Undersøkelse av anlegget interaksjoner over vanlige Mycorrhizal nettverk bruker rotert kjerner
Summary
De fleste planter i samfunn trolig er forbundet med arbuscular mycorrhizal (AM) sopp, men formidling av anlegget interaksjoner av dem har blitt undersøkt av voksende planter med versus uten mycorrhizas. Vi presenterer en metode for å manipulere felles mycorrhizal nettverk blant mycorrhizal planter å undersøke deres konsekvenser for plante interaksjoner.
Abstract
Arbuscular mycorrhizal (AM) sopp påvirke anlegget mineral nærings-opptak og vekst, derfor har de potensial til å påvirke anlegget interaksjoner. Kraften i deres innflytelse er i extraradical mycelia som spres utover næringsstoffer uttømming soner funnet nær røtter til slutt Interconnect personer i et felles mycorrhizal nettverk (CMN). De fleste eksperimenter, men har undersøkt rollen er sopp i anlegget interaksjoner ved å dyrke planter med versus uten mycorrhizal sopp, en metode som ikke eksplisitt adresse rollen som CMNs. Her foreslår vi en metode som manipulerer CMNs for å undersøke deres rolle i anlegget interaksjoner. Vår metode bruker endret beholdere med konisk bottoms med en nylon maske og/eller hydrofobe materialet dekker spalteåpning, 15N gjødsel og en nærings-fattig interstitiell sand. CMNs er igjen enten intakt mellom samspill individer, kuttet av rotasjon av beholdere eller forhindret fra forming av en solid barriere. Våre funn tyder på at roterende beholdere er tilstrekkelig å avbryte CMNs og hindre deres virkninger på plante interaksjoner over CMNs. Vår tilnærming er en fordel fordi den imiterer aspekter av naturen, som seedlings hanke inn allerede etablerte CMNs og bruk av en rekke AM sopp som kan gi ulike fordeler. Selv om eksperimentet vårt er begrenset til undersøker planter på frøplante scenen, kan plante interaksjoner over CMNs oppdages med vårt tilnærming som derfor kan brukes for å undersøke biologiske spørsmål om funksjon av CMNs i økosystemene.
Introduction
Arbuscular mycorrhizal (AM) sopp assistert planter i koloniseringen av landet 460 millioner år siden1 og i dag, de er allestedsnærværende symbionter av planter2, gi dem næringsstoffer fra mineraler som viktig for vekst. De tynne, tråd-lignende hyfer av AM sopp grovfôr for næringsstoffer fra mineraler utover næringsstoffer uttømming soner nær røtter, ofte møter og kolonisere rotsystem nabolandet planter i en “felles mycorrhizal nettverk” (CMN). Vanlige mycorrhizal nettverk kan også danne når fungal germlings bli etablert nettverk3eller når er hyfer sikring (anastomose) med conspecific hyfer4,5,6,7. Omfanget av disse extraradical hyfer i jord er enorm, med extraradical hyfer utgjør 20% til 30% av totale jord mikrobiell biomasse prærien og beite jord8 og strekke på 111 m·cm-3 i uforstyrret grasmark9 .
Vanlige mycorrhizal nettverk partisjon næringsstoffer fra mineraler blant sammen nærliggende planter10,11,12,13. Planter kan motta opptil 80% av deres fosfor og 25% av nitrogen kravene fra AM sopp, samtidig som det gir opptil 20% av deres totale faste karbon til sopp i retur14. Nylig i vitro rot orgel kultur arbeid har funnet at CMNs fortrinnsvis utveksle næringsstoffer fra mineraler med verten røtter som gir mest karbon sopp11,12. Videre kan ulike arter av AM sopp variere i sin kvalitet som symbiotiske partnere, med noen sopp utveksle mer fosfor for mindre karbon enn andre15. Selv om roten orgel kulturer er gunstig modeller for å studere AM symbiose fordi de presenterer nøye kontrollerte miljøer og muligheten til å direkte observere hyphal sammenkoblinger, inneholder de ikke photosynthesizing skyter som påvirker viktige fysiologiske prosesser som fotosyntesen, transpirasjon og dagaktive endringer, så vel som konstituere karbon og mineral næringsstoff synker.
