Vinculación de riesgo de depredación, Estrés Fisiológico herbívoro y descomposición microbiana de los desechos de las plantas

Resumen

Se presentan métodos para evaluar cómo el riesgo de depredación puede alterar la calidad química de las presas herbívoro mediante la inducción de cambios en la dieta para satisfacer las demandas de mayor estrés, y cómo la descomposición de los cadáveres de estos herbívoros estrés retarda la descomposición posterior residuos vegetales por microorganismos del suelo.

Resumen

La cantidad y calidad de detritus que entran en el suelo determina la velocidad de descomposición por comunidades microbianas así como las tasas de reciclado de nitrógeno (N) y carbono (C) ^1,2 secuestro. Basura de la planta comprende la mayoría de los detritus ^3, y así se supone que la descomposición es sólo ligeramente influenciada por entradas de biomasa procedentes de animales tales como herbívoros y carnívoros ^4,5. Sin embargo, los carnívoros pueden influir en la descomposición microbiana de los desechos de las plantas a través de una cadena de interacciones en las que el riesgo de depredación altera la fisiología de su presa herbívoro que a su vez altera el funcionamiento microbiana del suelo cuando los cadáveres de herbívoros se descomponen ^6. Una respuesta fisiológica al estrés por los herbívoros al riesgo de depredación puede cambiar el C: composición elemental N de la biomasa de herbívoros ^7,8,9 porque el estrés de la depredación de riesgo aumenta las demandas de energía que herbivore basales en nutrientes limitado sistemas herbívoro fuerzass de cambiar su consumo de N-ricos recursos para apoyar el crecimiento y la reproducción de los recursos de hidratos de carbono C-ricos para apoyar el metabolismo aumentado ^6. Los herbívoros tienen una capacidad limitada para almacenar el exceso de nutrientes, por lo que hizo hincapié en los herbívoros excretan N, ya que aumentan el consumo de hidratos de carbono-C ^7. En última instancia, presa destacó por el riesgo de depredación aumentar su cuerpo relación C: N ^7,10, lo que los pobres recursos de calidad para la piscina microbiana del suelo probablemente debido a la menor disponibilidad de N lábil para la producción de enzimas microbianas ^6. Por lo tanto, la descomposición de los restos de herbívoros estrés tiene un efecto de sensibilización sobre el funcionamiento de las comunidades microbianas que disminuye posterior capacidad de los microbios para descomponer residuos vegetales ^6,10,11.

Se presenta la metodología para evaluar los vínculos entre el riesgo de depredación y la descomposición de la hojarasca de los microbios del suelo. Se describe cómo: inducir estrés en los herbívoros de riesgo de depredación; meaque esas respuestas de estrés y medir las consecuencias sobre la descomposición microbiana. Utilizamos ideas de un ecosistema de pastizal modelo que comprende la caza araña depredador (Pisuarina mira), un herbívoro dominante saltamontes (Melanoplus femurrubrum), y una variedad de plantas herbáceas y gramíneas ^9.

Protocolo

1. Grasshoppers cría bajo tensión y estrés Condiciones gratis

1. Utilice circular 0,5 m ^2, mesocosmos cerrados para prevenir la emigración o la inmigración de especies animales (Figura 1). Construir mesocosmos utilizando longitudes de 2,4 m de 1,5 m de altura ¼ "cerca de malla de aluminio como un andamio. Cubra la esgrima con 2,5 m de largo 1,75 m de altura cribado ventana de aluminio plegada sobre la parte superior e inferior de la esgrima y grapadas a lo largo de veces. Únete a la esgrima extremos para formar un círculo cerrado y grapado la ventana de superposición de cribado para crear un sello. Ajuste el mesocosmos en el suelo en el terreno por excavar unos 10 cm de profundidad por 4 cm de ancho foso alrededor de la base del mesocosom, se hunden en el mesocosmos la zanja y luego apisonar el césped de la zanja alrededor de la parte hundida del mesocosmos. Staple una pieza circular de investigación de la ventana a la parte superior del mesocosmos.
2. Mesocosmos matriz en una replica desig emparejado experimentalN en el campo. Ubicaciones parcela debe ser seleccionado para que coincida con la identidad de la especie vegetal y cobertura en planta. Fregadero jaulas de 10 cm en el suelo en el lugar de parcela.
3. Utilizando una red de barrido, recoja los primeros (2 ^ª) instar ninfas de saltamontes y almacenarlos en los mesocosmos con densidades naturales de campo.
4. Utilizando una red de barrido, la captura de individuos de una dominante sentarse y esperar la caza (no web tejido) araña especies de depredadores. Cola cerró la araña quelíceros (piezas bucales utilizados para someter a presas) con cemento rápido a efectos de riesgo desconectados de la selección actual favorece la supervivencia saltamontes individuales con mejores habilidades para evadir la depredación de araña. Almacene las arañas a densidades de campo a un mesocosmos de cada par. Este será el tratamiento de estrés. Mesocosmos sin arañas será el tratamiento libre de estrés.
5. Permita que las ninfas de saltamontes para desarrollar a finales de (4 ^º y 5 ^º) etapas estadio. Recoge todas las personas de las jaulas y RAndomly asignar a los individuos de cada jaula a uno de tres grupos de ensayo siguientes: (1) la validación de estado de estrés fisiológico, (2) la validación del cambio de cuerpo estequiometría elemental, (3) la descomposición microbiana.

