Protocolo experimental para indução-Plant Manipulando heterogeneidade do solo

Summary

Compreender o papel da heterogeneidade ambiental em coexistência espécie tem geralmente focada em tipos de heterogeneidade que são extrínsecos à composição de espécies da comunidade. Nós fornecemos novos métodos detalhados para a criação de tratamentos de heterogeneidade do solo utilizando solos sujeitos ao feedback condicionado planta-solo, ou heterogeneidade intrínseca à composição da comunidade.

Abstract

Teoria Coexistência tem tratado muitas vezes heterogeneidade ambiental como sendo independente da composição da comunidade, no entanto feedbacks bióticos, como feedbacks planta-solo (PSF) têm grandes efeitos sobre o desempenho da planta, e criar heterogeneidade ambiental que depende da composição da comunidade. Compreender a importância da PSF para o conjunto da comunidade vegetal exige a compreensão do papel da heterogeneidade no PSF, além de significar efeitos do PSF. Aqui, nós descrevemos um protocolo para manipular induzida solo-planta heterogeneidade. Dois experimentos exemplo são apresentados: (1) um experimento de campo com uma grade de 6-patch de solos para medir as respostas da população de plantas e (2) uma casa de vegetação com solos de 2 de patches para medir as respostas de plantas individuais. Os solos podem ser coletadas a partir da zona de influência da raiz (solos da rizosfera e diretamente adjacente ao rizosfera) de plantas no campo de espécies de plantas e conspecíficas heteroespecíficos. Replicar recolheriões são utilizados para evitar pseudoreplicating amostras de solo. Estes solos são depois colocadas em manchas separadas para tratamentos heterogéneos ou misturado para um tratamento de homogeneização. Cuidados devem ser tomados para garantir que os tratamentos heterogêneos e homogeneizadas experimentar o mesmo grau de revolvimento do solo. As plantas podem então ser colocadas nestes tratamentos de solo para determinar o efeito da indução da planta solo heterogeneidade no desempenho da planta. Demonstramos que induzida por plantas resultados heterogeneidade em termos de resultados diferentes do que o previsto pelos modelos tradicionais de convivência, talvez por causa da natureza dinâmica destes feedbacks. Teoria que incorpora heterogeneidade ambiental influenciada pela comunidade montagem e trabalho empírico adicional é necessária para determinar quando a heterogeneidade intrínseca à comunidade montagem irá resultar em diferentes resultados de montagem em comparação com a heterogeneidade extrínseco para a composição da comunidade.

Introduction

Um dos principais objetivos da ecologia de comunidades é explicar e prever os processos que regem a assembléia da comunidade. No entanto, as comunidades de plantas são freqüentemente mais diversificado do que o previsto pela teoria da coexistência ^1, e ecólogos da restauração precisa entender os mecanismos de coexistência para restaurar com êxito diversas comunidades nativas ^2. Heterogeneidade ambiental é um mecanismo importante que, teoricamente, pode ajudar a explicar altos níveis de diversidade da comunidade, mas manipulações experimentais de heterogeneidade são freqüentes ³ ​​e focar heterogeneidade abióticos (ex. revistas em Lundholm ^4). Teoria que incorpora heterogeneidade geralmente assume que a heterogeneidade é extrínseco à comunidade de montagem. Heterogeneidade extrínseca é governada por fatores como tipologia paisagem, que são independentes da composição da comunidade. Heterogeneidade extrínseca pode resultar em coexistência através de partição de nicho (reviecasaram em Melbourne et al. ^3, por exemplo, Pacala e Tilman ⁵ e Chesson ^6). No entanto, grande parte da heterogeneidade ambiental relevante para as comunidades de plantas pode ser intrínseca à comunidade, desenvolvendo como a comunidade monta e, dependendo da identidade das espécies na comunidade. Heterogeneidade intrínseca pode resultar de reacções bióticos, as quais podem levar a coexistência através frequência dependência negativa (por exemplo, Bever et al. ^7). Aqui, descrevemos um método inovador para manipular induzida pela planta de heterogeneidade do solo, um tipo de heterogeneidade do solo, que é intrínseca à comunidade e surge de feedbacks planta-solo.

Feedbacks Plant-solo (PSF) ocorrem quando as plantas influenciam a estrutura do solo, química, ou biota de uma maneira que afeta subseqüente desempenho da planta em que o solo, e PSF têm grandes efeitos médios em desempenho da planta em comunidades nativas de plantas ⁸. Estudos do PSF têm tipicamente quer coletados solos de campo ou solos condicionado experimentalmente, em seguida, perguntou como as plantas executar em conspecific solo em relação ao heteroespecíficos ou esterilizado solo ^9. Se as plantas melhor desempenho em conspecific solo, relativamente à referência solos, então PSF são positivos, enquanto que, se as plantas melhor desempenho em solos de referência, PSF são negativos. PSF negativo recíproco pode levar a coexistência dependente da freqüência entre as espécies ^7. Enquanto os efeitos médios de PSF são bem caracterizada ^8, os efeitos da heterogeneidade espacial no PSF são mal compreendidos ^10.

