שיטה זו מסבירה כיצד לבנות ולהפעיל C 13 רציף ו15 N קאמרי תיוג איזוטופ למדים או תיוג רקמות צמח ההפרש. נציג תוצאות מטבולים וסימון מבני של gerardii Andropogon הם דנו.
איתור איזוטופים יציבים נדירים מחומר צמחי מהמערכת האקולוגית מספק את המידע רגיש ביותר על תהליכים אקולוגיות; מCO 2 נתיבים והיווצרות חומר אורגני בקרקע לסמן ביולוגי היציב, איזוטופ בקנה מידה קטנה חיטוט. צימוד איזוטופים יציבים רבים כגון 13 C עם 15 N, יש 18 O או H 2 הפוטנציאל לחשוף מידע עוד יותר על מערכות יחסים מורכבים stoichiometric במהלך תמורות biogeochemical. חומר צמחי איזוטופ שכותרתו נעשה שימוש במחקרים שונים של פירוק פסולת והיווצרות חומר אורגני בקרקע 1-4. ממחקרים אלה ואחרים, לעומת זאת, זה הפך להיות ברור כי רכיבים מבניים של חומר צמחי מתנהגים בצורה שונה מאשר רכיבי חילוף חומרים (תרכובות כלומר. Leachable משקל מולקולריים נמוכות) במונחים של ניצול חיידקים ואחסון פחמן ארוך טווח 5-7. היכולת ללמוד רכיבים מבניים ומטבולייםבנפרד מספק כלי חדש ורב עוצמה לקידום חוד החנית של לימודי biogeochemical מערכת אקולוגית. כאן אנו מתארים שיטה להפקת 13 C ו15 N חומר צמחי שכותרתו כי גם מתויג באופן אחיד לאורך כל הצמח או באופן דיפרנציאלי שכותרתו במרכיבי צמח מבניים ומטבוליים.
כאן, אנו מציגים את הבנייה ותפעול של C 13 רציף ו15 N קאמרי תיוג שיכול להיות שונה כדי לענות על צרכי מחקר שונים. חומר צמחי שכותרת אחידה מופק על ידי תיוג רצוף משתיל למסוק, תוך תיוג ההפרש מושגת על ידי הסרת גידול הצמחים מהשבועות קאמריים לפני הקציר. נציג תוצאות מAndropogon גדל gerardii Kaw להפגין את יכולתה של המערכת ליעילות חומר צמחי תווית ברמות הממוקדות. באמצעות שיטה זו יש לנו מיוצר חומר צמחי עם 4.4% אטום C 13 ו6.7 אטום% 15 </ Sup> תווית מפעל האחיד N, או חומר שמתויג באופן דיפרנציאלי על ידי עד 1.29 אטום% 13 C ו0.56% אטום 15 N בחילוף החומרים שלו ורכיבים מבניים (רכיבי שיורי מים לחילוץ וחמים מים חמים, בהתאמה). אתגרים טמונים בשמירה על טמפרטורה נכונה, לחות, CO 2 ריכוז, ורמות אור באטום 13 C-CO 2 אווירה לייצור במפעל מוצלח. קאמרי תיאור זה מייצג כלי מחקר שימושיים כדי לייצר ביעילות באופן אחיד או באופן דיפרנציאלי חומר צמחי שכותרתו רב איזוטופ לשימוש בניסויים ברכיבה על אופני biogeochemical מערכת אקולוגית.
הבנת הדינמיקה של תהליכי צמח אדמת אווירה היא קריטית עבור לחזות במדויק כיצד הפחמן העולמי (C) וחנקן פונקציה מחזורי בתנאים סביבתיים בהווה ובעתיד (N). איזוטופים יציבים הם כלים רבי עוצמה במחקרים כמותיים של C-צמח אדמת אווירה ורכיבה על אופניים לא זמין. איתור איזוטופים יציבים נדירים מחומר צמחי מהמערכת האקולוגית מספק מידע רגיש במחקרים של רכיבה על אופניים biogeochemical, מCO 2 נתיבים ואדמת היווצרות חומר אורגנית לסמן ביולוגי היציב, איזוטופ בקנה מידה קטנה חיטוט למשל 4,8,9. שילוב 13 תיוג C עם 15 N תיוג, או איזוטופים יציבים אחרים כגון H 2 O או 18 ברקמות צמח מספק גבוה איתור, מצע למעקב, אך מורכב לשימוש במחקרי מצמידים של צמח וביוכימיה אדמה. היכולת אחידה או באופן דיפרנציאלי לתייג מודעות חומר צמחי מבניות ומטבולייםיכולת נוספת ds מטרה לענות על שאלות מורכבות על C ו-N רכיבה דרך מערכות אקולוגיות. היתרון של שימוש בחומר צמחי איזוטופ שכותרתו במחקרים כמותיים של חשבונאות C ו-N, לעומת זאת, תלוי ביכולת לייצר 13 C ו15 N חומר הנקרא כי הוא גם באופן אחיד או באופן דיפרנציאלי שכותרתו.
