel-Experimente werden vorgestellt: (1) ein Feldversuch mit einem 6-Patch Raster von Böden Bevölkerung Antworten Anlage messen und (2) ein Gewächshausversuch mit 2-Patch Böden zu einzelnen Pflanzenantworten zu messen. Böden können aus der Zone der Wurzel Einfluss (Böden aus der Rhizosphäre und direkt neben der Rhizosphäre) von Pflanzen auf dem Feld von Artgenossen und heteroPflanzenArten gesammelt werden. Replizieren sammelnIonen werden verwendet, um zu vermeiden pseudoreplicating Bodenproben. Diese Böden werden dann in separate Patches für heterogene Behandlungen oder Misch für eine homogenisierte Behandlung gelegt. Es sollte darauf geachtet werden, dass heterogene und homogenisiert Behandlungen erfahren den gleichen Grad der Störung des Bodens. Pflanzen können dann in diesen Bodenbehandlungen platziert werden, um die Wirkung von Pflanzen-induzierte Bodenheterogenität auf die Anlagenleistung zu bestimmen. Wir zeigen, dass Pflanzen-induzierte Heterogenität führt zu unterschiedlichen Ergebnissen als durch traditionelle Koexistenz Modellen vorhergesagt, vielleicht, weil der dynamischen Natur dieser Rückmeldungen. Theorie, die Umwelt Heterogenität durch die Montage Gemeinschaft und zusätzliche empirische Arbeit beeinflusst integriert ist notwendig, um festzustellen, wann intrinsische Heterogenität zu der Montage Gemeinschaft wird in verschiedenen Montage Ergebnisse im Vergleich mit Heterogenität äußerlich Zusammensetzung der Gemeinde führen.

Introduction

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Eines der primären Ziele der Gemeinschaftsökologie ist, zu erklären und vorherzusagen, die Prozesse, die die Gemeindeversammlung. Allerdings sind Pflanzengemeinschaften häufig vielfältiger als von Koexistenz-Theorie ein vorhergesagt, und die Wiederherstellung Ökologen müssen, um die Koexistenz Mechanismen zu verstehen, zu diversen einheimischen Gemeinden 2 erfolgreich wiederherstellen. Umwelt Heterogenität ist ein wichtiger Mechanismus, theoretisch, die helfen, erklären, ein hohes Maß an Gemeinschaft Vielfalt, sondern experimentelle Manipulationen von Heterogenität sind selten 3 und konzentrieren sich auf abiotische Heterogenität (z. B. Lundholm 4 Bewertung). Theorie, die Heterogenität besteht typischerweise davon aus, dass Heterogenität ist äußerlich der Montage-Community. Extrinsische Heterogenität wird durch Faktoren wie Landschaftstypologie, die unabhängig von der Zusammensetzung der Gemeinschaft sind geregelt. Extrinsische Heterogenität in Koexistenz durch Nischen Partitionierung (Revie führenin Melbourne et al. 3, zB Pacala und Tilman 5 und Chesson 6) heiraten. Allerdings kann viel von der Umwelt Heterogenität relevanten Pflanzengemeinschaften Eigen an die Gemeinde sein, die Entwicklung, wie die Community versammelt und je nach der Identität der Arten in der Gemeinde. Eigen Heterogenität kann durch biotische erteilen, die Koexistenz durch negative Frequenz-Abhängigkeit (zB Bever et al. 7) führen kann. Hier beschreiben wir eine neuartige Methode zur Manipulation von Pflanzen-induzierte Bodenheterogenität, eine Art von Bodenheterogenität, die untrennbar mit der Gemeinde ist und entsteht aus Pflanze-Boden erteilen.

Plant-Boden erteilen (PSF) auftreten, wenn die Pflanzen beeinflussen die Bodenstruktur, Chemie, oder Biota in einer Weise, die nachfolgende Anlagenleistung in diesem Boden wirkt, und PSF haben große Auswirkungen auf die mittlere Anlagenleistung im nativen Pflanzengemeinschaften 8. Studium der PSF haben in der Regel entweder gesammelt Böden aus dem Feld oder klimatisierte Böden experimentell, dann fragte, wie Pflanzen führen in Bezug auf Artgenossen Boden hetero oder sterilisierter Erde 9. Wenn die Pflanzen eine bessere Leistung in Bezug auf Artgenossen Boden Böden verweisen, dann PSF sind positiv, während bei Pflanzen besser in Referenzböden sind PSF negativ. Gegenseitige negativen PSF können frequenzabhängige Koexistenz zwischen 7 Arten führen. Während die Durchschnittswirkungen von PSF sind gut charakterisierte 8 sind die Wirkungen der räumlichen Heterogenität PSF 10 schlecht verstanden.

Da PSF auftreten auf der Skala der einzelnen Anlagen 7 und weil Pflanzen sind oft nicht zufällig in Raum und Zeit verteilt sind PSF wahrscheinlich zu Boden Heterogenität, die wir als Anlage-induzierte Bodenheterogenität führen. Im Gegensatz zu vielen anderen Formen der Heterogenität (z. B. Landschaft Topologie), diese heterogeneity ist untrennbar mit der Montage Gemeinschaft und kann somit beeinflussen Gemeindeversammlung mehr anders, als extrinsische Formen der Heterogenität. Um den Einfluss dieser Form der Heterogenität auf die Anlagenleistung und des Zusammenlebens zu verstehen, müssen wir experimentelle Methoden, die Anlage-induzierte Bodenheterogenität zu manipulieren. Hier zeigen wir, wie eine Methode, die Böden von zwei Arten konditioniert, um eine heterogene Behandlung mit getrennten Flecken aus zwei Boden Ursprung und eine homogene Behandlung, die eine Mischung aus den beiden Boden Ursprünge schaffen verwendet. Diese Bodenmisch könnte zumindest zwei plausible Szenarien im Bereich darstellen: (1) Störung (zB Nager, Landwirtschaft), die Böden unterschiedlicher Herkunft oder (2) Pflanzen der beiden Arten wachsen in der Nähe, mischt, so dass ihre Zonen der Wurzel Einfluss vermischen und homogenisieren.