Porque PSF ocorrem na escala de plantas individuais ⁷ e porque as plantas são frequentemente nonrandomly distribuídas no espaço e no tempo, PSF são susceptíveis de levar a heterogeneidade do solo, que chamamos induzida solo-planta heterogeneidade. Ao contrário de muitas outras formas de heterogeneidade (por exemplo, topologia paisagem), este heterogeneity é intrínseco à comunidade montagem e pode, assim, influenciar a assembléia da comunidade de forma diferente do que as formas mais extrínsecos de heterogeneidade. A fim de compreender a influência dessa forma de heterogeneidade no desempenho da planta e de convivência, precisamos de métodos experimentais que manipulam induzida solo-planta heterogeneidade. Aqui, demonstramos uma tal método, o qual utiliza os solos condicionados por duas espécies para criar um tratamento heterogénea com manchas separadas de duas origens de solo e um tratamento homogéneo, o qual é uma mistura dos dois origens solo. Esta mistura de solo pode representar pelo menos dois cenários plausíveis no campo: (1) perturbação (por exemplo, roedores, agricultura) que mistura solos de diferentes origens ou (2) plantas de duas espécies de crescimento muito próximo, de modo que suas zonas de influência raiz misturam e homogeneizar.

Apresentamos dois experimentos exemplo que usam induzida solo-planta heterogeneidade de responder a perguntas-chave em leve diferentesl de organização ecológica: (1) Não populações de plantas respondem a plantar induzida heterogeneidade do solo? e (2) Não plantas individuais responder a induzida solo-planta heterogeneidade? Descreve-se um experimento de campo com seis manchas de solo para abordar a primeira questão e uma casa de vegetação com 2 manchas de solo para abordar a segunda questão. Quantificar população e respostas das plantas individuais a heterogeneidade do solo é essencial para a compreensão de como a montagem influências heterogeneidade comunidade.

Protocol

1. Colete Solos de Campo Produzir tratamentos solo heterogéneo e Homogêneos

1. Identificar duas espécies de plantas cooccurring em habitats semelhantes e tipos de solo para estudo (por exemplo, Figura 1A). Determinar a quantidade de solo necessária com base na dimensão do adesivo de solo para uso na experiência (por exemplo, um terço a metade da zona da raiz principal das espécies focais, ou volume englobado pela raiz) e o número de entalhes necessários para o experimento (ver Protocolo 2 e 3, a seguir).
   1. Para Rumex spp. (Figura 1a), use manchas de solo de 10 cm x 10 cm x 18 cm (comprimento x largura x profundidade) para a zona raiz aproximada de 10 cm de raio a partir da base de planta a 18 cm de profundidade (5655 centímetros ³ de solo a partir desta zona definida de influência de raiz para uma planta individual produz três manchas de solo de 1800 centímetros ^3).
2. Site de pesquisa de campo para localizar indivíduos adultos das duas espécies focais. Evite indivíduos cujo roozona t provavelmente se sobrepõe com os de outras espécies focais (por exemplo, indivíduos Rumex localizado dentro de 0,25 m de outras espécies). Marcar o número de pessoas necessário para se obter a quantidade necessária de solo com bandeiras de pino.
   1. Mark 20 indivíduos escolhidos aleatoriamente de cada Rumex spp. por 20 unidades experimentais (2 espécies x 2 tratamentos de solo x 5 repetições) que requerem cada três manchas de solo de cada espécie focal (como no Protocolo 2, abaixo).
3. Esterilizar solo recolhendo equipamentos (pás, luvas, transportando contentores), com uma mistura de cerca de 1:10 de lixívia (5-10% NaClO) e água para remover todas as partículas do solo. Equipamento seco antes do uso para evitar os efeitos de lixívia na biota do solo. Rotular cada equipamento com fita laboratório para indicar a espécie focal cujo solo será coletar ou transporte para evitar a contaminação cruzada (por exemplo, um rótulo pá para as espécies A e uma segunda pá de espécies B).
4. Verifique tempo e condições do soloções antes de iniciar a coleta de solo para eventos de precipitação recentes. Evite coletar solos que são muito molhado (barrenta ou totalmente saturada) ou coleta de solo durante um evento de precipitação para minimizar a compactação do solo. Evite coletar solos que são demasiado seco (muito duro e difícil de inserir em uma pá) para ajudar na separação do solo a partir de raízes.
5. Coletar solo de um campo de indivíduos marcados das duas espécies focais em lotes replicadas para evitar pseudoreplicação (por exemplo, uma única amostra de solo contendo um patógeno raro sendo posteriormente misturadas através repetições experimentais).
   1. Dig-se na zona da raiz completa de um indivíduo de uma espécie (tal como definido no passo 1.1), com a pá estéril apropriadamente marcada, remover raízes grossas visíveis a partir do solo, com as luvas estéreis adequadamente marcadas, e colocar no solo apropriadamente marcado contentor de transporte estéril (por exemplo balde). Para um experimento com 4 unidades experimentais em cada bloco e uma planta individual'S zona de raiz fornecendo solo o suficiente para uma unidade experimental (como na Seção 1.2.1), repita este procedimento por 3 indivíduos adicionais de espécies A.
   2. Repita Seção 1.5.1 para as espécies B.
   3. Transporte a coleção solo réplica de ambas as espécies para o site experimental. Coloque solo em unidades experimentais para um bloco da experiência (como no protocolo de 2 ou 3, a seguir), em que um bloco contenha uma unidade experimental de cada combinação de tratamento (ou seja, cada uma das espécies x cada tratamento no solo).
   4. Repita a Seção 1.5.3.
   5. Repetir Secções 1.5.1-1.5.4 para os restantes blocos no experimento. Coletar solo de grupos de indivíduos, pelo menos, 1 m de distância a partir de locais de coleta anteriores para cada replicar coleção para minimizar pseudoreplicação.

