Investigación de las interacciones de la planta a través de redes de micorrizas comunes utilizando núcleos girados
Summary
Mayoría de las plantas dentro de las comunidades probablemente está interconectada por los hongos arbusculares micorrícicos (AM), pero la mediación de las interacciones de la planta por ellos ha sido investigada principalmente por cultivo de plantas con y sin micorrizas. Se presenta un método para manipular redes mycorrhizal comunes entre plantas micorrizadas para investigar sus consecuencias en las interacciones planta.
Abstract
Arbusculares micorrícico (AM) influencian crecimiento y absorción de nutrientes minerales de la planta, por lo tanto, tienen el potencial para influir en las interacciones de la planta. El poder de su influencia se encuentra en el micelio extra-radical que extienden más allá de las zonas de agotamiento de nutrientes cerca de las raíces, en definitiva, interconectar individuos dentro de una red común de micorriza (CMN). Mayoría de los experimentos, sin embargo, ha investigado el papel de los hongos AM en las interacciones de plantas por cultivo de plantas con y sin micorrizas, un método que no aborda explícitamente el papel de CMNs. Aquí proponemos un método que manipula CMNs para investigar su papel en las interacciones de la planta. Nuestro método utiliza contenedores modificados con partes inferiores cónicas con una malla de nylon o material hidrofóbico que cubren aberturas ranuradas, 15N fertilizante y una arena intersticial pobres en nutrientes. CMNs se quedan ya sea intacto entre los individuos interactuantes, cortado por la rotación de los contenedores, o impedido de formación por una barrera sólida. Nuestros resultados sugieren que contenedores de rotación es suficiente para interrumpir las CMNs y prevenir sus efectos sobre las interacciones planta través de CMNs. Nuestro enfoque es ventajoso porque imita los aspectos de la naturaleza, como plantas de semillero en CMNs ya establecidos y el uso de un conjunto de hongos AM que puede proporcionar diversos beneficios. Aunque nuestra experiencia se limita a investigar las plantas en la etapa de plántula, planta las interacciones a través de CMNs pueden detectarse mediante nuestro enfoque que por lo tanto puede ser aplicado a investigar cuestiones biológicas sobre el funcionamiento de CMNs en ecosistemas.
Introduction
Arbusculares micorrícico (AM) asistida por las plantas en la colonización de la tierra hace 460 millones de años1 y en la actualidad, son simbiontes ubicuas de la mayoría plantas2, les proporciona nutrientes minerales vitales para el crecimiento. Las hifas delgadas, filiformes de hongos AM forraje para nutrientes minerales más allá de las zonas de agotamiento de nutrientes cerca de las raíces, a menudo encontrar y colonizar sistemas radicales de los vecinos de las plantas en una “red micorriza común” (CMN). Redes mycorrhizal comunes también pueden formar hongos germlings join estableció redes3, o cuando estoy hifas fusible (anastomizar) con hifas conespecíficos4,5,6,7. La medida de estos extra-radical hifas en el suelo es enorme, con extra-radical hifas que constituyen el 20% al 30% de la biomasa microbiana total del suelo en pradera y pasto de suelos8 y estirar para 111 m·cm-3 en un pastizal9 .
Redes mycorrhizal comunes partición de nutrientes minerales entre interconectados vecinas plantas10,11,12,13. Las plantas pueden recibir hasta 80% de su fósforo y 25% de sus requerimientos de nitrógeno de hongos AM, mientras que proporciona hasta un 20% de su total fijada carbono para los hongos en retorno14. Trabajo de órgano de la cultura de la raíz in vitro reciente ha encontrado que CMNs preferencial intercambian nutrientes minerales con raíces de host que proporciona el carbón la mayoría hongos11,12. Además, diferentes especies de hongos AM pueden diferir en su calidad como socios simbióticos con algunos hongos intercambiando más fósforo para menos carbono que otros15. Aunque los cultivos de órganos de la raíz son modelos beneficiosos para estudiar la simbiosis AM porque presentan ambientes cuidadosamente controlados y la capacidad de observar directamente las interconexiones hifal, no incluyen brotes de fotosíntesis que afectan importantes procesos fisiológicos como fotosíntesis, transpiración y cambios diurnos, así como constituir nutrientes de carbono y minerales se hunden.
