Yöntem makalesi

Predasyon Risk, Herbivore Fizyolojik Stres ve Bitki Çöp mikrobiyal bozunma Bağlama

DOI:

10.3791/50061

⸱

12 Mart 2013

 ,  ,  , 
1School of Forestry and Environmental Studies, Yale University, 2Department of Biological Sciences, Virginia Tech, 3Department of Ecology, Evolution and Behavior, The Hebrew University of Jerusalem

Bu makalede

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Biz predasyon riski artan stres taleplerini karşılamak için diyet değişiklikleri uyararak otobur yırtıcı kimyasal kalitesini değiştirebilir nasıl değerlendirmek için yöntemler sunmak, ve nasıl bu stresli otobur gelen karkasların ayrışma toprak mikroplar tarafından sonradan bitki çöp ayrıştırma yavaşlatır.

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Toprak giren detritus miktar ve kalite mikrobiyal toplulukların yanı sıra azot (N) ve karbon (C) sekestrasyon 1,2 geri dönüşüm oranları ile ayrışma hızını belirler. Bitki çöp tortusu 3 çoğunluğu içerir, ve bu yüzden sadece marjinal bir ayrışma bu tür otçul ve 4,5 etobur hayvanlar gibi biyokütle girişleri tarafından etkilendiği düşünülmektedir. Ancak, etoburlar predasyon riski sırayla değiştiren toprakta mikrobiyal işleyişinde otobur karkaslar 6 ayrıştırılır onların otobur yırtıcı fizyolojisi değiştirir hangi etkileşimleri zinciri yoluyla bitki kumu mikrobiyal ayrışma etkileyebilir. Avcılığın riskine otobur tarafından bir fizyolojik stres yanıtı C değiştirebilirsiniz: otobur biyokütle 7,8,9 N elementel bileşimi predasyon riskinden stres otobur bazal enerji talep artar, çünkü bu besin sınırlı sistemlerde kuvvetler otobur içindes artan metabolizma 6 desteklemek için C-zengin karbonhidrat kaynaklarının büyüme ve üreme desteklemek için N-zengin kaynaklardan tüketim kaydırmaya. Otçullar, aşırı besin depolamak için sınırlı bir yeteneği var ve bu yüzden otobur ifraz vurguladı N bunlar karbonhidrat-C tüketimi 7 artış gibi. Sonuçta, kendi vücut C artırmak predasyon riski vurguladı avlayan: N oranı 7,10, onları mikrobiyal enzim üretimi 6 labil N alt durumu muhtemelen nedeniyle toprağın mikrobiyal havuzu için daha düşük kaliteli kaynak ayırıyor. Böylece, stresli otobur karkasların ayrışma bitki çöp 6,10,11 bozunmasına mikropların sonraki yeteneğini azaltır Mikrobiyal toplulukların işleyişini emişli bir etkiye sahiptir.

Biz toprak mikroplar tarafından predasyon risk ve çöp ayrışım arasındaki ilişkiyi incelemektir metodoloji sunmak. Predasyon riskinden otobur stres neden; mea: Biz nasıl açıklaremin o stres yanıtları ve mikrobiyal ayrışma üzerine sonuçlarını ölçmek. Biz avcılık örümcek avcı (Pisuarina mira), baskın bir çekirge otobur (Melanoplus femurrubrum), ve çimen ve forb bitkilerin 9 çeşitli oluşan bir model otlak ekosistem anlayışlar kullanın.