Figure 1. Campo Exemplo delineamento experimental manipulação induzida solo-planta heterogeneidade. (A) Os solos são recolhidos a partir da zona de influência de membros da mesma espécie raiz (α) e (β heterospecifics) no campo, seguindo os protocolos padrão para estudar os efeitos da planta-solo feedbacks ⁹ . (B) Os tratamentos experimentais com solos heterogêneos compostos por solos de planta A (α solos) e solos de planta B (solos 'β') estão dispostas em uma grade, e tratamentos de solo homogeneizadas criado com uma mistura igual de solos destas duas origens . Neste exemplo, as redes de solos de campo são inseridos em vasos de grande diâmetro afundados no solo e na área ao redor de cada grade é preenchida com grossa, areia esterilizada. Este valor foi modificado a partir Brandt et al. ¹⁰

2. Uma experiência Exemplo Field, Criando Grids de Heterogêneos e Homogêneos solo para medir as respostas de plantas População

1. Utilize solos de uma coleção solo de campo replicado (Protocolo 1) para produzir um tratamento heterogêneo (ou seja, células da grade alternada conter solo coletadas de espécies A espécie ou B) e um tratamento homogêneo (ou seja, cada célula da grade contém uma mistura 1:1 de solo de espécies A e B) (Figura 1-B) para o bloco 1 da experiência nas seguintes etapas.
   1. Esterilizar o material do solo manuseamento (espátulas, luvas, grade de plástico) com uma mistura de aproximadamente 01:10 de água sanitária (5-10% de hipoclorito de sódio) e água, para remover todas as partículas do solo. Equipamento seco antes do uso para evitar os efeitos de lixívia na biota do solo. Rotular cada equipamento com fita laboratório para indicar a espécie focal cujo solo ele vai lidar para evitar a contaminação cruzada (por exemplo, um rótulo espátula para espécies A e um segundo espátula para espécies B) ea grade de plástico para indicar se ele será usado para o tratamento do solo heterogéneo ou homogéneo.
   2. Coloque grade plástica removível emum pote afundado na terra [ou outro enredo ou recipiente grande o suficiente para acomodar a grade] para ser preenchido com o campo coletadas do solo (por exemplo, 1.800 centímetros célula ³ / grade como no passo 1.1.1). Use uma grade construído por encomenda com as dimensões desejadas, por exemplo, uma grelha de 2 x 3, com 6 células do tamanho determinado no passo 1.1 (Figura 1b).
      1. Para o tratamento heterogêneo de alternar os tipos de correção de solo, lugar spadefuls de solo da espécie A em células de grade para α solo e solos da espécie B em células de solo β (Figura 1b).
      2. Para o tratamento homogéneo, colocar alternadas spadefuls de solos A e B em cada célula da grelha, tendo o cuidado de distribuir uniformemente os dois tipos de solo e evitar a formação de camadas de cada tipo de solo (Figura 1b). Para o patch exemplo solo de 1.800 cm ³ (Seção 1.1.1), coloque 900 centímetros ³ de cada tipo de solo em cada célula da grade.