Wir präsentieren zwei Experimente, die beispielsweise Anlage-induzierte Bodenheterogenität nutzen, um wichtige Fragen zu verschiedenen leve beantwortenls der ökologischen Organisation: (1) Sie Pflanzenpopulationen reagieren zu pflanzen-induzierte Bodenheterogenität? und (2) Sie einzelne Pflanzen reagieren auf Anlage-induzierte Bodenheterogenität? Wir beschreiben einen Feldversuch mit 6 Boden-Patches, die erste Frage und ein Gewächshaus-Experiment-Adresse mit 2 Boden-Patches, um die zweite Frage zu beantworten. Quantifizierung sowohl Bevölkerung und einzelne Pflanzen Antworten auf Bodenheterogenität ist wichtig, um zu verstehen, wie Heterogenität Einflüsse Gemeindeversammlung.

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Protocol

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1. Sammeln Feld Böden auf heterogene und homogene Boden Behandlungen Produzieren

  1. Identifizieren Sie zwei cooccurring Pflanzenarten in ähnlichen Lebensräumen und Bodentypen für Studium (z. B. Abbildung 1a). Bestimmen Menge Erde benötigt, basierend auf Bodenflächengröße im Experiment (z. B. ein Drittel bis die Hälfte der Primärwurzelzone der Brenn Arten ", oder das Volumen durch den Wurzelballen umgeben) und der Anzahl der Patches für das Experiment benötigten verwenden (siehe Protokoll Nr. 2 und 3, unten).
    1. Für Rumex spp. (Abbildung 1a), verwenden Sie Patches Boden von 10 cm x 10 cm x 18 cm (Länge x Breite x Tiefe) für ungefähre Wurzelzone von 10 cm Radius von der Basis von Pflanzen zu 18 cm Tiefe (5.655 cm 3 Erde von dieser definierten Zone Wurzel Einfluss für eine einzelne Anlage 3 ergibt Boden Patches von 1.800 cm 3).
  2. Survey Website zu erwachsenen Individuen der beiden Schwer Arten zu finden. Vermeiden Sie Personen, deren root Zone wahrscheinlich Überschneidungen mit anderen Brenn Arten (z. B. Rumex Individuen innerhalb von 0,25 m der anderen Spezies liegt). Markieren Sie die Anzahl der Personen benötigt, um die erforderliche Menge des Bodens mit Stift Fahnen zu erhalten.
    1. Mark 20 zufällig ausgewählte Individuen jeder Rumex spp. 20 Versuchseinheiten (2 x 2 Arten Bodenbehandlungen x 5 Wiederholungen), die jeweils 3 erfordern Boden Patches aus jeder Brenn Arten (wie in Protokoll Nr. 2, unten).
  3. Sterilisieren Schmutzsammelgeräte (Schaufeln, Handschuhe, Transportbehälter) mit einer etwa 1.10 Mischung von Bleichmittel (5-10% NaClO) und Wasser, um alle Schmutzpartikel zu entfernen. Chemische Ausrüstung vor Gebrauch zu bleichen Auswirkungen auf Bodenorganismen zu vermeiden. Beschriften Sie jedes Stück Ausrüstung mit Labor Band, um die Brenn Arten, deren Boden sie sammeln oder befördern, um Kreuzkontamination (zB Etikett eine Schaufel für Spezies A und eine zweite Schaufel für Arten, B) zu vermeiden anzuzeigen.
  4. Wetter-und Bodenverhältnisse prüfengen vor Beginn der Bodenerhebung für den letzten Niederschlagsereignisse. Vermeiden Sammeln Böden, die zu nass (schlammigen oder vollständig gesättigt) oder Sammeln Boden während eines Niederschlagsereignisses Bodenverdichtung zu minimieren. Vermeiden Sammeln Böden, die zu trocken sind (sehr hart und schwierig, eine Schaufel in einfügen), um bei der Trennung von Boden von den Wurzeln zu unterstützen.
  5. Sammeln Feldboden von markierten Individuen der beiden Arten in Brenn Replikat Chargen pseudoreplication (zB eine einzige Bodenprobe, die einen seltenen Erreger, die anschließend über experimentelle Wiederholungen gemischt) zu vermeiden.
    1. Graben Sie die komplette Wurzelzone einer einzelnen Spezies A mit der entsprechend markierten sterile Schaufel (wie in Schritt 1.1 definiert), zu entfernen sichtbar groben Wurzeln aus dem Boden mit den entsprechend markierten sterile Handschuhe, und legen Boden in den entsprechend markierten sterile Transportbehälter (zB Eimer). Bei einem Experiment mit vier Versuchseinheiten in jedem Block und 1 Einzelpflanze'S-Root-Zone, genügend Boden für 1 Versuchsgerät (wie in Abschnitt 1.2.1), wiederholen Sie diese Prozedur für 3 weitere Personen der Arten A.
    2. Wiederholen Sie Abschnitt 1.5.1 für Arten B.
    3. Transportieren Sie den Replikat-Boden-Kollektion von beiden Arten der experimentellen Seite. Platzieren Boden in Versuchseinheiten für Block 1 des Versuchs (in Protokoll 2 oder 3, unten), wobei ein Block eine Versuchseinheit aus jeder Behandlungskombination (dh jede Spezies x jede Bodenbehandlung).
    4. Wiederholen Sie Abschnitt 1.5.3.
    5. Wiederholen Abschnitte 1.5.1-1.5.4 für die verbleibenden Blöcke in dem Experiment. Sammeln Erde von Gruppen von Individuen mindestens 1 m entfernt von früheren Sammelplätze für jede Wiederholung Sammlung pseudoreplication minimieren.

