旋转芯在常见菌根网络中植物相互作用的研究
Summary
社区内的大多数植物可能是由丛枝菌根 (AM) 真菌相互关联的, 但它们对植物相互作用的介导主要是通过种植与不生长菌根的植物进行的。我们提出了一种方法来操纵常见的菌根网络之间的菌根植物, 以研究它们对植物相互作用的后果。
Abstract
丛枝菌根真菌 (AM) 影响植物矿物养分的吸收和生长, 因此, 它们有可能影响植物的相互作用。它们的影响力量在于在根附近发现的营养枯竭区之外的硬质菌丝体, 最终将个体连接在一个共同的菌根网络 (CMN) 中。然而, 大多数实验都研究了 AM 真菌在植物相互作用中的作用, 通过种植植物与不种植菌根真菌, 这种方法未能明确解决 Cmn 的作用。在这里, 我们提出了一种方法来操纵 Cmn, 以研究它们在植物相互作用中的作用。我们的方法使用改进的容器与锥形底部与尼龙网和/或疏水材料覆盖开槽开口, 15n 肥料, 和营养差的间质砂。Cmn 要么在相互作用的个体之间保持完整, 要么因容器的旋转而被切断, 要么被固体屏障阻止形成。我们的研究结果表明, 旋转容器足以破坏 Cmn, 并防止它们对植物在 Cmn 之间的相互作用的影响。我们的方法是有利的, 因为它模仿自然的各个方面, 如幼苗挖掘已经建立的 Cmn 和使用一套 AM 真菌, 可能会提供不同的好处。尽管我们的实验仅限于研究处于苗期的植物, 但使用我们的方法可以检测到 Cmn 之间的植物相互作用, 因此可以应用于研究有关 Cmn 在生态系统中的功能的生物学问题。
Introduction
丛枝菌根真菌 (AM) 辅助植物在4.6亿年前的土地殖民, 今天, 他们是无处不在的共生关系的大多数植物 2, 为他们提供了重要的矿物营养物质的生长。AM 真菌的薄的、线状的菌丝在根系附近营养物质枯竭区以外寻找矿物质, 经常在 “常见的菌根网” (CMN) 中遇到和殖民邻近植物的根系。常见的菌根网也可能形成真菌芽业加入建立的网络3, 或当 am 菌丝融合 (吻合) 与康特异性菌丝4,5,6, 7.这些体外菌丝在土壤中的作用范围是巨大的, 在草原和牧场土壤中, 体外菌种占土壤微生物总生物量的20% 至 30%, 在未受干扰的草地上拉伸 111 m-3 .
常见的菌根网络在相互连接的相邻植物之间划分矿物养分 10,11,12,13。植物可从 AM 真菌中获得高达80% 的磷和25% 的氮需求, 同时向真菌提供高达20% 的固定碳, 作为回报14。最近的体外根系培养研究发现, cmn 优先交换矿物营养素与宿主根, 为真菌提供最多的碳11,12.此外, 不同种类的 AM 真菌作为共生伙伴的质量可能不同, 一些真菌交换更多的磷与更少的碳比其他15.虽然根器官培养是研究 AM 共生的有益模型, 因为它们提供了精心控制的环境和直接观察菌丝相互联系的能力, 但它们不包括影响的光合作用芽重要的生理过程, 如光合作用, 蒸腾作用, 日变化, 以及构成碳和矿物质营养汇。
在自然界中, 幼苗很可能会进入已经建立的 Cmn。然而, 直到最近, 科学家们还只研究了 AM 真菌对植物营养的影响, 因为种植的植物有 am 真菌, 而且通常是用单一种类的 AM 真菌生长。尽管这项工作为我们理解丛枝菌根提供了大量信息, 但这种方法忽略了 Cmn 在互联宿主植物之间的相互作用中可能具有的潜在关键作用。特别是, 高度依赖 am 真菌生长的植物在没有 am真菌 16,17 的情况下相互作用最小, 这可能混淆了我们对 am 真菌介导的相互作用的解释, 当用作基线的 “控制” 时参考。
我们提出了一个旋转核心的方法来调查 Cmn 在植物相互作用和人口结构中的作用。我们的方法模仿了 am 共生的组成部分, 因为整个植物加入了既定的 Cmn, 所有的植物都是用 AM 真菌生长的。通过去除根系相互作用, 我们的方法特别关注 am 真菌介导的相互作用, 同时跟踪 Cmn 内的矿物养分运动。我们的方法建立在以前的工作基础上, 这些工作在现场和温室中都使用了旋转的核心来理解 AM 的实际运作。
旋转核心方法已在文献中确立为一种方法来操纵过度的菌丝18,19, 20,21, 它已经有几个轮回取决于它的目的在过去的二十年里最初, 网袋或允许菌丝生长的屏障被用来提供无根隔间, 以量化土壤中的丛枝菌根菌丝的数量 22,23。然后, 开发了封闭在刚性水管或塑料管中的土体圆柱形岩心, 其槽被尼龙网覆盖, 但不能被菌丝穿透, 但不能被根部穿透。这些可以很容易地旋转, 以扰乱外菌丝体18,24,25。旋转岩心在植物之间放置, 土壤每克土壤的包骨长度 18, 13c 通量为硬外菌丝体24, 或对无植物岩心的磷吸收进行了定量的 18。这种核心的另一个用途是在田间种植植物, 通过频繁的菌丝破坏作为灭菌或使用杀菌剂的替代方法, 减少 AM 真菌对根系的定植, 这两者都对土壤有机物质产生间接影响物质和其他微生物18。
