の操作植物に誘導される土壌の不均一性のための実験プロトコール

Environment
 

Summary

種の共存の環境異質性の役割を理解することは、一般的にコミュニティの種組成に外因性である不均一性の種類に焦点を当てている。私たちは、植物、土壌のフィードバック調節、またはコミュニティ組成に固有の不均一性の対象に土壌を使用した土壌の不均一トリートメントを作成するための新たな詳細な方法を提供する。

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

しかし、このような植物、土壌のフィードバック(PSF)などの生物的フィードバックは、プラントの性能に大きな影響を持って、地域社会の組成に依存する環境の不均一性を作成し、共存理論は、多くの場合、群集組成とは無関係であるとして、環境の不均一性を治療しました。植物群落アセンブリ用のPSFの重要性を理解することは、PSFの効果を意味するように加えて、PSFにおける異質性の役割の理解を必要とする。ここでは、植物に誘導される土壌の不均一性を操作するためのプロトコルを記述します。 2つの例示的な実験が示されている:植物集団の応答を測定し、(2)2つのパッチ土壌温室実験を個々の植物の応答を測定するために、土壌の6パッチグリッド(1)野外実験。土壌は、同種および異種の植物種からフィールドに植物の根の影響(根圏からの土壌や根圏に直接隣接)の区域から採取することができる。収集複製するイオンは、土壌サンプルをpseudoreplicating回避するために使用される。これらの土壌は、その後、均質化された治療のために、異種の治療または混合のために別々のパッチに配置されます。ケアは異質で均質化された治療法は、土壌撹乱同程度の体験を保証するために注意すべきである。植物を、植物の性能に対する植物誘導性土壌の不均一性の影響を決定するために、これらの土壌処理中に配置することができる。我々はおそらく、これらのフィードバックの動的な性質の伝統的な共存のモデルによって予測されるよりも、異なる結果でその植物に誘導される異質性の結果を、示しています。組立コミュニティと追加の実証研究に影響を受け、環境異質性を組み込んだ理論は組み立てコミュニティに固有の不均一性が群集組成に異質の外因性と比較して別のアセンブリの結果になりますかを決定するために必要とされている。

Introduction

社会生態学の主要な目標の一つは、地域社会のアセンブリを管理するプロセスを説明し、予測することである。しかし、植物群落は、頻繁に共存論1で予測されるよりもより多様であり、復元生態学者は正常に多様なネイティブコミュニティー2を復元するために共存のメカニズムを理解する必要があります。環境異質性は社会の多様性を高いレベルで説明することはできますが、理論的に重要な機構であるが、不均一性の実験操作は3まれである( 例えばルンドホルム4に概説されている)非生物的異質性に焦点を当てる。異質性を組み込んだ理論は、一般的に不均一性が組立コミュニティに外因性であることを前提としています。外因異質性群集組成とは無関係であるような景観類型などの要因によって支配される。外因異質性はニッチ分割(revieを通じて共存につながることができますメルボルン 3、 例えば Pacalaとティルマン5とChesson 6)に結婚。しかし、植物群落に関連する環境の不均一性の多くは、社会が組み立てとして発展し、地域社会における種のIDに応じて、地域社会に固有のかもしれません。本質的な不均一性は、負の周波数依存性( 例えば飲料玩具 7)を介して共存する可能性が生物的フィードバック、に起因することができます。ここでは、植物に誘導される土壌の不均一性、コミュニティに固有のものであると植物、土壌のフィードバックから生じる土壌の不均一性のタイプを操作するための新規な方法について説明します。

植物の土壌のフィードバック(PSF)植物がその土壌中のその後のプラント性能に影響を与える方法で、土壌構造、化学、または生物相に影響を与える、とPSFはネイティブ植物群落8におけるプラント性能に大きな平均効果を持っているときに発生する。 PSFの研究は、通常、どちらかを実験フィールドから土壌やエアコンの土壌を収集し、その後、植物が土壌9の異種または滅菌するために同種の土壌関係でどのように実行するか尋ねた。植物は土壌を参照するために同種の土壌相対的にパフォーマンスが向上する場合、植物が参照土壌でより良いを実行すると、PSFは否定的であるが、その後、PSFは、陽性である。相反負のPSFは種7間の周波数依存の共存につながることができます。 PSFの平均効果は8よく特徴付けられているが、PSFの空間的不均一性の影響はあまり10を理解している。