Figur 1
Figure ein. Beispiel Feldversuchsdesign Manipulations Anlage-induzierte Bodenheterogenität. (A) Böden sind aus der Zone der Wurzel Einfluss von Artgenossen (α) und heterospecifics (β) auf dem Gebiet gesammelt, nach Standardprotokollen für die Untersuchung der Auswirkungen der Pflanze-Boden Feedbacks 9 . (B) Experimentelle Therapien mit heterogenen Böden von Böden aus pflanzlichen A (α Böden) zusammengesetzt und Böden aus pflanzlichen B ('β' Böden) werden in einem Raster angeordnet und homogenisiert Bodenbehandlungen mit einer gleichen Mischung von Böden aus diesen beiden Ursprünge erstellt . In diesem Beispiel sind Gitter aus Feldböden in Töpfe mit großem Durchmesser in den Boden versenkt eingesetzt und der Bereich um jeden Raster mit groben, sterilisiert Sand gefüllt. Diese Zahl wurde von Brandt et al. Modifiziert wurde 10

2. Ein Beispiel Feld Experiment, Erstellen von Grids von heterogenen und homogenen Boden zu Werk Bevölkerung messen Antworten

  1. Verwenden Böden aus einem Replikat Feldboden-Kollektion (Protokoll 1), um eine heterogene Behandlung (dh Wechselgitterzellen enthalten Arten A oder B Arten gesammelt Boden) und eine homogene Behandlung produzieren (dh jede Rasterzelle enthält ein 1:1-Gemisch von Erde aus Spezies A und B) (Fig. 1b) für Block 1 des Experiments in den folgenden Schritten.
    1. Sterilisieren Bodentransport (Kellen, Handschuhe, Kunststoffgitter) mit einer etwa 1.10 Mischung von Bleichmittel (5-10% NaClO) und Wasser, um alle Schmutzpartikel zu entfernen. Chemische Ausrüstung vor Gebrauch zu bleichen Auswirkungen auf Bodenorganismen zu vermeiden. Beschriften Sie jedes Stück Ausrüstung mit Labor Band, um die Brenn Arten, deren Boden sie behandeln, um eine Kreuzkontamination (zB ein Etikett Kelle für Spezies A und eine zweite Kelle für Arten, B) und die Kunststoffgitter zu vermeiden, um anzugeben, ob es verwendet werden soll zeigen für den heterogenen oder homogenen Bodenbehandlung.
    2. Zeigen abnehmbaren Kunststoff-Gitter inein Topf in die Erde [oder andere Handlung oder Container groß genug, um das Gitter aufnehmen], um mit dem Feld gefüllt werden gesammelt Boden eingesunken (zB 1.800 cm 3 / Gitterzelle wie in Schritt 1.1.1). Verwenden Sie eine benutzerdefinierte gebauten Netz der gewünschten Abmessungen, z. B. ein 2 x 3 Gitter mit 6 Zellen von der Größe in Schritt 1.1 bestimmt (Abbildung 1b).
      1. Für die Behandlung von Wechsel heterogenen Boden Patch Typen, Ort spadefuls Boden von Spezies A in Gitterzellen für α Boden und Böden von Spezies B in Zellen für β Boden (Abb. 1b).
      2. Für die homogene Behandlung, legen abwechselnd spadefuls von Böden a und b in jede Rasterzelle, wobei darauf zu verteilen die beiden Bodentypen und vermeiden die Bildung von Schichten jeder Bodentyp (Abbildung 1b). Für das Beispiel Boden Patch von 1.800 cm 3 (Abschnitt 1.1.1), legen 900 cm 3 einer jeden Bodentyp in jeder Gitterzelle.
      3. Sei sure, um gleiche Mengen von Störungen erzeugen (dh Boden brechen Schollen im gleichen Maße) bei der Erstellung von heterogenen und homogenen Bodenbehandlungen zu vermeiden, verwirrende Bodenstörung mit Bodenheterogenität.
    3. Wenn eine leere Fläche bleibt um die Außenseite des Gitters im großen Topf (wie in Abbildung 1b) verwendet, füllen Sie diesen Bereich mit sterilem Sand. Sterilisieren Sand mit jedem Standard-Verfahren (z. B. Autoklavieren, Gamma-Bestrahlung).
    4. Heben Sie die Kunststoffgitter vertikal aus dem Topf, so dass die Boden Patches intakt. Dies ermöglicht Wurzeln von verschiedenen Individuen in den Boden und jeder Pflanze interagieren, um mehrere Patches, die für so Pflanzenwurzeln in mehrere Boden-Patches (dh Gitterzellen) wachsen, ist zu erfahren.
    5. Wiederholen Sie den Abschnitten 2.1.2-2.1.4 für ein zweites Paar von experimentellen Einheiten, um eine komplette Versuchsblock (dh ein Netz von heterogenen Boden, in die um jeden BAZL pflanzen produzierenl Spezies und ein Raster von homogenen Boden in denen jedes Brennpflanzenspezies, für insgesamt 4 Versuchseinheiten).
  2. Wiederholen Sie Schritt 2.1 für verbleibenden Blöcke in dem Experiment mit dem restlichen Boden replizieren Sammlungen (Protokoll 1). Randomize Blöcke und Grundstücke innerhalb der Blöcke, in der gesamten Versuchsfläche mit Stoff Landschaft rund um die Grundstücke, wenn gewünscht, Beschattung von außen Vegetation auf einem Minimum zu halten (nicht gezeigt).
  3. Pflanzensamen von Fokusarten in jede Rasterzelle von jeder experimentellen Topf (2 x 2 Schwer Arten Bodenbehandlungen). Verwenden gepoolten Samen Störfaktoren Anlage Genotypen oder Samen-Oberfläche mikrobieller Gemeinschaften mit den Bodenbehandlungen zu vermeiden. Zum Beispiel, Pflanzensamen jeder Rumex spp. in den Topf für diese Spezies (Abbildung 1a) individuell auf Kunststoff-Zahnstocher mit wasserlöslichen Leim in 12 Pflanz Positionen (2 Positionen pro Rasterzelle) geklebt, die gepflanzt Personen eindeutig zu identifizieren.
  4. Messen Bevölkerung responses der experimentellen Einheiten, wie Keimung und Überleben, durch eine regelmäßige Zählung der einzelnen markierten Stellen Pflanzsamen (z. B. mit Zahnstochern wie in Schritt 2.3). Minimieren Störung des Bodens für jede Antwort gemessen, um zu vermeiden, Misch Boden unter den Patches.
    1. Bestimmen Sie die entsprechenden Volkszählung Intervallen basierend auf der erwarteten Wachstumsrate der Bevölkerung Antworten für den Schwerpunktarten. Zum Beispiel führen wöchentliche Zählungen für Rumex spp. die schnell keimen können.
    2. Weiter das Experiment für einen angemessenen Zeitraum, basierend auf der Lebensgeschichte der Schwer Arten. Zum Beispiel weiterhin das Experiment für mindestens 2 Jahre für kurzlebige Staude Rumex spp. um Daten über alle Lebensphasen zu erhalten.