Protokol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Yetiştirilmesi Stres Altında Çekirgeler ve Stres Ücretsiz Koşullar

  1. Göç veya hayvan türlerinin göç (Şekil 1) önlemek için 0,5 m 2 daire, kapalı mesocosms kullanın. 1.5 2.4 m uzunlukta kullanarak mesocosms Construct m yüksekliğinde ¼ "bir iskele olarak örgü alüminyum çit. Eskrim üst ve alt üzerine kıvrılmış 2,5 m uzunlukta 1.75 m yüksekliğinde alüminyum pencere tarama ile eskrim örtün ve kat boyunca birlikte zımbalanabilir. Eskrim katılın kapalı bir daire oluştururlar ve sonra zımba bir mühür oluşturmak için bir araya eleme örtüşen pencere. mesocosom tabanı etrafında 4 cm genişliğinde hendekle derin bir 10 cm kazarak alanda toprağa mesocosm Set biter, içine mesocosm batar açmasında ve sonra mesocosm bir batık kısmı çevresinde açmanın çimen bastırın. mesocosm üst pencere tarama ve Zımba dairesel bir parça.
  2. Çoğaltılmış bir eşleştirilmiş deneysel desig Dizi mesocosmsalanına n. Konu yerlerde bitki türleri kimlik ve bitki örtüsü göreli maç için seçilmelidir. Arsa yerinde toprağa kafesleri 10 cm Sink.
  3. Bir atrap kullanarak, erken (2.) instar çekirge nimf toplamak ve doğal alan yoğunluğunda mesocosms içine stok.
  4. Bir atrap kullanarak, baskın bir otur ve bekle avcılık (web dokuma olmayan) örümcek avcı türlerin bireyleri yakalamak. Tutkal örümcek predasyon kaçınmak için daha iyi yetenekleri ile bireysel çekirge lehine gerçek hayatta seçim decoupled riskine etkileri çimento hızlı kuruyan ile örümcek keliserin (yırtıcı bastırmak için kullanılan ağız) kapattı. Alan yoğunluğunda örümcekler her çifti bir mesocosm stok. Bu stres tedavi olacaktır. Örümcekler olmadan Mesocosms stres ücretsiz tedavi olacak.
  5. Çekirge nimf geç (4. ve 5.) evre aşamalarında geliştirmek için izin ver. Kafesleri ve ra gelen tüm kişilere toplayın; beden elemental stokiyometri içinde vardiya (2) onaylanması; (3) mikrobiyal ayrışma fizyolojik stres devlet (1) doğrulama: ndomly Her kafesten takip eden üç test gruplarından biri bireylerin atayın.

2. Validating Çekirge Stres Devlet

  1. Karbondioksit emisyon oranı olarak çekirge standart metabolizma hızı (SMR), (ölçün figure-protocol-1 ) Bir incurrent akan Solunum sistemi 200 ml / dak 'lık bir hava akış hızı ile. Bir kurutucu madde ile akan hava geçirerek su buharı çıkarın.
  2. 16 saat gıda yoksunluğu (su mevcut olmalıdır) takiben, bireysel çekirge (± 0,1 mg) tartmak ve şeffaf 50 ml (9.2 cm U x 2,0 cm D) koyun respirometre odaları ve onlara en azından işleme kurtarmak için izin ölçümleri önce 10 dk başlar.
  3. Sabit ortalama ortam sıcaklık altında respirometre odasının içindeki sıcaklık (sıcaklık ± 1% standart hata varyasyon), kızıl ötesi CO2 analizörü (örn. Qubit S151-1 ppm çözünürlük) kullanarak, solunum havası analiz. Ortalama minimum kararlı durum ölçün figure-protocol-2 10 dak.
  4. Analizörü fraksiyonel CO 2 konsantrasyonu (parça başına milyon) sağlar, henüz SMR bir oran olarak rapor edilmelidir, böylece biri olarak kayıtları dönüştürülmüş olmalıdır figure-protocol-3 = FR i ( figure-protocol-4 - figure-protocol-5 ) / {1 - figure-protocol-6 [1 - (1/RQ)]}, buradailes/ftp_upload/50061/50061eq3.jpg "fo: src =" / files/ftp_upload/50061/50061eq3highres.jpg "/> CO 2 = incurrent fraksiyonel konsantrasyonu; figure-protocol-7 CO 2 = excurrent fraksiyonel konsantrasyonu; FR = akış hızı (ml dak -1); RQ = solunum katsayısı, otçul 0.85 eşit varsayılır.