植物は、多くの場合、作為的に空間的にも時間的にも分散しているため、PSFは個々の植物7の規模で発生しているため、PSFは、我々は、植物によって誘発される土壌の不均一呼び出す土壌の不均一性につながる可能性がある。異質性の多くの他の形態( 例えば 、風景トポロジー)とは異なり、このheterogeneitYは、組み立てのコミュニティに固有のものであるため、異なった異質性より外因性形態よりもコミュニティの集合体に影響を与えることができる。プラント性能上の不均一性との共存のこの形式の影響を理解するために、我々は植物誘導性土壌の不均一性を操作する実験方法を必要とする。ここでは、2土壌の起源と2土壌起源の混合物である均質な治療とは別のパッチが適用された異種の治療を作成するために2種によって調整土壌を使用していますこのような方法を、示しています。すぐ近くに成長している2種の異なる起源または(2)植物の土壌を混合する(1)妨害( 例えば 、げっ歯類、農業)、このようなルートの影響の彼らのゾーンというこの土壌混合は、フィールド内に2個以上のもっともらしいシナリオを表すことができ混在して均質化する。

我々は、異なるのleveで重要な質問に答えるために、植物に誘導される土壌の不均一性を使用する2つの例の実験を提示生態組織のLSは:(1)植物群は、土壌の不均一を植えるに誘導されるように反応するのですか?及び(2)個々の植物は、植物によって誘発される土壌の不均一性に応えるのですか?私たちは、第二の問題に対処するために2土壌のパッチを使用して最初の質問と温室実験に対処するために6土壌のパッチを使用してフィールド実験について説明します。土壌の不均一に人口と、個々の植物の応答の両方を定量化することは不均一性が、コミュニティの集合体にどのように影響するかを理解するために不可欠です。

Protocol

1。異機種で均質な土壌処理剤を製造するためのフィールド土壌を収集

  1. 研究のための類似の生息地や土壌タイプにおける2共起植物種( 例えば 図1a)を特定します。土壌の量を測定し、実験に必要なパッチの数(焦点種の主要ルートゾーンの半分、またはルートボールに包含されるボリュームに例えば三分の一)の実験で使用するために土壌のパッチサイズに基づいて必要(以下、プロトコル2および3を参照)。
    1. ギシギシ属のため。 ( 図1a)、この定義されたゾーン〜18 cm奥行き(5655センチメートル3土壌に植物の根元から10cm半径のおおよそのルートゾーン用×18センチメートル(長さ×幅×奥行き)×10cmの10cmの土壌のパッチを使用し1個々の植物のルートの影響は1800センチメートル3)の3土壌のパッチが得られます。
  2. 2つの焦点の種の大人の個人を特定する調査現場。そのカンガルー個人を避けるTゾーンはおそらく他の焦点の種( 例えばギシギシの個人が他の種の0.25メートル内にある)と重なっている。マークピンフラグを土壌の必要量を得るのに必要な個体の数。
    1. マーク20は、ランダムに各ギシギシ個人を選んだ。それぞれが(下のプロトコル2、のように)各焦点種から3土壌のパッチを必要とすることを20実験単位(2種×2土·トリートメント×5回の反復)のために。
  3. すべての土壌粒子を除去して、約1時10分漂白剤の混合物(5〜10%のNaClO)と水と土壌の収集機器(シャベル、手袋、コンテナを輸送する)滅菌する。土壌生物相に対する漂白効果を回避するために使用前に乾いた機器。その土壌には、交差汚染( 例えばラベル1種Aのためのシャベルと種Bのための第二のシャベル)を回避するために収集したり、輸送する焦点種を示すために、実験室でのテープで各機器にラベルを付けます。
  4. 気象や土壌の条件を確認してください最近の降水イベントの土壌の収集を開始する前にtions。 (泥または完全に飽和)あまりにも濡れている土壌の収集や土壌圧縮を最小限に抑えるために降水イベント中に土壌を採取することは避けてください。根から土壌を分離するのを助けるために(非常に難しいと困難にシャベルを挿入するために)乾燥しすぎている土壌を採取することは避けてください。
  5. pseudoreplication( 例えば 、その後の実験の反復間で混合される希少な病原体を含む単一の土壌サンプル)を回避するために複製バッチで2つの焦点の種のマークされた個人からの畑土壌を収集します。
    1. 種A、適切に標識された無菌のシャベルと(ステップ1.1で定義されている)、適切に標識された滅菌手袋と土壌から見える粗い根を削除し、適切に標識された土壌を置くの個々の完全ルートゾーンを掘る無菌輸送容器( 例えばバケット )。各ブロックの4つの実験台と1個々の植物を用いた実験のために(1.2.1項のように)1実験単位のための十分な土壌を提供するのルートゾーンは、種Aの3つの追加の個人のために、この手順を繰り返します
    2. 種Bの繰り返しセクション1.5.1
    3. 実験サイトに両方の種から複製土壌のコレクションを輸送する。 (以下のプロトコル2又は3に記載のように)実験のための実験1ブロック単位で土壌を置き、ブロックは、各処理の組み合わせ( すなわち、各々の種X毎土壌処理)からの実験単位を含む場合。
    4. セクション1.5.3を繰り返します。
    5. 実験では残りのブロックのためのセクションを1.5.1-1.5.4を繰り返します。少なくとも1メートルごとに、前の収集場所から遠いレプリケートコレクションpseudoreplicationを最小化するために個人のグループから土を集める。

