शिकार जोखिम, herbivore शारीरिक तनाव और संयंत्र कूड़े के माइक्रोबियल अपघटन जोड़ने

Summary

हम तरीकों को पेश करने के लिए मूल्यांकन कैसे परभक्षण जोखिम बढ़ तनाव की मांगों को पूरा करने के लिए आहार में परिवर्तन उत्प्रेरण herbivore शिकार के रासायनिक गुणवत्ता को बदल सकते हैं, और इन पर बल दिया शाकाहारी से शवों के अपघटन कैसे मिट्टी रोगाणुओं द्वारा बाद संयंत्र कूड़े अपघटन धीमा कर देती है.

Abstract

The quantity and quality of detritus entering the soil determines the rate of decomposition by microbial communities as well as recycle rates of nitrogen (N) and carbon (C) sequestration^1,2. Plant litter comprises the majority of detritus³, and so it is assumed that decomposition is only marginally influenced by biomass inputs from animals such as herbivores and carnivores^4,5. However, carnivores may influence microbial decomposition of plant litter via a chain of interactions in which predation risk alters the physiology of their herbivore prey that in turn alters soil microbial functioning when the herbivore carcasses are decomposed⁶. A physiological stress response by herbivores to the risk of predation can change the C:N elemental composition of herbivore biomass^7,8,9 because stress from predation risk increases herbivore basal energy demands that in nutrient-limited systems forces herbivores to shift their consumption from N-rich resources to support growth and reproduction to C-rich carbohydrate resources to support heightened metabolism⁶. Herbivores have limited ability to store excess nutrients, so stressed herbivores excrete N as they increase carbohydrate-C consumption⁷. Ultimately, prey stressed by predation risk increase their body C:N ratio^7,10, making them poorer quality resources for the soil microbial pool likely due to lower availability of labile N for microbial enzyme production⁶. Thus, decomposition of carcasses of stressed herbivores has a priming effect on the functioning of microbial communities that decreases subsequent ability to of microbes to decompose plant litter^6,10,11.

We present the methodology to evaluate linkages between predation risk and litter decomposition by soil microbes. We describe how to: induce stress in herbivores from predation risk; measure those stress responses, and measure the consequences on microbial decomposition. We use insights from a model grassland ecosystem comprising the hunting spider predator (Pisuarina mira), a dominant grasshopper herbivore (Melanoplus femurrubrum),and a variety of grass and forb plants⁹.