I naturen utnytte seedlings sannsynligvis allerede etablerte CMNs. Inntil nylig, men har forskere bare undersøkt virkningen av AM sopp på plantenæring av voksende planter med og uten AM sopp, ofte med én art av AM sopp. Selv om dette arbeidet har vært enormt informativ til vår forståelse av arbuscular mycorrhizas, har denne metoden oversett potensielt avgjørende rollen som CMNs kan ha i samspill mellom sammenkoblede Salix. Spesielt samhandle planter som er svært avhengig av AM sopp for vekst minimal uten AM sopp16,17, muligens forvirrer vår tolkning av AM sopp-mediert samhandlinger når den brukes som “Kontroller” for grunnlinje referanse.
Vi foreslår en rotert kjerner tilnærming for undersøkelse av rollen CMNs i anlegget interaksjoner og befolkningen strukturering. Vår tilnærming etterligner komponenter på AM symbiosen i naturen fordi hele planter bli etablert CMNs og alle planter dyrkes med AM sopp. Fjerner rot interaksjoner, fokuserer vår metodikk spesielt på interaksjoner formidlet av AM sopp mens også sporing mineral næringsstoffer bevegelse innenfor CMNs. Vår tilnærming bygger på tidligere arbeid som har brukt rotert kjerner i feltet og i drivhuset for å forstå AM fungerer realistisk.
Metoden rotert kjernen har blitt etablert i litteraturen som en metode for å manipulere extraradical hyfer18,19,20,21, og den har hatt flere reincarnations avhengig av formålet over de siste to tiårene. I utgangspunktet mesh poser eller barrierer tillater i vekst av hyfer ble brukt til å gi root-frie avdelinger for å kvantifisere mengden arbuscular mycorrhizal hyfer i jord22,23. Deretter ble sylindriske kjerner av jord i stive vannrør eller plast rør med spor dekket i en nylon maske penetrable hyfer, men ikke røtter, utviklet. Dette kan enkelt roteres for å forstyrre extraradical mycelia18,24,25. Rotert kjernene ble plassert mellom planter og jord hyphal lengder pr. gram jord18, 13C flukser extraradical mycelia24eller fosfor opptak fra plante-fri kjerner ble kvantifisert18. En annen bruk av slike kjerner var å dyrke planter i dem i feltet for å redusere kolonisering av røttene AM sopp gjennom hyppige hyphal avbrudd som et alternativ til sterilisering eller anvendelsen av fungicides, begge har indirekte effekter på jord organisk saken og18andre mikrober.
Hyphal mesh barriere tilnærmingen er brukt til å undersøke næringsstoffer partisjonering og plante interaksjoner over CMNs, men i rektangulære microcosms enn med rotert kjerner. Walder et al.26 undersøkt interaksjoner mellom Linum usitatissimum (Lin) og endringer (Durra) av sporing mineral næringsstoff for karbon-utveksling ved hjelp av isotoper over CMNs av noen av AM sopp Rhizophagus irregularis eller Funneliformis mosseae26. Microcosms i deres studie består plante rom med maske barrierer og hyphal rom bare tilgjengelig for mycorrhizal hyfer merket hyphal avdelinger som inneholdt radioaktivt og stabile isotoper. Kontroller brukte studien behandlinger uten mycorrhizal sopp. Sangen et al.27 brukt en lignende tilnærming til å finne at anlegget signaler kan utføres bare blant etablerte CMNs av F. mosseae når én plante var infisert av en fungal patogen. Også tilsvarende til Walder et al.26, Merrild et al.28 vokste planter i enkelte avdelinger med mesh undersøke anlegg ytelse av Solanum lycopersicum (tomat) frøplanter forbundet med CMNs til en stor Cucumis sativus (agurk) plante som representerte en rikelig karbon kilde. De har også brukt behandlinger uten mycorrhizal sopp i stedet for kuttet CMNs28. I et andre, knyttet eksperiment, karbon for fosfor utveksling ble undersøkt bruke mesh poser merket med 32P. Microcosms med hyphal mesh barrierer og CMN kuttet som en behandling ble brukt av Janos et al.29, som undersøkte konkurransedyktig interaksjoner mellom planter av savanna treslag Eucalyptus tetrodonta og transplantasjon av regnskog treet, Litsea først. I denne studien, løftet Janos et al.29 rom som inneholder seedlings noen centimeter, skyve lag av mesh mot hverandre for å bryte hyphal sammenkoblinger29.