図1
FigurE 1。植物に誘導される土壌の不均一性を操作する例フィールド実験計画。(A)土壌、植物、土壌のフィードバックの影響を研究するための標準プロトコルに続いて、フィールド内の同種(α)とheterospecifics(β)の根の影響のゾーンから収集されます9(b)は、異種の植物のA(α土壌)からの土壌から構成される土壌や植物、B( 'β'土壌)からの土壌を用いた実験処置は格子状に配置され、均質化された土壌の処理は、これらの2起源から土壌の等量混合物を使用して作成されている。この例では、フィールド土壌のグリッドが地面に沈んだ大径ポットに挿入され、各グリッドの周りの領域は、粗い、滅菌砂が充填されている。この図は、ブラントから変更されている。10

2。例フィールド実験、植物人口応答を測定するために、異機種間で均質な土壌のグリッドの作成

  1. 異種の処理( すなわち 、交流グリッドセルは、種Aまたは種Bから採取された土壌が含まれている)と、均質な治療を生成するために複製畑土壌の収集(プロトコル1)から土壌を使用する( すなわち 、各グリッドセルから土壌の1:1混合物が含まれています次の手順では、実験のブロック1のための種AおよびB)( 図1b)。
    1. すべての土壌粒子を除去するために約1時10分漂白剤の混合物(5〜10%のNaClO)および水土壌処理装備(トロエル、手袋、プラスチックグリッド)を滅菌する。土壌生物相に対する漂白効果を回避するために使用前に乾いた機器。その土壌、それが使用されるかどうか示すために、交差汚染( 例えばラベル種Aのための1コテと種B第二こて)、プラスチックグリッドを回避するために処理するフォーカル種を示すために実験用テープで各機器ラベルを付ける異種または同種土壌処理のために。
    2. に取り外し可能なプラスチック製のグリッドを配置地面に沈没ポット[または他のプロットやグリッド収容するのに十分な大きさのコンテナ]フィールド採取した土壌(ステップ1.1.1のように、 例えば 1800センチメートル3 /グリッド·セル)で満たされることを。ステップ1.1で決定されたサイズの6セル( 図1b)例えば 2×3グリッド、所望の寸法のカスタム構築されたグリッドを使用してください。
      1. β土壌細胞に土と種Bから土壌をαのグリッド細胞に土壌パッチの種類、種Aから土の場所spadefulsを交互に異種の治療のため( 図1b)。
      2. 均質な治療のために、均等に2土壌タイプを配布し、各土壌の種類の層を形成しないように注意しながら、 それぞれのグリッドセルに土壌のAとBの交互spadefulsを配置します( 図を図1b)。 1800センチメートル3の例の土壌パッチ(第1.1.1項)、各グリッドセル内の各土壌型の900センチメートル3を配置します。
      3. sと土壌の不均一性と土壌の撹乱を交絡避けるために不均一で均質な土壌の処置を作成するときに妨害を等量( すなわち 、同じ程度に土壌土塊を分割)を製造するURE。
    3. 任意の空き領域が( 図1bのように)使用される大きな鍋の中のグリッドの外側に残っている場合は、滅菌した砂で、この領域を埋める。任意の標準的な方法( 例えばオートクレーブ滅菌、γ線照射)を使用して、砂を殺菌。
    4. そのまま土壌パッチを残して、ポットの外に垂直にプラスチック製のグリッドを持ち上げます。これは、異なる個人からの根は植物の根は、複数の土壌のパッチ( つまりグリッドセル)に成長できるようにするために不可欠である複数のパッチを、体験して土壌や各工場で対話することができます。
    5. 完全な実験的なブロックを生成するための実験台の第二の対の繰り返しセクション2.1.2-2.1.4(各Focaからを植えるその中に異質土壌すなわちグリッドL種及び4実験単位の合計のため、各焦点種を植えるその中に均質な土壌グリッド)。
  2. 残りの土壌を用いた実験の残りのブロックについて、手順2.1は、コレクション(プロトコル1)を複製します。所望であれば、最小(図示せず)で外部植物からシェーディングを保つために、プロットの周りの風景の生地を使用して、実験的な領域にわたって、ブロック内のブロック、およびプロットをランダム化する。
  3. 各実験ポット(2焦点種×2土壌処理)の各グリッド·セルに焦点種の植物の種子。土壌の治療と交絡植物の遺伝子型または種子表面の微生物コミュニティを避けるために、プールされた種子を使用しています。各ギシギシ例えば、植物種子。個々に明確に植えた個体を同定するために12植付位置(グリッドセル当たり2箇所)に、水溶性接着剤プラスチック爪楊枝に接着その種( 図1a)のための鍋に。
  4. 人口RESを測定個々の定期的な人口調査を通じて、このような発芽および生存などの実験台、、のponses( 例えばステップ2.3のように爪楊枝を使って)種子の植え付けの場所をマーク。パッチの中で土を混合避けるために、測定されたすべての応答のための土壌の乱れを最小限に抑えることができます。
    1. フォーカル種に対する人口応答の期待収益率に基づいて、適切な国勢調査の間隔を決定します。例えば、 ギシギシ属毎週センサスを実施しています。それはすぐに発芽することができます。
    2. 焦点の種の生活史に基づいて、適切な期間、実験を続ける。例えば、短命の多年生ギシギシ属のために少なくとも2年間の実験を続けている。すべてのライフステージでのデータを取得する。