Protocol

1. तनाव के तहत पालन Grasshoppers और मुफ्त स्थितियां तनाव उत्प्रवास या पशु प्रजातियों (1 चित्रा) के आव्रजन को रोकने के लिए 0.5 मीटर 2 परिपत्र, बंद mesocosms का उपयोग करने के लिए. 1.5 से 2.4 मीटर लंबाई का उपयोग mesocosms निर्माण मीटर ऊंची ¼ "जाल एक मचान के रूप में एल्यूमीनियम बाड़. 2.5 मीटर लंबाई 1.75 मीटर ऊंची एल्यूमीनियम खिड़की और बाड़ लगाने के शीर्ष तल पर मुड़ा हुआ स्क्रीनिंग के साथ बाड़ लगाने कवर और गुना के साथ एक साथ stapled बाड़ लगाने के साथ जुड़ें. एक बंद चक्र फार्म और फिर एक साथ स्क्रीनिंग के लिए एक मुहर बनाने प्रधान अतिव्यापी खिड़की के क्षेत्र में मिट्टी में mesocosom के आधार पर चारों ओर 4 सेमी चौड़ा खाई द्वारा एक 10 सेमी गहरे खुदाई करके मेसोकोस्म सेट समाप्त होता है, में मेसोकोस्म सिंक खाई और फिर मेसोकोस्म की धँसा हिस्से के चारों ओर खाई के वतन स्टेपल खिड़की स्क्रीनिंग का एक परिपत्र टुकड़ा मेसोकोस्म के शीर्ष कूटना. एक दोहराया बनती प्रयोगात्मक desig में ऐरे mesocosmsक्षेत्र में एन. प्लॉट स्थानों संयंत्र प्रजातियों पहचान और संयंत्र रिश्तेदार कवर मैच के लिए चुना जाना चाहिए. साजिश स्थल पर जमीन में 10 सेमी पिंजरों सिंक. महाजाल का उपयोग कर, जल्दी (2 एन डी) instar तृण – भोजी टिड्डा nymphs इकट्ठा करने और उन्हें प्राकृतिक क्षेत्र घनत्व mesocosms में शेयर कर सकते हैं. महाजाल का उपयोग कर, एक प्रमुख बैठो और प्रतीक्षा (बुनाई वेब) शिकार मकड़ी शिकारी प्रजातियों के व्यक्तियों पर कब्जा. गोंद decoupled वास्तविक अस्तित्व मकड़ी शिकार से बचने के लिए बेहतर क्षमताओं के साथ व्यक्तिगत grasshoppers पक्ष चयन से जोखिम प्रभाव के लिए सीमेंट तेजी से सूखने के साथ मकड़ी chelicerae (शिकार को वश में करने के लिए प्रयोग किया जाता mouthparts) बंद. क्षेत्र घनत्व मकड़ियों प्रत्येक जोड़ी के एक मेसोकोस्म स्टॉक. इस तनाव का इलाज हो जाएगा. मकड़ियों बिना mesocosms तनाव मुफ्त इलाज किया जाएगा. तृण – भोजी टिड्डा nymphs देर (4 वें और 5 वें) instar चरणों को विकसित करने की अनुमति दें. पिंजरों और आर ए से सभी व्यक्तियों को ले लीजिएशरीर मौलिक stoichiometry में बदलाव की मान्यता (2), (3) माइक्रोबियल अपघटन (1) शारीरिक तनाव राज्य के मान्यता: ndomly प्रत्येक पिंजरे से तीन बाद परख समूहों में से एक के लिए व्यक्तियों को आवंटित. 2. मान्य टिड्डी तनाव राज्य तृण – भोजी टिड्डा मानक चयापचय को मापें (SMR) कार्बन डाइऑक्साइड उत्सर्जन की दर के रूप में दर ( ) एक incurrent प्रवाह के माध्यम से 200 मिलीग्राम / मिनट की एक हवा के प्रवाह की दर के साथ respirometry प्रणाली में. एक सुखाने एजेंट के माध्यम से बह रही हवा से गुजर रहा जल वाष्प निकालें. 