תיוג איזוטופ נעשה שימוש במחקרי טיפול בצמח C ו-N התבוללות 10, הקצאת 11 וrhizodeposition 12. חומר צמחי שכותרת אחידה 13 C ו15 N מספק מצע שכותרתו מורכבת ללימודים של פירוק פסולת 1,4, 2,6 פעמים היווצרות חומר אורגני בקרקע, קרקע פליטת CO2 4, מארג מזון אדמה לומד 13, ומחקרים של C אדמת מגורים 2,14. מחקרי ניצול 13 biochar C שכותרתו מחומר צמחי שכותרתו גם מתחילים לגלות מידע חדש על העבר התעלםבריכות char האדמה 15. בעוד 15 N, H 2, ו18 O תיוג קל יחסית להשיג באמצעות טיפול במים ודשנים, האתגר קיים בייצור חומר צמחי אחיד 13 C שכותרתו דרך 13 C-CO 2 קיבעון.
תיוג רציף איזוטופ משתיל לפדיון בתא אטום מייצר תיוג איזוטופ אחיד בכל המפעל. שיטות אחרות, כגון תיוג חזר דופק 16 ויישום בריסוס או הפתילה 17,18 לא לייצר חומר אחיד איזוטופ שכותרתו צמח, ולא תיוג ברור ההפרש של C-תרכובות מסוימות (למשל חילוף חומרים לעומת מבני) 19. שיקול חשוב בתיוג איזוטופ הוא תיוג יעילות, בשל העלות הגבוהה של תרכובות מועשרים איזוטופ הנדיר בשימוש בתיוג. למרות תיוג 13 C רציף נעשה שימוש ב2-4,20 העבר, אין למיטב ידיעתנותיאור שפורסם מפורט טכני של קאמרי תיוג רציף עם עדות ליעילות תיוג גבוהה ושליטה מדויקת של הכמות והאחידות של תיוג איזוטופ.
בחוד החנית של פירוק אשפה ואדמת מחקר היווצרות חומר אורגני הוא התפיסה שחומר צמחי מטבולים (כלומר leachable, תרכובות יציבה, משקל מולקולריים נמוכות) וחומר מבני מפעל (כלומר. ליגנין, תאית, hemicellulose) מעובדים באופן שונה במונחים של חיידקים שימוש יעילות, היווצרות חומר אורגנית בקרקע, ואחסון C קרקע ארוך טווח 5-7. חומר צמחי שמתויג באופן דיפרנציאלי ברכיבים המבניים וחילוף חומרים שלו, ולכן, הוא כלי שימושי בקידום פירוק המלטה ומחקר היווצרות חומר אורגני בקרקע. תיוג ההפרש עם איזוטופים כפולים מאפשר העתקה של רכיבים מבניים ומטבוליים בנפרד דרך המערכת האקולוגית באמצעות techniqu איזוטופ מרובה בריכהדואר 21.
תיוג איזוטופ רציף עם 13 C ואיזוטופים אחרים בתא אטום דורש תשומת לב קפדנית לשתול תנאים פיסיולוגיים כדי למקסם את תפוקת מפעל ויעילות תיוג איזוטופ. קוצים של טמפרטורה יומית חייבים להיות מבוקרים כדי למנוע נזק צמח כאשר גדל בחדר אטום. טווח אופטימלי של לחות וטמפרטורה נדרש לשמור הפיוניות מפעל פתוחה ו-CO 2 ספיגה 22. רמות גבוהה של אדים לחות גורם לקירות החדר, אשר ממזער זמינות אור ועלול לגרום נזק למבנה התא. שיקול דעת לאיזוטופ יעילות תיוג על ידי ביטול איזוטופים שפע טבעיים מהתא (לדוגמא מגיע משתילה עם חומר אורגני בקרקע) ולהימנע מחשיפה לאוויר החיצוני הוא חשובה כאשר עובדים עם תרכובות כבד איזוטופ יקרים שכותרתו.