3. Ein Beispiel Greenhouse Experiment, mit heterogenen und homogenisiert Boden in Töpfe zu einzelnen Pflanzen Antworten Messen

  1. Verwenden Böden aus einem Replikat Feldboden-Kollektion (Protokoll 1)eine heterogene Behandlung (dh jede Hälfte einen Topf mit von Spezies A und Spezies B gesammelt Erde gefüllt) und eine homogene Behandlung (dh Topf enthält eine 1:1-Mischung von Erde von Spezies A und B) (Fig. 2a) für den Block zu erzeugen 1 des Experiments in den folgenden Schritten.
    1. In der Transportbehälter (zB Eimer) und vor dem Vergießen, mischen das Feld gesammelt Erde von jeder Spezies mit sterilem Sand, um ein 1:1-Gemisch zu erzeugen. Tun Sie dies, um die Bodenverdichtung zu verringern und zu verbessern Entwässerung in den Töpfen, die besonders hilfreich für Wasch Wurzeln ist, die Trennung der Wurzeln aus dem Boden zu erleichtern. Sterilisieren Sand mit jedem Standard-Verfahren (z. B. Autoklavieren, Gamma-Bestrahlung).
    2. Achten Sie darauf, gleiche Mengen von Störungen erzeugen (dh Boden brechen Schollen im gleichen Maße) beim Mischen jeder Charge der Ackerboden mit Sand.
  2. Sterilisieren Bodentransport (Kellen, Handschuhe, Plastikfolie) mit einer aprund 1.10 Mischung von Bleichmittel (5-10% NaClO) und Wasser, um alle Schmutzpartikel zu entfernen. Chemische Ausrüstung vor Gebrauch zu bleichen Auswirkungen auf Bodenorganismen zu vermeiden. Beschriften Sie jedes Stück Ausrüstung mit Labor Band, um die Brenn Arten, deren Boden sie behandeln, um eine Kreuzkontamination (zB ein Etikett Kelle für Spezies A und eine zweite Kelle für Arten, B) und jede Seite eines steifen Kunststofffolie vermeiden, um anzuzeigen, geben Sie die Bodentyp auf jeder Seite davon in der heterogenen Bodenbehandlung vergossen werden.
  3. Erstellen einer heterogenen Bodenbehandlung mit den Feldboden-Sand-Mischungen aus den beiden Schwer Arten (aus Abschnitt 3.1.1).
    1. Legen Sie die steife Kunststoffplatte in der Mitte des einen Topf, um es in die Hälfte (Abbildung 2a) aufteilen. Verwenden Sie einen Topf so bemessen, dass die Hälfte davon entspricht in Lautstärke auf die geeignete Bodenflächengröße (Schritt 1.1). Verwenden Sie beispielsweise einen Topf mit 15 cm Durchmesser und 18 cm Tiefe für die Rumex spp. in Fig. 1a (Gesamtvolumen3.181 cm 3).
    2. Haben zwei Forscher fügen gleichzeitig das Feld gesammelt Erde von jeder Spezies auf die entsprechende Seite des Topfes (z. B. α Boden von Spezies A) mit entsprechend markierten Kellen, um die Seiten zu halten, selbst als der Topf gefüllt ist.
    3. Entfernen Sie die Plastikteiler vertikal heben Sie sie aus dem Boden, so dass die Boden Patches intakt. Dies ermöglicht es den Pflanzen, beide Patches von Boden in einem Topf, die für die Pflanzen erfahren, um Heterogenität zu erleben.
    4. Wiederholen Sie den Abschnitten 3.3.1-3.3.3 für 3 zusätzliche experimentelle Einheiten zu einem kompletten Block der heterogenen Bodenbehandlung produzieren (2 x 2 Arten Boden Patch-Typen in der heterogenen Behandlung, Abbildung 2).
  4. Erstellen Sie eine homogene Bodenbehandlung mit den Feldboden-Sand-Mischungen aus den beiden Schwer Arten (aus Abschnitt 3.1.1).
    1. Wiederholen Sie Abschnitt 3.3.1. Haben zwei Forscher fügen hinzu, gleichzeitig sowohl α und β Böden sowohlSeiten des Topfes mit entsprechend markierten Kellen, gleichmäßige Verteilung beide Bodenarten in jedem Patch und die Schaffung von Schichten zu vermeiden. Wiederholen Sie Abschnitt 3.3.3.
    2. Wiederholen Sie Abschnitt 3.4.1 für eine zweite Versuchseinheit, um eine komplette Block des homogenen Bodenbehandlung (ein Topf für jede der zwei Schwer Arten) zu produzieren.
  5. Wiederholen Sie die Schritte für 3,2-3,4 verbleibenden Blöcke in dem Experiment mit dem restlichen Boden replizieren Sammlungen (Protokoll 1). Randomize Blöcke und Grundstücke innerhalb der Blöcke, über die Gewächshausbank.

