この方法は、連続13℃で均一または差動植物組織標識用15 N同位体標識室を構築し、操作する方法について説明します。代謝およびAndropogonのgerardiiの構造的な標識からの代表的な結果が説明されています。
生態系を通して植物材料から希少な安定同位体をトレースする生態系プロセスについての最も機密性の高い情報を提供し、CO 2フラックスと土壌有機物の形成からのプロービング小規模な安定同位体のバイオマーカーに。 15 N、18 Oまたは2 Hは生物地球化学的な変換の際の複雑な化学量論的な関係についてのさらに多くの情報を明らかにする可能性を秘めているとこのような13 Cのような、複数の安定同位体を結合させる。同位体標識された植物材料は、リター分解及び土壌有機物形成1-4の種々の研究において使用されている。これらおよび他の研究からは、しかしながら、植物材料の構成成分が異なる微生物の利用や長期炭素貯蔵5-7の面では、代謝性成分( すなわち 。浸出性低分子量化合物)よりも振る舞うことが明らかになった。構造的および代謝のコンポーネントを研究する能力別途生態系生物地球化学研究の最前線を進めるための強力な新しいツールを提供しています。ここでは、13 Cおよび植物全体に均一に標識された示差的又は構造的および代謝植物成分で標識されるか、15 N標識された植物材料を製造するための方法を記載している。
ここでは、連続した13 C及び種々の研究ニーズを満たすように修正することができる15 N標識室の構成及び動作を提示する。特異的標識前に収穫室週間から成長する植物を除去することによって達成されている間に均一に標識された植物材料を収穫する苗からの連続標識により生成される。成長Andropogonからの代表的な結果は、カウが目標レベルで効率的にラベル植物材料に対するシステムの能力を実証するgerardii。この方法を通して、私たちは<4.4原子%13 Cおよび6.7原子%15で植物材料を生産しています/ SUP> N(それぞれ熱湯抽出可能と温水残留成分)均一植物ラベル、または差動で、その代謝および構造部品で、最大1.29原子%13 Cおよび0.56原子%15 Nで標識されている材料。課題は、成功した植物生産のための気密13 C-CO 2雰囲気中で適切な温度、湿度、CO 2濃度、および光レベルの維持にある。このチャンバーの説明は事実上の生態系物質循環の実験で使用するための均一または差動でマルチ同位体ラベル植物材料を製造するための有用な研究ツールを表します。
植物土壌大気プロセスのダイナミクスを理解することは、正確に、現在および将来の環境条件の下でどのようにグローバル炭素(C)と窒素(N)サイクル機能を予測するために重要である。安定同位体は、植物、土壌、大気、CとNサイクルの定量的研究における強力なツールです。生態系を通して植物材料から希少な安定同位体をトレースすると、CO 2フラックスと土壌有機物の形成から例えば 4,8,9のプロービング小規模な安定同位体のバイオマーカーに、生物地球化学的循環の研究に重要な情報を提供します。 15 N標識化、あるいは2 Hまたは植物組織内の18 Oのような他の安定同位体と13 C標識を組み合わせることにより、高検出、植物や土壌生化学の結合された研究で使用するための追跡可能な、まだ複雑な基板を提供する。均一または差別的、構造的および代謝性植物材料広告を標識する能力C、Nの生態系を循環に関する複雑な問題に対処するためのDSはさらに能力。 CおよびN会計の定量的研究において、同位体標識された植物材料を使用する利点は、しかしながら、13 Cとのいずれか又は均一に示差的に標識されている15 N標識された物質を産生する能力に依存する。
同位体標識は、植物C 及びN同化10、割当rhizodeposition 11と12をアドレス指定する研究において使用されている。均一に13 Cおよび15 N標識した植物材料は、リター分解の1,4の研究のための複雑な標識基質を提供し、土壌有機物の形成2,6、土壌のCO 2土壌食物網が13を研究排出量4、および土壌Cの研究滞留時間2,14。ラベルされた植物材料から13 Cラベルされたバイオ炭を利用した研究も以前は見過ごさに関する新しい情報を明らかにし始めている土壌のcharプール15。 15 N、2 Hおよび18 O標識化は、水と肥料処理を介して達成することが比較的容易であるが、課題は、13 C-CO 2固定を介して均一に13 C標識された植物材料の製造中に存在する。
密閉室での満期までの実生からの連続同位体標識は、プラント全体に均一な同位体標識を生成します。このような繰り返されるパルス標識16および葉面散布または17,18ウィッキングのような他の方法は一様に、同位体ラベル植物材料、また、特定のC-化合物( 例えば 、代謝対の構造)の明確な微分ラベル19を生成しない。同位体標識における重要な検討事項は、ラベルで使用される希少な同位体濃縮化合物の高コストのために、効率のラベル付けされている。連続13 C標識が過去2-4,20で使用されてきたが、我々の知る限り存在しない高い標識効率および同位体標識の量と均一性の正確な制御の証拠を有する連続ラベル室の公表詳細な技術説明。