Det siste trinnet i utviklingen av metoden rotert kjernen har vært å dyrke planter i kjerner i potter eller microcosms20,30. Wyss30 brukes rotert kjerner til å fastslå om extraradical AM mycel kan kolonisere Pinus elliottii frøplanter når sprer seg fra en donor eller “sykepleier” AM næringsplanten, Tamarindus indica, og hvordan extraradical mycel av ectomycorrhizal sopp påvirker frøplante ytelse. Store kommersielle rørformede frøplante beholdere (Tabell for materiale) i microcosms var en solid plast (ingen CMNs) eller spor og dekket med en hydrofobe membran. Spor frøplante containere ble enten ikke rotert (intakt CMNs) eller roteres for å bryte etablerte CMNs. Rotated kjerner med maske barriere størrelser ble brukt av Babikova et al.20 for å undersøke belowground signalering gjennom CMNs blant vikker faba (bean) planter. I deres studie, var en sentral donor anlegg i 30 cm diameter mesocosms forbundet av røtter og hyfer (ingen hindring) eller bare av CMNs etablert gjennom en 40 μm mesh. Sentrale planter ble kuttet fra interaksjon med nabolandet planter gjennom rotasjon av mesh-vedlagte kjernene, eller CMNs ble hindret av en omsluttende kjernen 0,5 μm finmasket.
Her presenterer vi en metode som kombinerer aspekter av tidligere rotert kjerner undersøke påvirkning av CMNs på direkte anlegget interaksjoner kombinert med stabil isotop sporing. Våre metoden bruker en “mål anlegget” tilnærming, som det sentrale anlegget rundt er omgitt av nærliggende planter. Planter dyrkes i roterbare frøplante beholdere som spor og dekket med nylon silketrykk mesh, hydrofobe membran, eller er ingen-modifisert solid plast. Vanlige mycorrhizal nettverk er kuttet en gang i uken eller beholdes og 15N isotoper spore bevegelsen av nitrogen fra naboer rotert kjerner til sentrale mål anlegget. Ved å sammenligne anlegget størrelse med mineral næringsstoffer og stabil isotop opptak, vurdere vi hvilke planter kan dra eller lider av CMNs i samspill mellom Salix.
Protocol
Representative Results
Discussion
Resultatene bekrefter at vår rotert kjernen metode kan kraftig fokusere på rollen som CMNs i belowground anlegget interaksjoner. Det er flere viktige skritt i protokollen, men som hvis endres, har potensial til å påvirke muligheten til å oppdage CMN effekter. Det er viktig å fylle interstitiell området rundt beholdere med en nærings-fattig medium. I vår mislykket, rotert kjerner mål anlegget eksperimentet av guava treet, selv om det var en markert reduksjon mål vekst i nærvær av flere naboer, ingen effekter …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi ønsker å takke de to anonyme vurderinger for sine forslag. Vi takker også av mange studenter som har hjulpet med å bygge Potter, microcosms, og spor beholdere og som har bistått med vedlikehold og høsting eksperimenter. Vi takker også North Central College for oppstart midler (til JW) og aktuelle fasiliteter, samt Ashley Wojciechowski for å få et nord sentrale College Richter stipend støtte et eksperiment ved hjelp av disse metodene. Del av dette arbeidet ble finansiert av National Science Foundation doktorgrad avhandling forbedring stipend (DEB-1401677).
Materials
| Commercial tubular seedlings container (called 'containers' in the manuscript) | Stuewe and Sons, Inc | Ray Leach Cone-tainer ™ | RLC3U |
| Course glass beads | Industrial Supply, Inc. | 12/20 sieve | Size #1 |
| Course silica sand | Florida Silica Sand | 6/20 50lb bags | None |
| Fine glass beads | Black Beauty | Black Beauty FINE Crushed Glass Abrasive (50 lbs) | BB-Glass-Fine |
| Hydrophobic membrane | Gore-tex | None | None |
| Large commercial tubular seedling containers | Stuewe and Sons, Inc. | Deepot ™ | D16L |
| Medium silica sand | Florida Silica Sand | 30/65 50 lb bags | None |
| Nylon mesh | Tube Lite Company, Inc. | Silk screen | LE7-380-34d PW YEL 60/62 SEFAR LE PECAP POLYESTER |
| Soil and foliar nutrient analysis facility | Kansas State University Soil Testing Lab | None | None |
| Stable isotope core facility | University of Miami | None | None |
References
- Remy, W., Taylor, T. N., Hass, H., Kerp, H. Four hundred-million-year-old vesicular arbuscular mycorrhizae. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 91 (25), 11841-11843 (1994).
