Bitki etkileşimleri döndürülmüş çekirdeği kullanan ortak mikorizal ağlar üzerinden incelenmesi
Summary
Toplumları büyük olasılıkla içinde birçok bitki arbuscular mikorizal (AM) mantarlar tarafından birbirine bağlanır, ancak onlar tarafından bitki etkileşimlerin arabuluculuk öncelikle mycorrhizas olmadan karşı ile bitkiler büyüyen tarafından araştırıldı. Biz onların sonuçları bitki etkileşimleri için araştırmaya mikorizal bitkiler arasında ortak mikorizal ağları yönetmek için bir yöntem mevcut.
Abstract
Arbuscular (AM) mikorizal mantarlar bitki mineral besin alımını ve büyüme etkiler, bu nedenle, onlar bitki etkileşimleri etkileme potansiyeline sahip. Onların etkisi gücünü sonuçta ortak mikorizal ağ (CMN) içinde bireyler arasında bağlantı kurmak için kökleri yakın besin tüketme bölgeleri yaymak extraradical mycelia bulunur. Çoğu deneyler, ancak, AM mantarlar bitki etkileşimleri rol mikorizal Mantarlar, CMNs rolü açıkça adrese başarısız bir yöntem olmadan karşı ile bitkiler büyüyen tarafından araştırdı. Burada, CMNs bitki etkileşimleri rolünü araştırmak için yöneten bir yöntem öneriyorum. Bizim yöntem bir naylon mesh ve/veya kat oluklu açıklıklar, 15N gübre ve besin bakımından fakir interstisyel kum hidrofobik malzeme ile konik dipleri ile değiştirilmiş konteynerler kullanır. CMNs ya yaptı tarafından kapları döndürme kopmuş veya tarafından katı bir bariyer oluşturan engelledi etkileşen bireyler arasındaki sağlam. Cihazla ilgili izlenimlerimizi kapsayıcılar dönen CMNs bozabilir ve CMNs arasında bitki etkileşimleri üzerindeki etkileri önlemek için yeterli olduğunu göstermektedir. Yaklaşımımız avantajlı çünkü doğanın, önceden kurulmuş CMNs ve a maiyet-in çeşitli faydalar sağlayabilir AM mantar kullanımı dokunarak fidan gibi yönlerini taklit eder. Deneyimiz bitkiler fide aşamasında soruşturma için sınırlı olmasına rağmen bitki etkileşimleri CMNs arasında bu nedenle işleyişi hakkında biyolojik soruluk CMNs ekosistemleri içinde araştırmak için uygulanabilen bizim yaklaşım kullanarak tespit edilebilir.
Introduction
Arbuscular (AM) mikorizal mantarlar destekli bitkiler toprak kolonizasyon 460 milyon yıl önce1 ve bugün, hayati mineral besin ile büyüme için-mek şartıyla onları çoğu bitkiler2, her yerde simbiont olduklarını. AM mantar ince, iş parçacığı gibi hif yem için mineral besin besin tüketme bölgeleri sık sık karşılaşıyor ve kök bitkiler bir “ortak mikorizal Network” komşu sistemleri kolonileşmesi kökleri, yakınındaki ötesinde (CMN). Ortak mikorizal ağlar da formu mantar germlings birleştirmek kurulan ağlar3veya hif OLDUĞUMDA sigorta (conspecific hif4,5,6,7ile anastomose). Bu extraradical hif toprak ölçüde extraradical hif oluşturan toplam toprak mikrobiyal biyokütle çayır ve Mera toprak8 ve rahatsız edilmeden otlak9 111 m·cm-3 için germe % %20 30 ile çok büyüktür .
Ortak mikorizal ağları birbirine komşu bitkiler10,11,12,13arasında mineral besin bölümü. Bitkiler kadar alabilirsiniz onların fosfor % 80’i ve onların toplam karbon mantar için sabit % 20 kadar sağlarken kendi azot gereksinimlerden AM Mantarlar, % 25’i iade14. Son tüp bebek kök organ kültür çalışmaları CMNs tercihen mantarlar11,12çoğu karbon sağlamak ana kökleri ile mineral besin değişimi buldu. Ayrıca, farklı tür AM mantar onların kalitesinde bazı mantarlar için daha az karbon diğerlerinden daha fazla fosfor alışverişi ile simbiyotik ortak olarak15farklı olabilir. Kök organ kültürler dikkatle kontrollü ortamlarda ve doğrudan hyphal bağlantıları gözlemlemek yeteneği mevcut çünkü AM sembiyoz eğitim için faydalı modeller olmakla birlikte, onlar etkileyen fotosentez sürgünler dahil değildir fotosentez, terleme ve diurnal değişiklikler gibi önemli fizyolojik süreçler, de oluşturan karbon ve mineral besin lavabolar.