2. Validación Saltamontes estado de estrés

1. Medir la tasa metabólica estándar saltamontes (SMR), como la tasa de emisión de dióxido de carbono ( ) En un flujo a través incurrentes sistema de respirometría con un caudal de aire de 200 ml / min. Retirar el vapor de agua haciendo pasar el aire que fluye a través de un agente de secado.
2. A raíz de la privación de alimentos de 16 horas (el agua debe estar disponible), pese saltamontes individuales (± 0,1 mg), y colocarlos en transparente 50 ml (9,2 cm de largo x 2,0 cm D) cámaras respirómetro y les permite recuperarse de manejar por lo menos 10 min antes de inicio de las mediciones.
3. Bajo constante temperatura ambiente promedio temperatura (temperatura de ± 1% de variación del error estándar) dentro de la cámara respirómetro, analizar aire respirado con una infra-rojo analizador de CO ₂ (por ejemplo Qubit S151-1 resolución ppm). Mida la media mínima en estado estacionario durante 10 min.
4. El analizador ofrece CO ₂ fraccionado concentración (partes por millón), pero SMR debe ser reportado como una tasa, por lo que hay que transformar las grabaciones FR = _i ( - ) / {1 - [1 - (1/RQ)]}, dondeiles/ftp_upload/50061/50061eq3.jpg "fo: src =" / files/ftp_upload/50061/50061eq3highres.jpg "/> = concentración incurrentes fraccional de CO _2; = Concentración excurrent fraccional de CO _2; FR = caudal (ml min ^-1); RQ = cociente respiratorio, que se supone igual a 0,85 en los animales herbívoros.

3. Shift validación en Estequiometría Cuerpo Elemental

1. Evaluar carbono: nitrógeno (C: N) contenido de una muestra de saltamontes recogidos de los mesocosmos de campo.
2. Reducir la variación en C: N debido al consumo reciente de alimentos mediante la eliminación de los contenidos intestinales saltamontes bajo un microscopio de disección.
3. Liofilizar el intestino vacío y el cuerpo durante 48 horas y luego moler la canal individual y tripa a un polvo homogéneo.
4. Medida C: contenido de N del polvo usando un autoanalizador CNH.