在 cmn 之间, 采用了菌丝网格屏障法研究营养分配和植物相互作用, 但采用矩形微宇宙而不是旋转的核心。Walder 等人26 通过利用 am 真菌根瘤菌中的同位素追踪矿物养分进行碳交换, 研究了亚麻(亚麻) 和高粱(高粱) 之间的相互作用不规则的或毛沙毛花26。他们研究中的微观成分包括由网状屏障隔开的植物隔间、只有菌根菌丝袋才能进入的菌丝隔间, 以及含有放射性和稳定同位素的标记的菌丝隔间。作为对照, 该研究使用了不含菌根真菌的治疗方法。Song 等人 (song等人) 也采用了类似的方法, 发现只有当一种植物被真菌病原体感染时, 植物信号才能在一种植物的既定 cmn 中携带。另外, 与 Walder 等人26 相似, Merrild 等人. 28人在用网状方式分开的各个隔间中种植植物, 以研究由 cmn 连接到一个大黄瓜的番茄幼苗的植物性能黄瓜(黄瓜) 植物, 代表着丰富的碳源。他们还使用了不含菌根真菌的治疗方法, 而不是切断 Cmn28。在第二个相关实验中, 用带有32p. 微生物标记的微生物袋进行了磷交换检测, 该网袋带有连字符屏障, Junos 等人在29岁时使用了 cmn 切断作为治疗方法稀树树种桉树幼苗与雨林树——— ————————————————————— —————–在这项研究中, Janos等人 29岁举起了一个几厘米长的幼苗, 滑动的网层相互对抗,以打破菌丝连接29。
旋转核心方法演变的最后一步是在锅或微观世界20、30内的岩心内生长植物。Wyss30使用旋转岩心来确定从供体或 “护士” 寄主植物–罗望子植物中繁殖时, 亚木耳外是否能对小松幼苗进行菌落幼苗的菌落繁殖, 以及外外的外菌根真菌会影响幼苗的性能。微宇宙内的大型商用管状幼苗容器 (材料表) 要么是固体塑料 (无 cmn), 要么是开槽并覆盖着疏水膜。开槽苗容器要么没有旋转 (完整的 Cmn), 要么旋转, 以分离建立的 Cmn, Babikova 等人使用不同网层屏障尺寸的旋转核心研究 Vicia之间通过 Cmn 的地下信号蚕豆(豆) 植物。在他们的研究中, 一个直径30厘米的中央供体植物通过根部和菌丝 (无屏障) 或仅通过通过40微米网建立的 Cmn 相互连接。中心植物通过网状封闭岩心的旋转与相邻植物的相互作用而被切断, 或者 Cmn 被包围核心的0.5μm 细网网阻止。
在这里, 我们提出了一个方法, 结合以前的旋转核心方法的各个方面来检查 Cmn 对植物直接相互作用的影响, 结合稳定的同位素追踪。我们的方法采用了 “目标植物” 的方法, 其中感兴趣的中心植物被邻近的植物包围。植物生长在可旋转的幼苗容器内, 这些容器的开槽和覆盖上有尼龙丝网、疏水膜, 或者是非改性固体塑料。常见的菌根网每周被切断一次或保持完整, 15个n 个稳定同位素追踪氮从邻居的旋转核心向中心目标植物的运动。通过比较植物大小与矿物质和稳定的同位素吸收, 我们评估哪些植物可能受益于或遭受 Cmn 在宿主植物之间的相互作用。
Protocol
Representative Results
Discussion
我们的研究结果证实, 我们的旋转核心方法可以突出 Cmn 在地下植物相互作用中的作用。但是, 协议中有几个关键步骤, 如果进行更改, 有可能影响检测 CMN 影响的能力。用营养差的培养基填充容器周围的间隙区域是至关重要的。在我们不成功的、旋转的、核心的番石榴树幼苗目标植物实验中, 虽然在任何数量的邻居在场的情况下, 目标生长明显减少, 但没有发现 Cmn 对地下竞争的影响, 可能是因为整个…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
我们要感谢两位匿名评论家的建议。我们还感谢众多本科生帮助建造了锅、微宇宙和开槽容器, 并协助进行了维护和收获实验。我们还感谢中北部学院的启动资金 (给 JW) 和现有设施, 并感谢 Ashley Wojciechowski 获得了北中央学院里克斯特赠款, 支持使用这些方法进行的实验。这项工作的一部分由国家科学基金会博士论文改进补助金 (deb-1401677) 资助。
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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