Utredning av växt interaktioner mellan gemensamma utöka nätverk använder roteras kärnor
Summary
De flesta växter inom samhällen sannolikt är sammankopplade med svampen utöka (AM) svampar, men medling växt interaktioner av dem har undersökts främst genom odling av växter med kontra utan mycorrhizas. Vi presenterar en metod för att manipulera gemensamma utöka nät bland utöka växter att undersöka deras konsekvenser för växt interaktioner.
Abstract
Svampen utöka (AM) svampar påverka växten mineral näringsupptag och tillväxt, därför de har potential att påverka växt interaktioner. Kraften i deras inflytande återfinns i extraradical mycelia som spridit sig bortom näringsmässig utarmning zoner nära rötterna för att slutligen interconnect individer inom ett gemensamt utöka nätverk (CMN). De flesta experiment, har dock undersökt rollen av AM svampar växt interaktioner av odling av växter med kontra utan utöka svampar, en metod som misslyckas att uttryckligen ta rollen som CMNs. Här föreslår vi en metod som manipulerar CMNs för att undersöka deras roll i växt interaktioner. Vår metod använder modifierade behållare med konisk botten med en nylon mesh eller hydrofoba materialet omfattar slitsade öppningar, 15N-gödselmedel och en näringsfattiga interstitiell sand. CMNs lämnas antingen intakt mellan samverkande individer, avhuggna genom rotation av behållare eller förhindras från att bilda av en solid barriär. Våra fynd tyder på att roterande behållare är tillräckligt för att störa CMNs och förhindra deras effekter på växt interaktioner mellan olika CMNs. Vår strategi är fördelaktigt eftersom det härmar aspekter av naturen, såsom plantor avlyssning till redan etablerade CMNs och användning av en svit av AM svampar som kan ge olika fördelar. Även om vårt experiment är begränsat till att undersöka växter på fröplanta scenen, kan växt interaktioner över CMNs upptäckas med våra förhållningssätt som därför kan tillämpas för att undersöka biologiska frågor om funktion av CMNs i ekosystem.
Introduction
Svampen utöka (AM) svampar biträtt växter i koloniseringen av mark 460 miljoner år sedan1 och idag, är de allestädes närvarande symbionter av de flesta växter2, att förse dem med viktiga mineral näringsämnen för tillväxt. De tunna, tråd-liknande hyfer AM svampar fodergrödor för mineraliska näringsämnen bortom näringsmässig utarmning zoner nära rötter, ofta möter och kolonisera rotsystem i angränsande växter i en ”gemensam utöka nätverk” (CMN). Gemensamma utöka nät också kan bilda när svamp germlings join etablerade nätverk3, eller när AM hyfer säkring (anastomose) med hawaiimonark hyfer4,5,6,7. Omfattningen av dessa extraradical hyfer i marken är enorm, med extraradical hyfer som utgör 20% till 30% av totala jord mikrobiella biomassan i prairie och betesmark jordar8 och stretching för 111 m·cm-3 i orörd gräsmark9 .
Gemensamma utöka nät partitionera mineral näringsämnen bland sammankopplade närliggande växter10,11,12,13. Växter kan få upp till 80% av deras fosfor och 25% av deras kväve krav från AM svampar, samtidigt som den ger upp till 20% av deras totala fast kol till svamparna i returnerar14. Senaste in vitro-roten orgel kulturarbete har funnit att CMNs prioriterat utbyter mineral näringsämnen med värd rötter som ger de flesta kol till svampar11,12. Dessutom olika arter av AM svampar kan skilja sig i deras kvalitet som symbiotiskt partner, med vissa svampar utbyta mer fosfor för mindre kol än andra15. Även om rot orgel kulturer är fördelaktigt modeller för att studera AM symbios eftersom de medför noggrant kontrollerade miljöer och förmågan att direkt Observera hyphal sammankopplingar, omfattar de inte photosynthesizing skott som påverkar viktiga fysiologiska processer såsom fotosyntes, transpiration och dagaktiva förändringar, såväl som som utgör kol och mineral näringsämne sjunker.
I naturen utnyttja plantor troligen redan etablerade CMNs. Tills nyligen, men har forskarna endast undersökt effekterna av AM svampar på växtnäring genom att odla växter med och utan AM svampar, ofta med en enda art av AM svamp. Även om detta arbete har varit oerhört informativ till vår förståelse av svampen mycorrhizas, har denna metod förbisett den potentiellt avgörande roll som CMNs kan ha i samspel mellan sammankopplade värdväxter. I synnerhet interagerar växter som är starkt beroende av AM svampar för tillväxt minimalt utan AM svampar16,17, möjligen confounding vår tolkning av AM svamp-medierade interaktioner när den används som ”kontroller’ för baslinje referens.