Figur 2
2. Beispiel Treibhaus experimentellen Design Manipulations Anlage-induzierte Bodenheterogenität. (A) Böden aus der Zone der Wurzel Einfluss der Spezies A (α Böden) und Arten B (β Böden) in das Feld Ort gesammelt werden, sindd in jeder Hälfte einen Topf (heterogene Behandlung) oder im ganzen Topf (homogene Behandlung) gemischt. (B) Pflanzen der Spezies A werden dann in dem Experiment in jeder Boden Patch-Typ in dem heterogenen Behandlung und auf einer Seite des homogenen Behandlung gepflanzt. Hier wird nur eine Spezies (A) in diesen Entwurf gepflanzt gezeigt. Ein voll gegenseitige Design würde auch Pflanzen der zweiten Fokusarten (B) in jede Bodenbehandlung und Patch-Typ innerhalb der heterogenen Behandlung gepflanzt.

  1. Pflanzenkeimlingen der Brennarten A und B in jeden Boden Patch-Typ in einem faktoriellen Design (2 x 3 Arten Bodentypen Patch [α Boden, β Boden, und eine homogene Mischung von α-und β Boden]; Abbildung 2b).
  2. Messen Sie keine einzelnen Pflanzen Antworten, die Leistung der Anlage, zum Beispiel auf Pflanzengröße, Biomasse-Produktion oder funktionale Merkmale. Entsprechende Eigenschaften zu messen, wird über die Schwer Arten und wissenschaftlichen Fragen der abhängigInteresse.
    1. Weiter das Experiment, bis die Pflanzen erscheinen groß in Bezug auf Boden-Patches (zB ca. 1,5 x die Breite des Bodens Patch für Rosette bildenden Stauden), um sicherzustellen, dass die Pflanzenwurzeln in beide Patches Boden wächst. Versuchsdauer hängt somit von der Wachstumsrate der Brenn Spezies abhängen.
    2. Ernte-Pflanzen und / oder Maßnahme Antworten vor Pflanzen werden Topf-gebundenen (dh Wurzelwachstum wird durch die Grenzen der Topf und Wurzeln Kreis der Boden des Topfes begrenzt), wenn realistische Antworten auf die Erde unsere Umwelt. Zum Beispiel sind Wurzeln der Topf gebundenen Pflanzen wahrscheinlich während der Bodensäule in einer ähnlichen Weise zu Pflanzen in der Feldfutter.

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Representative Results

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Arten reagierten auf pflanzen-induzierte Bodenheterogenität in vielfältiger Weise bei der Bevölkerung und der individuellen Ebene (Abbildungen 3 und 4), mit Folgen für die Gemeindeversammlung. Um festzustellen, ob Pflanzenpopulationen reagieren auf Pflanzen-induzierte Bodenheterogenität wurde ein Feldversuch in Protokoll 2 mit drei Paaren von artverwandte Spezies etabliert. Pflanzenpopulationen wurden drei Monate lang wöchentlich censused und der Gesamtanteil der gepflanzten Samen, die keimten und der Gesamtanteil dieser Sämlinge, die in der ersten Wachstumsperiode starben (Sterblichkeit darstellt, wo die Umkehrung der Überlebensrate) berechnet (Fig. 3). Wir fanden signifikante Pflanzenpopulation Antworten auf Anlage-induzierte Bodenheterogenität, was darauf hindeutet, dass dieser Versuch der Manipulation Heterogenität, die Pflanzenpopulationen beeinflusst erfolgreich war. Einige Arten zeigten nichtadditive Mischreaktionen zu Boden, so dass das in der Reaktion beobachtethomogene Behandlung (αβ Boden Patches) war nicht ein Zwischen Reaktion auf den beiden Bodentypen, die gemischt wurden, dass die Behandlung (α oder Artgenossen, Boden-Patches und β oder Kongeners, Boden-Patches) zu erstellen. Zum Beispiel hatte Solanum carolinense unteren Keimung und Rumex crispus hatten größere Sterblichkeit in einer homogenisierten Mischung von Artgenossen und Kongeners der Böden als in den beiden Boden geben allein (Abbildung 3) 10. Diese Ergebnisse liefern mögliche Mechanismen, durch die homogene Boden-Umgebungen könnte Koexistenz, wo reduziert Keimung oder erhöhte Sterblichkeit einer Art konnte offenen Patches für andere Tierarten zu besiedeln Leistungsverkehr.

