Onderzoek van Plant interacties via gemeenschappelijke mycorrhiza netwerken met behulp van gedraaide Cores

Arbusculaire mycorrhiza (AM) schimmels planten bijgestaan in de kolonisatie van land 460 miljoen jaar geleden¹ en vandaag, ze zijn alomtegenwoordige symbionten voor de meeste planten², hen te voorzien van vitale minerale voedingsstoffen voor groei. De dunne, draad-achtige schimmeldraden van AM schimmels voedergewassen voor minerale voedingsstoffen na uitputting van de voedende zones in de buurt van wortels, vaak geconfronteerd met en koloniseren wortelstelsel van naburige planten in een “gemeenschappelijke mycorrhiza netwerk” (CMN). Gemeenschappelijke mycorrhiza netwerken ook kunnen uitmaken wanneer schimmel germlings join gevestigd netwerken³, of wanneer ben schimmeldraden zekering met conspecific schimmeldraden^4,,^5,,^6,7(anastomose). De omvang van deze extraradical schimmeldraden in de bodem is enorm, met extraradical schimmeldraden vormt 20% tot 30% van totale bodem microbiële biomassa in de prairie en weide gronden⁸ en stretching voor 111 m·cm^-3 in ongestoorde grasland⁹ .

Gemeenschappelijke mycorrhiza netwerken partitioneren minerale voedingsstoffen onder onderling verbonden naburige planten^10,11,12,13. Planten kunnen ontvangen maximaal 80% van hun fosfor en 25 procent van hun behoefte van de stikstof uit AM schimmels, terwijl het verstrekken van maximaal 20% van hun totale vaste koolstof de schimmels in retourneren¹⁴. Recent in vitro wortel orgel cultuur werk heeft gevonden dat de CMNs bij voorkeur minerale voedingsstoffen met wortels van de host waarmee de meeste koolstof tot de schimmels^11,12uitwisselen. Bovendien, verschillende soorten AM schimmels kunnen verschillen in hun kwaliteit als symbiotische partners, samen met sommige schimmels meer fosfor voor minder koolstof dan anderen uit te wisselen¹⁵. Hoewel wortel orgel culturen gunstig modellen zijn voor het bestuderen van de AM-symbiose omdat deze zorgvuldig gecontroleerde omgevingen en de mogelijkheid om rechtstreeks observeren hyphal interconnecties, bevatten ze geen photosynthesizing scheuten die van invloed zijn op belangrijke fysiologische processen zoals fotosynthese en transpiratie dagverloop veranderingen, zo goed als samenstellende koolstof en minerale voedingsstoffen putten.

In de natuur aanboren zaailingen waarschijnlijk reeds opgerichte CMNs. Tot voor kort echter hebben wetenschappers alleen onderzocht het effect van AM schimmels op de voeding van planten door het kweken van planten met en zonder AM schimmels, vaak met een soort van AM schimmel. Hoewel dit werk enorm informatieve aan ons begrip van arbusculaire mycorrhiza is geweest, heeft deze methode de potentieel cruciale rol die CMNs in interacties tussen onderling verbonden gastheerplanten wellicht over het hoofd gezien. Met name werken planten die sterk afhankelijk van AM schimmels voor groei zijn minimaal zonder AM schimmels^16,17, mogelijk verstorende onze interpretatie van AM schimmel-gemedieerde interacties wanneer gebruikt als ‘besturingselementen’ voor baseline referentie.

Wij stellen een gedraaid-core aanpak voor onderzoek van de rol van CMNs in de plant interacties en structurering van de bevolking. Onze aanpak bootst componenten van de AM-symbiose in de natuur omdat er hele planten join dat cmns en alle planten worden geteeld met AM schimmels. Door het verwijderen van wortel interacties, onze methodologie richt zich specifiek op interacties gemedieerd door AM schimmels terwijl ook het bijhouden van minerale voedingsstoffen verkeer binnen CMNs. Onze benadering bouwt voort op eerdere werkzaamheden die gedraaide kernen zowel in het veld en in de serre heeft gebruikt om te begrijpen AM werking realistisch.

De gedraaide core-methode in de literatuur is opgericht als een methode om te manipuleren extraradical schimmeldraden^18,19,20,21, en het heeft verschillende reïncarnaties afhankelijk van het doel via de afgelopen twee decennia. Aanvankelijk, mesh zakken of belemmeringen waardoor in-groei van schimmeldraden werden gebruikt om wortel-vrije compartimenten om te kwantificeren van het bedrag van de bijzondere schimmeldraden van de arbusculaire in de bodem^22,23. Vervolgens, cilindrische kernen van de bodem omsloten door starre leidingen voor water of kunststof buizen met “slots” vallende in een nylon gaas penetrable schimmeldraden, maar geen wortels, werden ontwikkeld. Dit kunnen gemakkelijk worden gedraaid verstoort of extraradical mycelia^18,24,25. De gedraaide kernen werden geplaatst tussen planten en bodem hyphal lengtes per gram bodem¹⁸, ¹³C fluxen te extraradical mycelia²⁴, fosfor opname van plant-vrije kernen werden gekwantificeerde¹⁸. Een ander gebruik van dergelijke kernen moest planten groeien binnen hen in het veld om de kolonisatie van de wortels door AM schimmels door frequente hyphal verstoring als alternatief voor sterilisatie of de toepassing van fungiciden, die beide indirecte effecten op de bodem organische hebben deeltjes en andere microben¹⁸.