リター分解と土壌有機物形成研究の最前線に代謝植物材料( すなわち浸出性、不安定性、低分子量化合物)と構造植物材料( すなわち 。リグニン、セルロース、ヘミセルロース)は、微生物の点で異なる方法で処理されていることの概念である効率、土壌有機物の形成、および長期的な土壌のC貯蔵5-7を使用しています。差動でその構造や代謝のコンポーネントにラベル付けされた植物材料は、したがって、リター分解し、土壌有機物の形成の研究を進める上で便利なツールです。デュアル同位体による差動ラベルは、複数のプール同位体techniquを使用してエコシステムを通じて、別々の構造的および代謝性成分の追跡を可能にしE 21。
密閉されたチャンバー内で13℃、他の同位体を有する連続同位体標識は、工場の生産性と同位体標識効率を最大化するために、生理学的条件を植えるには十分注意して下さい。昼間温度スパイクは気密室で成長するとき、植物の損傷を防ぐために制御されなければならない。湿度および温度の最適範囲は、開放気孔植物及びCO 2取込み22を維持するために必要とされる。光可用性を最小限にし、チャンバ構造が破損する恐れがあり、チャンバ壁の湿度原因かぶりの高レベル。高価な重い同位体標識された化合物を処理する場合( 例えば土壌有機物のポッティングから来る)室から天然存在同位体を排除し、外気への暴露を防止することにより、標識効率を同位体を十分考慮は重要です。
ここでは、構築し、動作させるための方法を提示受精および15 N標識されている間に均一に標識された又は異なるレベルで標識され、その構造的および代謝性成分を有するいずれかの植物材料を製造するための連続的な二重13 Cおよび15 N同位体標識室は13 C標識は、室レベルで制御され個々のポットレベルで制御。代表的な結果は、生育期間を通して、温度、湿度、CO 2濃度を制御するために、この方法の能力を実証するために示されている。成長Andropogonのgerardiiの結果、カウも一様に、または別々に標識植物材料を生産するこの方法の能力を示している。記載された特定のチャンバ設計及び動作方式は、異なる植物種を成長させるために、並びに2 H又は18 O標識を収容するように修飾することができる。
連続的な同位体標識チャンバのためのこの設計は、均一かつ示差的に13 Cおよび15 N標識A.を製造するために使用されたその後のフィールドと実験室での実験のためにgerardii。 3つの動作生育期の間、チャンバは正常温度、湿度、設定されたパラメータ内のCO 2濃度( 図2)を維持している。温度制御システムの信頼性が高い太陽放射が気密室の過熱引き起こす可能性が夏のピーク時に重要である。成長している植物からの蒸散によって引き起こされる過剰湿度を排除することにより、植物の気孔は、光合成の取り込み22ためにオープンされたまま、その水の凝縮が光の侵入を阻害するか、チャンバーの構造に損傷を与えないようにします。
IRGAソフトウェアによるCO 2濃度がほぼ連続的な監視を継続的に維持植物の13 C標識それらがチャンバ内に成長している。原因Aの高い光合成活動へgerardiiこのチャンバー内で成長して、CO 2は光合成活動が360 ppmで、およそ毎15〜20分までのCO 2濃度を描いたピーク生育期の昼光時間中に頻繁にシステムに注入した。均一な植物組織標識のための生育期間を通して制御さ4.4原子%13 C雰囲気下で許可さ富化および天然存在度の13 C-CO 2タンクの計量。13 C-CO 2産生もまた13 C-ナトリウムを混合することによって達成することができる重炭酸塩、または13 C-炭酸ナトリウムと塩酸は、しかし、この種のシステムはより複雑で、より多くの監視やメンテナンスが必要なので、私たちは、13 C-CO 2ガスを使用することをお勧めします。 CO 2 conceを監視するための重要な考慮事項IRGAを使用してntrationsは13、C-CO 2を測定する際に赤外線アナライザは、それらの感度の三分の二を失うということです。私たちの4.4%13 C-CO 2混合物は約2.9%のPPMは、この過小評価は私たちにとって大きな関心事ではありませんでしたが、より高い13 C値27でラベル付けする際に、より重要な問題になる可能性があります。
のA. gerardiiは多年生トールグラスにはイネ科植物の種を草原暖かい季節です。このチャンバーの設計はAのために最適化されたgerardii生産( 図1)。チャンバのサイズおよび高さは、A.の最大高生産性を考慮して選択したフィールド内だけでなく、将来の実験のための所望の植物バイオマス生産のためのgerardii。A. gerardiiは、フィールド24,25に限定された光であることが知られている。外側のレベル26と比較して、温室内のPARは30から47パーセントだけ減少することができる。以来、私たちの工場sがPAR制限が懸念された、温室内部アクリルガラスチャンバー中で増殖させた。オンにすると、蛍光灯は、この感光性の種で生産性を向上させるために貢献している可能性がある、9.5%室内にPARを増加させた。このような大きさ、照明、栄養要求、温度感受性、及び土壌水分等の植物特定の生理学的なニーズの他のタイプを成長させるために、このチャンバ設計を使用するときに慎重に植物のための最適な生育条件を維持するように調整されるべきである。