3. Vücut Elemental Stökiyometrisinde Validating Shift

  1. Azot (C: N) alanında mesocosms toplanan çekirge bir örnek içeriği Karbon değerlendirin.
  2. Diseksiyon mikroskop altında çekirge bağırsak içeriği kaldırarak Yok nedeniyle son gıda tüketim için: C varyasyon azaltın.
  3. 48 saat boyunca boş bağırsak ve vücut dondurarak kurutmak ve daha sonra bir homojen toz için bireysel karkas ve gut öğütün.
  4. C Ölçüm: bir CNH otoanalizör kullanan toz N içeriği.

4.Mikrobiyal Ayrışma

  1. Yer alan yeri (Şekil 3C) in (15.4 cm çap., Toprağa ~ 4 cm takılı) PVC yaka çiftleri çoğaltılır. Toprak yüzeyinde kırpma yoluyla içlerindeki tüm vejetasyon çıkarın. Bu yaka bozunma önlemleri için kullanılır. Ayrıca, çekirgeler de ot-çöp ne eklenir ila 13 C doğal bolluk kontrolleri (aşağıya bakınız), olarak hareket alanını site genelinde PVC yaka bir takım kurmak.
  2. Alan kafesler kullanılarak yukarıda anlatıldığı gibi yırtıcı riski ile yetiştirilen çekirge 2 bozulmadan, dondurularak kurutulmuş karkaslar (biyokütle eklenen kayıt) eklemek için her çifti bir yaka için. Diğer yaka için her çiftteki yırtıcı riski olmadan yetiştirilen 2 bozulmadan dondurularak kurutulmuş leşleri ekleyin.
  3. Parsellerden çöpçüler tarafından çekirge kaldırılmasını önlemek ve çekirge karkaslar 40 gün ayrıştırmak bildirmek için bir ekran ile PVC yaka örtün.
  4. Karkaslar çürüyen iken, etiket çimen-li13 C ile tter
    1. Bir girişi ve çıkış vanası (Şekil 3B) ile açık bir pleksiglas bölmesinin (60 cm x 60 cm x 1,5 m) Construct.
    2. Zemin (Şekil 3B) içine silikon yağı 5 cm ile kaplanmış kauçuk conta ile x 60 cm ahşap çerçeve bir kare 60 cm Sink.
    3. Böylece oda kauçuk (Şekil 3B) tarafından mühürlenmiş olur ahşap çerçeve üstüne odası kaydırın.
    4. Oda içinde 99 atomu% 13 CO 2 içeren sıkıştırılmış gaz silindirleri için odasına girişlerine bağlayın. Bitkiler (yükselen konsantrasyonları değiştiren bitki karbon bölümleme çünkü) CO 2 konsantrasyonu ortam düzeyde tutulur 13 C ile etiketlenir. Ortam düzeyleri sadece kısa bir süre için etiketli CO 2 darbeli tarafından düzenlenir. Ayrıca, oda sıcaklığı izlenir ve sıcaklık 5 ° C ulaşırsanız odaları kaldırılırBove ortam.
    5. Bir hafta işaretlendikten sonra, bir Thermo DeltaPlus izotop oranı kütle spektrometresi (Thermo, San Jose, CA, USA) kullanılarak aynı ot türleri rasgele bir örnek toplanan doğal bolluk değerleri ile çim-çöp δ 13 C karşılaştırın.
  5. 40 gün sonra, daha önce çekirge leşleri ile tadil edilmiş her yaka havada kurutulmuş 13 C-etiketli çim-çöp 10 g ekleyin.
  6. Her yaka kapatma ve toplam toprak solunumu ve 13 CO 2 solunumu takip ederek 75 gün boyunca yerinde ot-çöp mineralizasyon oranı izleyin. Bu 8 dk boyunca, gerçek zamanlı olarak, bir flow-through chamber tekniği her yaka gaz örnekleri izlenmektedir kullanılarak gerçekleştirilir, her kullanarak boşluğu halka açılan spektroskopisi (CRD'ler; Picarro Inc, Santa Clara, CA, ABD; Model: G1101 -i). CRD'ler biri aynı anda toplam ve δ hem 13 C izlemenize olanak sağlartoprak solunumu.
  7. Izotop karışım denklemleri kullanan toplam toprak solunumu 13 C-etiketli çim-çöp katkısı tahmin. CO 2 türetilmiştir ot-çöp miktarı aşağıdaki gibi hesaplanır: (. Δ 13 C solunumu - δ 13 C nat.abn) C ot-çöp türetilmiş = C toplam × / (δ 13 C çimen çöp - δ 13 C nat . ABN), burada C toplam verilen bir ölçüm sırasında, solunum C toplam tutarı, δ 13 C solunum etiketli çimen çöp, δ 13 C nat.abn değiştirilmiştir yaka için, solunum-C δ 13 C. ortalama δ üç doğal bolluk yakalarıyla, solunum C 13 C (yani çöp ile değiştirilmiştir almayanlar da) ve δ 13 C ot-çöp çimen çöp δ 13 C co ilave edilirllars.
  8. Bağlı olarak sıcaklık ve nem farklılıklarından toprak solunumu farklılıkları düzeltmek için el probları kullanarak deney boyunca toprak sıcaklığı ve nemi hem izleyin.
  9. Alanında kullanılmak üzere tasarlanmış olmasına rağmen, boşluğu halka açılan spektroskopisi, enstrüman (Picarro Inc, Santa Clara, CA, ABD; Model: G1101-i) okumaları hareketi duyarlıdır. Bu nedenle, bir PVC yaka içeren araziler tüm merkezi bir üs ölçüm istasyonu dik, ve PVC boru uzunlukları ile yaka cihazı bağlamak gerekir.