      3. Seja sure para produzir a mesma quantidade de perturbação (ou seja, quebrar torrões com a mesma intensidade) ao criar tratamentos heterogêneas e homogêneas de solo, para evitar confundir revolvimento do solo com a heterogeneidade do solo.
   3. Se qualquer área vazia permanece do lado de fora da grade dentro da panela grande utilizado (como na Figura 1b), preencher esta área com areia estéril. Esterilizar areia usando qualquer método padrão (por exemplo, autoclavagem, a radiação gama).
   4. Levante a grade de plástico na vertical para fora da panela, deixando as manchas de solo intacta. Isso permite que as raízes de diferentes indivíduos para interagir no solo e cada planta para experimentar vários patches, o que é essencial para permitir que as raízes das plantas a crescer em várias manchas de solo (por exemplo, células de grade).
   5. Repetir Secções 2.1.2-2.1.4 por um segundo par de unidades experimentais para produzir um bloco experimental completo (ou seja, uma grelha de solo heterogéneo em que para plantar cada focaespécies l e uma grade de solo homogéneo em que cada espécie de planta focal, para um total de quatro unidades experimentais).
2. Repita o passo 2.1 para blocos restantes no experimento com o solo restante replicar coleções (Protocolo 1). Aleatorizar blocos, e tramas dentro de blocos, em toda a área experimental, usando tecido de paisagem em torno dos lotes se desejado, para manter o sombreamento de vegetação fora no mínimo (não mostrado).
3. Plante sementes de espécies focais em cada célula da grade de cada pote experimental (2 espécies focais x 2 tratamentos de solo). Use semente pool para evitar genótipos de confusão ou comunidades microbianas semente de superfície com os tratamentos de solo. Por exemplo, as sementes da planta de cada Rumex spp. na panela para que as espécies (Figura 1-A) colado individualmente para palitos de plástico com cola solúvel em água em 12 posições de plantio (2 posições por célula de grade) para identificar claramente os indivíduos plantados.
4. Meça res da populaçãoponses das unidades experimentais, como a germinação e sobrevivência, através de um censo regular do indivíduo marcado locais de plantio de sementes (por exemplo, usando palitos de dente como no passo 2.3). Minimizar a perturbação do solo para qualquer resposta medida para evitar a mistura de solo entre os patches.
   1. Determine os intervalos do censo apropriadas com base na taxa esperada de respostas populacionais das espécies focais. Por exemplo, realizar censos semanais para Rumex spp. que podem germinar rapidamente.
   2. Continue o experimento por um período adequado baseado na história de vida das espécies focais. Por exemplo, continuar a experiência de pelo menos 2 anos para curta duração perene Rumex spp. para obter dados sobre todas as fases da vida.

3. Uma Experiência de efeito estufa exemplo, com solo heterogéneo e homogeneizado em vasos para medir as respostas de plantas individuais

