Dieses Verfahren wird erläutert, wie Bau und Betrieb einer kontinuierlichen 13 C-und 15 N-Isotopenmarkierung Kammer für eine einheitliche oder Differenzpflanzengewebe Kennzeichnung. Repräsentative Ergebnisse aus Stoffwechsel-und Struktur Kennzeichnung von Andropogon gerardii werden diskutiert.
Tracing selten stabile Isotope aus Pflanzenmaterial durch das Ökosystem bietet die sensible Informationen über Ökosystemprozesse, von CO 2-Flussmittel und organische Bodensubstanz Bildung kleinen stabilen Isotopen Biomarker Sondieren. Kopplung mehrerer stabiler Isotope wie 13 C mit 15 N, 18 O oder H 2 hat das Potenzial, noch mehr Informationen über komplexe stöchiometrischen Beziehungen während biogeochemischen Transformationen offenbaren. Isotopen-markierten Pflanzenmaterial wurde in verschiedenen Studien der Streuzersetzung und der organischen Bodensubstanz Bildung 4.1 verwendet. Aus diesen und anderen Studien, aber es hat sich gezeigt, dass die Strukturkomponenten von Pflanzenmaterial anders als Stoffwechselkomponenten (dh. Auswaschbaren niedermolekulare Verbindungen) in Bezug auf die mikrobielle Nutzung und langfristige Kohlenstoffspeicherung 7.5 verhalten. Die Fähigkeit, strukturelle und metabolische Komponenten zu untersuchenstellt getrennt ein leistungsfähiges neues Instrument für die Förderung der Spitze der biogeochemischen Ökosystem-Studien. Hier beschreiben wir ein Verfahren zur Herstellung von 13 C-und 15 N-markiertem Pflanzenmaterial, die entweder einheitlich in der gesamten Anlage markiert oder unterschiedlich in Struktur-und Stoffwechselanlagenkomponenten gekennzeichnet.
Hier präsentieren wir den Bau und Betrieb einer kontinuierlichen 13 C-und 15 N-Markierung Kammer, die geändert werden, um verschiedene Forschungsbedarf zu erfüllen. Einheitlich markierten Pflanzenmaterial wird durch kontinuierliche Kennzeichnung vom Keimling bis zur Ernte produziert, während Differenz Kennzeichnung durch Entfernen der Pflanzen von den Kammer Wochen vor der Ernte erreicht. Repräsentative Ergebnisse aus wachsenden Andropogon gerardii Kaw demonstrieren die Fähigkeit des Systems, um effizient Label Pflanzenmaterial bei der gezielten Ebenen. Durch dieses Verfahren haben wir Pflanzenmaterial mit einem 4,4 Atom-% 13 C und 6,7 Atom-% 15 <hergestellt/ Sup> N einheitliche Anlage Label oder Material, die unterschiedlich von bis zu 1,29 Atom-% 13 C und 0,56 Atom-% 15 N markiert ist, in seinem Stoffwechsel-und Strukturkomponenten (Warmwasser und Warmwasser extrahierbaren Restkomponenten, beziehungsweise). Herausforderungen liegen in der Aufrechterhaltung der richtigen Temperatur, Luftfeuchtigkeit, CO 2-Konzentration und Lichtstärken in einem luftdichten 13 C-CO 2-Atmosphäre für die erfolgreiche Pflanzenproduktion. Diese Kammer Beschreibung stellt eine nützliche Recherche-Tool, um effektiv gleichmäßig oder unterschiedlich Multi-Isotop Pflanzenmaterial produzieren für den Einsatz in Experimenten auf Ökosystem biogeochemische Kreisläufe.
Verständnis der Dynamik der Pflanze-Boden-Atmosphäre Verfahren ist für genau vorherzusagen, wie die globale Kohlenstoff (C) und Stickstoff (N)-Funktion Zyklen unter den gegenwärtigen und zukünftigen Umweltbedingungen. Stabile Isotope sind mächtige Werkzeuge in quantitativen Studien der Pflanze-Boden-Atmosphäre-C-und N Radfahren. Tracing selten stabile Isotope aus Pflanzenmaterial durch das Ökosystem bietet sensible Informationen in den Studien von biogeochemischen Stoffkreisläufen, von der CO 2-Flussmittel und organische Bodensubstanz Bildung kleinen stabilen Isotopen Biomarker Sondieren zB 4,8,9. Die Kombination von 13 C-Markierung mit 15 N-Markierung, oder eine andere stabile Isotope, wie 2 H oder 18 O in Pflanzengewebe bietet eine High-Erkennung, nachvollziehbar, aber komplexe Substrat für den Einsatz in gekoppelten Untersuchungen von Pflanzen-und Boden Biochemie. Die Fähigkeit, gleichmäßig oder unterschiedlich zu kennzeichnen strukturelle und metabolische Pflanzenmaterial adds weitere Fähigkeit, komplexe Fragen zu C-und N-Radtouren durch die Ökosysteme zu adressieren. Der Vorteil der Verwendung von isotopenmarkierten Pflanzenmaterial in quantitativen Studien von C und N Buchhaltung, hängt jedoch von der Fähigkeit, 13 C-und 15 N-markiertes Material, das entweder gleichmäßig oder unterschiedlich markiert ist, zu erzeugen.
Isotopenmarkierung hat in Studien zu Werk C-und N-Assimilation 10, 11 und Zuteilung Rhizodeposition 12 verwendet worden. Einheitlich 13 C-und 15 N-markiertem Pflanzenmaterial bietet eine komplexe markierten Substrat für die Untersuchung der Streuzersetzung 1,4, organische Bodensubstanz Bildung 2,6-, Boden-CO 2-Emissionen 4, Bodennahrungsnetz untersucht 13, und Untersuchungen von Boden C Verweilzeiten 2,14. Studien mit 13 C-markierten Biokohle aus Pflanzenmaterial beschriftet beginnen auch neue Informationen über die früher übersehen zeigenBoden char Pools 15. Während 15 N, 2 H und 18 O-Markierung sind relativ leicht durch Wasser und Dünger Behandlung zu erreichen, besteht die Herausforderung in der Herstellung von gleichmäßig 13 C-markiertem Pflanzenmaterial bis 13 C-CO 2-Fixierung.
Kontinuierliche Isotopenmarkierung von Keimling bis zur Reife in einer abgedichteten Kammer erzeugt einen gleichmäßigen Isotopenmarkierung in der gesamten Anlage. Andere Methoden, wie wiederholt Puls-Markierung 16 und Blattapplikation oder Docht 17,18 nicht gleichmäßig Isotop Pflanzenmaterial, noch klare Differential Kennzeichnung bestimmter C-Verbindungen (zB Stoffwechsel vs Struktur) 19 zu produzieren. Eine wichtige Überlegung bei Isotopenmarkierung ist die Kennzeichnung Effizienz, aufgrund der hohen Kosten für seltene Isotop angereicherten Verbindungen in der Kennzeichnung verwendet. Obwohl kontinuierliche 13 C-Markierung ist in der Vergangenheit 2-4,20 verwendet wurden, gibt es nicht unsere Kenntnisseveröffentlicht eine ausführliche technische Beschreibung eines kontinuierlichen Kennzeichnung Kammer mit dem Nachweis der hohen Markierungseffizienz und genaue Steuerung der Menge und Einheitlichkeit der Isotopenmarkierung.
Auf der Spitze der Streuzersetzung und der organischen Bodensubstanz Bildung Forschung ist das Konzept, dass metabolische Pflanzenmaterial (dh auswaschbaren, labile, niedermolekulare Verbindungen) und Strukturpflanzenmaterial (dh. Lignin, Cellulose, Hemicellulose) unterschiedlich in Bezug auf die mikrobielle verarbeitet Nutzungseffizienz, die organische Bodensubstanz Bildung und langfristige Boden C Lagerung 7.5. Pflanzenmaterial, die unterschiedlich in ihrer Struktur-und Stoffwechselbestandteile beschriftet, daher ist ein nützliches Werkzeug bei der Förderung der Streuzersetzung und der organischen Bodensubstanz Bildung Forschung. Differential Kennzeichnung mit Dual-Isotope ermöglicht die Rückverfolgung von strukturellen und metabolischen Komponenten getrennt durch das Ökosystem mit einem Mehrfach Pool Isotop technique 21.
Kontinuierliche Isotopenmarkierung mit 13 C-und andere Isotope in einer abgedichteten Kammer erfordert eine sorgfältige Aufmerksamkeit auf physiologischen Bedingungen zu pflanzen, um die Produktivität der Anlage und Isotopenmarkierungseffizienz zu maximieren. Tagestemperaturspitzen müssen kontrolliert werden, um Pflanzenschäden zu verhindern, wenn wächst in einer luftdichten Kammer. Eine optimale Palette von Feuchtigkeit und Temperatur sind erforderlich, um offene Pflanze Spaltöffnungen und die CO 2-Aufnahme 22 zu halten. Hohe Luftfeuchtigkeit Ursache Beschlagen der Kammerwände, die Lichtverfügbarkeit reduziert und kann die Kammerstruktur beschädigen. Die sorgfältige Abwägung zu Markierungseffizienz durch die Beseitigung natürlicher Häufigkeit Isotope aus der Kammer (z. B. aus dem Topfen mit der organischen Bodensubstanz kommen) und die Verhinderung der Exposition gegenüber der Außenluft Isotop ist wichtig bei der Arbeit mit teuren schweren Isotop markierten Verbindungen.
Hier präsentieren wir eine Methode für den Bau und Betrieb einEndlosdoppel 13 C und 15 N-Isotopenmarkierung Kammer für die Herstellung von Pflanzenmaterial, die entweder einheitlich markiert ist oder hat seine Struktur-und Stoffwechselkomponenten in unterschiedlichen Ebenen gekennzeichnet. 13 C-Markierung ist an der Kammerebene gesteuert, während der Befruchtung und 15 N-Markierung ist, auf der individuellen Ebene Topf gesteuert. Repräsentative Ergebnisse sind gezeigt, um die Fähigkeit dieses Verfahrens auf Temperatur, Feuchtigkeit und CO 2-Konzentration in der gesamten Vegetationsperiode zu steuern demonstrieren. Ergebnisse von der wachsenden Andropogon gerardii, Kaw auch dieser Methode Fähigkeit, gleichmäßig oder unterschiedlich markierten Pflanzenmaterial produzieren zu demonstrieren. Die beschriebenen speziellen Kammerkonstruktion und Betriebsschema kann geändert werden, um verschiedene Pflanzenarten wachsen, sowie H 2 O oder 18 Kennzeichnung aufnehmen.
Dieser Entwurf für eine kontinuierliche Isotopenmarkierung Kammer wurde verwendet, um einheitlich und differentiell produzieren 13 C-und 15 N-markierten A. gerardii für nachfolgende Feld-und Laborversuchen. Während drei Vegetationsperioden des Betriebs, hat die Kammer erfolgreich behauptet Temperatur, Luftfeuchtigkeit und CO 2-Konzentrationen innerhalb der eingestellten Parameter (Abbildung 2). Die Zuverlässigkeit der Temperaturregelung während der Peak des Sommers bei hoher Sonneneinstrahlung kann zu einer Überhitzung in der luftdichten Kammer kritisch. Die Beseitigung überschüssiger Feuchtigkeit durch Transpiration verursacht von den wachsenden Pflanzen sorgt dafür, dass Spaltöffnungen für die photosynthetischen Pflanzenaufnahme 22 und, dass Wasser keine Kondensation Lichteinfall hemmen oder die Struktur der Kammer beschädigen bleiben offen.
Die in der Nähe von kontinuierlichen Überwachung der CO 2-Konzentration durch die IRGA Software hat sich kontinuierlich13 C-Markierung der Pflanzen während sie in der Kammer steigt. Aufgrund der hohen Photosyntheseaktivität von A. gerardii in dieser Kammer wächst, CO 2 wurde in das System häufig bei Tageslicht des Spitzenvegetationsperiode, wenn die photosynthetische Aktivität zog CO 2-Konzentrationen bis zu 360 ppm, etwa alle 15-20 min injiziert. Die Dosierung der bereichert und natürliche Häufigkeit 13 C-CO 2-Panzer für eine kontrollierte 4,4 Atom-% 13 C-Atmosphäre erlaubt durch die Vegetationszeit für eine einheitliche Kennzeichnung Pflanzengewebe. 13. C-CO 2-Produktion kann auch durch Mischen 13 C-Natrium erreicht werden Bicarbonat oder 13 C-Natriumcarbonat und Salzsäure, aber diese Art von System ist komplizierter und erfordert mehr Überwachung und Wartung, so dass wir empfehlen, mit 13 C-CO 2-Gas. Eine wichtige Überlegung für die Überwachung von CO 2 concentrations mit einem IRGA ist, dass Infrarot-Analysatoren verlieren zwei Drittel ihrer Empfindlichkeit bei der Messung von 13 C-CO 2. Diese Unterschätzung von rund 2,9% ppm für unsere 4,4% 13 C-CO 2-Gemisch war nicht von großer Bedeutung für uns, aber könnte ein wichtiges Thema bei der Markierung bei höheren 13 C-Spiegel 27 geworden.
A. gerardii ist eine warme Saison mehrjährige gras tallgrass graminoid Arten. Das Design dieser Kammer wurde von A. optimiert gerardii Produktion (Abbildung 1). Die Größe und die Höhe der Kammer in Rücksicht auf die maximale Höhe der Produktivität von A. gewählt gerardii auf dem Feld, als auch für die gewünschte Anlage Biomasseproduktion für zukünftige Experimente. A. gerardii ist bekannt, dass Licht in dem Bereich 24,25 begrenzt sein. PAR in einem Gewächshaus durch 30-47% vermindert im Vergleich zur äußeren Ebenen 26 werden. Da unsere Anlages wurden in einem Acrylglaskammer in einem Gewächshaus angebaut, PAR Einschränkung war ein Anliegen. Wenn eingeschaltet, erhöht die Leuchtstofflampen PAR innerhalb der Kammer um 9,5%, was dazu beigetragen haben kann, um die Produktivität in diesem lichtempfindlichen Arten zu erhöhen. Bei der Verwendung dieses Kammer-Konstruktion, um andere Arten von Pflanzen spezifischen physiologischen Bedürfnisse wie Größe, Beleuchtung, Nährstoffansprüche, Temperaturempfindlichkeit und Bodenfeuchte wachsen sollte sorgfältig abgestimmt werden, um optimale Wachstumsbedingungen für die Pflanzen zu halten.
Wenn mit teuren isotopenmarkierte Verbindungen, beispielsweise 10 Atom-% 13 C-CO 2 und 98 Atom-% 15 N-KNO 3, Effizienz der Markierung ist ein wichtiger Gesichtspunkt. Diese Kammer-Design optimiert die 13 C-Markierung durch alle Anstrengungen, um die Kammer zu versiegeln und minimieren Luftverlust in die und aus der Kammer. Wenn diese Kammer nie während der Vegetationsperiode geöffnet, dann wird keiner der 13 C-Labeled CO 2 aus der Kammer in die Atmosphäre ausgetreten. Die CO 2-Aufbau während der Nacht die Atmung wird nicht angezeigt, um die wachsenden Pflanzen schädigen und wird schnell bis nach Sonnenaufgang (Abbildung 2) übernommen. Während Differential Markierung wurde die Kammer kurzzeitig geöffnet, um die differentiell markierten Töpfe zu entfernen, aber dies nicht angezeigt, um die Ziel 4,4 Atom-% 13 C-Markierung der markierten kontinuierlich Pflanzen (Tabelle 1) zu verdünnen. 13 C-Markierung wurde durch Auswaschen der optimierten beim Abdichten in der Kammer anfänglichen atmosphärischen Luft gefangen. In Vorversuchen an der Kammer ohne Anfangspeeling der atmosphärischen CO 2 wurden die Pflanzen gemessen, um eine verdünnte 13 C-Ebene in den ersten Blätter produziert als in den späteren Blättern hergestellt haben. Die Anfangspeeling der atmosphärischen CO 2 beim Kammerverschluss scheint dieses Problem, indem sie für den Dauer 13 C-Markierung aus beseitigenSämling bis zur Fälligkeit. Die Aufrechterhaltung einer Boden-kostenlos Blumenerde Mischung aus Sand, Vermiculit und Ton beseitigt auch natürliche Häufigkeit CO 2-Kontamination von Bodenatmung. Die Beseitigung der Erde aus dem System nicht erfordern eine sorgfältige Düngung und Impfung Überlegungen, die einzigartig für verschiedene Pflanzenarten sein können. 15 N-Markierung durch die gezielte 7 Atom-% 15 N Hoegland hoch markierten Pflanzenmaterial mit 6,7 Atom-% 15 N (Tabelle hergestellte Lösung 1). Eine leichte Verwässerung durch die gezielte 15 N Markierung kann durch einige natürliche Fülle N in der Blumenerde mischen oder aus dem heimischen Boden Impfung verursacht werden.
Während der Biosynthese von Verbindungen tritt natürliche Unterscheidung der 13 C (oder 15 N) als Ergebnis der kinetischen Fraktionierung und nicht-statistische Isotopenverteilung in der synthetisierten Verbindungen. Somit wird in dem Fall von C, Nebenprodukte (z. B. Lipide,, Phenol-Verbindungen) werden in der Regel bei 13 C im Vergleich zu abgereichertem Primärprodukte (Kohlenhydrate). Diese natürlichen 13 C-Diskriminierung wird auch beibehalten, wenn die Pflanzen in einem 13 C-angereicherten Atmosphäre gezüchtet, wie in dem kleinen Unterschied in Atom-% 13 C der Heißwasser-und Heißwasserextrakten Reste der einheitlich markierten Pflanzen (Tabelle 1 ersichtlich, ). Diese natürliche kinetische Auftrennung sehr klein ist im Vergleich zu der Anreicherung und nicht die Gleichmäßigkeit der Etikettierung beeinträchtigt.
Differential Kennzeichnung von Struktur-und Stoffwechselpflanzengewebe ist eine neuartige Technik mit Potenzial für weiterführende Studien in Streuabbau, mikrobielle Ökologie und Bildung der organischen Bodensubstanz. Der Unterschied in der 13 C und 15 N von der Heißwasser-und Heißwasserextrakten Resten zeigt eine beträchtliche Verdünnung von 13 C und 15 N in der auslaugbaren, niedrigemolekulare Verbindungen (Heißwasserextrakte) aus dem Strukturpflanzenmaterial (Warmwasserreste) nach 7, 14 und 22 Tagen nach der Differential-Kennzeichnung (P <0,005). Dieser Differenz Kennzeichnung von Pflanzengeweben verwendet werden, um das Schicksal von Struktur-und Stoffwechselkomponenten getrennt durch ein Ökosystem zu verfolgen. Die 13 C-Differential Kennzeichnung war extremer als 15 N Differential-Kennzeichnung. Dies kann aufgrund der Unmittelbarkeit 13 C Verdünnung bei der Entnahme der Pflanzen aus dem 13 C-markiertem CO 2-Atmosphäre, während das Etikett noch 15 N in der Blumenerde bleibt für einige Zeit und 15 N Verdünnung langsamer auftritt. Für weitere drastische Differenz Kennzeichnung von 15 N, kann man überlegen, Spülen der Töpfe mit Wasser vor der natürlichen Häufigkeit der Befruchtung in den letzten Wochen des Wachstums außerhalb der Kammer.
Die Konstruktion und der Betrieb dieser kontinuierlichen 13 </ Sup> C-und 15 N-Beschriftungssystem zur Uniform oder Differential-, Stoffwechsel-und Struktur, Pflanzengewebe Kennzeichnung stellt ein neues Verfahren zur Herstellung von isotopenmarkierten Pflanzenmaterial für die fortgeschrittene Forschung. Das Design und die praktischen Einzelheiten dieser Kammer wurden für 4,4 Atom-% 13 C und 7 Atom-% 15 N Kennzeichnung von A. gewählt gerardii, kann aber auf andere Pflanzenarten und-Isotopenmarkierung Stufen angepasst werden. Die hier beschriebenen Wachstumsbedingungen sollten angepasst werden, um die Größe, Temperatur, Feuchtigkeit, Licht, Wasser und Nährstoffansprüche der einzelnen Pflanzenarten von Interesse zu entsprechen. Markierung mit 18 O 2 oder H kann auch durch Markieren der in dem Bewässerungssystem verwendete Wasser erreicht werden. Das hier beschriebene System greift viele der Herausforderungen des einheitlichen und Differential 13 C-Kennzeichnung von Pflanzenmaterial. Diese Grund Kammer-Konstruktion kann von anderen Forschungsgruppen zu hoch markierten Pflanzenmaterial für adv verwendet werdenERWEITERTE Studien Ökosystem Biogeochemie.
The authors have nothing to disclose.
Besonderer Dank gebührt dem Pflanzenwachstumsfazilität EcoCore analytische Anlage an der Colorado State University und an die vielen Schüler und Lehrer, die an diesem Projekt geholfen. Diese Arbeit wird von der NSF DEB Zuschuss # 0918482, USDA National Needs Fellowship und der Cotrufo-Hoppess Fonds für Bodenökologie Forschung finanziert.
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Solenoid Coils | Dayton | 6X543 | |
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Dehumidifier | Dayton | 1DGX4 | |
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