Fig. 3
3. Beispiel ergibt sich aus einem Feldversuch mit heterogenen und homogenen Böden. ( (b) Anteil Mortalität von 3 Paar artverwandte Spezies in Flecken von Artgenossen Boden, Kongeners Boden oder eine homogene Mischung der beiden Bodenarten gepflanzt. Einige Arten reagierten auf Bodenmisch in einer Art und Weise nicht additiv, zum Beispiel, hatte Rumex crispus größere Sterblichkeit in der homogenen Behandlung als in den beiden Artgenossen oder Kongeners (R. obtusifolius) Boden-Patches in heterogenen Behandlung. PLALAN = Plantago lanceolata, PLAMAJ = P. Dur, RUMCRI = R. crispus, RUMOBT = R. obtusifolius, Solcar = Solanum carolinense und SOLDUL = S. dulcamara. * P <0,05 aus orthogonalen Kontraste von homogenen vs ungemischten Boden und gegen Artgenossen Kongeners Boden innerhalb der einzelnen Arten in einem gemischten Effects-Modell mit einer binomischen Fehlerverteilung in der R 11 Statistische Umwelt. Mittlere Proportionen dargestellt (Gesamtzahl geteilt durch die Gesamtprobe,Konsistenz mit statistischen Methoden 12). Diese Zahl wurde von Brandt et al. 10 Siehe Brandt et al. Zur detaillierten Analyse 10 Methoden modifiziert wurden.

Um festzustellen, ob einzelne Pflanzen auf Anlage-induzierte Bodenheterogenität wurde ein Gewächshausversuch wie in Protokoll Nr. 3 über zwei Paare von gleichartigen Spezies etabliert. Weil wir erwartet Pflanzen in den Boden Patch-Typ, in dem sie neben den Topf-Level-Bodenheterogenität gewachsen zu reagieren, wurden die Keimlinge in jedem Patch-Typ innerhalb der heterogenen Behandlung (wie in Abbildung 2b) gepflanzt. Die Pflanzen wurden für 2 Monate gezüchtet und anschließend geerntet, um die Leistung (Gesamtbiomasse) und funktionellen Merkmale (einschließlich der spezifischen Blattfläche (SLA), wie in Fig. 4 gezeigt) zu messen. Bedeutende Anlage Antworten auf Bodenheterogenität wurden beobachtet, was darauf hindeutet, dass dieses Experiment in Form der Manipulation einer heterogenen Boden erfolgreich war genität, die Anlagen-Performance beeinflusst. Wir beobachteten eine nicht additiv Reaktion auf Bodenmischen, in der Art tendenziell niedriger SLA, oder dickere Blätter haben, in einer homogenisierten Mischung von Artgenossen und Kongeners der Boden als in den beiden Boden geben allein (p ​​= 0,031 von einer orthogonalen Kontrast von homogenen vs ungemischten Boden in einem gemischten Modell mit Wirkung pflanzlicher Biomasse als Kovariate und Block als Zufallseffekt, Abbildung 4). Spezifische Blattfläche war auch niedriger im Vergleich zu Artgenossen Kongeners Boden Patches (P = 0,004 von einer orthogonalen Kontrast Boden Patch-Typen in der heterogenen Bodenbehandlung, Abbildung 4). Diese Ergebnisse legen nahe, dass Pflanzenressourcenakquisitionsstrategien reagieren zu pflanzen-induzierte Bodenheterogenität, die Auswirkungen auf die Wirkung einer solchen Heterogenität auf das Pflanzenwachstum, Fruchtbarkeit und Interaktionen zwischen den Arten hat.

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4. Beispiel ergibt sich aus einem Gewächshausversuch mit heterogenen und homogenen Böden. Spezifische Blattfläche (SLA), berechnet als Blattfläche geteilt durch Trockenmasse von 2 Paar artverwandte Spezies in Flecken von Artgenossen Boden, Kongeners Boden oder einem homogenen Gemisch aus der gewachsene zwei Bodentypen. Insgesamt reagierten Arten Bodenmischen in einem nicht additiv Weise, in der SLA war in der homogenen Behandlung als in den beiden Artgenossen oder Kongeners Boden Patches in heterogenen Behandlung. Mittlere Merkmale ± 1 SE. PLALAN = Plantago lanceolata, PLAMAJ = P. Dur, RUMCRI = R. crispus, RUMOBT = R. obtusifolius.