1. Utilize solos de um campo de coleta de solo replicar (Protocolo 1)para produzir um tratamento heterogénea (ou seja, cada metade de um recipiente plástico com solo recolhida a partir de espécies de A ou espécies B) e um tratamento homogéneo (ou seja, pote contém uma mistura 1:1 de solo de espécies A e B) (Figura 2a) para o bloco 1 da experiência nas seguintes etapas.
   1. No recipiente de transporte (por exemplo, balde) e antes de envasamento, misture o campo de solo coletadas de cada espécie com areia estéril para produzir uma mistura de 1:1. Faça isso para mitigar a compactação do solo e melhorar a drenagem nos vasos, o que é especialmente útil para as raízes de lavagem, facilitando a separação das raízes do solo. Esterilizar areia usando qualquer método padrão (por exemplo, autoclavagem, a radiação gama).
   2. Certifique-se para produzir a mesma quantidade de perturbação (ou seja, quebrar torrões com a mesma intensidade) quando a mistura de cada lote de solo de um campo de areia.
2. Esterilizar equipamentos de movimentação de solo (espátulas, luvas, folha de plástico) com um apmadamente 01:10 mistura de água sanitária (5-10% de hipoclorito de sódio) e água, para remover todas as partículas do solo. Equipamento seco antes do uso para evitar os efeitos de lixívia na biota do solo. Rotular cada equipamento com fita laboratório para indicar a espécie focal cujo solo ele vai lidar para evitar a contaminação cruzada (por exemplo, um rótulo espátula para espécies A e um segundo espátula para espécies B) e cada lado de uma folha de plástico duro para indicar qual Tipo de solo irá ser encapsuladas em cada lado do mesmo para o tratamento de solo heterogéneo.
3. Crie um tratamento do solo heterogêneo utilizando o campo de misturas de solo-areia das duas espécies focais (a partir da Secção 3.1.1).
   1. Colocar uma folha de plástico duro, no centro de uma panela para dividir ao meio (Figura 2a). Use uma panela de tamanho tal que metade do que é equivalente em volume para o tamanho da mancha de solo adequado (passo 1.1). Por exemplo, use uma panela com um diâmetro 15 centímetros e 18 cm de profundidade para o Rumex spp. na figura 1a (volume total de3,181 centímetros ^3).
   2. Ter dois pesquisadores acrescentam simultaneamente o campo de solo coletadas de cada espécie para o lado apropriado do pote (eg α solo de espécies A) com espátulas devidamente rotulados, para manter os lados, mesmo que o vaso está cheio.
   3. Retire o divisor de plástico, levantando-o verticalmente do solo, deixando as manchas de solo intacta. Isso permite que as plantas a experimentar os dois pedaços de solo dentro de um pote, essenciais para as plantas para experimentar a heterogeneidade.
   4. Repita Seções 3.3.1-3.3.3 por 3 unidades experimentais adicionais para produzir um bloqueio completo do tratamento do solo heterogêneo (2 espécies x 2 tipos de patch de solo no tratamento heterogêneo; Figura 2).
4. Crie um tratamento do solo homogênea, utilizando o campo de misturas solo-areia das duas espécies focais (a partir da Secção 3.1.1).
   1. Repita Seção 3.3.1. Ter dois pesquisadores adicionar simultaneamente α e β solos para amboslados da panela com espátulas adequadamente rotulados, distribuindo uniformemente os dois tipos de solo dentro de cada patch e evitando a criação de camadas. Repita Seção 3.3.3.
   2. Repita a Seção 3.4.1 para uma segunda unidade experimental para produzir um bloqueio completo do tratamento do solo homogêneo (um pote para cada uma das espécies focal 2).
5. Repita os passos de 3,2-3,4 para blocos restantes no experimento com o solo restante replicar coleções (Protocolo 1). Randomize blocos e parcelas dentro de blocos, através do banco de efeito estufa.

Figura 2. Exemplo de efeito estufa experimental induzida manipulação projeto solo-planta heterogeneidade. (A) Os solos coletados na zona de influência da raiz de espécies A (α solos) e as espécies B (β solos) no campo são lugard em cada metade de um pote (tratamento heterogêneo) ou misturado em todo o pote (tratamento homogêneo). (B) As plantas de espécies A são então plantadas no experimento de cada tipo de adesivo no tratamento do solo heterogéneo e em um dos lados do tratamento homogéneo. Aqui, apenas uma espécie (a) é mostrado plantada em seu design. Uma concepção totalmente recíproco incluiria plantas da segunda espécie de contacto (B) plantadas em cada tratamento do solo e tipo de adesivo no tratamento heterogénea.

6. Mudas de plantas de espécies focal A e B em cada tipo de correção do solo em um esquema fatorial (2 x 3 tipos de espécies de correção do solo [α solo, β solo, e uma mistura homogênea de α e β solo]; Figura 2b).
7. Meça todas as respostas de plantas individuais que indicam o desempenho da planta, tais como tamanho da planta, produção de biomassa, ou atributos funcionais. Características adequadas para medir dependerá das espécies focais e as questões científicas deinteresse.
   1. Continue o experimento até que as plantas aparecem grande em relação a patches de solo (por exemplo, cerca de 1,5 x a largura da mancha de solo para forbs formação de roseta) para garantir que as raízes das plantas estão crescendo em ambas as manchas de solo. Duração Experimental dependerá, portanto, da taxa de crescimento de espécies focais.
   2. Plantas de colheita e / ou respostas de medida antes que as plantas se tornam vinculados a panela (ou seja, o crescimento das raízes é limitado pelos limites da panela e raízes círculo do fundo da panela) se as respostas realistas para o ambiente do solo são desejados. Por exemplo, as raízes das plantas ligado a panela é improvável a forragem ao longo da coluna de solo de uma maneira semelhante à das plantas no campo.