Sonuçlar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Gerilme ve stressiz koşullar altında çekirge standart metabolik bir örneği, çizim Şekil 2 'de gösterilmiştir. Vücut kitle bireysel çekirge arasındaki farklılıklar ve metabolizma hızı vücut kitle ile değişir olması nedeniyle, araziler çekirge vücut kitle göre metabolik oranları sunmalıdır. Farklı tedaviler için paralel eğilimler, metabolizma hızı tüm stresli bireyler için standart metabolizma hızı sabit bir çoklu (yani hiçbir vücut kütle x metabolik hızı etkileşimi yoktur) gibi yükselir göstermektedir.

Çekirge vücudu C ve risk ve risk özgür koşullarda N elementel içerikler Tablo 1'de sunulmaktadır. Tedaviler arasında N oranları: Vücutta C çok küçük (% 4) fark olduğu dikkat çekicidir. Bununla birlikte, bu küçük farklılıklar toprağın mikrobiyal havuz çimen çöp ayrışma büyük farklılıklar (Şekil 3) çevirebilirsiniz.

Önceden stresli veya stressiz çekirge ile değişik PVC yaka çimen çöp ekleme olarak tanımlayan eğrileri yansıyan, çöp ayrışım farklı derecelerde neden mikrobiyal solunum (Şekil 3) nedeniyle topraktan CO 2 serbest kümülat. Eğrileri doyurmak başlar kümülat kadar Deneyler izlenmelidir.
Stres Ücretsiz Stres
Karbon (%) 48.44 ± 0.32 44.73 ± 0.46
Azot (%) 12.11 ± 0.08 11.62 ± 0.12
Karbon: Azot 4.00 ± 0.03 3.85 ± 0.04

Tablo 1. Çekirge otobur arabanın kimyasal içeriği Karşılaştırılmasıonlar predasyon riski (stres) karşı karşıya ve hangi predasyon riski yoktu hangi koşullar Casses (stressiz). Değerler ortalama ± 1 standart hata.

figure-results-1
Şekil 1. Altlık üzerinde ayrışma riskini etkilerinin deneysel değerlendirmesi deney ve genel düzeni kullanılan alan mesocosms tasarımı gösterimi.