Vi föreslår ett roterat-core tillvägagångssätt för utredning av CMNs roll i växt interaktioner och befolkningen strukturering. Vår strategi härmar komponenter i AM symbios i naturen eftersom hela växter join etablerade CMNs och alla växter odlas med AM svampar. Genom att ta bort roten interaktioner, fokuserar vår metodik specifikt på interaktioner medierade av AM svampar medan också spårning mineral näringsämnen rörlighet inom CMNs. Vår strategi bygger på tidigare arbete som har använt roterade kärnor både i fält och i växthuset för att förstå AM fungera realistiskt.
Metoden roterade core har etablerats i litteraturen som en metod att manipulera extraradical hyfer18,19,20,21, och det har haft flera reinkarnationer beroende på dess syfte över de senaste två decennierna. Inledningsvis, mesh väskor eller hinder så att i-tillväxt av hyfer användes för att ge rot-fria fack för att kvantifiera mängden svampen utöka hyfer i den jord22,23. Sedan, cylindriska kärnor av jord inneslutna i styv vattenledningar eller plast slangar med slots omfattas i nylon mesh genomträngliga av hyfer, men inte rötter, utvecklades. Dessa kunde enkelt roteras för att störa extraradical mycelia18,24,25. Roterade borrkärnorna placerades mellan växter och jord hyphal längder per gram jord18, 13C flöden extraradical mycelia24, eller fosfor upptaget från anläggningen kärnor var kvantifierade18. En annan användning av sådana kärnor var att odla växter inom dem i fältet för att minska kolonisering av rötter av AM svampar genom täta hyphal störningar som ett alternativ till sterilisering eller tillämpningen av fungicider, båda har indirekta effekter på mängden organiskt materia och andra mikrober18.
Metoden hyphal mesh barrier har använts för att undersöka näringsämne partitionerar och växt interaktioner över CMNs, men i rektangulära mikrokosmer istället för med roterade kärnor. Walder et al.26 undersökt samspelet mellan Linum usitatissimum (lin) och Sorghum bicolor (sorghum) genom att spåra mineral näringsämne för kol exchange med isotoper över CMNs av antingen av AM svampar Rhizophagus irregularis eller Funneliformis mosseae26. Mikrokosmos i deras studie omfattade växt fack åtskilda av mesh hinder, hyphal fack endast tillgänglig för utöka hyfer och märkta hyphal fack som innehöll radioaktiva och stabila isotoper. Som kontroller används studien behandlingar utan utöka svampar. Låt et al.27 används ett liknande tillvägagångssätt för att hitta fabriken signaler kunde bäras endast bland etablerade CMNs av F. mosseae när en växt var infekterad av svamp patogener. Också, likaså till Walder et al.26, Merrild et al.28 växte växter i enskilda delområden avgränsade med mesh för att undersöka anläggningens prestanda av Solanumlycopersicum (tomat) plantor kopplade av CMNs till en stor Cucumis sativus (gurka) växt som representerade en riklig kolkälla. De använde även behandlingar utan utöka svampar istället för att bryta CMNs28. I en andra, närstående experiment, kol för fosfor exchange undersöktes med hjälp av mesh väskor märkta med 32s. mikrokosmos med hyphal mesh hinder och CMN severing som behandling användes av Janos et al.29, som undersökt konkurrenskraftiga interaktioner mellan plantor av savanna trädslag Eucalyptus tetrodonta och transplantationer av regnskogen träd, Litsea glutinosa. I denna studie, Janos et al.29 lyfte fack som innehåller plantor några centimeter, rörligt lager av mesh mot varandra för att bryta hyphal sammankopplingar29.
Det sista steget i utvecklingen av metoden roterade kärna har varit att odla växter släpper kärnor som ligger inom krukor eller mikrokosmer20,30. Wyss30 används roterade kärnor för att få klarhet om extraradical AM mycel kan kolonisera Pinus elliottii plantor när de sprids från en givare eller ‘sjuksköterska’ AM värdväxt, Tamarindus indicaoch hur extraradical mycel av ectomycorrhizal svampar påverkar plantan prestation. Stora kommersiella tubulär fröplanta behållare (Tabell för material) i mikrokosmos var antingen fast plast (ingen CMNs) eller slitsade och täckt med en vattenavvisande membran. Slitsade fröplanta behållare var antingen inte roterade (intakt CMNs) eller roteras för att bryta etablerade CMNs. roterad kärnor med olika maskstorlek barriär storlekar användes av Babikova et al.20 för att undersöka belowground signalering via CMNs bland Vicia faba (bönor) växter. I deras studie, var en central givare växt i 30 cm diameter mesokosmosstudier sammankopplade genom rötter och hyfer (inget hinder) eller endast CMNs kan fastställas genom en 40 μm mesh. Centrala växter var avskurna från interaktioner med närliggande växter genom rotation av mesh-inneslutna kärnor eller CMNs förhindrades av en finmaskig 0,5 μm omsluter kärnan.