16 घंटे के भोजन के अभाव (पानी उपलब्ध होना चाहिए) के बाद, व्यक्तिगत grasshoppers (± 0.1 मिलीग्राम) तौलना, और उन्हें पारदर्शी 50 मिलीलीटर (9.2 सेमी एल x 2.0 सेमी डी) में जगह respirometer कक्षों और उन्हें कम से कम के लिए नियंत्रण से ठीक करने की अनुमति माप से पहले 10 मिनट के शुरू. लगातार औसत परिवेश मंदिर के तहत (तापमान ± 1% मानक त्रुटि भिन्नता) respirometer कक्ष के भीतर perature, respired इन्फ़रा लाल एक सीओ 2 विश्लेषक (जैसे Qubit पीपीएम संकल्प S151 1) का उपयोग कर हवा का विश्लेषण. मतलब कम से कम स्थिर राज्य को मापें 10 मिनट के लिए. विश्लेषक आंशिक सीओ 2 एकाग्रता (भागों प्रति मिलियन) प्रदान करता है, अभी तक SMR दर के रूप में सूचित किया जाना चाहिए, तो एक रिकॉर्डिंग के रूप में परिवर्तित करना चाहिए = FR (i – ) {/ 1 – [1 (1/RQ)]}, जहांiles/ftp_upload/50061/50061eq3.jpg "के लिए: src =" / "files/ftp_upload/50061/50061eq3highres.jpg /> = सीओ 2 के incurrent भिन्नात्मक एकाग्रता; = सीओ 2 के बहिःस्त्रावी भिन्नात्मक एकाग्रता, FR = प्रवाह की दर (एमएल -1 मिनट), RQ = श्वसन भागफल, शाकाहारी पशुओं में 0.85 के बराबर ग्रहण किया. 3. शारीरिक मौलिक Stoichiometry में मान्य शिफ्ट Grasshoppers के एक नमूना क्षेत्र mesocosms से एकत्र की सामग्री कार्बन नाइट्रोजन (सी एन): मूल्यांकन. N तृण – भोजी टिड्डा एक विदारक खुर्दबीन के नीचे पेट सामग्री को हटाने के द्वारा हाल ही में भोजन की खपत के कारण: सी में भिन्नता को कम. और 48 घंटे के लिए खाली पेट शरीर रुक सूखी और फिर एक सजातीय पाउडर के लिए व्यक्तिगत लोथ और पेट पीसने के. सी उपाय: पाउडर के एन सामग्री का उपयोग कर एक CNH स्वत: विश्लेषण करने वाला एक यंत्र जो सामान्यत: रासायनिक विश्लेषणों में प्रयोग में लाया जाता है. 4.माइक्रोबियल अपघटन प्लेस क्षेत्र साइट (चित्रा 3C) में पीवीसी कॉलर के जोड़े (15.4 सेमी व्यास, मिट्टी में डाला ~ 4 सेमी) दोहराया. उनके भीतर मिट्टी की सतह पर क्लिप के माध्यम से सभी वनस्पति निकालें. ये कॉलर अपघटन उपायों के लिए उपयोग किया जाता है. इसके अतिरिक्त, क्षेत्र साइट भर में पीवीसी कॉलर के सेट 13 सी प्राकृतिक बहुतायत (नीचे देखें) नियंत्रण, जो न तो grasshoppers जोड़ रहे हैं और न ही घास कूड़े के रूप में कार्य करने की स्थापना. प्रत्येक जोड़ी में 2 बरकरार, grasshoppers के फ्रीज सूखे शवों (रिकॉर्ड बायोमास जोडी) शिकारी जोखिम के साथ पाला के रूप में क्षेत्र का उपयोग कर पिंजरों ऊपर वर्णित जोड़ने के एक कॉलर. अन्य कॉलर प्रत्येक जोड़ी में 2 बरकरार फ्रीज सूखे शिकारी जोखिम के बिना पाला शवों जोड़ने. एक स्क्रीन के साथ पीवीसी कॉलर को कवर करने के लिए भूखंडों से मैला ढोने वालों द्वारा तृण – भोजी टिड्डा हटाने को रोकने और तृण – भोजी टिड्डा शवों को 40 दिनों के लिए विघटित. जबकि शवों decomposing रहे हैं, लेबल घास – ली13 सी. साथ tter एक Inlet और आउटलेट वाल्व (3B चित्रा) के साथ एक स्पष्ट plexiglass चैम्बर (60 सेमी x 60 सेमी x 1.5 मीटर) का निर्माण. एक वर्ग 60 सेमी x 60 सेमी जमीन (3B चित्रा) में सिलिकॉन तेल 5 सेमी के साथ लेपित एक रबर सील के साथ लकड़ी के फ्रेम सिंक. लकड़ी के फ्रेम के शीर्ष पर