Representative Results

Espécies respondeu induzida por plantar a heterogeneidade do solo de diversas maneiras, tanto a população eo nível individual (Figuras 3 e 4), com implicações para o conjunto da comunidade. Para determinar se as populações de plantas respondem a induzida solo-planta heterogeneidade, um experimento de campo foi estabelecido como no Protocolo 2 usando três pares de espécies congêneres. Populações de plantas foram contadas semanalmente durante três meses ea proporção total de sementes plantadas que germinaram ea proporção total das mudas que morreram na primeira estação de crescimento (onde a mortalidade representa o inverso de sobrevivência), foram calculados (Figura 3). Encontramos respostas população de plantas significativas para induzido solo-planta heterogeneidade, o que sugere que esta experiência foi bem-sucedido em manipular heterogeneidade que influenciou as populações de plantas. Algumas espécies exibiram respostas não aditivos para a mistura de solo, de tal modo que a resposta observada notratamento homogêneo (manchas de solo αβ) não foi uma resposta intermediária para os dois tipos de solo que foram misturadas para criar esse tratamento (α, ou conspecific, manchas de solo e β, ou congênere, manchas de solo). Por exemplo, Solanum carolinense tiveram menor germinação e Rumex crispus teve maior mortalidade em uma mistura homogeneizada de solos e conspecíficas congénere de que em qualquer tipo de solo sozinho (Figura 3) ^10. Estes resultados fornecem potenciais mecanismos através dos quais os ambientes de solos homogêneos pode facilitar a convivência, onde a germinação reduzida ou aumento da mortalidade de uma espécie poderia fornecer patches abertas para outras espécies para colonizar.

Figura 3. Exemplo resulta de um experimento de campo com solos heterogêneos e homogêneos. ( (b) a mortalidade proporcional de 3 pares de espécies congêneres plantadas em manchas de solo conspecific, solo congênere, ou uma mistura homogênea dos dois tipos de solo. Algumas espécies respondeu a mistura do solo de uma forma não-aditiva, por exemplo, Rumex crispus teve maior mortalidade no tratamento homogêneo do que no (R. obtusifolius) manchas de solo ou conspecíficas ou congéneres no tratamento heterogêneo. PLALAN = Plantago lanceolata, PLAMAJ = P. grande, RUMCRI = R. crispus, RUMOBT = R. obtusifolius, SOLCAR = Solanum carolinense e SOLDUL = S. Dulcamara. * P <0,05 a partir de contrastes ortogonais de homogênea vs solo sem mistura e contra solo congênere conspecific dentro de cada espécie em um modelo de efeitos mistos com distribuição de erro binomial no R Estatística Ambiente ^11. Proporções médias são apresentados (contagem total dividido pelo total da amostra,a coerência com os métodos estatísticos ^12). Este valor foi modificado a partir Brandt et al. ¹⁰ Ver Brandt et al. ¹⁰ para métodos de análise detalhados.

Para determinar se plantas individuais responder a induzida solo-planta heterogeneidade, casa de vegetação foi estabelecida como no Protocolo 3 usando dois pares de espécies congêneres. Porque se esperava plantas para responder ao tipo de emplastro do solo no qual elas foram crescidas, para além do nível de pote de heterogeneidade do solo, as plantas foram plantadas em cada tipo de adesivo no tratamento heterogéneas (como na Figura 2b). As plantas foram cultivadas por 2 meses e então colhidas para medir o desempenho (biomassa total) e as características funcionais (incluindo a área foliar específica (SLA), como mostrado na Figura 4). Foram observadas respostas das plantas significativas heterogeneidade do solo, sugerindo que este experimento foi bem sucedido em manipular uma forma de heterogeneidade do solo neity que influencia o desempenho da planta. Observou-se uma resposta não-aditiva a mistura de solo, em que as espécies tendem a ter menor SLA, ou folhas mais grossas, em uma mistura homogeneizada de solo conspecific e congênere do que em qualquer tipo de solo sozinho (P = 0,031 a partir de um contraste ortogonal de homogênea vs sem mistura solo em um modelo de efeitos mistos com a biomassa da planta como uma covariável e bloco como um efeito aleatório; Figura 4). A área foliar específica também foi menor em comparação com os patches conspecific congéneres do solo (P = 0,004 a partir de um contraste ortogonal de tipos de correção do solo no tratamento do solo heterogêneo; Figura 4). Estes resultados sugerem que as estratégias de aquisição de recursos planta responder a plantar induzida heterogeneidade do solo, o que tem implicações para o efeito de tal heterogeneidade no crescimento das plantas, fecundidade e interações entre espécies.

"width =" 500 es/ftp_upload/51580/51580fig4highres.jpg "/>
Figura 4. Exemplo resulta de uma casa de vegetação com solos heterogêneos e homogêneos. Área específica foliar (SLA), calculado como a área foliar dividido por massa seca, de 2 pares de espécies congêneres cultivadas em manchas de solo conspecific, solo congênere, ou uma mistura homogênea do dois tipos de solo. No geral, as espécies responderam a mistura de solo de uma maneira não-aditiva, onde SLA foi menor no tratamento homogêneo do que em manchas de solo ou conspecíficas ou congéneres no tratamento heterogêneo. A média de traços ± 1 SE. PLALAN = Plantago lanceolata, PLAMAJ = P. grande, RUMCRI = R. crispus, RUMOBT = R. obtusifolius.