En la naturaleza, las plántulas más probables aprovechar CMNs ya establecidos. Hasta hace poco, sin embargo, científicos han sólo examinado el impacto de los hongos AM en nutrición vegetal por cultivo de plantas con y sin hongos AM, a menudo con una sola especie de hongo de AM. Aunque este trabajo ha sido tremendamente informativo para nuestra comprensión de las micorrizas arbusculares, este método ha pasado por alto el papel potencialmente crucial que CMNs pueden tener en las interacciones entre plantas hospederas interconectados. En particular, las plantas que son altamente dependientes de hongos AM crecimiento interactúan mínimamente sin AM hongos16,17, posiblemente confundir nuestra interpretación de interacciones mediadas por el hongo AM cuando se utiliza como ‘controles’ para línea de base referencia.
Proponemos un enfoque de núcleo gira para la investigación del papel de CMNs en interacciones de la planta y la estructuración de la población. Nuestro enfoque imita los componentes de la simbiosis de AM en la naturaleza porque toda combinación de plantas establecido que cmns y todas las plantas se cultivan con hongos AM. Mediante la eliminación de las interacciones de la raíz, nuestra metodología se centra específicamente en las interacciones mediadas por hongos AM mientras también seguimiento de movimiento de nutrientes minerales en CMNs. Nuestro enfoque se basa en trabajos anteriores que ha utilizado corazones rotados en el campo y en invernadero para entender AM funcionamiento realista.
El método base rotada se ha establecido en la literatura como un método para manipular los hyphae extra-radical18,19,20,21, y ha tenido varias reencarnaciones dependiendo de su propósito en las últimas dos décadas. Inicialmente, bolsas de malla o barreras permitiendo el crecimiento de las hifas se usaron para proporcionar compartimentos libres de raíz para cuantificar la cantidad de hifas de micorrizas arbusculares en el suelo22,23. Luego, se desarrollaron núcleos cilíndricos de suelo en tubos rígidos de agua o tubo con ranuras cubiertas de una malla de nylon penetrable por hifas, pero no las raíces, de plástico. Estos podrían girarse fácilmente para interrumpir el micelio extra-radical18,24,25. Los núcleos rotados se colocaron entre las plantas, y longitudes hyphal suelo por gramo de suelo18, flujos de 13C micelio extra-radical24o la absorción de fósforo de corazones libres de planta fueron cuantificados18. Otro uso de tales corazones fue crecer las plantas dentro de ellos en el campo para reducir la colonización de raíces por los hongos AM desbaratando hyphal frecuente como alternativa a la esterilización o la aplicación de fungicidas, los cuales tienen efectos indirectos sobre el suelo orgánico materia y otros microbios18.
El enfoque de la barrera de malla hyphal se ha utilizado para investigar a repartir nutrientes e interacciones de la planta a través de CMNs, pero en microcosmos rectangular en lugar de girados corazones. Walder et al26 investigaron las interacciones entre Linum usitatissimum (lino) y Sorghum bicolor (sorgo) trazando nutriente mineral para el intercambio de carbono mediante isótopos a través de CMNs de cualquiera de los hongos AM de Rhizophagus irregularis o Funneliformis mosseae26. El microcosmos de sus compartimientos de la planta de estudio compuesto por separados por mallas barreras, compartimientos hyphal sólo accesibles a hifas de micorrizas y compartimientos hyphal etiquetados que contienen isótopos radiactivos y estables. Como controles, el estudio utilizó tratamientos sin micorrizas. Canción et al27 utiliza un enfoque similar para encontrar esa planta señales podrían ser llevadas solamente entre establecidos CMNs de F. mosseae cuando una planta fue infectada por un hongo patógeno. También, semejantemente a Walder et al26, Merrild et al.28 crecieron plantas en compartimentos individuales separados por malla para investigar el rendimiento de la planta de semillero de Solanum lycopersicum (tomate) por CMNs se relaciona un gran Cucumis sativus planta (pepino) que representa una fuente de abundante carbón. También utilizaban tratamientos sin micorriza en lugar de cortar CMNs28. En un experimento en segundo lugar, relacionados con carbón para intercambio de fósforo fue examinada usando bolsas de malla con 32P. microcosmos con barreras de malla hifal y CMN cortar como tratamiento fueron utilizada por Janos et al29, quien investigó competitivo interacciones entre las plántulas de las especies de árboles de la sabana Eucalyptus tetrodonta y trasplantes del árbol del bosque lluvioso, Litsea glutinosa. En ese estudio, Janos et al29 levantó compartimientos que contienen las plántulas unos centímetros, deslizamiento capas de malla uno contra el otro para romper las interconexiones hyphal29.