3。個々の植物の応答を測定するための鉢に、異機種間、均質化し土壌と例の温室実験、

  1. 複製畑土壌の収集(プロトコル1)から土壌を使用ブロックのための異機種処理(種Aまたは種Bから採取された土壌で埋めポットのすなわち 、各半分)で均質な処理( すなわちポット種AとBからの土の1:1混合物が含まれています)( 図2a)を生成する次の手順では実験の1。
    1. 輸送容器( 例えばバケツ )にポッティング前に、1:1混合物を生成するための滅菌砂でそれぞれの種からフィールド採取した土壌をミックス。土壌から根の分離を促進、土壌圧縮を軽減し、洗濯根に特に有用である、ポットに排水を改善するためにこれを行います。任意の標準的な方法( 例えばオートクレーブ滅菌、γ線照射)を使用して、砂を殺菌。
    2. 砂と畑土壌の各バッチを混合した場合( すなわち 、同じ程度に土壌土塊を分割)、外乱の等量を生成するようにしてください。
  2. APとの機器(こて、手袋、プラスチックシート)を取り扱う土壌を殺菌すべての土壌粒子を除去するために近接して1時10分漂白剤の混合物(5〜10%のNaClO)と水。土壌生物相に対する漂白効果を回避するために使用前に乾いた機器。これを示すために、その土壌には(種Aと種Bのための第二のコテ用などのラベル1コテ)交差汚染を回避するために、処理するフォーカル種と硬いプラスチックシートの各側面を示すために実験室でのテープで各機器にラベルを付ける土壌の種類は、異種土壌処理での各側にポッティングされる。
  3. (3.1.1項)から2つの焦点の種からのフィールド土壌砂の混合物を使用して異種の土壌処理を作成します。
    1. 半分( 図2a)でそれを分割する鍋の中央に硬いプラスチックシートを配置します。ポットを使うことの半分は適切な土壌パッチサイズ(ステップ1.1)への体積で同等であるような大きさ。例えば、 ギシギシ属のための直径15cm、18 cm奥行きとポットを使用しています。 図1aの(総容積3181センチメートル3)。
    2. 2人の研究者が同時にポットが入力されていてもとしての側面を維持するために、適切に標識されたこてで( 例えば 、α種Aから土を)ポットの適切な側にそれぞれの種からフィールド採取した土壌を追加している。
    3. そのまま土壌のパッチを残し、土から垂直に持ち上げてプラスティック製を削除します。これは植物が不均一性を体験し、植物にとって必須のポット内の土壌の両方のパッチを、体験することができます。
    4. 異種の土壌処理の完全なブロックを生成するために3つの追加実験単位の繰り返しセクション3.3.1-3.3.3(2種の異種治療におけるX 2土壌のパッチの種類、 図2)。
  4. (3.1.1項)から2つの焦点の種から畑土壌砂の混合物を使用して、均質な土壌処理を作成します。
    1. 3.3.1項を繰り返します。 2研究者は、同時に両方にαおよびβ土壌の両方を追加している適切に標識されたこてで鍋の側面に、均等に各パッチ内の両方の土壌の種類を配布し、レイヤーの作成を避けること。 3.3.3項を繰り返します。
    2. 均質な土壌処理(2焦点種のそれぞれのための1ポット)の完全なブロックを生成する第二の実験単位については、セクション3.4.1を繰り返します。
  5. 繰り返しますコレクション(プロトコル1)を複製、残りの土で実験中の残りのブロックのための3.2から3.4を繰り返します。温室ベンチ全体で、ブロック内のブロック、およびプロットをランダム化します。