- Smith, S. E., Read, D. J. . Mycorrhizal Symbiosis. , (2008).
- Giovannetti, M., Avio, L., Sbrana, C. . Mycorrhizal Networks. , 41-67 (2015).
- Giovannetti, M., Sbrana, C., Cresti, A., Heath, M., Geitmann, I. B. . Cell Biology of Plant and Fungal Tip Growth. Vol. 328. Nato Science Series, Sub-Series I: Life and Behavioural Sciences. , 221-231 (2001).
- Giovannetti, M., Sbrana, C., Avio, L., Strani, P. Patterns of below-ground plant interconnections established by means of arbuscular mycorrhizal networks. New Phytologist. 164 (1), 175-181 (2004).
- Avio, L., Pellegrino, E., Bonari, E., Giovannetti, M. Functional diversity of arbuscular mycorrhizal fungal isolates in relation to extraradical mycelial networks. New Phytologist. 172 (2), 347-357 (2006).
- Giovannetti, M., et al. At the root of the wood wide web: self recognition and nonself incompatibility in mycorrhizal networks. Plant Signaling & Behavior. 1 (1), 1-5 (2006).
- Miller, R., Kling, M. J. The importance of integration and scale in the arbuscular mycorrhizal symbiosis. Plant and Soil. 226 (2), 295-309 (2000).
- Miller, R., Jastrow, J., Reinhardt, D. R. External hyphal production of vesicular-arbuscular mycorrhizal fungi in pasture and tallgrass prairie communities. Oecologia. 103 (1), 17-23 (1995).
- Weremijewicz, J., Sternberg, L. d. S. L. O., Janos, D. P. Common mycorrhizal networks amplify competition by preferential mineral nutrient allocation to large host plants. New Phytologist. , (2016).
- Fellbaum, C. R., et al. Fungal nutrient allocation in common mycorrhizal networks is regulated by the carbon source strength of individual host plants. New Phytologist. 203 (2), 646-656 (2014).
- Lekberg, Y., Hammer, E. C., Olsson, P. A. Plants as resource islands and storage units–adopting the mycocentric view of arbuscular mycorrhizal networks. FEMS Microbiol Ecol. 74 (2), 336-345 (2010).
- Jakobsen, I., Hammer, E. C. . Mycorrhizal Networks. , 91-131 (2015).
- Jakobsen, I., Rosendahl, L. Carbon flow into soil and external hyphae from roots of mycorrhizal cucumber plants. New Phytologist. 115 (1), 77-83 (1990).
- Kiers, E. T., et al. Reciprocal rewards stabilize cooperation in the mycorrhizal symbiosis. Science. 333 (6044), 880-882 (2011).
- Hartnett, D. C., Hetrick, B. A. D., Wilson, G. W. T. Mycorrhizal influence on intra- and interspecific neighbour interactions among co-occuring prairie grasses. Journal of Ecology. 81 (4), 787-795 (1993).
- Hetrick, B. A. D., Wilson, G. W. T., Todd, T. C. Differential responses of C3 and C4 grasses to mycorrhizal symbiosis, phosphorus fertilization, and soil microorganisms. Canadian Journal of Botany. 68 (3), 461-467 (1990).
- Johnson, D., Leake, J. R., Read, D. J. Novel in-growth core system enables functional studies of grassland mycorrhizal mycelial networks. New Phytologist. 152 (3), 555-562 (2001).
- Leake, J. R., et al. Networks of power and influence: the role of mycorrhizal mycelium in controlling plant communities and agroecosystem functioning. Canadian Journal of Botany-Revue Canadienne De Botanique. 82 (8), 1016-1045 (2004).
- Babikova, Z., et al. Underground signals carried through common mycelial networks warn neighbouring plants of aphid attack. Ecology Letters. 16 (7), 835-843 (2013).
- Schüepp, H., Miller, D. D., Bodmer, M. A new technique for monitoring hyphal growth of vesicular-arbuscular mycorrhizal fungi through soil. Transactions of the British Mycological Society. 89 (4), 429-435 (1987).
- Miller, D. D., Bodmer, M., Schüepp, H. Spread of endomycorrhizal colonization and effects on growth of apple seedlings. New Phytologist. 111 (1), 51-59 (1989).