El último paso en la evolución del método base rotada ha sido crecer las plantas dentro de los corazones que están en macetas o microcosmos20,30. Girar los corazones Wyss30 solía para determinar si micelio extra-radical AM podría colonizar las plántulas de Pinus elliottii al separarse de un donante o ‘enfermera’ AM la planta hospedera, Tamarindus indicay micelio extra-radical cómo de ectomicorrícicos rendimiento de semilla de hongos influencias. Contenedores de plántula tubular comercial grande (Tabla de materiales) dentro de un microcosmos fueron o plástico sólido (no CMNs) o ranuran y cubrieron con una membrana hidrofóbica. Plántula ranurado contenedores fueron o no rotadas (CMNs intactos) o girar para cortar núcleos establecidos de CMNs. girada con barrera de malla diferentes tamaños fueron utilizados por Babikova et al20 para investigar las señales a través de CMNs entre Vicia FABA plantas (frijol). En su estudio, una planta central donante en mesocosmos de diámetro 30 cm fue interconectada por raíces e hifas (sin barrera) o sólo por CMNs establecidos a través de una malla de 40 μm. Centrales fueron cortadas de las interacciones con las plantas vecinas a través de la rotación de los núcleos de acoplamiento cerrado o CMNs fueron prevenidos por una malla fina de 0,5 μm que encierra el núcleo.
Aquí, presentamos un método que combina aspectos de los enfoques de base gira previos para examinar la influencia de CMNs sobre interacciones planta directo combinado con seguimiento de isótopos estables. Nuestro método utiliza un enfoque de ‘planta de destino’, en el cual la planta central de interés es rodeada de plantas vecinas. Las plantas se cultivan dentro de contenedores de plantita rotable ranurados y cubiertos con malla de nylon del silk-screen, membrana hidrofóbica, o son de plástico sólido sin modificar. Redes mycorrhizal comunes cortadas una vez por semana o conserva intactas, y los isótopos estables de 15N rastrear el movimiento del nitrógeno de corazones rotado de vecinos a la planta objetivo central. Al comparar el tamaño de la planta con captación de isótopo estable y nutrientes minerales, evaluamos qué plantas pueden beneficiar o sufrir de CMNs en las interacciones entre plantas hospederas.
Protocol
Representative Results
Discussion
Los resultados afirman que nuestro método de núcleo girar bruscamente puede centrarse en el papel de CMNs en las interacciones de las plantas. Hay varios pasos críticos en el protocolo, sin embargo, que si alterado, tienen potencial para influir en la capacidad de detectar efectos CMN. Es fundamental para llenar los recipientes circundantes área intersticial con un medio pobre en nutrientes. En nuestro experimento de planta objetivo fracasado, núcleo rotado con plántulas de árboles de guayaba, aunque hubo una redu…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nos gustaría agradecer a los revisores anónimos por sus sugerencias. También agradecemos a los numerosos estudiantes que han ayudado con la construcción de botes, microcosmos y ranurado contenedores y que han contribuido con el mantenimiento y recolección de experimentos. También agradecemos a North Central College para inicio fondos (JW) y actuales instalaciones, así como Ashley Wojciechowski para la obtención de North Central College Richter becado apoyando un experimento usando estos métodos. Parte de este trabajo fue financiado por una nacional ciencia Doctoral disertación mejora subvención de la Fundación (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 |
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