このような10原子%13 C-CO 2と98原子%15 N-KNO 3のような高価な同位体標識化合物、を使用する場合は、ラベル付けの効率が重要な検討事項である。このチャンバー設計は、チャンバーを密封しに、チャンバーから空気の漏れを最小限に抑えるためにあらゆる努力を行うことで、13 C標識を最適化します。この室は、生育期間中に開かれることはありません場合は、13 C標識のどれもチャンバからのCO 2が大気中に漏洩した編。夜間の呼吸の際のCO 2ビルドアップは成長する植物を損傷しないようで、すぐに日の出( 図2)の後に巻き取られる。差動標識の中に、チャンバーを簡単に区別して標識ポットを削除するために開かれたが、これは継続的にラベルされた植物( 表1)の対象となる4.4原子%13 C標識を希釈しないようであった。13 C標識も出スクラビングによって最適化された初期の大気は、シールの際にチャンバー内に閉じ込められた。大気中のCO 2の初期スクラブなくチャンバに予備試験中に、植物は生産後の葉に比べて生産第一葉の希釈13 Cレベルを持つようにして測定した。室閉鎖の際に大気中のCO 2の初期スクラブから連続13 C標識に可能にすることによって、この問題を解消するために表示されます満期まで苗。砂、バーミキュライト、粘土の土壌のないポッティング混合物を維持することは、自然豊かな土壌呼吸からのCO 2の混入を排除します。システムからの土壌の除去は、異なる植物種に固有とすることができる、慎重受精および接種の考慮を必要としません。6.7原子%15 N( 表での高いラベル植物材料を生産目標と7原子%15 N Hoeglandの液を介して15 N標識の1)。対象となる15 N標識からのわずかな希釈がポッティングミックスにまたはネイティブ土壌接種からいくつかの自然豊かNによって引き起こされることがあります。
化合物の生合成の間に、13℃(または15 N)の自然な差別は運動分別し、合成された化合物中の非統計同位体分布の結果として起こる。このように、C言語の場合には、二次製品( 例えば脂質一次生成物(炭水化物)と比較して、フェノール化合物)は、一般に13 Cに枯渇している。熱水抽出物と均一に標識された植物( 表1の温水残基の原子%13 Cのわずかな差に見られるように植物を、濃縮された13 Cの雰囲気中で成長させるとき、この自然の13 C判別も持続するように思われる)。この自然な運動分別富化と比較して非常に小さく、標識の均一性を損なわない。
構造的および代謝性植物組織の微分ラベリングはリター分解、微生物生態学、土壌有機物形成における高度な研究のための可能性を秘めた新しい技術である。 13 C及び熱水抽出物及び熱水残基の15 Nの差が低く、13 Cおよび15 Nでの浸出可能なかなりの希釈を示す構造的な植物材料(温水残基)の分子量化合物(熱水抽出物)は、差動標識(P <0.005)の7,14、および22日後。植物組織のこの特異的標識は、生態系を通って別々の構造的および代謝的構成要素の運命を追跡するために使用することができる。 13 Cの差ラベリングは15、N個の差動ラベルよりも極端だった。 13 C-CO 2ラベル雰囲気から植物を除去する際に15 N標識は、まだしばらくの間ポッティングミックスに残り、15 Nの希釈は、よりゆっくりと行われている間、これは、13 Cの希釈の即時性に起因する可能性がある。 15 Nのより抜本的な差動標識のため、1室の外の成長の最終週の間の前に天然存在受精するために水でポットをフラッシュ検討することもできます。
この連続13の設計及び動作<均一または差動、代謝および構造、植物組織標識用/ SUP> Cおよび15 N標識システムは、高度な研究のための同位体標識された植物材料を製造するための新規な方法を提供する。このチャンバーの設計や動作の詳細は、4.4原子%13 CとAの7原子%15 N標識に選択されていますgerardiiが、他の植物の種類および同位体標識化レベルに調整することができる。ここで説明する成長条件は、関心のある特定の植物種の大きさ、温度、湿度、光、水及び栄養の要求に合わせて調整されるべきである。 18 O又はH 2での標識はまた、灌漑システムに用いられる水を標識することによって達成することができる。ここで説明するシステムは、均一の課題の多くを解決し、植物材料の13 C標識差動。この基本的なチャンバ設計は、副ための高度に標識された植物材料を生産する他の研究グループによって使用され得る生態系の生物地球化学の研究をとれた。
The authors have nothing to disclose.
コロラド州立大学の植物の成長ファシリティとEcoCore分析施設へと、このプロジェクトに貢献し、多くの生徒と教師に感謝します。この作品は、NSF DEBグラント#0918482によって資金を供給され、米国農務省国立はフェローシップを必要とし、土壌の生態研究のためCotrufo-Hoppess基金。
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 |