図2
図2。植物に誘導される土壌の不均一性を操作する例温室実験計画。(a)の分野における種A(α土)と種B(β土)の根の影響のゾーンから収集された土壌は場所です各ポット(異質処理)の半分ポット(均質処理)を通して混合中のd。 (B)種Aの植物は、その後、異種治療で、均質な治療の1面に、各土壌のパッチ型実験に植えられている。ここでは、唯一の1種(A)は、この設計に植え示されている。完全に相反デザインは、異種治療内の各土壌処理とパッチ型に植え第2焦点種(B)の植物が含まれるであろう。

  1. 植物要因計画の各土壌のパッチタイプに焦点種AとBの苗(2種×3土壌のパッチタイプ[土壌のα、β土壌、αとβの土壌の均質な混合物]; 図2b)。
  2. このような植物体の大きさ、バイオマス生産、または機能特性のような植物の性能を示すため、個々の植物の応答を測定します。測定するための適切な特徴は、焦点種との科学的問題に依存しますインタレスト。
    1. 植物は、植物の根は、両方の土壌パッチに成長していることを確認するために( 例えば 、約ロゼット形成広葉草本のための土壌のパッチの幅を1.5倍)、土壌のパッチに比べて大きいが表示されるまで実験を続ける。実験の持続時間は、このように焦点種の増殖速度に依存するであろう。
    2. 土壌環境への現実的な応答が必要な場合収穫植物や/または測定応答植物はポットバウンドになる前に( すなわち根の成長は、ポットと根円鍋の底の範囲によって制限されます)。例えば、ポットに結合した植物の根は、フィールド内の植物と同様にして、土壌の列全体で餌はほとんどありません。

Representative Results

種は、コミュニティの集合体への影響で、人口や個人レベル( 図3、図4)の両方で多様な方法で、植物に誘導される土壌の不均一性を答えた。植物群は、植物によって誘発される土壌の不均一性に対応するかどうかを判断するには、フィールド実験を種の3同属のペアを使用してプロトコル2のように設立されました。植物群は、3ヶ月間毎週、発芽植え種子の合計の割合と第生育期で死亡したもの苗の合計の割合は、(死亡率は、生存の逆を表す)( 図3)を算出したcensusedた。我々は、この実験では、植物集団に影響を与えた不均一性を操作することに成功したことを示唆し、植物に誘導される土壌の不均一性に重要な植物集団の応答を発見した。いくつかの種は、土壌混合に非加算応答を示したように観測された応答均質な治療(αβ土壌パッチ)は、その処理(α、または同種、土壌のパッチとβまたは同族、土壌のパッチ)を作成するために混合した2種類の土壌への中間応答はなかった。例えば、 ナスcarolinenseは低い発芽を持っていたし、 ギシギシとギシギシ、土壌タイプ単独( 3)10のどちらかよりも、同種と同族の土壌の均質化された混合物でより死亡率を持っていた。これらの結果は、均質な土壌環境が低下し、発芽または1種の死亡率の増加がコロニーを形成する他の種のためのオープンなパッチを提供することができるの共存を容易かもしれないことで潜在的なメカニズムを提供する。

図3
図3。例では、異機種で均質な土壌によるフィールド実験の結果。( (b)の割合が死亡。いくつかの種は非加算的に混合土に回答し、例えば、 ギシギシとギシギシ、異種治療における同種または同族体のどちらか(R.のエゾノギシギシ )土壌のパッチに比べて均質な治療でより死亡率を持っていた。 PLALAN = ヘラオオバコ 、PLAMAJ = P.メジャー 、RUMCRI = Rクリスプス 、RUMOBT = R = Sエゾノギシギシ 、SOLCAR = ナスcarolinense、およびSOLDUL dulcamara。 * P <0.05混合されていない土壌対均質かつ統計環境R 11における二項誤差分布と混合効果モデルでのそれぞれの種の中同族土対同種の直交コントラストから。平均割合は、全サンプルで割った数(提示されている統計的手法12)との整合性のため。この図は、詳細な解析方法のブラント10参照ブラント 10から変更されている。