figure-results-2
Şekil 2. Otobur vücut kitle göre otobur standart metabolizma hızı bir arsa. Verileri deneysel tedavi göre iki sınıfa ayrılır: predatör (kontrol) ve dolayısıyla hiçbir indüklenen stres olmadan stres uyardığı yırtıcı (yırtıcılık) ve mesocosms içeren mesocosms gelen çekirge. Veri D. Halwena gelmektedirve oj Schmitz 2010, yayınlanmamış.

figure-results-3
Şekil 3. PVC yaka deneysel çimen çöp girişleri çürüyen ise mikrobiyal havuz kümülatif CO2 serbest açıklayan Eğrileri. Çizilen değerler ortalama ± 1 standart hata. Grafikte topraklar stresli çekirge karkaslar (predatör)% 19 alt (ANOVA F 1,6 = 9.06, p <0.05) bitki kumu ayrışma oranları stressiz çekirge karkaslar (kontrol) ile astarlanmalıdır topraklar daha. Sonuç ile astarlanmalıdır olduğunu gösteriyor Ilave saha içinde PVC yaka aygıtı göstermektedir. Hawlena ark çoğaltılamaz Şekil. 6. büyük bir rakam görmek için buraya Cick .

Tartışma

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Burada sunulan yöntemler dizisi yerüstü gıda ağları içeren türler şekilde stres sistematik ölçüm izin vermelidir bitki çöp sonraki ayrışma alterasyon yol şekillerde asal toprağın mikrobiyal topluluklar olabilir. Bozulmamış gıda ağları mekansal sınırlı ve mesocosms bulunan edilebilir, çünkü yöntemler eklembacaklı tüketiciler ve otsu bitkilerin oluşan ekosistemler çalışmak için idealdir.

Mekansal değişkenlik arka toprak nemi renk geçişlerini nedeniyle bulunabilir, toprak sıcaklığı, bitki besin elementi içeriği, vb çalışma tasarımı etkilerini analiz ederken dizi mescosms ve PVC yaka için böyle bir çevre değişimi için mekansal çevre gradyanlar boyunca bloke edebilir ve böylece hesabını verir.

Alanında kullanılmak üzere tasarlanmış olmasına rağmen, boşluğu halka açılan spektroskopisi, enstrüman (Picarro Inc, Santa Clara, CA, ABD; Model: G1101-i) okumaları se vardırhareketine nsitive. Bu nedenle, bir PVC yaka içeren araziler tüm merkezi bir üs ölçüm istasyonu dik, ve PVC boru uzunlukları ile yaka cihazı bağlamak gerekir.

Toprak çöp ayrışım geleneksel, fiberglas hasır çanta içine çöp bilinen miktarlarda parça alanında toprak yüzeyine çanta yatırma ve periyodik çöp kaybolması oranı (ayrışma) ölçmek için torbalar yeniden ölçerek ölçülmüştür. Bu yöntemin bir sınırlama çürümüş madde kaderi iz veya arka plan toprağın CO 2 mineralizasyon gelen toprak değişikliği (eklenen çöp) 2 mineralizasyon CO katkısını belirlemek mümkün olmasıdır. CO 2 etiketli kullanarak Burada sunulan tracer yöntemi bu lojistik kısıtlama hafifletmeye yardımcı olur.

Ekosistem ekolojisi ve biyojeokimya çalışma paradigma altında ameliyat var çünkü yenmemiş bitki-Çöp detritus ağırlığını, belowground ekosistem süreçlerinin sadece marjinal gibi otobur kendilerini 6 gibi yerüstü gıda ağları yüksek trofik seviyeleri, biyokütle girdileri etkilenmektedir. Ancak, ekosistemlerin yüksek trofik düzeylere türlerin belowground süreçleri 1,4,5 üzerinde derin bir etkiye sahip olduğunu kanıtlar artmaktadır. Burada sunulan yöntem (örneğin 9 karkas birikimi (örneğin 12, 13) veya atılımı ve egestion (örneğin 14, 15) ya da dolaylı olarak bitki topluluğu kompozisyonun değişmesi yoluyla gelen biyokütle ile ya doğrudan, yüksek trofik seviyeleri katkı miktarının artırmak için duruyor ) ekosistem besin döngüsü üzerine. Böyle kantifikasyon hayvanlar ekosistemin işleyişi üzerinde biyotik kontrol geçerli çalışma paradigma geliştirmek ve gözden geçirilmesi için bir çaba bir parçası olarak ekosistem dinamikleri kontrol hangi mekanizma ile ortaya çıkarmanıza yardımcı olabilir.