4.La descomposición microbiana

1. Place replicado pares de collares de PVC (15,4 cm de diámetro., Insertado ~ 4 cm en el suelo) en el sitio de campo (Figura 3C). Quite toda la vegetación en su interior a través de la saturación en la superficie del suelo. Estos collares se usan para las medidas de descomposición. Además, establecer un conjunto de collares de PVC en todo el sitio del campo para que actúe como ¹³ C natural abundancia controles (ver más abajo), a la que ni los grillos, ni hierba, hojarasca se agregan.
2. Para un collar en cada par añadir 2 intactos, liofilizados cadáveres de saltamontes (registrar la biomasa original) criados con riesgo depredador como se ha descrito anteriormente, utilizando jaulas de campo. Al otro collar en cada par añadir 2 intactos liofilizados cadáveres criados sin riesgo depredador.
3. Cubra los collares de PVC con una pantalla para evitar la extracción saltamontes por los carroñeros de las parcelas y dejar que los cadáveres se descomponen saltamontes durante 40 días.
4. Mientras los cadáveres se descomponen, etiqueta hierba-litter con ¹³ C.
   1. Construir una cámara de plexiglás transparente (60 cm x 60 cm x 1,5 m) con una entrada y una válvula de salida (Figura 3B).
   2. Hunde un cuadrado de 60 cm x 60 cm marco de madera con un sello de goma cubierta con grasa de silicona 5 cm en el suelo (Figura 3B).
   3. Deslice la cámara en la parte superior de la estructura de madera de modo que la cámara se vuelve sellado por el caucho (Figura 3B).
   4. Conectar las entradas de cámara para cilindros de gas comprimidos que contienen 99% átomo de ¹³ CO _2. Las plantas dentro de la cámara serán etiquetados con ¹³ C, donde concentraciones de CO ₂ se mantienen a los niveles ambientales (ya que las concentraciones elevadoras planta altera la partición de carbono). Los niveles ambientales son mantenidos por sólo pulsante marcado CO ₂ durante cortos períodos de tiempo. Además, temperaturas de la cámara se controlan y cámaras se eliminan si las temperaturas alcanzan los 5 ° C unaBove ambiente.
   5. Una semana después del marcaje, comparar δ ¹³ C de la hierba de la camada con valores de abundancia naturales obtenidos de una muestra aleatoria de especies de gramíneas idénticas usando un Thermo DELTAplus relación isotópica espectrómetro de masa (Thermo, San Jose, CA, EE.UU.).
5. Después de 40 días, añadir 10 g de secado al aire ¹³ C-etiquetados de hierba litera para cada collar que había sido modificado con carcasas saltamontes.
6. Monitorear la tasa de mineralización de la hierba-basura in situ en 75 días por cada tapado cuello y el seguimiento tanto de la respiración total del suelo y la respiración de ¹³ CO _2. Esto se logra utilizando una técnica de flujo a través de la cámara, donde las muestras de gas de cada collar se controlan, en tiempo real, para cada cavidad 8 min utilizando espectroscopia ring-down (CRDS; Picarro Inc., Santa Clara, CA, EE.UU.; Modelo: G1101 -i). CRDS permite a uno seguir simultáneamente tanto el total como δ ¹³ Cde respiración del suelo.
7. Estimar la contribución de ¹³ C-etiquetados de hierba basura a la respiración total del suelo usando las ecuaciones de isótopos de mezcla. La cantidad de hierba-basura derivada de CO ₂ se calcula de la siguiente manera: (. Δ ¹³ C _respiración - δ ¹³ C _nat.abn) C _{hierba-basura derivada total} × = C / (δ ¹³ C _{de hierba litera} - δ ¹³ C _{nat . ABN),} donde C _total es la cantidad total de C respirado durante una medición dada, δ ¹³ C de _respiración es el δ ¹³ C de respirado-C para cuellos modificados con litera hierba etiquetados, δ ¹³ C _nat.abn. es la media δ ¹³ C de C respirado en los tres collares de abundancia natural (es decir, aquellos que no han sido modificados con litera), y δ ¹³ C _{hierba-basura} es el δ ¹³ C de la camada hierba agregado a la coLlars.
8. Controlar tanto la temperatura y humedad del suelo a través del experimento utilizando sondas de mano para corregir las diferencias en la respiración del suelo debido a las diferencias en la temperatura y la humedad.
9. Aunque diseñado para uso en el campo, la cavidad ring-down instrumento de espectroscopia (Picarro Inc., Santa Clara, CA, EE.UU.; Modelo: G1101-i) las lecturas son sensibles al movimiento. Por lo tanto, es necesario erigir una estación de medida base central a todas las parcelas que contienen collares de PVC, y conectar el instrumento a los collares con longitudes de tubos de PVC.

Resultados

Un gráfico de ejemplo de saltamontes estándar tasas metabólicas en condiciones de estrés y sin estrés se presentan en la Figura 2. Debido a las diferencias de masa corporal entre los saltamontes individuales, y el hecho de que la tasa metabólica varía con la masa corporal, las parcelas deben presentar tasas metabólicas en relación a la masa corporal saltamontes. Tendencias paralelas para los diferentes tratamientos indican que la tasa metabólica se eleva como un múltiplo constante de la tasa metabólica estándar (es decir, no hay masa corporal x interacción tasa metabólica) para todas las personas estresadas.

Saltamontes cuerpo C y contenidos de N elementales de riesgos y condiciones libres de riesgo se presentan en la Tabla 1. Es de notar que hay una muy pequeña (4%) diferencia en el cuerpo de C: N entre los tratamientos. Sin embargo, estas pequeñas diferencias pueden traducirse en grandes diferencias en la descomposición hierba camada de la piscina microbiana del suelo (Figura 3).

Adición de basura hierba a los collares de PVC previamente modificadas con saltamontes estrés o sin estrés conduce a diferentes grados de descomposición de la hojarasca, como se refleja en las curvas que describen acumular CO _{2 liberado} del suelo debido a la respiración microbiana (Figura 3). Los experimentos deben controlarse hasta acumular las curvas comienzan a saturarse.

	Estrés	Stress Free
Carbono (%)	48,44 ± 0,32	44,73 ± 0,46
Nitrógeno (%)	12,11 ± 0,08	11,62 ± 0,12
Carbono: Nitrógeno	4,00 ± 0,03	3,85 ± 0,04

Tabla 1. Comparación de la composición química de coche herbívoro saltamontesquiebras de las condiciones en las que se enfrentaban el riesgo de depredación (estrés) y en la que estuvo ausente el riesgo de depredación (sin estrés). Los valores son la media ± 1 error estándar.

Figura 1. Ilustración del diseño del campo mesocosmos usado en el experimento y el esquema general de la evaluación experimental de los efectos de riesgo en descomposición de la hojarasca.