כאן, אנו מציגים שיטה לבנייה והפעלהC הרציף הכפול 13 ו15 קאמרי תיוג N איזוטופ לייצור של חומר צמחי שגם מסומן או שיש רכיבים המבניים וחילוף חומרים שלו שכותרתו ברמות שונות באופן אחיד. 13 תיוג C נמצאים בשליטה ברמת התא, תוך הפריה ו15 N תיוג היא שלט ברמת הסיר הבודד. נציג תוצאות מוצגות כדי להדגים את יכולתה של שיטה זו כדי לשלוט בטמפרטורה, לחות, וריכוז CO 2 לאורך כל עונת הגידול. תוצאות מgerardii Andropogon גדל, Kaw גם להפגין את יכולתה של שיטה זו כדי לייצר חומר צמחי אחיד או באופן דיפרנציאלי שכותרתו. ערכת עיצוב חדר והמבצע הספציפית שתוארה יכולה להיות שונה כדי לצמוח מיני צמחים שונים, כמו גם כדי להכיל 2 H או 18 O תיוג.
עיצוב זה לתא תיוג איזוטופ מתמשך שימש כדי לייצר באופן אחיד ואופן דיפרנציאלי 13 C ו15 N שכותרתו א gerardii לשדה הבא וניסויים במעבדה. במהלך שלוש עונות גידול של מבצע, הקאמרית שמרה בהצלחה טמפרטורה, לחות, ו-CO 2 ריכוזים במסגרת הפרמטרים הקבועים (איור 2). האמינות של מערכת בקרת הטמפרטורה היא קריטית בתקופת השיא של הקיץ, כאשר קרינת שמש גבוהה יכולה לגרום להתחממות יתר בתא האוויר חזק. ביטול לחות עודפת הנגרמת על ידי דיות מגידול הצמחים מבטיח כי הפיוניות המפעל תישאר פתוחה לספיגה פוטוסינתטיים 22 וכי עיבוי מים לא לעכב חדירת אור או לפגוע במבנה של החדר.
הניטור הרציף הקרוב של CO 2 ריכוז על ידי תוכנת Irga נשמר רציף13 תיוג C של הצמחים בעת שגדלו בתא. בשל פעילות הפוטוסינתזה הגבוהה של א gerardii גדל בחדר הזה, CO 2 שהוזרק למערכת בתדירות גבוהה בשעות יום של עונת השיא גדל כאשר פעילות פוטוסינתזה משכה 2 ריכוזים CO עד 360 עמודים לדקה, בערך כל דקות 15-20. המדידה של מועשר ו13 2 טנקי C-CO שפע טבעי אפשרו ל4.4% אטום אווירת 13 C נשלטה באמצעות עונת הגידול לתיוג רקמות צמח אחיד. 13 C-CO 2 ייצור יכול גם להיות מושגת על ידי ערבוב 13 C-נתרן ביקרבונט או קרבונט 13 C-נתרן וחומצה הידרוכלורית, לעומת זאת סוג זה של מערכת הוא מורכב יותר ודורש יותר ניטור ותחזוקה, ולכן אנו ממליצים על שימוש בגז 2 13 C-CO. שיקול חשוב לניטור CO conce 2ntrations באמצעות Irga הוא שמנתחי אינפרא אדום לאבד שני שלישים מרגישותם בעת מדידת 13 C-CO 2. הערכה נמוכה מדי של עמודים לדקה בכ .2.9% לתערובת 4.4% 13 C-CO 2 שלנו לא הייתה דאגה רבה לנו, אבל יכולה להפוך לבעיה משמעותית יותר כאשר תיוג ברמות 13 C גבוהים יותר 27.
gerardii א 'היא עונה חמה tallgrass הרב שנתי ערבת מיני graminoid. העיצוב של החדר הזה היה מותאם לא ייצור gerardii (איור 1). הגודל והגובה של החדר נבחרו בתמורה לפרודוקטיביות הגובה המרבית של א ' gerardii בתחום, כמו גם לייצור ביומסה הצמח הרצוי לניסויים עתידיים. א gerardii ידוע להיות אור מוגבל בתחום 24,25. PAR בתוך חממה יכול להצטמצם על ידי 30-47% בהשוואה לרמות חיצוניים 26. מאז המפעל שלנוים גדלו בתא זכוכית אקריליק בתוך חממה, הגבלת PAR הייתה דאגה. כאשר מופעלים, אורות הניאון גדלו PAR בתוך התא על ידי 9.5%, מה שאולי עזר להגדיל את התפוקה בזנים רגישים לאור זה. בעת השימוש בעיצוב חדר זה לגדול סוגים אחרים של הצרכים פיסיולוגיים ספציפיים צמחים כגון גודל, תאורה, דרישות תזונתית, רגישות טמפרטורה, ולחות קרקע צריך להיות מותאם בזהירות כדי לשמור על תנאי גידול אופטימליים לצמחים.