個々の植物を植物に誘導される土壌の不均一性に対応するかどうかを判断するには、温室効果実験を種の2同属のペアを使用して、プロトコル3のように設立されました。我々は、植物が、それらがポットレベルの土壌の不均一性に加えて増殖させた土壌のパッチ型に応答することが期待ので、実生( 図2bのように)不均一な処理内の各パッチ型に植えた。植物を2ヶ月間増殖させ、次いで性能(全バイオマス)と( 図4に示すように、特定の葉面積(SLA)を含む)、官能特性を測定するために採取した。土壌の不均一性に重要な植物の応答は、この実験は、土壌の異機種の形を操作することに成功したことを示唆し、観察された植物の性能に影響を与えるneity。私たちは、種がよりも同種と同族の土壌の均質化された混合物中で、下のSLA、または厚い葉を持っている傾向があっている、土壌混合に非加算応答を観察したいずれかの土が混合されていない対均質直交コントラストから(P = 0.031アローンタイプ図4)、ランダム効果と共変量とブロックのような植物バイオマスと混合効果モデルの土壌。特定の葉面積は同族土壌パッチ(; 図4の異種土壌処理における土壌パッチタイプの直交コントラストから、P = 0.004)と比較して、同種でも低かった。これらの結果は、植物資源獲得戦略は、植物の成長、繁殖力、および種間相互作用に対するそのような不均一性の効果に影響を与えていた土壌の不均一性を、植物に誘導されるように反応することを示唆している。

es/ftp_upload/51580/51580fig4highres.jpg "幅=" 500 "/>
図4。例では、異機種で均質な土壌と温暖化実験の結果。同種土壌、同族土壌、または均一な混合物のパッチで栽培同属種の2組の乾燥質量で割った葉の面積として算出される比葉面積(SLA)を、 2土壌タイプ。全体的に、種は、SLAが、異種治療における同種または同族どちら土壌のパッチに比べて均質な治療に低かった非加算的、土壌混合に反応した。 1 SE±特性を意味する。 PLALAN = ヘラオオバコ 、PLAMAJ = P.メジャー 、RUMCRI = Rクリスプス 、RUMOBT = Rエゾノギシギシ

Discussion

植物は大きく、その土壌環境と、その土壌を経験し、その後の植物( 例えばピーターマン 13)は、多くの場合、種特異的な効果を持っているので、植物に誘導される土壌の不均一性は、自然な地 ​​域社会で可能性が高い。しかし、植物群落上の不均一性のこのタイプの役割についての我々の理解は、10,14最小限に抑えられます。ここでは、フィールドに別の起源(異なる種の根の影響すなわちゾーン)から土壌を使用して、植物に誘導される土壌の不均一性を操作するための手法を提案する。植物の応答に影響を与える他の変数との交絡植物に誘導される土壌の不均一性を回避するためのプロトコルの中の重要なステップは次のとおりです。(1)フィールドから収集され、実験単位に置かれた土壌サンプルのpseudoreplicationを回避し、(2)土壌の撹乱の量を等しくする異質で均質な土壌トリートメントに置か現場の土壌のため。 Pseudoreplication O異質で均質な治療法が異なる個々の植物や、よく間隔をおいた位置(ステップ1.5)からの複製バッチで土を採取することにより回避することができ、フィールドでの収集場所から採取された土壌を受信した場合、Fの土壌サンプルが発生する可能性があります。例えば、稀な病原体が唯一の2土壌の処置のうちの1つに配置されている1フィールド内の植物や、植物の土の根域に発生した場合などPseudoreplicationは調査の結果に影響を与えることができます。また、フィールド内の収集場所は、管理、植生史、あるいは土壌特性が異なる場合があり、したがって、各収集場所から土壌は両方実験処置で使用する必要があり、潜在的な交絡因子間でランダム化する。 ( すなわち土壌土塊の別れ)フィールドの土壌への妨害は土壌圧縮が増加し、結果の解釈に影響を与えることができる。例えば、均質な土壌処理は、異種治療よりも大きな外乱を受ける場合、効果土壌の不均一性の土壌の外乱の影響だろう。読者はまた、必要な土壌の総量(ステップ1.1)とフィールド(ステップ1.2)の土壌を収集する元となる各焦点の種の個体数に影響を与える可能性があり、これらの実験の彼らの設計に統計的検出力を考慮する必要があります。予備実験は、予想される効果量と分散を決定するために使用することができ、この情報は、十分な複製15を用いた実験を設計するために使用することができる。

このプロトコルは、簡単に植物の土壌のフィードバック(温室16で調整された土壌を使用することによってと代替実験計画( 例えば 、異なる空間的又は時間的スケール、種間競争17)を研究するための他の方法に対応するように変更することができた。追加の実験はまた、代替フォーカル種を使用することができます。焦点種の選択は、研究の物流の両方の意味を持ち、結果の解釈が、上記のすべての最善の利益の研究者の質問に対応するために行われる必要があります。私たちは、私たちは成長形18と植物土壌フィードバック応答( 例えばバーンズとシュトラウス19)は系統発生の影響をある程度制御することが許可された種の密接に関連ペアのための代表的な結果を示しています。焦点の種の大きさは、使用された土壌パッチの規模を決定し、その生活史は、実験の期間に影響することがあります。小さ ​​い種は大きな種と同程度に異なる土壌パッチタイプにわたって統合することができない場合、サイズの異なる2つの焦点の種は植物に誘導される土壌の不均一性の同じスケールに対して異なる反応かもしれません( 例えば小さい種のルートゾーンがに制限されていますシングル土壌パッチ)。さらに、クローン増殖フォームで種を使用すると、(種のみから再現する種よりも土壌の不均一性に対して異なる応答を生成する可能性があるREVIなどレイノルズとHaubensak 14)にewed。