Doğada, fidan büyük olasılıkla zaten kurulmuş CMNs dokunun. Yakın zamana kadar ancak, bilim adamları sadece AM mantarlar bitki besleme üzerinde etkisini tarafından büyüyen bitkiler ve olmayan AM Mantarlar, genellikle tek bir tür AM mantar ile inceledik. Bu eser arbuscular mycorrhizas anlayışımızı çok bilgilendirici olmasına rağmen bu yöntem CMNs birbirine bağlı ana bitkiler arasındaki etkileşimler olabilir potansiyel olarak önemli rol gözden kaçırdığı. Özellikle, son derece AM mantar büyüme için bağlı bitkiler en az muhtemelen bizim yorum etkileşimlerin ‘denetimi olarak’ için bir temel kullanıldığında AM mantar-aracılı semptomlarıdır AM mantarlar16,17, olmadan etkileşim başvuru.
Soruşturma CMNs rolü bitki etkileşimleri ve nüfus yapılanması için döndürülmüş çekirdekli yaklaşım öneriyorum. Bütün bitkiler üyelik CMNs ve tüm bitkiler AM mantarlar ile yetiştirilir kurulan çünkü bizim yaklaşım AM sembiyoz doğada bileşenlerini taklit eder. Kök etkileşimleri kaldırarak, metodolojimiz özellikle AM mantarlar tarafından da CMNs içinde mineral besin hareketleri izleme sırasında aracılı etkileşimleri üzerinde duruluyor. Yaklaşımımız döndürülmüş çekirdek alanında ve sera içinde AM gerçekçi işleyişini anlamak için kullandığı önceki çalışmalarına oluşturur.
Döndürülmüş çekirdek yöntemi literatürde extraradical hif18,19,20,21işlemek için bir yöntem olarak kurulmuştur ve amacına bağlı olarak birkaç kısımdan üzerinde olmuştur son yirmi yılda. Başlangıçta, örgü çanta veya engelleri hif içinde-büyüme sağlayan arbuscular mikorizal hif toprak22,23yılında miktarını ölçmek için bölmeleri kök-ücretsiz sağlamak için kullanılmıştır. O zaman, sert su boruları veya Yuvaları hif ama değil kökleri, naylon mesh edilebilen kaplı boru plastik içine toprak silindirik çekirdek geliştirilmiştir. Bunlar kolayca extraradical mycelia18,24,25bozmaya döndürülmüş. Döndürülmüş çekirdek bitkiler arasında yerleştirildi ve toprak hyphal uzunlukları gram başına toprak18, bitki-Alerjik çekirdek gelen extraradical mycelia24veya fosfor alımı için 13C Cerayanlar quantified18yaşında. Başka bir tür çekirdeği kullanımı AM mantarlar sterilizasyon veya bunların her ikisi de toprak organik dolaylı etkileri var mantar ilaçları, uygulama alternatif olarak sık sık hyphal bozulma ile kökleri kolonizasyon azaltmak için alanındaki içlerinde bitkiler büyümek için yapıldı. Madde ve diğer mikropların18.
Hyphal kafes bariyer yaklaşım besin bölümleme araştırmak ve etkileşimleri arasında CMNs, ama dikdörtgen microcosms yerine döndürülmüş çekirdekli bitki için kullanılmıştır. Walder ve ark.26 AM mantarlar Rhizophagus, birinin CMNs izotoplar kullanarak karbon alışverişi için mineral besin izini sürerek Linum usitatissimum (keten) ve sorgum bicolor (sorgum) arasındaki etkileşimler araştırıldı irregularis veya Funneliformis mosseae26. Onların çalışma oluşan bitki bölmeleri tarafından ayrılmış microcosms engelleri, hyphal bölmeleri için mikorizal hif yalnızca erişilebilir ve radyoaktif ve kararlı izotop yer alan etiketli hyphal bölmeleri kafes. Denetimleri, çalışma tedaviler mikorizal mantarlar olmadan kullanılır. Şarkı ve ark.27 benzer bir yaklaşım bu bitki bir bitki tarafından bir mantar patojen bulaştığında F. mosseae kurulan CMNs arasında sadece sinyalleri taşımış olabilir bulmak için kullanılır. Ayrıca, benzer şekilde Walder ve ark.26, Merrild vd.28 bireysel bölmeleri tarafından ayrılmış bitkilerde büyüdü CMNs tarafından büyük bir Cucumis bağlantılı Solanum lycopersicum (domates) fide tesisi performansını araştırmak için kafes sativus bir bol miktarda karbon kaynağı temsil (salatalık) bitki. Onlar Ayrıca mikorizal mantarlar olmadan tedavileri CMNs28kesilmesinin yerine kullanılır. İkinci, ilgili bir denemede karbon fosfor değişimi için 32s. Microcosms hyphal kafes engelleri ile Etiketlenmiş kafes torbaları kullanılarak incelenmiş ve bir tedavi olarak kesilmesinin CMN kim rekabetçi araştırıldı Janos vd.29tarafından kullanılan Fidan okaliptüs tetrodonta ova ağaç türlerinin ve nakli yağmur ormanı ağacının Litsea glutinosaarasındaki etkileşimler. Bu çalışmada, Janos vd.29 fidan katmanları mesh hyphal bağlantıları29kırmak için birbirlerine karşı sürgülü birkaç santimetre içeren bölmeler kaldırdı.