כאשר עובד עם תרכובות יקרות שכותרת isotopically, כגון 10% אטום 13% 2 ו98 אטום C-CO 15 N-kno 3, יעילות של תיוג הוא שיקול חשוב. עיצוב חדר זה מייעל 13 תיוג C על ידי עושה את כל המאמצים כדי לאטום את החדר ולמזער את דליפת אוויר לתוך ומחוץ לתא. אם החדר הזה מעולם לא נפתח במהלך עונת הגידול, ולאחר מכן אף אחד מתווית 13 Ced-CO 2 מהחדר הוא דלף לאווירה. CO 2 לבנות במהלך נשימה לילית אינו מופיע לפגוע בצמחים והוא נלקח במהירות לאחר הזריחה (איור 2). במהלך תיוג ההפרש, התא נפתח לזמן קצר כדי להסיר את הסירים שכותרתו דיפרנציאלי, אבל זה לא הופיע לדלל 4.4% אטום תיוג 13 C הממוקד של הצמחים שכותרתו ברציפות (טבלת 1). 13 תיוג C היה מותאם גם על ידי שפשוף את אוויר באטמוספרה ראשוני לכוד בתא על איטום. במהלך בדיקות ראשוניות על החדר בלי לשפשף ראשוני של CO 2 באטמוספרה, צמחים נמדדו יש רמת 13 C בדילול מלא בעלים הראשונים שהופקו מאת העלים מאוחר יותר הפיק. לשפשף הראשוני של CO 2 באטמוספרה על תא סגירה מופיע לחסל את הבעיה על ידי מתן אפשרות לתיוג 13 C רציף משתיל לפדיון. שמירת תערובת שתילה ללא אדמת חול, ורמיקוליט, וחימר גם מבטלת שפע טבעי CO 2 מזיהום הנשימה אדמה. החיסול של אדמה מהמערכת דורש שיקולי הפריה וחיסון זהירים, אשר יכולה להיות ייחודי למינים צמחים שונים. 15 N תיוג באמצעות 15 הפתרון של N Hoegland 7% אטום הממוקד מיוצר חומר צמחי שכותרת מאוד ב6.7% אטום 15 N (טבלה 1). דילול קל מהתווית 15 N הממוקד עלול להיגרם על ידי כמה שפע טבעי N בתערובת השתילה או מחיסון אדמת הילידים.
במהלך ביוסינתזה של תרכובות, אפליה טבעית של 13 C (או 15 N) מתרחשת כתוצאה מחלוקה הקינטית והפצת איזוטופ nonstatistical בתרכובות המסונתזת. לכן, במקרה של C, מוצרים משניים (למשל שומנים, תרכובות פנול) בדרך כלל מתרוקנים ב13 C בהשוואה למוצרים עיקריים (פחמימות). אפליית 13 C טבעי זה מופיעה להתמיד גם כאשר צמחים גדלים באווירת 13 C מועשרת, כפי שניתן לראות בהבדל הקטן באטום% C 13 של תמציות מים החמים ושאריות מים חמים של הצמחים שכותרתו באופן אחיד (טבלה 1 ). חלוקה הקינטית טבעית זה היא קטן מאוד בהשוואה להעשרה ולא להתפשר האחידות של התיוג.