De aanpak van de barrière van hyphal mesh is gebruikt om te onderzoeken nutriënten partitioneren en plant interacties over CMNs, maar in rechthoekige microkosmos in plaats van met gedraaide cores. Walder et al.²⁶ interacties tussen Linum usitatissimum (vlas) en Sorghum bicolor (sorghum) onderzocht door het traceren van minerale voedingsstof voor koolstof-uitwisseling met behulp van isotopen in CMNs van een van de schimmels AM Rhizophagus irregularis of Funneliformis mosseae²⁶. De microkosmos in hun studie omvatte plant compartimenten gescheiden door gaas belemmeringen, hyphal compartimenten enkel toegankelijk voor mycorrhiza schimmeldraden en gelabelde hyphal compartimenten die radioactieve en stabiele isotopen. De studie gebruikt als besturingselementen, behandelingen zonder Mycorrhiza schimmels. Song et al.²⁷ gebruikt een vergelijkbare aanpak te vinden die fabriek signalen kunnen alleen onder de vastgestelde CMNs van F. mosseae hoeven worden meegenomen wanneer één plant watertje septisch tegen een schimmel pathogeen. Ook, op dezelfde manier Walder et al.²⁶, Merrild et al.²⁸ planten in afzonderlijke compartimenten gescheiden groeide door gaas te onderzoeken van de prestaties van de centrale van Solanum lycopersicum (tomaten) zaailingen door CMNs gekoppeld aan een grote Cucumis sativus (komkommer) plant die vertegenwoordigd een overvloedige koolstofbron. Ze gebruikt ook behandelingen zonder Mycorrhiza schimmels in plaats van het verbreken van de CMNs²⁸. In een tweede, verwante experiment, koolstof voor fosfor uitwisseling werd onderzocht met behulp van mesh zakken gemarkeerd met ³²P. microkosmos met hyphal mesh belemmeringen en CMN versnijden als behandeling werden gebruikt door Janos et al.²⁹, die concurrerende onderzocht interacties tussen de zaailingen van de savanne boomsoorten Eucalyptus tetrodonta en plantgoed van de boom van het regenwoud, Litsea glutinosa. In die studie, Janos et al.²⁹ compartimenten met zaailingen enkele centimeters, lagen van gaas tegen elkaar opgeheven te breken hyphal interconnecties²⁹glijden.

De laatste stap in de evolutie van de gedraaide kern methode geweest om te groeien planten binnen kernen die binnen potten of microkosmos^20,30. Wyss³⁰ gedraaide kernen gebruikt om na te gaan als extraradical AM mycelium Pinus elliottii zaailingen koloniseren kan wanneer ze zich verspreiden van een donor of ‘verpleegkundige’ AM waardplant Tamarindus indicaen hoe extraradical mycelium van ectomycorrhizal schimmels invloeden zaailing prestaties. Grote commerciële buisvormige zaailing containers (Tabel van materialen) in microkosmos waren beide stevige kunststof (geen CMNs) of sleuven en bedekt met een hydrofobe membraan. Slotted zaailing containers waren ofwel niet gedraaide (intact CMNs) of draaien om de gevestigde CMNs. gedraaide kernen met verschillende maaswijdte barrière maten werden gebruikt door Babikova et al.²⁰ te onderzoeken ondergrondseruimtes signalering via CMNs onder Vicia verbreken faba (Boon) planten. In hun studie, een centrale donor-fabriek in 30 cm diameter mesocosms was met elkaar verbonden door wortels en schimmeldraden (geen barrière) of alleen door CMNs opgericht door een maaswijdte van 40 μm. Centrale planten werden gescheiden van interacties met naburige planten door middel van rotatie van de mesh-omsloten kernen of CMNs werden verhinderd door een fijne maaswijdte van 0,5 μm bijvoeging van de kern.

Hier presenteren we een methode die aspecten van voorafgaande gedraaid-core benaderingen combineert te onderzoeken van de invloed van CMNs op directe plant interacties gecombineerd met stabiele isotoop tracering. Onze methode gebruikt een ‘doel plant’ aanpak, waarin de centrale plant van belang is omgeven door naburige planten. Planten worden geteeld in draaibare zaailing containers die worden sleuven en bedekt met nylon zeefdruk gaas, hydrofobe membraan, of zijn niet-gemodificeerde stevig plastic. Gemeenschappelijke mycorrhiza netwerken worden losgemaakt eenmaal per week of intact gehouden, en ¹⁵N stabiele isotopen sporen het verkeer van stikstof uit buren gedraaide kernen aan de centrale doelstelling plant. Door vergelijking van de grootte van de plant met minerale voedingsstoffen en stabiele isotoop opname, beoordelen wij welke planten kunnen profiteren of CMNs lijden in interacties tussen waardplanten.