Figura 2. Una parcela de la tasa metabólica estándar herbívoro en relación con la masa corporal herbívoro. Los datos se dividen en dos clases de acuerdo con el tratamiento experimental: saltamontes de mesocosmos contienen depredadores (depredación) para inducir el estrés, y mesocosmos sin depredadores (control) y por lo tanto no inducida por el estrés. Los datos proceden de D. HalwenaDO y Schmitz 2010, inédito.

Figura 3. Curvas que describen CO ₂ acumulado liberación junto a la piscina mientras descomposición microbiana experimentales aportes de hojarasca hierba en collares de PVC. Valores representados son la media ± 1 error estándar. El gráfico demuestra que los suelos cebado con estrés cadáveres saltamontes (depredador) dan como resultado menor del 19% (ANOVA F _1,6 = 9,06, P <0,05) de las plantas tasas de descomposición de la hojarasca de los suelos a prueba con estrés canales libres saltamontes (control). El recuadro muestra el aparato de collar de PVC en el campo. Figura reproducida de Hawlena et al. ⁶ Cick aquí para ampliar la cifra .

Discusión

La secuencia de los métodos presentados aquí deben permitir la medición sistemática de la manera estrés en especies que comprenden por encima del suelo redes alimentarias pueden principales comunidades microbianas del suelo en caminos que conducen a la alteración de la descomposición de residuos vegetales posterior. Los métodos son ideales para el estudio de los ecosistemas formados por consumidores de artrópodos y plantas herbáceas redes intactas porque los alimentos pueden estar espacialmente delimitado y contenido en mesocosmos.

Variabilidad espacial pueden existir debido a los gradientes de humedad fondo del suelo, temperatura del suelo, el contenido de nutrientes de las plantas, etc El diseño del estudio permite mescosms matriz y collares de PVC para bloquear a lo largo de gradientes ambientales espaciales y por lo tanto en cuenta la variación ambiental, al analizar los efectos.

Aunque diseñado para uso en el campo, la cavidad ring-down instrumento de espectroscopia (Picarro Inc., Santa Clara, CA, EE.UU.; Modelo: G1101-i) las lecturas son en sínsitive al movimiento. Por lo tanto, es necesario erigir una estación de medida base central a todas las parcelas que contienen collares de PVC, y conectar el instrumento a los collares con longitudes de tubos de PVC.

Descomposición del suelo camada se ha medido tradicionalmente por encerrar cantidades conocidas de basura en bolsas de malla de fibra de vidrio, depositando las bolsas sobre la superficie del suelo en el campo y volver a medir periódicamente las bolsas de basura para cuantificar tasa de desaparición (descomposición). La limitación de este método es que uno no es capaz de rastrear el destino de la materia descompuesta o para determinar la contribución al CO _{2 mineralizado} de la enmienda del suelo (humus añadido) de suelo de fondo CO _{2 mineralizado.} El método trazador marcado con CO ₂ se presenta aquí ayuda a aliviar esta restricción logístico.

Ecología de Ecosistemas y la biogeoquímica han operado bajo el paradigma de trabajo que, debido a planta sin comer-Basura comprende la mayoría de los detritus, los procesos de los ecosistemas están debajo del suelo sólo marginalmente influida por los insumos de biomasa de los niveles tróficos más altos en las cadenas tróficas superficiales, como los herbívoros propios ^6. Sin embargo, existe una creciente evidencia de que las especies de los niveles tróficos superiores de los ecosistemas puede tener una profunda influencia en los procesos de ^1,4,5 subterránea. El método que aquí se presenta se destaca para mejorar la cuantificación de la contribución de los niveles tróficos superiores, ya sea directamente a través de la biomasa a partir de la canal (por ejemplo, ^{12, 13)} o la excreción y egestión (por ejemplo, ^{14, 15)} o indirectamente a través de la alteración de la composición de la comunidad vegetal (por ejemplo, ⁹ ) sobre el ciclo de nutrientes del ecosistema. Dicha cuantificación puede ayudar a revelar los mecanismos por los que los animales de control dinámica de los ecosistemas como parte de un esfuerzo concertado para mejorar y revisar el paradigma actual de trabajo de control biótico sobre el funcionamiento del ecosistema.

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
Nombre del reactivo o equipo	Empresa	Número de catálogo	Comentarios (opcional)
Cavidad anillo hacia abajo espectroscopio	Picarro Inc., Santa Clara, CA, EE.UU.	# Modelo G1101-i
CO2 respirómetro	Qubit Systems, Kingston, ON, Canadá	Modelo # S151
13C	Sigma-Aldrich	372382
Espectrofotómetro	Thermo, San Jose CA, EE.UU.	Modelo: Delta V Plus Espectrómetro de masas de relación isotópica