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Discussion

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Plant-induzierte Bodenheterogenität ist sehr wahrscheinlich in natürlichen Gemeinschaften, weil Pflanzen haben große und oft Spezies-spezifische Auswirkungen auf ihre Umwelt und Boden die nachfolgenden Pflanzen, die diesen Boden (zB Petermann et al. 13) zu erleben. Allerdings ist unser Verständnis der Rolle dieser Art von Heterogenität auf Pflanzengemeinschaften minimal 10,14. Hier stellen wir ein Verfahren zum Manipulieren von Pflanzen induziert Bodenheterogenität, mit Boden unterschiedlicher Herkunft (dh Zonen Wurzel Einfluss verschiedener Arten) im Feld. Die kritischen Schritte im Protokoll, um verwirrende Werk-induzierte Bodenheterogenität mit anderen Variablen, die Anlage Antworten beeinflussen könnten, sind: (1) Vermeidung pseudoreplication von Bodenproben aus dem Feld gesammelt und in experimentellen Einheiten platziert und (2) die Höhe der Ausgleichsbodenstörung für Feldböden in heterogene und homogene Bodenbehandlungen gegeben. Pseudoreplication of Bodenproben könnte auftreten, wenn heterogene und homogene Behandlungen erhalten aus verschiedenen Einzelanlagen oder Sammelstellen in den Bereichen, die durch das Sammeln von Boden in Replikat Chargen aus gut verteilte Standorte (Schritt 1.5) vermieden werden können gesammelt Boden. Pseudoreplication können die Ergebnisse der Studie beeinflussen, wenn zum Beispiel tritt ein seltener Erreger in der Wurzelzone einer Pflanze auf dem Feld und Erde, die Pflanze ist nur in einer der beiden Bodenbehandlungen gegeben. Zusätzlich kann Sammelstellen im Bereich der Verwaltung, Vegetationsgeschichte oder Erdreich Eigenschaften unterscheiden, und so den Boden aus jeder Sammel Standort sollte in beiden experimentellen Behandlungen verwendet werden, Randomisierung über potenzielle Störfaktoren. Störung Feldböden (dh von Boden Schollen brechen) erhöht die Bodenverdichtung und die Interpretation der Ergebnisse beeinflussen. Zum Beispiel, wenn die homogene Bodenbehandlung erhält größere Störung als die heterogene Behandlung, dann die WirkungHeterogenität des Bodens würde ein Effekt der Bodenstörung sein. Leser sollten auch die statistische Aussagekraft prüfen, in ihrem Design der Experimente, die den gesamten Betrag des Bodens erforderlich ist (Schritt 1.1) und die Anzahl der Individuen jeder Art, von der Brenn den Boden im Bereich (Schritt 1.2) sammeln beeinflussen würden. Vorläufige Experimente können verwendet werden, um die Effektgröße und Varianz erwartet, zu bestimmen, und diese Information könnte dann verwendet werden, um ein Experiment mit ausreichender Replikations 15 zu entwerfen.

Dieses Protokoll kann leicht modifiziert werden, um andere Methoden zur Untersuchung von Pflanze-Boden erteilen (zB durch Verwendung Böden im Gewächshaus 16 Anlage) und alternative experimentelle Designs (z. B. verschiedene räumlichen oder zeitlichen Skalen, interspezifische Konkurrenz 17) unterzubringen. Weitere Experimente könnten auch alternative Brennarten. Die Auswahl der Schwer Art hat Auswirkungen für die Studie der Logistik undInterpretation der Ergebnisse, vor allem aber sollte getan werden, um Fragen von Interesse für den Prüfer am besten anzugehen. Wir zeigen Repräsentative Ergebnisse für die eng verwandten Paaren von Arten, die uns zu einem gewissen Grad für Wachstum Form 18 und ein Effekt der Phylogenie auf Pflanze-Boden Feedback-Reaktionen (z. B. Burns und Strauss 19) zu steuern erlaubt. Die Größe der Fokusarten bestimmt das Ausmaß der Boden-Patches verwendet, und ihre Lebensgeschichte kann die Dauer des Experiments beeinflussen. Zwei Schwer Arten von unterschiedlicher Größe vielleicht anders auf der gleichen Skala von Pflanzen-induzierte Bodenheterogenität reagieren, wenn die kleineren Arten können nicht über verschiedene Boden Patch Typen zu integrieren, um den gleichen Grad wie die größeren Arten (zB die kleineren Arten "Root-Zone ist auf eine eingeschränkte Einzel Boden Patch). Zusätzlich mit Arten mit einer klonalen Wachstumsform ist wahrscheinlich unterschiedliche Reaktionen auf Bodenheterogenität als Arten, die ausschließlich aus Samen vermehren zu produzieren (wie reviin Reynolds und Haubensak ewed 14).

Eine wichtige Einschränkung dieser Methode ist, dass die Mechanismen, die Antworten auf die Bodenheterogenität (zB abiotische Faktoren wie Bodenchemie, biotische Faktoren wie Bodenmikrobengemeinschaften) sind nicht ohne weitere Arbeit identifiziert. Zum Beispiel legen die Ergebnisse nahe, dass eine homogene Boden (dh Mischboden) in nicht additiv Auswirkungen sowohl auf die Bevölkerung und die einzelnen Pflanzen Ebene, wo die Pflanze Reaktionen in der homogenen Zwischenbehandlung in Bezug auf Antworten zu pflanzen in den beiden Bodentypen, die zusammengesetzt waren nicht die Folge Mischung. Bodenmisch könnte in natürlichen Gemeinschaften als Folge von Störungen, wie Nagetiere "Graben, oder als Folge von überlappenden Zonen der Wurzel Einfluss auftreten, wie Pflanzen verschiedener Arten einander in die Verwurzelung Zonen wachsen. Ein möglicher Mechanismus für diese Ergebnisse ist ein Effekt der Bodenorganismen, die nicht additiv Reaktion beitragen könntens, wenn Gemeinschaften von Bakterien, Pilzen oder anderen Organismen interagieren auf Bodenmischen, die Änderung der biotischen Zusammensetzung des Bodens und damit die Anlage Antworten auf diesem Boden. Abiotische Mechanismen könnten auch in nicht additiv Reaktionen führen, wenn funktionelle Pflanzen Antworten auf abiotische Treiber (zB Nährstoffgehalte) sind nichtlineare 20. Zusätzliche Experimente und Probenahmen sind daher notwendig, um die Treiber von Pflanzen Antworten auf diese Bodenbehandlungen zu identifizieren, die Auswirkungen auf ihre Anwendung auf natürlichen Gemeinschaften. Zum Beispiel könnte die Rolle des Bodens biotische Faktoren für Pflanzenantworten zu pflanzen-induzierte Bodenheterogenität unter Verwendung von Böden mit Schwer Spezies im Gewächsanlage verglichen mit sterilisiertem Boden, der eine negative Kontrolle für die Prüfung der Rolle von Bodenorganismen bereitzustellen getestet werden.

