Étude des interactions entre les plantes à travers des réseaux Mycorrhizal communs en utilisant des noyaux pivotés
Summary
La plupart des usines au sein des communautés susceptibles sont reliés entre eux par des champignons mycorhiziens à arbuscules (AM), mais la médiation des interactions entre les plantes par eux a été étudiée principalement par la culture de plantes avec ou sans mycorhizes. Nous présentons une méthode pour manipuler des réseaux mycorrhizal communs chez les plantes mycorhizées pour enquêter sur les conséquences des interactions entre les plantes.
Abstract
Champignons mycorhiziens Arbusculaires (AM) influencent la croissance et l’absorption des éléments nutritifs minéraux plante, par conséquent, ils ont la possibilité d’influencer les interactions entre les plantes. La puissance de leur influence est dans le mycélium extraradiculaire qui se propagée au-delà des zones de l’épuisement des nutriments trouvée près de racines s’interconnecter en fin de compte des individus au sein d’un réseau commun de mycorhizes (CMN). Plupart des expériences, toutefois, ont enquêté sur le rôle des champignons AM dans les interactions entre les plantes par la culture de plantes avec versus sans champignons mycorhiziens, une méthode qui ne traite explicitement le rôle de CMNs pas. Ici, nous proposons une méthode qui manipule la CMNs afin d’étudier leur rôle dans les interactions entre les plantes. Notre méthode utilise des conteneurs mis à jour l’à fond conique avec une maille en nylon et/ou un matériau hydrophobe couvrant les ouvertures fendues, engrais 15N et un sable interstitiel et pauvres en nutriments. CMNs sont soit laissés intacts entre les individus qui interagissent, sectionnée par rotation des conteneurs, ou empêché de former une barrière solide. Nos résultats suggèrent que la rotation des conteneurs est suffisante pour perturber la CMNs et prévenir leurs effets sur les interactions entre les plantes partout au CMNs. Notre approche est avantageuse, car elle imite les aspects de la nature, tels que les semis en puisant dans la CMNs déjà mis en place et l’utilisation d’une suite de champignons AM qui peut offrir des avantages divers. Bien que notre expérience est limitée à une enquête sur les plantes au stade plantule, interactions entre les plantes partout au CMNs peuvent être détectées à l’aide de notre approche qui peut donc s’appliquer pour étudier des questions biologiques sur le fonctionnement de la CMNs dans les écosystèmes.
Introduction
Champignons mycorhiziens Arbusculaires (AM) assisté de plantes dans la colonisation des terres il y a 460 millions d’années1 et aujourd’hui, ils sont des symbiotes omniprésents de la plupart plantes2, leur fournissant des nutriments minéraux essentiels pour la croissance. Minces, filiformes hyphes des champignons AM recherchent des nutriments minéraux au-delà des zones de l’épuisement des nutriments près des racines, souvent rencontrer et colonisant les systèmes racinaires des plantes dans un « réseau mycorhizien commun » de voisins (CMN). Réseaux mycorrhizal communs aussi peuvent se former lorsque champignons germinations join créé réseaux3ou quand suis hyphes fusible (anastomose) avec des hyphes conspécifiques4,5,6,7. L’étendue de ces hyphes extra-racinaires dans le sol est énorme, avec des hyphes extra-racinaires constituant 20 % à 30 % de la biomasse microbienne total du sol dans les Prairies et pâturages sols8 et qui s’étend sur 111 m·cm-3 dans les Prairies non perturbées9 .
Les réseaux mycorrhizal communs partitionnent minéraux nutritifs chez les interconnectés voisins plantes10,11,12,13. Les plantes peuvent recevoir jusqu’à 80 % de leur phosphore et 25 % de leurs besoins en azote de champignons AM, tout en offrant jusqu’à 20 % de leur total fixé de carbone pour les champignons en retour14. Des travaux récents racine in vitro organ culture a trouvé que CMNs échangent préférentiellement des minéraux nutritifs aux racines hôte qui fournissent le carbone de la plupart des champignons11,12. Par ailleurs, différentes espèces de champignons AM peuvent varier dans leur qualité en tant que partenaires symbiotiques, avec certains champignons échanger davantage de phosphore pour moins de carbone que les autres15. Bien que les cultures d’organes de racine sont des modèles utiles pour étudier la symbiose AM parce qu’ils présentent des environnements soigneusement contrôlés et la capacité d’observer directement les interconnexions des hyphes, ils ne comprennent pas les pousses photosynthétisant préjudiciables processus physiologiques importants tels que la photosynthèse, la transpiration et changements diurnes, aussi bien comme constituant des éléments nutritifs carbone et minérale coule.
Dans la nature, semis probables puiser CMNs déjà établies. Jusqu’à tout récemment, cependant, les scientifiques ont seulement examiné l’impact de champignons AM sur la nutrition des plantes en cultivant des plantes avec ou sans champignons AM, souvent avec une seule espèce de champignon AM. Bien que ce travail a été extrêmement instructif pour notre compréhension des mycorhizes arbusculaires, cette méthode a négligé le rôle potentiellement crucial que CMNs peuvent avoir dans les interactions entre les plantes hôtes reliés entre eux. En particulier, les plantes qui dépendent fortement des champignons AM croissance interagissent minimalement sans AM champignons16,17, confusion peut-être notre interprétation des AM champignon interactions liées aux caractéristiques lorsqu’il est utilisé comme « contrôles » pour la ligne de base référence.
Nous proposons une approche de cœurs tournés pour l’étude du rôle de CMNs dans les interactions entre les plantes et la structuration de la population. Notre approche imite les composants de la symbiose AM dans la nature parce que toute les plantes join établi que CMNS et toutes les plantes sont cultivées avec champignons AM. En enlevant les interactions de racine, notre méthodologie se concentre spécifiquement sur les interactions médiées par les champignons AM tout en suivant aussi les minérale circulation des éléments nutritifs au sein de la CMNs. Notre approche s’appuie sur des travaux antérieurs qui a utilisé des carottes tournées tant sur le terrain et en serre comprendre AM fonctionnement réaliste.
La méthode de rotation core a été établie dans la littérature comme une méthode pour manipuler des hyphes extra-racinaires18,19,20,21, et il a eu plusieurs réincarnations selon son but au les deux dernières décennies. Maille au départ, les sacs ou les obstacles permettant la croissance d’hyphes servaient à fournir des compartiments dépourvus de racines afin de quantifier la quantité d’hyphes mycorhiziens arbusculaires dans le sol22,23. Puis, cylindriques carottes de sol enfermé dans des tubes rigides d’eau ou tuyau avec emplacements couverts dans une maille en nylon pénétrable par les hyphes, mais pas les racines, en matière plastique ont été développés. Ces pourraient facilement être tournés pour perturber le mycélium extraradiculaire18,24,25. Les carottes de rotation ont été placés entre les plantes et longueurs des hyphes de sol par gramme de sol18, 13C flux de mycélium extraradical24, ou absorption de phosphore provenant de carottes exemptes de végétation ont été quantifiés18. Une autre utilisation de ces noyaux consistait à faire pousser des plantes en leur sein dans le domaine de réduire la colonisation des racines de champignons AM grâce à fréquentes perturbations des hyphes comme alternative à la stérilisation ou l’application de fongicides, qui ont tous deux des effets indirects sur le sol organique matière et autres microbes18.
L’approche à barrières des hyphes maille a servi à étudier la répartition des éléments nutritifs et interactions des plantes partout au CMNs, mais dans des microcosmes rectangulaires plutôt qu’avec cœurs pivotés. Walder et coll.26 étudié les interactions entre Linum usitatissimum (lin) et Sorghum bicolor (sorgho) en traçant minéral nutritif pour les échanges de carbone utilisant les isotopes travers CMNs d’un des champignons AM Rhizophagus irregularis ou Funneliformis mosseae26. Les microcosmes dans leurs étude composée des compartiments de plante séparés par maille barrières, compartiments des hyphes uniquement accessibles aux hyphes mycorhiziens et étiquetées compartiments des hyphes qui contenait des isotopes radioactifs et stables. Comme témoins, l’étude a utilisé des traitements sans champignons mycorhiziens. Song et al.,27 a utilisé une approche similaire pour trouver cette plante signaux pouvaient être transportés uniquement entre CMNs établies de F. mosseae quand une plante a été infectée par un champignon pathogène. Aussi, de même à Walder et al.,26, Merrild Al28 a augmenté de plantes dans des compartiments individuels séparés par maille d’enquêter sur le rendement des plantes de semis de Solanum lycopersicum (tomate) reliés par CMNs pour un grand Cucumis sativus plante (concombre) qui représentée une source abondante de carbone. Ils utilisaient aussi des traitements sans champignons mycorhiziens au lieu de séparation CMNs28. Dans une deuxième expérience connexe, carbone pour l’échange de phosphore a été étudiée à l’aide de filets étiquetés avec 32P. microcosmes avec barrières de maillage des hyphes et CMN coupant comme un traitement était utilisé par Janos Al29, qui a enquêté sur la concurrence interactions entre les semis de l’espèce d’arbre de savane Eucalyptus tetrodonta et transplantation de l’arbre de la forêt tropicale, Litsea glutinosa. À cet étude, Janos Al29 levée compartiments contenant des semis de quelques centimètres, glissement des couches de treillis uns contre les autres pour briser les interconnexions des hyphes29.
La dernière étape dans l’évolution de la méthode de base pivotée a consisté à faire pousser des plantes à l’intérieur des noyaux qui se situent dans des pots ou des microcosmes20,30. Wyss30 utilisé carottes pivotés pour vérifier si le mycélium extraradiculaire de AM pourrait coloniser semis de Pinus elliottii pour l’épandage d’un donneur ou plante hôte « infirmière » AM, Tamarindus indicaet comment extraradical mycélium des champignons ectomycorhiziens champignons influe sur la performance des semis. Plantule tubulaire commercial grands conteneurs (Table des matières) dans des microcosmes étaient soit solide plastique (aucune CMNs) ou fendue et recouvert d’une membrane hydrophobe. Des semis fendue conteneurs étaient soit pas pivotés (CMNs intacts) ou une rotation pour rompre établie CMNs. pivotée coeurs avec barrière de maille de différentes tailles ont utilisé par Babikova et coll.20 pour étudier hypogée de signalisation à travers CMNs parmi Vicia Faba plantes (haricot). Dans leur étude, une usine centrale donneur dans les mésocosmes diamètre 30 cm a été reliés entre eux soit par les racines et les hyphes (aucune barrière), ou seulement par CMNs établis au travers d’une maille de 40 μm. Installations centrales furent rompues par des interactions avec les plantes voisines par rotation des cœurs enveloppe maille ou CMNs ont été empêchés par une maille fine de 0.5 μm entourant le noyau.
Nous présentons ici une méthode qui combine des aspects de démarches préalables de cœurs tournés pour examiner l’influence de CMNs sur les interactions entre les plantes direct combiné avec le suivi d’isotopes stables. Notre méthode utilise une approche de « plante cible », dans lequel l’usine centrale d’intérêt est entouré de plantes voisines. Les plantes sont cultivées à l’intérieur de conteneurs de semis rotative fendues et recouvert de maille en nylon sérigraphie, membrane hydrophobe, ou sont en plastique solide non modifiés. Réseaux mycorrhizal communs sont coupées une fois par semaine ou gardées intactes, et 15N isotopes stables retracer les mouvements d’azote de carottes pivoté de voisins à la plante cible centrale. En comparant la taille de la plante avec l’absorption des isotopes stable et en éléments nutritifs minéraux, nous évaluons quelles plantes peuvent bénéficier ou souffrent de CMNs dans les interactions entre les plantes hôtes.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nos résultats confirment que notre méthode de rotation core peut se concentrer fortement sur le rôle des CMNs dans les interactions de l’usine souterraine. Il y a plusieurs étapes cruciales dans le protocole, cependant, que si altéré, ont la possibilité d’influer sur la capacité à détecter les effets de la CMN. Il est essentiel de remplir les récipients environnantes zone interstitielle avec un milieu pauvre en éléments nutritifs. Dans notre expérience de plante cible échoue, rotation-core avec des sem…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nous tenons à remercier les deux évaluateurs anonymes pour leurs suggestions. Nous remercions également les nombreux étudiants qui ont aidé à construire des pots, des microcosmes et fendue conteneurs et qui ont aidé à maintenir et la récolte des expériences. Nous remercions également North Central College pour les fonds de démarrage (à JW) et les installations actuelles, ainsi que Ashley Wojciechowski pour obtenir un North Central College Richter concession soutenant une expérience à l’aide de ces méthodes. Partie de ce travail a été financé par une subvention d’amélioration à la thèse doctorat du Fondation nationale de Science du Canada (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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