चैम्बर स्लाइड इतना है कि चैम्बर रबर (3B चित्रा) द्वारा बंद हो जाता है. कक्ष के अंदर संकुचित गैस सिलेंडरों से युक्त 99 परमाणु 13% सीओ 2 के लिए चैम्बर inlets कनेक्ट. पौधे 13 सी, जहां सीओ 2 सांद्रता परिवेश के स्तर पर बनाए रखा जाता है के साथ लेबल किया जाएगा (क्योंकि elevating सांद्रता बदल संयंत्र कार्बन विभाजन). परिवेश स्तर केवल समय का संक्षिप्त अवधि के लिए लेबल सीओ 2 स्पंदन द्वारा रखा जाता है. इसके अलावा, चैम्बर तापमान की निगरानी कर रहे हैं और कक्षों को हटा रहे हैं, अगर तापमान 5 ° C तक पहुँचनेbove परिवेश. एक सप्ताह के बाद लेबलिंग, घास प्राकृतिक बहुतायत समान घास एक थर्मो DeltaPlus आइसोटोप अनुपात मास स्पेक्ट्रोमीटर (थर्मो, सैन जोस, सीए, यूएसए) का उपयोग प्रजातियों में से एक यादृच्छिक नमूना से एकत्र मूल्यों के साथ कूड़े के δ 13 सी की तुलना करें. 40 दिनों के बाद हवा सूखे 13 सी – लेबल प्रत्येक कॉलर कि तृण – भोजी टिड्डा शवों के साथ पहले संशोधन किया गया था घास कूड़े के 10 ग्राम जोड़ने. 75 दिन भर में सीटू प्रत्येक कॉलर कैपिंग और दोनों कुल मिट्टी श्वसन और 13 सीओ 2 के श्वसन ट्रैकिंग द्वारा घास कूड़े के खनिज की दर को मॉनिटर. यह कक्ष एक तकनीक के माध्यम से प्रवाह है जहां प्रत्येक कॉलर से गैस के नमूने की निगरानी कर रहे हैं का उपयोग कर, 8 मिनट के लिए वास्तविक समय में पूरा किया है, प्रत्येक का उपयोग कर गुहा अंगूठी नीचे स्पेक्ट्रोस्कोपी (CRDS, Picarro इंक, सांता क्लारा, CA, संयुक्त राज्य अमेरिका, आदर्श: G1101 i). CRDS एक एक साथ दोनों कुल और δ 13 सी को ट्रैक करने के लिए सक्षम बनाता हैमिट्टी श्वसन की. कुल मिट्टी श्वसन आइसोटोप मिश्रण समीकरण का उपयोग करने के लिए 13 सी – लेबल घास कूड़े के योगदान का अनुमान है. सीओ 2 व्युत्पन्न घास कूड़े की राशि की गणना निम्न प्रकार है: (13 δ C श्वसन – 13 δ सी nat.abn) व्युत्पन्न सी घास कूड़े – सी = कुल × / (13 δ सी घास कूड़े – δ 13 सी नेट एबीएन), सी कुल सी की कुल राशि एक भी माप के दौरान respired जहां है, δ 13 सी श्वसन δ 13 respired – सी की सी लेबल घास कूड़े, δ 13 सी nat.abn के साथ संशोधित कॉलर के लिए है. मतलब δ तीन प्राकृतिक बहुतायत कॉलर में 13 respired सी सी (यानी उन है कि कूड़े के साथ संशोधन नहीं किया गया है), और 13 δ C घास कूड़े घास कूड़े के δ 13 सी सह करने के लिए जोड़ा हैllars. दोनों मिट्टी और हाथ से आयोजित की जांच का उपयोग करने के लिए मिट्टी श्वसन में तापमान और नमी में मतभेद की वजह से मतभेद के लिए सही प्रयोग भर में तापमान नमी की निगरानी. हालांकि क्षेत्र के उपयोग के लिए करना है, गुहा अंगूठी नीचे स्पेक्ट्रोस्कोपी (Picarro इंक, सांता क्लारा, CA, संयुक्त राज्य अमेरिका, मॉडल: G1101-i) साधन रीडिंग आंदोलन के प्रति संवेदनशील हैं. इसलिए, एक एक आधार माप पीवीसी कॉलर वाले भूखंडों में से सभी के लिए सेंट्रल स्टेशन खड़ा करना चाहिए, और कॉलर पीवीसी टयूबिंग की लंबाई के साधन के साथ कनेक्ट.