Wir zeigen signifikante Anlage Antworten auf Anlage-induzierte Bodenheterogenität, was darauf hindeutet, dass Pflanzen selbst, die Umwelt heterogenei beeinflussenty das wirkt Pflanzengemeinschaft Baugruppe (Abbildung 5). Heterogenität kann somit untrennbar mit der Gemeinde zusammengesetzt sein, im Gegensatz zu den eher extrinsische Arten von Heterogenität, dass Studien von Pflanzengemeindeversammlung haben häufiger als drei. Die hier vorgestellte neue Methode hat das Potenzial, widersprüchliche Vorhersagen aus der Theorie und die Ergebnisse aus Experimenten über die Beziehung zwischen Umwelt Heterogenität und Koexistenz Arten oder 4,14 Vielfalt in Einklang zu bringen. Theorie sagt voraus, dass Umwelt Heterogenität führt zu einer erhöhten Artenvielfalt (in Melbourne et al. 3 prüft), haben jedoch vorherigen Experimenten direkte Manipulation Bodennährstoff Heterogenität oft den gegenteiligen Trend (in Lundholm 4 und Reynolds und Haubensak 14 überprüft), was darauf hindeutet, dass andere Arten Heterogenität, wie die von Pflanze-Boden erteilen ergeben, sollte geprüft werden.Diese Methode der Manipulation von Pflanzen-induzierte Bodenheterogenität zeigt spezifische Mechanismen, durch die Koexistenz kann in homogenen Umgebungen erleichtert werden. Zum Beispiel, wenn ansässigen Pflanzen haben geringere Keimung oder höhere Sterblichkeit in homogenen Böden, wie es für einige Arten gefunden (Bild 3), so sind diese homogener Umgebungen kann mehr invasible Widerspruch zu den Vorhersagen der traditionellen Theorie. Ferner kann die Koexistenz Vorhersagen für jede Spezies Paar in heterogenen Böden mit Arten Antworten auf jede Boden Patch-Typ innerhalb der heterogenen Behandlung, so dass die Forscher bestimmen, für welche Arten sie vielleicht erwarten Anlage-induzierte Bodenheterogenität, um die Koexistenz 10 zu erleichtern. 7 berechnet werden

Figur 5
5. Konzeptübersichtdes Wertes der Adressierung Anlage-induzierte Bodenheterogenität. (a) Traditionelle Konzeptualisierung des Einflusses von Heterogenität auf Koexistenz und Gemeindeversammlung hat über die Wirkung von Heterogenität extrinsische an die Gemeinde Zusammensetzung (z. B. Landschafts Topologie) auf Gemeindeversammlung konzentriert. (B) Die neuen hier vorgeschlagenen Methoden beinhalten die Auswirkungen von Pflanzen auf Bodenheterogenität von Pflanze-Boden erteilen, wo Pflanzen beeinflussen die Biota, Chemie, oder die Struktur des Bodens, in einer Weise, die nachfolgende Anlagenleistung in diesem Boden beeinflusst angetrieben. Diese Perspektive erkennt an, dass Heterogenität intrinsische Community Zusammensetzung, darunter sowohl biotische und abiotische Effekte auch Einfluss auf Montage.

Bearbeiten von Heterogenität, die untrennbar mit der Gemeinde ist erlaubt strengen Tests des Potenzials für frequenzabhängige Koexistenz, die durch biotische erteilen, wie pla führen könntent-Boden erteilen und integriert unser Verständnis dieses Mechanismus mit dem größeren Körper der Koexistenz Theorie 9. Da diese Art von Heterogenität ist dynamisch im Laufe der Zeit, wird ihr Einfluss auf die Gemeindeversammlung von der Länge der Zeit, die für Pflanze-Boden erteilen zu entwickeln und die Länge der Pflanze-Boden Vermächtnis Feedback Effekte in den Gemeinden ab. So wird weitere empirische Arbeit über die zeitliche Maßstab, über die diese Effekte entwickeln und bauen benötigt. Zukünftige Anwendungen, die aus dieser Arbeit entstehen könnten somit informiert neuen Theorie, die Heterogenität durch Eigenrückkopplungsprozesse (zB Fukami und Nakajima 20) und weitere empirische Untersuchungen über die Rolle dieser inneren Prozesse in der Montage (zB Brandt et al. 10) angetrieben enthält.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

Acknowledgments

Wir danken der Case Western Reserve University und Squire Valleevue Tal Ridge Farms, einschließlich A. Locci, C. Bond, und A. Alldridge, um Hilfe zur Gründung der gemeinsamen Garten. J. Hooks, L. Huffman, L. Gonzales, SC Leahy, B. Ochocki, A. Ubiles, C. Yu, X. Zhao, und NM Zimmerman vorgesehene Feld Unterstützung. AJB und JHB wurden von Start Mittel aus CWRU zu JHBGAD finanziert wurde von einem Sommerprogramme in Undergraduate Research Stipendium CWRU vom Howard Hughes Medical Institute finanziert unterstützt. Diese Arbeit wurde von der National Science Foundation Finanzierung JHB (DEB 1250170) unterstützt.

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

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Versuchsprotokoll für die Manipulation von Plant-induzierte Bodenheterogenität
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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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