תיוג ההפרש של רקמות צמח מבניות ומטבוליים הוא טכניקה חדשנית עם פוטנציאל ללימודים מתקדמים בפירוק פסולת, אקולוגיה של חיידקים והיווצרות חומר אורגני בקרקע. ההבדל ב13 C ו15 N של תמציות מים החמים ושאריות מים חמים מצביע על דילול משמעותי של 13 C ו15 N בleachable, נמוךתרכובות מולקולריות משקל (תמציות מים חמים) מהחומר המבני הצמח (שאריות מים חמים) לאחר 7, 14, ו22 ימים של תיוג ההפרש (P <0.005). תיוג ההפרש זה של רקמות צמח יכול לשמש כדי לעקוב אחר גורלם של רכיבים מבניים ומטבוליים בנפרד דרך מערכת אקולוגית. תיוג ההפרש 13 C היה יותר קיצוני מ15 תיוג ההפרש N. זה יכול להיות בגלל המיידיות של 13 דילול C בעת הסרת הצמחים מאווירת שכותרת 13 C-CO 2, ואילו תווית 15 N עדיין נשארה בתערובת השתילה לקצת זמן ו15 N דילול מתרחש לאט יותר. תיוג ההפרש דרסטיים יותר של 15 N, ניתן לשקול שטיפת הסירים עם מים לפני ההפריה שפע טבעי בשבועות האחרונים של גידול מחוץ לחדר.
העיצוב והתפעול של 13 מתמשכים זה <מערכת תיוג C ו15 N / sup> למדים או ההפרש, חילוף חומרים ותיוג רקמות מבני, צמח מספקת שיטה חדשה להפקת חומר צמחי שכותרת isotopically למחקר מתקדם. העיצוב והפרטים מבצעיים של תא זה נבחרו ל4.4% אטום C 13 ו7 אטום% 15 N תיוג של א ' gerardii, אך יכול להיות מותאם לסוגי צמחים אחרים ורמות תיוג איזוטופ. תנאי הגידול שתוארו כאן צריכים להיות מותאמים כדי להתאים את דרישות גודל, טמפרטורה, לחות, אור, מים וחומרי מזון של מיני צמחים מסוימים של עניין. תיוג עם 18 O או H 2 יכול גם להיות מושגת על ידי תיוג המים המשמשים במערכת ההשקיה. המערכת המתוארת כאן כתובות רבות של האתגרים של אחיד ודיפרנציאלי 13 תיוג C של חומר צמחי. עיצוב תא בסיסי זו יכול להיות בשימוש על ידי קבוצות מחקר אחרות כדי לייצר חומר צמחי שכותרת מאוד לעו"דanced מחקרים בbiogeochemistry המערכת האקולוגית.
The authors have nothing to disclose.
תודה מיוחדת למתקן צמח הצמיחה והמתקן אנליטיים EcoCore באוניברסיטת קולורדו ולתלמידים הרבים והמורים שסייעו בפרויקט זה. עבודה זו ממומנת על ידי המענק # NSF DEB 0918482, משרד החקלאות האמריקאי הלאומיים לצרכי מלגה, וקרן Cotrufo-Hoppess למחקר אקולוגיה אדמה.
40 in Remote Tower Fan | Living Accents | FS10-S3R-A | |
42 in Electric Tower Fan with remote control | LASKO | 2559 | |
Mr. Slim Split-type air conditioner | Mitsubishi Electric | R410A | |
Electronic 24 hr time switches | Intermatic | ET100C | Operates Fluorescent Light System |
iSeries Humidity and Temp Controller | Omega | CHiTH-i8DV33-5-El | |
Solid State Relay | Omega | SSRL240 | |
CKR Series Solid State Relay | Crydon | ||
Solenoid Coils | Dayton | 6X543 | |
GasHound CO2 Analyzer | LI-COR | LI-800 | |
Dehumidifier | Dayton | 1DGX4 | |
Specialty gas regulator | Airgas | CGA 580 | |
T5 Hight Output Commercial Fluorescent Light System | Hydro Farm | FLT48 | |
Air pump | Thermo Scientific | 420-1901 | |
Masterflex Cartridge Pump HeadSystem | Cole Parmer | 7553-70 | |
1900 Series Network Switch | Catalyst | ||
Profile Porus Ceramic Top Dressing | Greens Grade | ||
Industrial Quartz 40 mesh | Unimin | 4095 | |
Mycorrhizae Professional Growing Medium | ProMix | ||
Vermiculite and Perlite | Thermo-Ran | C633 | |
Potassium Nitrate- 15N 98 atom % | Sigma-Aldrich | 335134 | |
Carbon-13C Dioxide 10 atom % | Sigma-Aldrich | 600180 | |
Medical grade CO2 | Airgas | ||
Regulator | Airgas | CGA 350 | |
4 in box fans | Grainger | ||
Masterflex PharMed BPT Tubing | Cole Parmer | HV-06508-24 |