Discussion

Induzida solo-planta heterogeneidade é altamente provável em comunidades naturais, porque as plantas têm grandes efeitos e muitas vezes espécie-específicos em seu ambiente do solo e as plantas subsequentes que experimentam que o solo (por exemplo, Petermann et al. ^13). No entanto, nossa compreensão do papel deste tipo de heterogeneidade em comunidades de plantas é mínima ^10,14. Aqui, apresentamos um método para manipular induzida solo-planta heterogeneidade, o uso do solo a partir de diferentes origens (ou seja, zonas de influência raiz de espécies diferentes) no campo. As etapas críticas no âmbito do protocolo para evitar confusão induzida solo-planta heterogeneidade com outras variáveis ​​que afetam a resposta das plantas são: (1) evitar pseudoreplicação de amostras de solo coletadas no campo e colocados em unidades experimentais e (2) igualando as quantidades de perturbação do solo para solos de campo colocados em tratamentos heterogêneos e homogêneos de solo. Pseudoreplicação of amostras de solo poderia ocorrer se os tratamentos heterogêneos e homogêneos receber solo coletadas de diferentes plantas individuais ou locais de coleta no campo, que podem ser evitados através da coleta do solo em lotes réplicas de locais bem espaçadas (passo 1.5). Pseudoreplicação podem afetar os resultados do estudo, se, por exemplo, um patógeno raro ocorre na zona de raiz de uma planta no campo e solo que planta só é colocado em um dos dois tratamentos de solo. Além disso, a coleta de locais no campo podem diferir em gestão, história vegetação, ou propriedades do solo, portanto o solo de cada local a coleta deve ser usado em ambos os tratamentos experimentais, através de randomização potenciais fatores de confusão. Perturbação de solos de campo (ou seja, quebrando-se de torrões) aumenta a compactação do solo e pode afetar a interpretação dos resultados. Por exemplo, se o tratamento do solo homogénea recebe uma maior perturbação do que o tratamento heterogéneo, então o efeitode heterogeneidade do solo seria um efeito do revolvimento do solo. Os leitores devem considerar também poder estatístico na sua concepção desses experimentos, o que afetaria a quantidade total de solo necessário (passo 1.1) e do número de indivíduos de cada espécie focais de que para coletar solo no campo (passo 1.2). Experiências preliminares pode ser utilizado para determinar o tamanho do efeito e variância esperada, e esta informação pode então ser utilizada para conceber uma experiência com a replicação suficiente ^15.

Este protocolo pode ser facilmente modificado para acomodar outros métodos para estudar feedbacks planta-solo (por exemplo, usando solos condicionado na estufa ¹⁶⁾ e projetos experimentais alternativos (por exemplo, escalas espaciais e temporais diferentes, a competição interespecífica ^17). Experimentos adicionais também pode usar espécies focais alternativos. A seleção das espécies focal tem implicações tanto para a logística do estudo einterpretação dos resultados, mas acima de tudo deve ser feito para melhor abordar as questões do investigador de interesse. Mostramos resultados representativos para pares estreitamente relacionados de espécies, o que nos permitiu controlar até certo ponto, por forma crescimento ^{de 18} e um efeito da filogenia sobre as respostas de feedback planta-solo (por exemplo, queimaduras e Strauss ^19). O tamanho das espécies focal determina a escala de manchas de solo utilizado e sua história de vida pode afetar a duração do experimento. Duas espécies focais de diferentes tamanhos podem responder de forma diferente para a mesma escala de induzida solo-planta heterogeneidade se as espécies menores não podem integrar em diferentes tipos de correção do solo com a mesma intensidade que as espécies maiores (por exemplo, zona radicular das espécies menores é restrita a um único patch solo). Além disso, o uso de espécies com uma forma de crescimento clonal é susceptível de produzir diferentes respostas à heterogeneidade do solo do que as espécies que se reproduzem apenas a partir de sementes (como reviEwed em Reynolds e Haubensak ^14).