Här presenterar vi en metod som kombinerar aspekter av tidigare roterat-core metoder att undersöka påverkan av CMNs på direkt växt interaktioner kombinerat med stabil isotop spårning. Vår metod använder en ‘mål växt’ tillvägagångssätt, där centrala växten av intresse är omgiven av närliggande växter. Växter odlas inuti vridbar fröplanta behållare som är slitsade och täckt med nylon silk-avskärma mesh, hydrofoba membran, eller är icke-modifierade fast plast. Gemensamma utöka nät är avhuggna en gång i veckan eller hålls intakt, och 15N stabila isotoper spåra förflyttningarna av kväve från grannars roterade kärnor till den centrala mål anläggningen. Genom att jämföra växt storlek med mineral näringsämnen och stabil isotop upptag kan bedöma vi vilka växter kan gynna eller lider av CMNs i samspel mellan värdväxter.
Protocol
Representative Results
Discussion
Våra resultat bekräftar att vår roterade core metod kraftigt kan fokusera på rollen som CMNs i belowground växt interaktioner. I området i närheten finns det flera kritiska steg i protokollet, dock som om ändrats, har potential att påverka förmågan att upptäcka CMN effekter. Det är viktigt att fylla interstitiell området omgivande behållarna med näringsfattiga medium. I vår misslyckade, roteras-core mål växt experiment med guava trädplantor, även om det var en markant minskning av målet tillväxt i …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi vill tacka de två anonyma granskarna för deras förslag. Vi tackar också många studenter som har hjälpt till med att konstruera krukor, mikrokosmos, och slitsade behållare och som har hjälpt med att upprätthålla och skörd experiment. Vi tackar också North Central College för start medel (JW) och nuvarande faciliteter, samt Ashley Wojciechowski för att erhålla ett North Central College Richter bidrag stödja ett experiment med dessa metoder. En del av detta arbete finansierades av National Science Foundation avhandling förbättring utbildningsbidrag (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 |
References
- 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).
- Smith, S. E., Read, D. J. . Mycorrhizal Symbiosis. , (2008).
- Giovannetti, M., Avio, L., Sbrana, C. . Mycorrhizal Networks. , 41-67 (2015).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Miller, R., Kling, M. J. The importance of integration and scale in the arbuscular mycorrhizal symbiosis. Plant and Soil. 226 (2), 295-309 (2000).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Jakobsen, I., Hammer, E. C. . Mycorrhizal Networks. , 91-131 (2015).
- Jakobsen, I., Rosendahl, L. Carbon flow into soil and external hyphae from roots of mycorrhizal cucumber plants. New Phytologist. 115 (1), 77-83 (1990).
- Kiers, E. T., et al. Reciprocal rewards stabilize cooperation in the mycorrhizal symbiosis. Science. 333 (6044), 880-882 (2011).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Babikova, Z., et al. Underground signals carried through common mycelial networks warn neighbouring plants of aphid attack. Ecology Letters. 16 (7), 835-843 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Walder, F., et al. Mycorrhizal networks: Common goods of plants shared under unequal terms of trade. Plant Physiology. 159 (June 2012), 789-797 (2012).
- Song, Y. Y., et al. Interplant communication of tomato tlants through underground common mycorrhizal networks. Plos One. 5 (10), e13324 (2010).
- 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).
- 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).
- Wyss Lozano Hoyos, T. . Pinus elliottii var. densa Seedling Performance Reflects Ectomycorrhizas, Soil Nutrient Availability and Root Competition. , (2010).
- 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).
- 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).
- Brundrett, M., Bougher, N., Dell, B., Grove, T. . Working with Mycorrhizas in Forestry and Agriculture. , (1996).
- 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).
- Weremijewicz, J., Janos, D. P. Common mycorrhizal networks amplify size inequality in Andropogon gerardii monocultures. New Phytologist. 198 (1), 203-213 (2013).
- 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).
- Weiner, J. Asymmetric competition in plant populations. Tree. 5 (11), 360-364 (1990).
- Damgaard, C., Weiner, J. Describing inequality in plant size or fecundity. Ecology. 81 (4), 1139-1142 (2000).
- 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).
- 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).
- Hurlbert, S. H. Pseudoreplication and the design of ecological field experiments. Ecological Monographs. 54 (2), 187-211 (1984).
- Argüello, A., et al. Options of partners improve carbon for phosphorus trade in the arbuscular mycorrhizal mutualism. Ecology Letters. 19 (6), 648-656 (2016).