Representative Results

तृण – भोजी टिड्डा तनाव और तनाव मुक्त शर्तों में मानक चयापचय दर का एक उदाहरण साजिश चित्रा 2 में प्रस्तुत कर रहे हैं. शरीर व्यक्ति grasshoppers के बीच बड़े पैमाने पर मतभेद, और तथ्य यह है कि चयापचय दर शरीर द्रव्यमान के साथ बदलता रहता है के कारण, भूखंडों तृण – भोजी टिड्डा शरीर द्रव्यमान के संबंध में चयापचय दर को प्रस्तुत करना चाहिए. अलग उपचार के लिए समानांतर रुझान से संकेत मिलता है कि चयापचय दर मानक चयापचय दर की एक निरंतर सभी बल दिया व्यक्तियों के लिए बहु के रूप में (यानी कोई शरीर द्रव्यमान x चयापचय दर बातचीत) बढ़ जाता है. टिड्डी शरीर सी और एन जोखिम और जोखिम मुक्त शर्तों में मौलिक सामग्री तालिका 1 में प्रस्तुत कर रहे हैं. यह उल्लेखनीय है कि वहाँ एक बहुत छोटे शरीर सी में अंतर है (4%): उपचार के बीच एन अनुपात. फिर भी, इन छोटे मतभेदों मिट्टी माइक्रोबियल पूल द्वारा घास कूड़े अपघटन में बड़े मतभेद (3 चित्रा) में अनुवाद कर सकते हैं. </p> पीवीसी पहले बल दिया या तनाव मुक्त grasshoppers साथ संशोधित कॉलर घास कूड़े जोड़ना कूड़े अपघटन के विभिन्न डिग्री की ओर जाता है, के रूप में का वर्णन घटता में परिलक्षित माइक्रोबियल श्वसन (3 चित्रा) के कारण मिट्टी से सीओ 2 रिलीज cumulate. प्रयोगों से निगरानी की जानी चाहिए जब तक cumulate घटता तर शुरू. तनाव तनाव से मुक्त कार्बन (%) 48.44 ± 0.32 44.73 ± 0.46 नाइट्रोजन (%) 12.11 ± 0.08 11.62 ± 0.12 कार्बन: नाइट्रोजन 4.00 ± 0.03 3.85 ± 0.04 तालिका 1 तृण – भोजी टिड्डा herbivore कार की रासायनिक सामग्री की तुलना.स्थितियों से casses जिसमें वे शिकार जोखिम (तनाव) का सामना करना पड़ा है और जिस में शिकार जोखिम अनुपस्थित था (तनाव मुक्त). मान ± 1 मानक त्रुटि मतलब कर रहे हैं. चित्रा 1 क्षेत्र mesocosms प्रयोग और कूड़े अपघटन पर जोखिम प्रभाव के प्रयोगात्मक मूल्यांकन की समग्र योजना में इस्तेमाल की डिजाइन का चित्रण. चित्रा 2. Herbivore herbivore शरीर द्रव्यमान के संबंध में मानक चयापचय दर की एक साजिश है. डेटा प्रयोगात्मक उपचार के अनुसार दो वर्गों में विभाजित हैं: (नियंत्रण) शिकारियों और इसलिए बिना कोई तनाव प्रेरित (शिकार) शिकारियों को तनाव उत्पन्न है, और mesocosms युक्त mesocosms से grasshoppers. डेटा डी. Halwena से कर रहे हैंऔर OJ Schmitz 2010, अप्रकाशित है. चित्रा 3 माइक्रोबियल पूल द्वारा संचयी सीओ 2 रिलीज का वर्णन जबकि पीवीसी कॉलर में प्रयोगात्मक घास कूड़े आदानों decomposing घटता. प्लॉट किए जाते मूल्यों मतलब ± 1 मानक त्रुटि. ग्राफ दर्शाता है कि मिट्टी पर बल दिया तृण – भोजी टिड्डा (शिकारी) परिणाम 19% कम में (एनोवा F 1,6 = 9.06, पी <0.05) संयंत्र कूड़े अपघटन दरों. तनाव मुक्त तृण – भोजी टिड्डा शवों (नियंत्रण) के साथ primed मिट्टी से शवों के साथ primed इनसेट क्षेत्र में पीवीसी कॉलर तंत्र को दर्शाता है. Hawlena एट अल से reproduced चित्रा 6. यहाँ Cick बड़ा आंकड़ा देखने .

Discussion

यहाँ प्रस्तुत तरीकों के क्रम में जमीन के ऊपर खाद्य जाले शामिल प्रजातियों में जिस तरह से तनाव के व्यवस्थित माप की अनुमति चाहिए तरीके है कि संयंत्र कूड़े के बाद अपघटन के परिवर्तन करने के लिए नेतृत्व में प्रधानमंत्री मिट्टी माइक्रोबियल समुदायों कर सकते हैं. तरीकों सन्धिपाद उपभोक्ताओं पौधों और घास के शामिल पारिस्थितिकी प्रणालियों का अध्ययन करने के लिए आदर्श होते हैं क्योंकि बरकरार खाद्य जाले spatially और घिरा mesocosms के भीतर निहित.