この方法の重要な制限は、土壌の不均一性への対応支配のメカニズム(例えば、土壌化学などなど非生物的要因が、このような土壌微生物群集としての生物的要因)をさらに作業をせずに認識されないことである。例えば、我々の結果は、均質な土壌( すなわち混合土)は人口や均質治療における植物の応答が構成され2土壌タイプでの応答を植える中間相対されなかった個々のプラントレベルの両方で非加算効果をもたらすことができることを示唆している混合物。土壌の混合はこのようなげっ歯類「掘削などの外乱の結果として、または異なる種の植物が互いの根のゾーンに成長するように、ルートの影響のゾーンをオーバーラップした結果、自然な地域社会で発生する可能性があります。これらの発見のための一つの可能​​なメカニズムは、非加算応答に貢献できる土壌生物相の効果であるの細菌、真菌、または他の生物のコミュニティは、土壌の生物組成物と、その土壌にこのようにして植物の応答を変化させる、土壌混合時に相互作用した場合。非生物のドライバ( 例えば栄養レベル)に対する植物の機能的応答が非線形20であれば非生物的メカニズムも ​​、非加算応答する可能性があります。さらなる実験およびサンプリングは、自然社会への適用のための含意を、したがって、これらの土壌の処理に植物の応答のドライバを識別するために必要である。例えば、土壌の不均一性を植物に誘導されるべき植物の応答を支配する土壌生物的要因の役割は、土壌生物相の役割を試験するためのネガティブコントロールを提供滅菌土壌に比べて温室内で焦点種によって調整された土壌を用いて試験することができる。

私たちは、植物自身が環境heterogeneiに影響を与えることを示唆し、植物に誘導される土壌の不均一性に重大な植物の応答性を実証植物群落アセンブリ( 図5)に影響TY。植物群落アセンブリの研究は、より頻繁に3点を考慮して不均一性のより多くの外因性のタイプとは対照的に、異質性は、このように、地域社会の構成に固有であることができる。ここで紹介する新規な方法は、環境異質と種の共存、あるいは多様性4,14との間の関係についての理論と実験から得られた結果から競合の予測を調整する可能性を秘めている。理論は、環境異質性が増加した種の多様性につながると予測している(メルボルン検討した。3)、直接土壌養分の不均一を操作しかしこれまでの実験では、多くの場合、他のタイプを示唆している、(ルンドホルム4とレイノルズとHaubensak 14に概説されている)逆の傾向を発見した異質性の中でも、植物、土壌のフィードバックから生じるものとして、検討されるべきである。植物誘導性土壌の不均一性を操作するこの方法は、共存は、均質な環境で容易に行うことができることで特異的な機構を示している。いくつかの種のために発見されたとして常駐植物が( 図3)、低級発芽や均質土壌中の高い死亡率を持っている場合は、これらのより均質な環境は、理論の伝統的な予測にカウンターよりinvasibleかもしれません。さらに、異種の土壌中のそれぞれの種ペアの共存予測は、研究者は、彼らが共存10を容易にするために、植物に誘導される土壌の不均一性を期待するかもしれない種のために判断できるように、異種の治療の中に、各土壌のパッチ型に種応答を使用して7を計算することができます。

図5
図5。概念的概観植物に誘導される土壌の不均一性に対処する価値がある。(a)の共存やコミュニティ·アセンブリー上の不均一性の影響を従来の概念は、コミュニティ·アセンブリー上の群集組成( 例えば風景トポロジー)に異質の外因の影響に焦点を当てている。 (B)ここで提案された新しい方法は、植物がその土壌中のその後のプラント性能に影響を与える方法で、生物相、化学、あるいは土壌の構造に影響を与える植物の土壌のフィードバックによって駆動土壌の不均一性に対する植物の効果を含む。この視点は、両方の生物的および非生物的効果を含む群集組成、 固有の不均一性は、アセンブリに影響することを認めている。