Döndürülmüş çekirdek yöntemi evrimi son adımında tencere veya microcosms20,30içinde çekirdek içinde bitkiler büyümek için olmuştur. Wyss30 döndürülmüş çekirdek verici veya ‘hemşire’ AM ana bitki, Tamarindus indicave ectomycorrhizal nasıl extraradical miselyum yayılırken extraradical AM miselyum Pinus elliottii fidan kolonize Eğer tespit etmek için kullanılan Mantarlar fide performansı etkiler. Büyük ticari borulu fide kapları (Tablo reçetesi) microcosms içinde her iki sağlam plastik (CMNs) olduğunu veya oluklu ve hidrofobik bir membran ile kaplı. Oluklu fide kapları ya da değil döndürülmüş (sağlam CMNs) olduğunu veya boyutları Babikova ve ark.20 tarafından CMNs ile arasında Vicia sinyal belowground araştırmak için kullanılan farklı mesh bariyer ile kurulan CMNs. döndürülmüş çekirdek koparmaya döndürülmüş FABA (fasulye) bitkiler. Onların çalışmada, 30 cm Çap mesocosms içinde bir merkez donör bitki kökleri ve hif (hiçbir engel) veya yalnızca bir 40 mikron ağ kurulan CMNs birbirine. Merkez bitkiler kafes içine çekirdek dönüşü ile komşu bitkiler ile etkileşimleri üzerinden kesilmiş veya CMNs çekirdek kapsayan iyi bir 0.5 mikron kafes tarafından engelledi.
Burada, CMNs etkisi doğrudan bitki etkileşimleri kararlı izotop izleme ile birlikte incelemek için önceden döndürülmüş çekirdekli yaklaşımlar yönlerini birleştirir bir yöntem mevcut. Bizim yöntem ilgi merkezi bitki komşu bitkiler tarafından çevrili bir ‘hedef bitki’ yaklaşım kullanır. Tesisleri oluklu ve naylon serigrafi mesh, hidrofobik membran ile kaplı dönebilen fide kapsayıcılar içinde yetiştirilen ya da sağlam plastik olmayan değişiklik vardır. Ortak mikorizal ağlar haftada bir kez kopmuş veya olduğu gibi devam etti ve 15N kararlı izotop hareket Merkezi hedef bitki için komşularının döndürülmüş çekirdek gelen azot iz. Bitki boyutu mineral besin ve kararlı izotop alımı ile karşılaştırarak, biz hangi bitki parası veya CMNs ana bitkiler arasındaki etkileşimler zarar değerlendirmek.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bizim sonuçları bizim döndürülmüş çekirdek yöntemi keskin CMNs rol belowground bitki etkileşimleri odaklanabilirsiniz teyit. Değiştirilmiş CMN etkileri algılama yeteneğini etkilemek için potansiyel varsa, birkaç kritik adım protokolünde, ancak, vardır. İnterstisyel alanı çevreleyen kapsayıcılar bir besin bakımından fakir orta ile doldurmak için önemlidir. Guava ağaç fidan ile bizim başarısız, döndürülmüş çekirdekli hedef tesisi deneme içinde olmasına rağmen hedef büyüme komşu…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
İki adsız yorumcular öneriler için teşekkür etmek istiyorum. Biz de kim tencere, microcosms, inşa ile yardımcı oldu ve kapsayıcılar oluklu ve kim korumak ve deneyler hasat ile yardımcı olması çok sayıda lisans teşekkür ederiz. Biz de North Central üniversite Ashley Wojciechowski gibi başlangıç fonlar (için JW) ve mevcut tesisler için bir Kuzey Merkezi üniversite Richter bu yöntemleri kullanarak bir deneme destekleme hibe almak için teşekkür ederiz. Bu eser parçası bir Ulusal Bilim Vakfı Doktora tez gelişme hibe tarafından (DEB-1401677) finanse edildi.
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 |
References
- Remy, W., Taylor, T. N., Hass, H., Kerp, H. Four hundred-million-year-old vesicular arbuscular mycorrhizae. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 91 (25), 11841-11843 (1994).
- Smith, S. E., Read, D. J. . Mycorrhizal Symbiosis. , (2008).
- Giovannetti, M., Avio, L., Sbrana, C. . Mycorrhizal Networks. , 41-67 (2015).
- Giovannetti, M., Sbrana, C., Cresti, A., Heath, M., Geitmann, I. B. . Cell Biology of Plant and Fungal Tip Growth. Vol. 328. Nato Science Series, Sub-Series I: Life and Behavioural Sciences. , 221-231 (2001).
- Giovannetti, M., Sbrana, C., Avio, L., Strani, P. Patterns of below-ground plant interconnections established by means of arbuscular mycorrhizal networks. New Phytologist. 164 (1), 175-181 (2004).
- Avio, L., Pellegrino, E., Bonari, E., Giovannetti, M. Functional diversity of arbuscular mycorrhizal fungal isolates in relation to extraradical mycelial networks. New Phytologist. 172 (2), 347-357 (2006).
- Giovannetti, M., et al. At the root of the wood wide web: self recognition and nonself incompatibility in mycorrhizal networks. Plant Signaling & Behavior. 1 (1), 1-5 (2006).
- Miller, R., Kling, M. J. The importance of integration and scale in the arbuscular mycorrhizal symbiosis. Plant and Soil. 226 (2), 295-309 (2000).
- Miller, R., Jastrow, J., Reinhardt, D. R. External hyphal production of vesicular-arbuscular mycorrhizal fungi in pasture and tallgrass prairie communities. Oecologia. 103 (1), 17-23 (1995).
- Weremijewicz, J., Sternberg, L. d. S. L. O., Janos, D. P. Common mycorrhizal networks amplify competition by preferential mineral nutrient allocation to large host plants. New Phytologist. , (2016).
- Fellbaum, C. R., et al. Fungal nutrient allocation in common mycorrhizal networks is regulated by the carbon source strength of individual host plants. New Phytologist. 203 (2), 646-656 (2014).
- Lekberg, Y., Hammer, E. C., Olsson, P. A. Plants as resource islands and storage units–adopting the mycocentric view of arbuscular mycorrhizal networks. FEMS Microbiol Ecol. 74 (2), 336-345 (2010).
- Jakobsen, I., Hammer, E. C. . Mycorrhizal Networks. , 91-131 (2015).
- Jakobsen, I., Rosendahl, L. Carbon flow into soil and external hyphae from roots of mycorrhizal cucumber plants. New Phytologist. 115 (1), 77-83 (1990).
- Kiers, E. T., et al. Reciprocal rewards stabilize cooperation in the mycorrhizal symbiosis. Science. 333 (6044), 880-882 (2011).
- Hartnett, D. C., Hetrick, B. A. D., Wilson, G. W. T. Mycorrhizal influence on intra- and interspecific neighbour interactions among co-occuring prairie grasses. Journal of Ecology. 81 (4), 787-795 (1993).
- Hetrick, B. A. D., Wilson, G. W. T., Todd, T. C. Differential responses of C3 and C4 grasses to mycorrhizal symbiosis, phosphorus fertilization, and soil microorganisms. Canadian Journal of Botany. 68 (3), 461-467 (1990).
- Johnson, D., Leake, J. R., Read, D. J. Novel in-growth core system enables functional studies of grassland mycorrhizal mycelial networks. New Phytologist. 152 (3), 555-562 (2001).
- Leake, J. R., et al. Networks of power and influence: the role of mycorrhizal mycelium in controlling plant communities and agroecosystem functioning. Canadian Journal of Botany-Revue Canadienne De Botanique. 82 (8), 1016-1045 (2004).
- Babikova, Z., et al. Underground signals carried through common mycelial networks warn neighbouring plants of aphid attack. Ecology Letters. 16 (7), 835-843 (2013).
- Schüepp, H., Miller, D. D., Bodmer, M. A new technique for monitoring hyphal growth of vesicular-arbuscular mycorrhizal fungi through soil. Transactions of the British Mycological Society. 89 (4), 429-435 (1987).
- Miller, D. D., Bodmer, M., Schüepp, H. Spread of endomycorrhizal colonization and effects on growth of apple seedlings. New Phytologist. 111 (1), 51-59 (1989).
- Jakobsen, I., Gazey, C., Abbott, L. K. Phosphate transport by communities of arbuscular mycorrhizal fungi in intact soil cores. New Phytologist. 149 (1), 95-103 (2001).
- Johnson, D., Leake, J., Ostle, N., Ineson, P., Read, D. J. In situ 13CO2 pulse‐labelling of upland grassland demonstrates a rapid pathway of carbon flux from arbuscular mycorrhizal mycelia to the soil. New Phytologist. 153 (2), 327-334 (2002).
- Johnson, D., Leake, J., Read, D. J. Transfer of recent photosynthate into mycorrhizal mycelium of an upland grassland: short-term respiratory losses and accumulation. of 14C. Soil Biology and Biochemistry. 34 (10), 1521-1524 (2002).
- Walder, F., et al. Mycorrhizal networks: Common goods of plants shared under unequal terms of trade. Plant Physiology. 159 (June 2012), 789-797 (2012).
- Song, Y. Y., et al. Interplant communication of tomato tlants through underground common mycorrhizal networks. Plos One. 5 (10), e13324 (2010).
- Merrild, M. P., Ambus, P., Rosendahl, S., Jakobsen, I. Common arbuscular mycorrhizal networks amplify competition for phosphorus between seedlings and established plants. New Phytologist. 200 (1), 229-240 (2013).
- Janos, D. P., Scott, J., Aristizábal, C., Bowman, D. M. J. S. Arbuscular-mycorrhizal networks inhibit Eucalyptus tetrodonta seedlings in rain forest soil microcosms. Plos One. 8 (2), e57716 (2013).
- Wyss Lozano Hoyos, T. . Pinus elliottii var. densa Seedling Performance Reflects Ectomycorrhizas, Soil Nutrient Availability and Root Competition. , (2010).
- Mäder, P., Vierheilig, H., Alt, M., Wiemken, A. Boundries between soil compartments formed by microporous hydrophobic membranes (GORE-TEX) can be crossed by vesicular-arbuscular mycorrhizal fungi but not by ions in the soil solution. Plant and Soil. 152, 201-206 (1993).
- Mäder, P., et al. Transport of 15N from a soil compartment separated by a polytetrafluoroethylene membrane to plant roots via the hyphae of arbuscular mycorrhizal fungi. New Phytologist. 146 (1), 155-161 (2000).
- Brundrett, M., Bougher, N., Dell, B., Grove, T. . Working with Mycorrhizas in Forestry and Agriculture. , (1996).
- McGonigle, T. P., Miller, M. H., Evans, D. G., Fairchild, G. L., Swan, J. A. A new method which gives an objective-measure of colonization of roots by vesicular arbuscular mycorrhizal fungi. New Phytologist. 115 (3), 495-501 (1990).
- Weremijewicz, J., Janos, D. P. Common mycorrhizal networks amplify size inequality in Andropogon gerardii monocultures. New Phytologist. 198 (1), 203-213 (2013).
- Weremijewicz, J., O’Reilly, L. d. S. L., Janos, D. P. Arbuscular common mycorrhizal networks mediate intra-and interspecific interactions of two prairie grasses. Mycorrhiza. , 1-13 (2017).
- Weiner, J. Asymmetric competition in plant populations. Tree. 5 (11), 360-364 (1990).
- Damgaard, C., Weiner, J. Describing inequality in plant size or fecundity. Ecology. 81 (4), 1139-1142 (2000).
- Johnson, C. R., Joiner, J. N., Crews, C. E. Effects of N, K, and Mg on growth and leaf nutrient composition of 3 container grown woody ornamentals inoculated with mycorrhizae. Journal of the American Society for Horticultural Science. 105 (2), 286-288 (1980).
- Estrada-Luna, A. A., Davies, F. T., Egilla, J. N. Mycorrhizal fungi enhancement of growth and gas exchange of micropropagated guava plantlets (Psidium guajava L.) during ex vitro acclimatization and plant establishment. Mycorrhiza. 10 (1), 1-8 (2000).
- Hurlbert, S. H. Pseudoreplication and the design of ecological field experiments. Ecological Monographs. 54 (2), 187-211 (1984).
- Argüello, A., et al. Options of partners improve carbon for phosphorus trade in the arbuscular mycorrhizal mutualism. Ecology Letters. 19 (6), 648-656 (2016).