Uma importante limitação deste método é que os mecanismos que regem as respostas a heterogeneidade do solo (por exemplo, fatores abióticos, como química do solo, fatores bióticos, como as comunidades microbianas do solo) não são identificados sem mais trabalho. Por exemplo, os nossos resultados sugerem que o solo homogêneo (ou seja, solo misto) pode resultar em efeitos não aditivos, tanto a população e nível de planta individual, onde as respostas de plantas no tratamento homogêneo não fosse parente intermediário para plantar as respostas nos dois tipos de solo que compôs a mistura. Mistura do solo pode ocorrer em comunidades naturais como um resultado de distúrbios, como a escavação dos roedores, ou como um resultado da sobreposição de zonas de influência de raiz como plantas de espécies diferentes crescem em zonas de cada um de enraizamento. Um mecanismo possível para estes resultados é um efeito da biota do solo, o que poderia contribuir para a resposta não-aditivas se as comunidades de bactérias, fungos ou outros organismos interagem mediante mistura de solo, alterando a composição biótica do solo e, assim, as respostas das plantas para que o solo. Mecanismos abióticos também poderia resultar em respostas não aditivos, se planta respostas funcionais dos controladores de abióticos (por exemplo, os níveis de nutrientes) são não-linear ^20. Experimentos adicionais e de amostragem são, portanto, necessárias para identificar os drivers de respostas das plantas para estes tratamentos de solo, com implicações para a sua aplicação para as comunidades naturais. Por exemplo, o papel dos fatores bióticos do solo no governo respostas das plantas para plantar induzida heterogeneidade do solo poderia ser testado usando solos condicionados pela espécie focal na estufa em comparação com os solos esterilizados, que proporcionam um controle negativo para testar o papel da biota do solo.

Demonstramos respostas significativas de plantas para induzido solo-planta heterogeneidade, sugerindo que as plantas-se influenciar o heterogeneida ambientalty que afeta assembléia da comunidade de plantas (Figura 5). A heterogeneidade pode, assim, ser intrínseca à composição da comunidade, em oposição aos tipos mais extrínsecos de heterogeneidade que os estudos de reunião da comunidade de plantas têm mais freqüentemente consideradas ^3. O novo método aqui apresentado tem potencial para conciliar previsões conflitantes de teoria e resultados de experimentos sobre a relação entre heterogeneidade ambiental e de coexistência de espécies, ou diversidade ^4,14. A teoria prevê que a heterogeneidade ambiental leva ao aumento da diversidade de espécies (revisado em Melbourne et al. ^3), as experiências anteriores no entanto manipular diretamente heterogeneidade de nutrientes do solo, muitas vezes encontrado a tendência oposta (revisado em Lundholm ⁴ e Reynolds e Haubensak ^14), sugerindo que outros tipos de heterogeneidade, tais como os resultantes de feedbacks planta-solo, deve ser examinada.Este método de manipulação induzida solo-planta heterogeneidade indica mecanismos específicos pelos quais a convivência pode ser facilitado em ambientes homogêneos. Por exemplo, se as plantas residentes têm menor germinação ou maior mortalidade em solos homogêneos, como foi encontrado para algumas espécies (Figura 3), em seguida, esses ambientes mais homogêneos podem ser mais invasible, contra as previsões tradicionais da teoria. Além disso, as previsões de convivência para cada par de espécies em solos heterogêneos pode ser calculada utilizando ⁷ respostas de espécies para cada tipo de correção do solo dentro do tratamento heterogêneo, permitindo aos pesquisadores determinar para quais espécies poderiam esperar induzida solo-planta heterogeneidade para facilitar a convivência ^10.

Figura 5. Visão geral conceitualdo valor de abordar induzida solo-planta heterogeneidade. (a) conceituação tradicional da influência da heterogeneidade sobre a coexistência e montagem comunidade centrou-se sobre o efeito da heterogeneidade extrínseco para a composição da comunidade (por exemplo, topologia paisagem) em assembléia da comunidade. (B) Os novos métodos aqui propostos incluem os efeitos de plantas na heterogeneidade do solo conduzidos por feedbacks planta-solo, onde as plantas influenciam a biota, química, ou a estrutura do solo, de forma que influencia subseqüente desempenho da planta em que o solo. Esta perspectiva reconhece que a heterogeneidade intrínseca à composição da comunidade, incluindo os efeitos bióticos e abióticos, também influencia a montagem.

Manipulando heterogeneidade que é intrínseca à comunidade permite testes rigorosos do potencial para a convivência em função da frequência que poderia resultar de feedbacks bióticos, como plafeedbacks nt-solo, e integra a nossa compreensão deste mecanismo com o corpo maior da teoria da coexistência ^9. Uma vez que este tipo de heterogeneidade é dinâmico ao longo do tempo, a sua influência sobre a montagem comunidade vai depender da quantidade de tempo que leva para gabaritos planta através do solo para o desenvolvimento e a duração dos efeitos de feedback legados planta pelo solo nas comunidades. Assim, o trabalho empírico é necessário na escala temporal sobre o qual esses efeitos desenvolver e degradar. As aplicações futuras que possam surgir a partir deste trabalho, assim, incluir informando nova teoria que incorpora heterogeneidade impulsionado por processos intrínsecos de feedback (por exemplo Fukami e Nakajima ²⁰⁾ e mais testes empíricos sobre o papel desses processos intrínsecos na montagem (por exemplo, Brandt et al. ^10).

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.