社会に固有の不均一性を操作することは、PLAのような生物的フィードバックから生じる可能性があり、周波数依存の共存の可能性の厳格なテストを可能にするNT-土壌のフィードバック、および共存理論9の大きな体で、このメカニズムの理解を統合しています。異質のこのタイプは時間の経過とともに動的であるため、コミュニティの集合体への影響は、それが植物、土壌のフィードバックを開発し、地域社会における植物の土壌フィードバックレガシー効果の長さにかかる時間の長さに依存する。このように、更なる実証研究はこれらの効果が開発し、劣化し、その上、時間的スケールで必要とされている。このように、この作品から出てくる可能性があり、将来のアプリケーションは、本質的なフィードバック·プロセス( 例えば深見と中島20)と、アセンブリ内のこれらの本質的なプロセスの役割( 例えばブラント 10)の更なる実証試験によって駆動異質性を組み込んだ新しい理論に通知があります。

Disclosures

著者らは、開示することは何もありません。

Acknowledgments

私たちは、共通の庭を確立する助け、A. Locci、C.債券、およびA. Alldridge含め、ケースウェスタンリザーブ大学の大地主Valleevueバレーリッジファームに感謝します。 J·フック、L·ハフマン、L.ゴンザレス、サウスカロライナ州リーヒー、B. Ochocki、A. Ubiles、C.ゆう、X.趙、およびNMジマーマンは、フィールドの支援を提供した。 AJBとJHBはCWRUからJHBGADにスタートアップ資金によって資金を供給されたハワード·ヒューズ医学研究所によって資金を供給CWRUから学部研究助成金でサマープログラムでサポートされていました。この作品はまた、JHB(DEB 1250170)に国立科学財団の資金によってサポートされていました。

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.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Agrawal, A. A., et al. Filling key gaps in population and community ecology. Front. Ecol. Environ. 5, 145-152 (2007).
  2. Suding, K. N. Toward an era of restoration in ecology: successes, failures, and opportunities ahead. Ann. Rev. Ecol. Evol. System. 42, 465-487 (2011).
  3. Melbourne, B. A., et al. Invasion in a heterogeneous world: resistance, coexistence or hostile takeover. Ecol. Lett. 10, 77-94 (2007).
  4. Lundholm, J. T. Plant species diversity and environmental heterogeneity: spatial scale and competing hypotheses. J. Veg. Sci. 20, 377-391 (2009).
  5. Pacala, S. W., Tilman, D. Limiting similarity in mechanistic and spatial models of plant competition in heterogeneous environments. Am. Natural. 143, 222-257 (1994).
  6. Chesson, P. General theory of competitive coexistence in spatially-varying environments. Theor. Pop. Biol. 58, 211-237 (2000).
  7. Bever, J. D., Westover, K. M., Antonovics, J. Incorporating the soil community into plant population dynamics: the utility of the feedback approach. J. Ecol. 85, 561-573 (1997).
  8. Kulmatiski, A., Beard, K. H., Stevens, J. R., Cobbold, S. M. Plant-soil feedbacks: a meta-analytical review. Ecol. Lett. 11, 980-992 (2008).
  9. Bever, J. D., et al. Rooting theories of plant community ecology in microbial interactions. Trends. Ecol. Evol. 25, 468-478 (2010).
  10. Brandt, A. J., de Kroon, H., Reynolds, H. L., Burns, J. H. Soil heterogeneity generated by plant-soil feedbacks has implications for species recruitment and coexistence. J. Ecol. 101, 277-286 (2013).
  11. R: A language and environment for statistical computing. Foundation for Statistical Computing. Vienna, Austria. (2012).
  12. Crawley, M. J. The R Book. John Wiley & Sons, Ltd. (2007).
  13. Petermann, J. S., Fergus, A. J. F., Turnbull, L. A., Schmid, B. Janzen-Connell effects are widespread and strong enough to maintain diversity in grasslands. Ecology. 89, 2399-2406 (2008).
  14. Reynolds, H. L., Haubensak, K. A. Soil fertility, heterogeneity, and microbes: towards an integrated understanding of grassland structure and dynamics. Appl. Veg. Sci. 12, 33-44 (2009).
  15. Sokal, R. R., Rohlf, F. J. Biometry, 3rd edn. W. H. Freeman. (1995).
  16. Klironomos, J. N. Feedback with soil biota contributes to plant rarity and invasiveness in communities. Nature. 417, 67-70 (2002).
  17. Mommer, L., van Ruijven, J., Jansen, C., van de Steeg, H. M., de Kroon, H. Interactive effects of nutrient heterogeneity and competition: implications for root foraging theory? Funct. Ecol. 26, 66-73 (2012).
  18. Felsenstein, J. Phylogenies and the comparative method. Am. Natural. 125, 1-15 (1985).
  19. Burns, J. H., Strauss, S. Y. More closely related species are more ecologically similar in an experimental test. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 108, 5302-5307 (2011).
  20. Fukami, T., Nakajima, M. Community assembly: alternative stable states or alternative transient states. Ecol. Lett. 14, 973-984 (2011).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics