JoVE Journal > Environment
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Résultats
Discussion
Divulgations
Acknowledgements
Materials
References
Traduction automatique
Environnement

Undersøgelse af plante interaktioner på tværs af fælles Mycorrhizal netværk ved hjælp af roteret kerner

Published: March 26, 2019
doi:
10.3791/59338
,
1Department of Biology,North Central College, 2Department of Biology,University of Miami

Summary

De fleste planter inden for Fællesskaber sandsynligt hænger ved metoden mycorrhizal (AM) svampe, men mægling af plante interaktioner af dem har været undersøgt primært af voksende planter med versus uden tilførte. Vi præsenterer en metode til at manipulere fælles mycorrhizal netværk blandt mycorrhizal planter til at undersøge deres konsekvenser for anlægget interaktioner.

Abstract

Metoden mycorrhizal (AM) svampe indflydelse plante MINERALSKE næringsstoffer udbredelse og vækst, derfor, de har potentiale til at påvirke plante interaktioner. Kraft af deres indflydelse er i extraradical mycelia, der breder sig ud over næringsstoffer udtynding zoner fundet rødder til i sidste ende interconnect individer inden for en fælles mycorrhizal netværk (CMN). De fleste eksperimenter, men har undersøgt rolle AM svampe i anlægget interaktioner ved at dyrke planter med versus uden mycorrhizal svampe, en metode, der undlader at tage eksplicit stilling til rollen som CMNs. Her, foreslår vi en metode, der manipulerer CMNs for at undersøge deres rolle i anlægget interaktioner. Vores metode bruger modificerede beholdere med konisk bund med en nylon mesh og/eller hydrofobe materiale der dækker slidsede åbninger, 15N gødning og en næringsfattige interstitiel sand. CMNs er tilbage enten intakt mellem interagerende enkeltpersoner, afbrudt af rotation af beholdere, eller forhindret fra formning af en solid barriere. Vores resultater tyder på, at roterende beholdere er tilstrækkelige til at afbryde CMNs og undgå deres virkninger på plante interaktioner på tværs af CMNs. Vores tilgang er fordelagtig, fordi det efterligner aspekter af naturen, såsom frøplanter tappe allerede etablerede CMNs og brugen af en suite af AM svampe, der kan giver forskellige fordele. Selvom vores eksperiment er begrænset til at undersøge planter på stadiet sætteplante, kan plante interaktioner på tværs af CMNs påvises ved hjælp af vores tilgang, som derfor kan anvendes til at undersøge biologiske spørgsmål om driften af CMNs i økosystemer.

Introduction

Metoden mycorrhizal (AM) svampe bistået planter i kolonisering af jord 460 millioner år siden1 og i dag, de er allestedsnærværende symbionter af de fleste planter2, give dem med afgørende mineralske næringsstoffer for vækst. De tynde, tråd-lignende hyfer AM svampe fouragere for mineralske næringsstoffer ud over næringsstoffer udtynding zoner nær rødder, ofte støder og koloniserer rodsystemer af nærliggende planter i et “fælles mycorrhizal netværk” (CMN). Fælles mycorrhizal netværk også kan danne når svampe germlings join etableret netværk3, eller når er hyfer fuse (anastomose) med conspecific hyfer4,5,6,7. Omfanget af disse extraradical hyfer i jorden er enorme, med extraradical hyfer udgør 20-30% af samlede jord mikrobielle biomasse i prairie og græsning jorder8 og strækker sig til 111 m·cm-3 i uforstyrret græsarealer9 .

Fælles mycorrhizal netværk partition mineralske næringsstoffer blandt sammenkoblede nærliggende planter10,11,12,13. Planter kan modtage op til 80% af deres fosfor og 25% af deres kvælstof krav fra AM svampe, samtidig med at op til 20% af deres samlede faste kulstof til svampe i afkast14. Seneste in vitro-roden orgel kultur arbejde har fundet, at CMNs fortrinsvis udveksle mineralske næringsstoffer med værten rødder, der leverer den mest CO2-svampe11,12. Desuden kan forskellige arter af AM svampe variere i deres kvalitet som symbiotiske partnere, med nogle svampe, udveksle mere fosfor for mindre CO2 end andre15. Selv om roden orgel kulturer er gavnlige modeller for at studere AM symbiose, fordi de præsenterer omhyggeligt kontrollerede miljøer og evnen til at direkte observere hyphal sammenkoblinger, omfatter de ikke photosynthesizing skud, som påvirker vigtige fysiologiske processer som fotosyntese, transpiration og temperaturprofil ændringer, såvel som udgør kulstof og mineralske næringsstoffer synker.

I naturen tappe frøplanter sandsynligvis allerede etablerede CMNs. Indtil for nylig, men har forskere kun undersøgt virkningen af AM svampe på planteernæring af voksende planter med og uden AM svampe, ofte med en enkelt art af AM svamp. Selv om dette arbejde har været uhyre informativ til vores forståelse af metoden tilførte, har denne metode overset den potentielt afgørende rolle, som CMNs kan have i interaktioner blandt sammenkoblede værtsplanter. Især interagere planter, der er stærkt afhængige af AM svampe vækst minimalt uden AM svampe16,17, eventuelt confounding vores fortolkning af AM svamp-medieret interaktioner når brugt som ‘kontrol’ til baseline reference.

Vi foreslår en roteret-core tilgang til undersøgelse af CMNs rolle i anlægget interaktioner og strukturering af befolkningen. Vores tilgang efterligner komponenter AM symbiose i naturen fordi hele planter join etableret CMNs og alle planter er dyrket med AM svampe. Ved at fjerne roden interaktioner, fokuserer vores metodologi specifikt på interaktioner medieret af AM svampe mens også tracking mineralske næringsstoffer bevægelse inden for CMNs. Vores tilgang bygger på tidligere arbejde, der har brugt roteret kerner både i feltet og i drivhuset for at forstå AM funktion realistisk.

Metoden roteret core er blevet oprettet i litteraturen som en metode til at manipulere extraradical hyfer18,19,20,21, og det har haft flere reinkarnationer afhængigt af formålet over de sidste to årtier. I første omgang, mesh poser eller hindringer at tillade i vækst af hyfer blev brugt til at give rod-fri rum for at kvantificere mængden af metoden mycorrhizal hyfer i jord22,23. Derefter, cylindriske kerner af jord omgivet af stive vandrør eller plast rør med slots er omfattet i en nylon mesh gennemtrængelige af hyfer, men ikke rødder blev udviklet. Disse kunne nemt drejes for at forstyrre extraradical mycelia18,24,25. De roterede kerner var placeret mellem planter og jord hyphal længder pr. gram jord18, 13C strømme til extraradical mycelia24, eller fosfor optagelse fra plante-fri kerner var kvantificerede18. En anden brug af sådanne kerner var at dyrke planter inden for dem i feltet for at reducere kolonisering af rødderne af AM svampe gennem hyppige hyphal forstyrrelser som et alternativ til sterilisering eller anvendelsen af fungicider, som begge har indirekte virkninger på jordens indhold af organiske spørgsmål og andre mikrober18.

Hyphal mesh barriere tilgang har været brugt til at undersøge næringsstoffordeling og plante interaktioner på tværs af CMNs, men i rektangulære mikrokosmos og ikke med roterede kerner. Walder et al.26 undersøgt samspillet mellem Linum usitatissimum (hør) og Sorghum bicolor (sorghum) af sporing mineralske næringsstoffer for kulstof udveksling ved hjælp af isotoper over CMNs af enten AM svampe Rhizophagus irregularis eller Funneliformis mosseae26. Mikrokosmos i deres undersøgelse bestod af planten rum adskilt af mesh barrierer, hyphal rum kun tilgængelig for mycorrhizal hyfer og mærket hyphal rum, der indeholdt radioaktive og stabile isotoper. Som objekter anvendes studiet behandlinger uden mycorrhizal svampe. Sangen et al.27 anvendes en lignende tilgang til at finde anlægget signaler kunne transporteres kun blandt etablerede CMNs af F. mosseae , når en plante var inficeret af en svampe patogen. Også, på samme måde til Walder et al.26, Merrild et al.28 voksede planter i enkelte rum adskilt af mesh til at undersøge plante ydeevne af Solanum lycopersicum (tomat) stiklinger af CMNs kædet sammen med en stor Cucumis sativus (agurk) plante, der repræsenterede en rigelige carbon kilde. De brugte også behandlinger uden mycorrhizal svampe i stedet for severing CMNs28. I et andet, tilhørende eksperiment, carbon for fosfor exchange blev undersøgt ved hjælp af mesh poser mærket med 32s. mikrokosmos med hyphal mesh barrierer og CMN severing som en behandling blev brugt af Janos et al.29, der undersøgte konkurrencedygtige interaktioner mellem stiklinger af savanna træarter Eucalyptus tetrodonta og transplantationer af regnskoven træet, Litsea glutinosa. I denne undersøgelse, Janos et al.29 løftede rum indeholdende planter et par centimeter, glidende lag af mesh mod hinanden for at bryde hyphal sammenkoblinger29.

Det sidste trin i udviklingen af metoden roteret core har været at dyrke planter inde kerner, der er i potter eller mikrokosmos20,30. Wyss30 brugt roteret kerner til at fastslå, hvis extraradical AM mycelium kan kolonisere Pinus elliottii planter, når spredes fra en donor eller ‘sygeplejerske’ AM vært plante, Tamarindus indica, og hvordan extraradical mycelium af ectomycorrhizal svampe påvirkninger sætteplante ydeevne. Store kommercielle rørformede sætteplante containere (Tabel af materialer) inden for mikrokosmos var enten solid plast (ingen CMNs) eller kærv og dækket med en hydrofobe membran. Slidsede sætteplante containere var enten ikke roteret (intakt CMNs) eller roteret for at bryde etablerede CMNs. drejet kerner med forskellige maskestørrelser barriere størrelser blev brugt af Babikova et al.20 til at undersøge belowground signalering gennem CMNs blandt Vicia faba (bønne) planter. I deres undersøgelse, var en central donor plante i 30 cm diameter mesocosms sammenkoblet ved rødder og hyfer (ingen hindring) eller kun ved CMNs etableret gennem et 40 μm mesh. Centrale planter var afskåret fra samspil med nærliggende planter gennem rotation af de trådnet-lukket kerner, eller CMNs blev forhindret af en 0,5 μm finmasket omslutter kernen.

Vi præsenterer her, en metode, der kombinerer aspekter af forudgående roteret core tilgange til at undersøge CMNs indflydelse på direkte plante interaktioner kombineret med stabil isotop sporing. Vores metode bruger et ‘target plant’ tilgang, hvor de centrale anlæg af interesse er omgivet af nærliggende planter. Planter dyrkes inde drejelig sætteplante containere, der er slidset og dækket med nylon serigrafisk mesh, hydrofobe membran, eller er ikke-modificerede solid plast. Fælles mycorrhizal netværk der udskilles en gang om ugen eller holdes intakt, og 15N stabile isotoper spore transporter af kvælstof fra naboer roterede kerner til anlægget centrale mål. Ved at sammenligne plante størrelse med mineralske næringsstoffer og stabil isotop optagelse, vurderer vi, hvilke planter kan drage fordel eller lider af CMNs i interaktioner blandt værtsplanter.

Protocol

1. konstruktion og montering af drejelig kerner Ændre kommercielle rørformede sætteplante containere (efterfølgende kaldt ‘containere’; Tabel over materialer) at have 19 mm bred x 48 cm længde åbninger. Brug en Boremaskinen med en 19 mm hul så uden en central, pilot twist drill, skåret to huller, over hinanden, i siderne af en container (2,5 cm diameter x 12.1 cm længde), således at hullerne er ca 1 cm fra hinanden. Hold beholderen mod et hegn på Boremaskinen og har et stop m…

Representative Results

For at afgøre, hvordan CMNs kan påvirke plante ydeevne gennem næringsstoffordeling, voksede vi Andropogon gerardii Vitman, en dominerende prærien græs i en target plante eksperiment med 6 jævnt fordelt naboer og intakt, afhuggede, eller ingen CMNs. Vi fandt, at afbrydelse eller forhindre CMNs mindskedes mål overjordiske tør vægte (figur 2), tyder på, at intakt CMNs forfremmet plantevækst. Planter med afhuggede CMNs og forhindret CMNs reage…

Discussion

Vores resultater bekræfter, at vores roteret core metode skarpt kan fokusere på rollen som CMNs i belowground plante interaktioner. Der er flere kritiske trin i protokollen, dog, hvis ændret, har potentiale til at påvirke evnen til at opdage CMN virkninger. Det er afgørende at fylde interstitiel område omkringliggende beholdere med et medium, næringsfattige. I vores forgæves, roteret core target plante eksperiment med guava tree planter, selv om der var en markant reduktion af target vækst i overværelse af et v…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Vi vil gerne takke de to anonyme korrekturlæsere for deres forslag. Vi takker også de talrige undergraduates hvem har hjulpet med opbygningen af gryder, mikrokosmos, og slidset containere og som har bistået med vedligeholdelse og høst eksperimenter. Vi takker også North Central College for opstart midler (til JW) samt nuværende faciliteter og Ashley Wojciechowski for at opnå en North Central College Richter Grant støtte et eksperiment ved hjælp af disse metoder. En del af dette arbejde blev finansieret af en National Science Foundation ph.d.-afhandling forbedring Grant (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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. Smith, S. E., Read, D. J. . Mycorrhizal Symbiosis. , (2008).
  3. Giovannetti, M., Avio, L., Sbrana, C. . Mycorrhizal Networks. , 41-67 (2015).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Miller, R., Kling, M. J. The importance of integration and scale in the arbuscular mycorrhizal symbiosis. Plant and Soil. 226 (2), 295-309 (2000).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Jakobsen, I., Hammer, E. C. . Mycorrhizal Networks. , 91-131 (2015).
  14. Jakobsen, I., Rosendahl, L. Carbon flow into soil and external hyphae from roots of mycorrhizal cucumber plants. New Phytologist. 115 (1), 77-83 (1990).
  15. Kiers, E. T., et al. Reciprocal rewards stabilize cooperation in the mycorrhizal symbiosis. Science. 333 (6044), 880-882 (2011).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. Babikova, Z., et al. Underground signals carried through common mycelial networks warn neighbouring plants of aphid attack. Ecology Letters. 16 (7), 835-843 (2013).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. Walder, F., et al. Mycorrhizal networks: Common goods of plants shared under unequal terms of trade. Plant Physiology. 159 (June 2012), 789-797 (2012).
  27. Song, Y. Y., et al. Interplant communication of tomato tlants through underground common mycorrhizal networks. Plos One. 5 (10), e13324 (2010).
  28. 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).
  29. 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).
  30. Wyss Lozano Hoyos, T. . Pinus elliottii var. densa Seedling Performance Reflects Ectomycorrhizas, Soil Nutrient Availability and Root Competition. , (2010).
  31. 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).
  32. 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).
  33. Brundrett, M., Bougher, N., Dell, B., Grove, T. . Working with Mycorrhizas in Forestry and Agriculture. , (1996).
  34. 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).
  35. Weremijewicz, J., Janos, D. P. Common mycorrhizal networks amplify size inequality in Andropogon gerardii monocultures. New Phytologist. 198 (1), 203-213 (2013).
  36. 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).
  37. Weiner, J. Asymmetric competition in plant populations. Tree. 5 (11), 360-364 (1990).
  38. Damgaard, C., Weiner, J. Describing inequality in plant size or fecundity. Ecology. 81 (4), 1139-1142 (2000).
  39. 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).
  40. 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).
  41. Hurlbert, S. H. Pseudoreplication and the design of ecological field experiments. Ecological Monographs. 54 (2), 187-211 (1984).
  42. Argüello, A., et al. Options of partners improve carbon for phosphorus trade in the arbuscular mycorrhizal mutualism. Ecology Letters. 19 (6), 648-656 (2016).

Tags

Mycorrhizal NetworksPlant InteractionsRotated CoresSymbiotic FungiFungal ColonizationContainer ModificationNylon MeshHot GlueFlexible TapeGlass MarbleAM Fungus Inoculum
check_url/fr/59338?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citer Cet Article
Weremijewicz, J., Janos, D. P. Investigation of Plant Interactions Across Common Mycorrhizal Networks Using Rotated Cores. J. Vis. Exp. (145), e59338, doi:10.3791/59338 (2019).
Télécharger la Citation
Réimpressions et Autorisations

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image