- Jakobsen, I., Gazey, C., Abbott, L. K. Phosphate transport by communities of arbuscular mycorrhizal fungi in intact soil cores. New Phytologist. 149 (1), 95-103 (2001).
- Johnson, D., Leake, J., Ostle, N., Ineson, P., Read, D. J. In situ 13CO2 pulse‐labelling of upland grassland demonstrates a rapid pathway of carbon flux from arbuscular mycorrhizal mycelia to the soil. New Phytologist. 153 (2), 327-334 (2002).
- Johnson, D., Leake, J., Read, D. J. Transfer of recent photosynthate into mycorrhizal mycelium of an upland grassland: short-term respiratory losses and accumulation. of 14C. Soil Biology and Biochemistry. 34 (10), 1521-1524 (2002).
- Walder, F., et al. Mycorrhizal networks: Common goods of plants shared under unequal terms of trade. Plant Physiology. 159 (June 2012), 789-797 (2012).
- Song, Y. Y., et al. Interplant communication of tomato tlants through underground common mycorrhizal networks. Plos One. 5 (10), e13324 (2010).
- Merrild, M. P., Ambus, P., Rosendahl, S., Jakobsen, I. Common arbuscular mycorrhizal networks amplify competition for phosphorus between seedlings and established plants. New Phytologist. 200 (1), 229-240 (2013).
- Janos, D. P., Scott, J., Aristizábal, C., Bowman, D. M. J. S. Arbuscular-mycorrhizal networks inhibit Eucalyptus tetrodonta seedlings in rain forest soil microcosms. Plos One. 8 (2), e57716 (2013).
- Wyss Lozano Hoyos, T. . Pinus elliottii var. densa Seedling Performance Reflects Ectomycorrhizas, Soil Nutrient Availability and Root Competition. , (2010).
- Mäder, P., Vierheilig, H., Alt, M., Wiemken, A. Boundries between soil compartments formed by microporous hydrophobic membranes (GORE-TEX) can be crossed by vesicular-arbuscular mycorrhizal fungi but not by ions in the soil solution. Plant and Soil. 152, 201-206 (1993).
- Mäder, P., et al. Transport of 15N from a soil compartment separated by a polytetrafluoroethylene membrane to plant roots via the hyphae of arbuscular mycorrhizal fungi. New Phytologist. 146 (1), 155-161 (2000).
- Brundrett, M., Bougher, N., Dell, B., Grove, T. . Working with Mycorrhizas in Forestry and Agriculture. , (1996).
- McGonigle, T. P., Miller, M. H., Evans, D. G., Fairchild, G. L., Swan, J. A. A new method which gives an objective-measure of colonization of roots by vesicular arbuscular mycorrhizal fungi. New Phytologist. 115 (3), 495-501 (1990).
- Weremijewicz, J., Janos, D. P. Common mycorrhizal networks amplify size inequality in Andropogon gerardii monocultures. New Phytologist. 198 (1), 203-213 (2013).
- Weremijewicz, J., O’Reilly, L. d. S. L., Janos, D. P. Arbuscular common mycorrhizal networks mediate intra-and interspecific interactions of two prairie grasses. Mycorrhiza. , 1-13 (2017).
- Weiner, J. Asymmetric competition in plant populations. Tree. 5 (11), 360-364 (1990).
- Damgaard, C., Weiner, J. Describing inequality in plant size or fecundity. Ecology. 81 (4), 1139-1142 (2000).
- Johnson, C. R., Joiner, J. N., Crews, C. E. Effects of N, K, and Mg on growth and leaf nutrient composition of 3 container grown woody ornamentals inoculated with mycorrhizae. Journal of the American Society for Horticultural Science. 105 (2), 286-288 (1980).
- Estrada-Luna, A. A., Davies, F. T., Egilla, J. N. Mycorrhizal fungi enhancement of growth and gas exchange of micropropagated guava plantlets (Psidium guajava L.) during ex vitro acclimatization and plant establishment. Mycorrhiza. 10 (1), 1-8 (2000).
- Hurlbert, S. H. Pseudoreplication and the design of ecological field experiments. Ecological Monographs. 54 (2), 187-211 (1984).
- Argüello, A., et al. Options of partners improve carbon for phosphorus trade in the arbuscular mycorrhizal mutualism. Ecology Letters. 19 (6), 648-656 (2016).