Açıklamalar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Biz ifşa etmek başka bir şey var.

Teşekkürler

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu araştırma Yale İklim ve Enerji Enstitüsü ve ABD Ulusal Bilim Vakfı fonları tarafından desteklenmiştir.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
Reaktif veya ekipman Adı Şirket Katalog numarası Yorumlar (isteğe bağlı)
Spektroskop aşağı Boşluk halkası Picarro Inc, Santa Clara, CA, USA Model # G1101-i
CO2 solunumu Qubit Sistemleri, Kingston, ON, Kanada Model # S151
13C Sigma-Aldrich 372382
Spektrofotometre Thermo, San Jose CA, ABD Model: Delta V Plus İzotop Oranı Kütle Spektrofotometre

Kaynaklar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Wardle, D. A., et al. Ecological linkages between aboveground and belowground biota. Science. 304, 1629-1633 (2004).
  2. Hattenschwiler, S., Tiunov, A. V., Scheu, S. Biodiversity and litter decomposition in terrestrial ecosystems. Annu. Rev. Ecol. Syst. 36, 191-218 (2005).
  3. Cebrian, J. Role of first-order consumers in ecosystem carbon flow. Ecol. Lett. 7, 232-240 (2004).
  4. Aboveground-Belowground Linkages. Bardgett, R. D., Wardle, D. A. , Oxford University Press. Oxford. (2010).
  5. Schmitz, O. J., Hawlena, D., Trussell, G. C. Predator control of ecosystem nutrient dynamics. Ecol. Lett. 13, 1199-1209 (2010).
  6. Hawlena, D., Strickland, M. S., Bradford, M. A., Schmitz, O. J. Fear of predation slows plant litter decomposition. Science. 336, 1434-1438 (2012).
  7. Hawlena, D., Schmitz, O. J. Physiological stress as a fundamental mechanism linking predation to ecosystem functioning. Am. Nat. 176, 537-556 (2010).
  8. Stoks, R. D. eB. lock, M,, McPeek, M. A. Alternative growth and energy storage responses to mortality threats in damselflies. Ecol. Lett. 8, 1307-1316 (2005).
  9. Hawlena, D., Schmitz, O. J. Herbivore physiological response to predation risk and implications for ecosystem nutrient dynamics. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 107, 15503-15507 (2010).
  10. Schimel, J. P., Weintraub, M. N. The implications of exoenzyme activity on microbial carbon and nitrogen limitation in soil: a theoretical model. Soil Biol. Biochem. 35, 1-15 (2003).
  11. Allison, S. D., et al. Low levels of nitrogen addition stimulate decomposition by boreal forest fungi. Soil Biol. Biochem. 41, 293-302 (2009).
  12. Bump, J. K., et al. Ungulate carcasses perforate ecological filters and create biogeochemical hotspots in forest herbaceous layers allowing trees a competitive advantage. Ecosystems. 12, 996-1007 (2009).
  13. Yang, L. H. Periodical cicadas and resource pulses in North American forests. Science. 306, 1565(2004).
  14. Belovsky, G. E., Slade, J. B. Insect herbivory accelerates nutrient cycling and increases plant production. Proc. Nat. Acad. Sci. U.S.A. 97, 14412(2000).
  15. Frost, C. J., Hunter, M. D. Recycling of nitrogen in herbivore feces: plant recovery, herbivore assimilation, soil retention, and leaching losses. Oecologia. 151, 42(2007).

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

Karbon Azot Oranekirge KadavrasToprak SolunumuBo luk Halkal ndirgeme Spektroskopisizotop Kar m DenklemleriMezokozm Deneysel Tasar m

İlgili makaleler