स्थानिक परिवर्तनशीलता पृष्ठभूमि मिट्टी की नमी में gradients के कारण मौजूद हो सकता है, तापमान, मिट्टी संयंत्र पोषक तत्व सामग्री, आदि अध्ययन डिजाइन स्थानिक पर्यावरण gradients के साथ एक सरणी mescosms और पीवीसी कॉलर को ब्लॉक करने के लिए और इस तरह खाते में इस तरह के पर्यावरण बदलाव के लिए जब प्रभाव के लिए विश्लेषण करने की अनुमति देता है.

हालांकि क्षेत्र के उपयोग के लिए करना है, गुहा अंगूठी नीचे स्पेक्ट्रोस्कोपी (Picarro इंक, सांता क्लारा, CA, संयुक्त राज्य अमेरिका, मॉडल: G1101-i) साधन रीडिंग से कर रहे हैंआंदोलन के लिए nsitive. इसलिए, एक एक आधार माप पीवीसी कॉलर वाले भूखंडों में से सभी के लिए सेंट्रल स्टेशन खड़ा करना चाहिए, और कॉलर पीवीसी टयूबिंग की लंबाई के साधन के साथ कनेक्ट.

मिट्टी कूड़े अपघटन पारंपरिक शीसे रेशा जाल बैग में कूड़े के ज्ञात मात्रा enclosing, क्षेत्र में मिट्टी की सतह पर बैग जमा है और समय – समय पर बैग फिर से मापने के लिए कूड़े लापता होने की दर (अपघटन) यों से मापा गया है. इस विधि की सीमा यह है कि एक विघटित बात के भाग्य का पता लगाने के लिए या पृष्ठभूमि मिट्टी सीओ ₂ से खनिज मिट्टी संशोधन (जोडी कूड़े) के ₂ खनिज CO योगदान का निर्धारण करने में असमर्थ है. खोया सामानघर ट्रेसर विधि सीओ ₂ लेबल का उपयोग यहाँ प्रस्तुत में मदद करता है इस सैन्य बाधा कम.

पारिस्थितिकी तंत्र पारिस्थितिकी और biogeochemistry काम प्रतिमान के तहत संचालित है कि क्योंकि uneaten संयंत्रकूड़े कतरे का बहुमत शामिल, belowground पारिस्थितिकी तंत्र प्रक्रियाओं केवल मामूली उच्च aboveground खाद्य जाले में पौष्टिकता खुद ⁶ शाकाहारी के रूप में, के स्तर से बायोमास आदानों द्वारा प्रभावित. हालांकि, वहाँ बढ़ती सबूत है कि उच्च पारितंत्रों की पौष्टिकता स्तर में प्रजातियों belowground ^1,4,5 प्रक्रियाओं पर एक गहरा प्रभाव हो सकता है. यहाँ प्रस्तुत विधि उच्च पौष्टिकता के स्तर के योगदान की मात्रा का ठहराव को बढ़ाने के लिए, या तो सीधे लोथ बयान ⁽¹² उदाहरण के ^{लिए, 13)} या उत्सर्जन और बाह्यक्षेपण (जैसे ^{14, 15)} संयंत्र समुदाय संरचना के परिवर्तन के माध्यम से परोक्ष रूप से या से बायोमास के माध्यम से ⁽⁹ जैसे खड़ा ) पारिस्थितिकी तंत्र पोषक तत्व साइकिल पर. ऐसी मात्रा का ठहराव मदद कर सकते हैं तंत्र है जिसके द्वारा जानवरों को बढ़ाने के लिए और पारिस्थितिकी तंत्र के कामकाज पर जैविक नियंत्रण की वर्तमान कार्य प्रतिमान को संशोधित करने के लिए एक ठोस प्रयास के हिस्से के रूप में पारिस्थितिकी तंत्र गतिशीलता नियंत्रण प्रकट.

Materials

Name of the reagent or equipment	Company	Catalogue number	Comments (optional)
Cavity ring down spectroscope	Picarro Inc., Santa Clara, CA, USA	Model # G1101-i
CO2 respirometer	Qubit Systems, Kingston, ON, Canada	Model # S151
13C	Sigma-Aldrich	372382
Spectrophotometer	Thermo, San Jose CA, USA	Model: Delta V Plus Isotope Ratio Mass Spectrophotometer