Investigação das interações planta comum redes micorrízicas usando núcleos girados
Summary
A maioria das plantas dentro das comunidades prováveis estão interligados por fungos de micorrizas arbusculares (AM), mas mediação de interações planta por eles foi investigada principalmente pelo cultivo de plantas com versus sem fungo. Apresentamos um método para manipular redes micorrízicas comuns entre plantas micorrízicas para investigar as suas consequências para as interações planta.
Abstract
(AM) micorriza arbusculares influenciam o crescimento e absorção de nutrientes minerais vegetais, portanto, eles têm o potencial para influenciar as interações planta. O poder da sua influência em micélios extra-radiculares que se espalhou para além de zonas de esgotamento de nutrientes encontra-se perto de raízes para, finalmente, interligar os indivíduos dentro de uma rede micorrízica comum (CMN). A maioria dos experimentos, no entanto, têm investigado o papel dos fungos de Micorrizas arbusculares em interações planta pelo cultivo de plantas com versus sem fungos micorrízicos, um método que não aborda explicitamente o papel de CMNs. Aqui, propomos um método que manipula o CMNs para investigar seu papel nas interações planta. Nosso método usa modificados recipientes com fundo cónico com uma malha de nylon e/ou material hidrofóbico, cobrindo os orifícios entalhados, fertilizante 15N e uma areia intersticial pobres em nutrientes. CMNs são também deixou intacto entre indivíduos interagindo, cortada pela rotação dos recipientes, ou impedidos de se formar por uma barreira sólida. Nossos resultados sugerem que recipientes de giro é suficiente para perturbar o CMNs e evitar os seus efeitos sobre interações planta entre as CMNs. Nossa abordagem é vantajosa porque imita os aspectos da natureza, tais como mudas tocando em CMNs já estabelecidos e o uso de um conjunto de fungos que podem fornecer benefícios de diversos. Embora nossa experiência é limitada para investigar as plantas na fase de plântula, planta interações entre CMNs podem ser detectadas usando nossa abordagem que, por conseguinte, pode ser aplicada para investigar questões biológicas sobre o funcionamento da CMNs nos ecossistemas.
Introduction
(AM) micorriza arbusculares assistida plantas na colonização da terra 460 milhões de anos atrás1 e hoje, eles são simbiontes onipresentes da maioria das plantas2, fornecendo-lhes nutrientes minerais vitais para o crescimento. As hifas finas, como fio de fungos de Micorrizas arbusculares forragem para nutrientes minerais além de zonas de esgotamento de nutrientes perto de raízes, muitas vezes encontrando e colonizar sistemas da raiz de plantas em uma “rede micorrízica comum” de vizinhos (CMN). Redes micorrízicas comuns também podem formar quando fungos germlings junção estabeleceu redes3, ou quando estou hifas fusível (anastomose) com hifas coespecíficas4,5,6,7. A extensão destas hifas extra-radiculares no solo é enorme, com hifas extra-radiculares constituindo 20% a 30% da biomassa microbiana do solo total na pradaria e solos de pastagem8 e estendendo-se por 111-m·cm-3 na pastagem imperturbada9 .
Redes micorrízicas comuns partição nutrientes minerais entre interconectadas vizinhas plantas10,de11,de12,13. As plantas podem receber até 80% de seu fósforo e 25% das suas necessidades de nitrogênio de fungos de Micorrizas arbusculares, proporcionando até 20% do seu total fixada carbono dos fungos em retorno14. Recente trabalho de cultura in vitro de raiz órgão encontrou que CMNs preferencialmente troquem nutrientes minerais com raízes de anfitrião que fornecem o maioria carbono aos fungos11,12. Além disso, diferentes espécies de fungos de Micorrizas arbusculares podem diferir em sua qualidade como parceiros simbióticos, com alguns fungos trocando mais fósforo para menos carbono do que os outros15. Embora as culturas de órgão raiz são benéficos modelos para estudar a simbiose AM porque eles apresentam ambientes cuidadosamente controlados e a capacidade de observar diretamente as interconexões das hifas, não incluem fotossíntese brotos que afectam processos fisiológicos importantes como a fotossíntese, transpiração e variações diurnas, coletores de nutriente, bem como representativos de carbono e minerais.
Na natureza, mudas mais prováveis canaliza CMNs já estabelecidos. Até recentemente, no entanto, cientistas apenas examinaram o impacto dos fungos de Micorrizas arbusculares na nutrição das plantas pelo cultivo de plantas com e sem fungos, muitas vezes com uma única espécie de fungo de AM. Embora este trabalho tenha sido tremendamente informativo à nossa compreensão do fungo de micorrizas, este método tem negligenciado o papel potencialmente crucial que CMNs podem ter nas interações entre plantas hospedeiras interconectadas. Em particular, as plantas que são altamente dependentes de fungos de Micorrizas arbusculares para crescimento minimamente interagem sem AM fungos16,17, possivelmente confundir a nossa interpretação das interações mediadas por fungo AM quando utilizado como ‘controles’ de linha de base referência.
Propomos uma abordagem girado-núcleo de investigação do papel da CMNs em interações planta e estruturação da população. Nossa abordagem imita componentes dos simbiose AM na natureza porque toda junção de plantas estabelecidas que cmns e todas as plantas são crescidas com fungos de Micorrizas arbusculares. Removendo as interações de raiz, nossa metodologia centra-se especificamente na interações mediadas por fungos de Micorrizas arbusculares enquanto o rastreamento também a circulação de nutrientes mineral na CMNs. Nossa abordagem baseia-se em trabalhos anteriores que tem usado núcleos girados tanto no campo como na estufa para entender AM funcionamento realisticamente.
O método de núcleo girado foi estabelecido na literatura como um método para manipular hifas extra-radiculares18,19,20,21, e teve diversas reencarnações dependendo de seu propósito sobre nas últimas duas décadas. Inicialmente, sacos de malha ou barreiras, permitindo o crescimento das hifas foram usadas para fornecer livre de raiz compartimentos para quantificar a quantidade de hifas de micorrizas arbusculares no.22,o solo23. Em seguida, núcleos cilíndricos de solo entre tubos rígidos de água ou plástico, tubo com ranhuras cobertas de uma malha de nylon penetrável por hifas, mas não as raízes, foram desenvolvidos. Estas poderiam facilmente ser giradas para perturbar os micélios extra-radiculares18,24,25. Os núcleos girados foram colocados entre as plantas, e comprimentos das hifas solo por grama de solo18, 13C fluxos de micélios extra-radiculares24, ou a absorção de fósforo de planta livre núcleos foram quantificados18. Um outro uso de tais núcleos era crescer plantas dentro no campo para reduzir a colonização de raízes por fungos de Micorrizas arbusculares através de frequentes interrupções hifal como alternativa à esterilização ou a aplicação de fungicidas, os quais têm efeitos indirectos em solo orgânico matéria e outros micróbios18.
A abordagem de barreira de malha hifal serviu para investigar o particionamento de nutrientes e interações da planta através de CMNs, mas em microcosmos retangulares em vez de com núcleos girados. Walder et al26 investigado interações entre Linum usitatissimum (linho) e Sorghum bicolor (sorgo) traçando nutriente mineral para troca de carbono utilizando isótopos através de CMNs de qualquer um dos fungos de Micorrizas arbusculares Rhizophagus irregularis ou Funneliformis mosseae26. Os microcosmos em seus compartimentos de planta do estudo composto separados por malha de barreiras, compartimentos hifais acessíveis apenas às hifas micorrízicas e rotulado de compartimentos hifais que continha isótopos radiativos e estáveis. Como controles, o estudo utilizou tratamentos sem fungos micorrízicos. Song et al27 usado uma abordagem semelhante para encontrar essa planta sinais poderiam ser feitos apenas entre CMNs estabelecidas de F. mosseae quando uma planta foi infectada por um patógeno fúngico. Também, da mesma forma a Walder et al26, Merrild et al.28 cresceu plantas em compartimentos individuais, separados por mesh para investigar o desempenho da planta de plântulas de Solanum lycopersicum (tomate) ligados por CMNs para um grande de Cucumis sativus planta (pepino) que representou uma fonte abundante de carbono. Eles também usaram tratamentos sem fungos micorrízicos em vez de cortar CMNs28. Em um experimento de segundo, relacionado, carbono para troca de fósforo foi examinado usando sacos de malha rotulados com 32P. microcosmos com malha hifal barreiras e CMN separando como tratamento foram usado por Janos et al.29, que investigou competitiva interações entre mudas das espécies arbóreas savana tetrodonta de eucalipto e mudas de árvore de floresta tropical, Litsea glutinosa. Nesse estudo, Janos et al29 levantado compartimentos contendo mudas alguns centímetros, deslizamento de camadas de malha um contra o outro para quebrar interconexões hifal29.
A etapa final da evolução do método girado núcleo tem sido de cultivar plantas dentro de núcleos que estão dentro de potes ou microcosmos de20,30. Wyss30 usado núcleos girados para verificar se o micélio extra-radicular do AM poderia colonizar mudas de Pinus elliottii quando espalhar de um doador ou planta hospedeira de ‘enfermeira’ AM, Tamarindus indicae micélio extra-radicular como de ectomicorrízicos desempenho de plântulas de influências fungos. Mudas tubulares comerciais grandes recipientes (Tabela de materiais) dentro microcosmos foram de qualquer plástico sólido (sem CMNs) ou entalharam e coberto com uma membrana hidrofóbica. Recipientes de mudas com fenda foram ou não girados (CMNs intactas) ou girada para cortar estabelecidos núcleos CMNs. rotacionada com barreira de malha de diferentes tamanhos foram usados por Babikova et al.20 para investigar belowground sinalização através de CMNs entre Vicia faba plantas (feijão). Em seu estudo, uma planta central doador em mesocosmos de 30 cm de diâmetro foi interligada por raízes e hifas (sem barreira) ou apenas por CMNs estabelecidas através de uma malha de 40 μm. Centrais plantas estavam cortadas de interações com as plantas vizinhas através de rotação dos núcleos de malha fechada, ou CMNs foram impedidos por uma malha fina de 0,5 μm envolvendo o núcleo.
Aqui, apresentamos um método que combina aspectos de prévias girado-núcleo abordagens para examinar a influência da CMNs sobre interações planta direto combinado com rastreamento de isótopo estável. Nosso método utiliza uma abordagem de ‘planta de destino’, em que a planta central de interesse está rodeada por plantas vizinhas. As plantas são crescidas dentro de recipientes de mudas rotativos que são encaixados e cobertos com tela de nylon do silk-screen, membrana hidrofóbica, ou são de plástico sólido não modificado. Redes micorrízicas comuns são cortadas uma vez por semana ou mantidas intactas, e isótopos estáveis de 15N rastrear o movimento do nitrogênio de núcleos girado dos vizinhos para a planta do alvo central. Comparando o tamanho da planta com captação do isótopo estável e nutrientes minerais, avaliamos que as plantas podem beneficiar ou sofrem de CMNs nas interações entre plantas hospedeiras.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nossos resultados afirmam que nosso método de núcleo girado agudamente pode se concentrar sobre o papel da CMNs em interações planta belowground. Existem vários passos críticos no protocolo, no entanto, que se alterou, têm potencial para influenciar a capacidade de detectar os efeitos do CMN. É fundamental para encher os recipientes de área intersticial circundante com um meio nutriente-pobres. Na nossa experiência de planta alvo malsucedido, girado-núcleo com mudas de árvores de goiaba, embora tenha havido u…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gostaríamos de agradecer os dois revisores anônimos para suas sugestões. Agradecemos também os inúmeros alunos de graduação que ajudava na construção de potes, microcosmos e entalhou recipientes e quem tem assistido com manutenção e colheita de experimentos. Agradecemos também North Central College para inicialização fundos (JW) e instalações atuais, bem como Ashley Wojciechowski para a obtenção de uma subvenção de Richter, do Norte, de Central College apoiando um experimento usando estes métodos. Parte deste trabalho foi financiado por um nacional Science Foundation doutorado dissertação melhoria 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 |
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