Cây xâm lấn làm thay đổi mạng lưới thực phẩm trong đất thông qua sự thay đổi nguồn tài nguyên nấm

Oecologia - Tập 191 - Trang 587-599 - 2019
Matthew A. McCary1,2,3, David H. Wise1,2
1Department of Biological Sciences, University of Illinois, Chicago, USA
2Institute for Environmental Science and Policy, University of Illinois, Chicago, USA
3Department of Entomology, University of Wisconsin, Madison, USA

Tóm tắt

Mặc dù các tác động trên mặt đất của các loài thực vật xâm lấn đã được ghi nhận rõ ràng, nhưng ảnh hưởng của chúng đến mạng lưới thực phẩm trong đất vẫn chưa được hiểu rõ. Nghiên cứu trước đây đã tiết lộ rằng các lực kéo từ dưới lên rất phổ biến trong các mạng lưới thực phẩm trong đất của các khu rừng. Do đó, một loài thực vật xâm lấn có tác động tiêu cực đến nền tảng của mạng lưới thực phẩm sẽ có khả năng làm giảm số lượng tiêu thụ sơ cấp cũng như số lượng kẻ săn mồi của chúng. Chúng tôi đã khảo sát cách mà một loài thực vật xâm lấn ở Bắc Mỹ, cây tỏi mustad (Alliaria petiolata), ảnh hưởng đến các tiêu thụ sơ cấp (côn trùng có đuôi và nhện oribatid) và tiêu thụ thứ cấp (nhện ăn thịt) của mạng lưới thực phẩm trong đất thông qua sự thay đổi tài nguyên nấm. Chúng tôi đã đo lường số lượng thực vật, nấm trong đất, các loài ăn nấm, và các kẻ săn mồi trong các ô diện tích 1-m2 bị xâm lấn bởi tỏi mustad và không bị xâm lấn tại năm khu rừng miền Trung Mỹ. Sau đó, chúng tôi đã thực hiện một thí nghiệm mesocosm (ô diện tích 0.25-m2) để làm rõ các tác động trực tiếp và gián tiếp của tỏi mustad bằng cách điều chỉnh danh tính thực vật (tỏi mustad so với thực vật bản địa), lịch sử đất (bị xâm lấn so với không bị xâm lấn), và việc áp dụng thuốc diệt nấm (có thuốc diệt nấm so với không có thuốc diệt nấm). Nghiên cứu đầu tiên của chúng tôi cho thấy các ô không có tỏi mustad có mật độ nấm và loài ăn nấm cao hơn lần lượt là 2.8 và 1.4 lần. Mật độ kẻ săn mồi không có sự khác biệt. Thành phần nấm và mô hình phương trình cấu trúc (SEM) đã chỉ ra rằng tác động của tỏi mustad lên các loài ăn nấm có liên quan đến sự suy giảm của nấm. Thí nghiệm mesocosm xác nhận rằng các tác độc động này là gián tiếp, vì mật độ các loài ăn nấm trong các ô có thuốc diệt nấm tương đương, trong khi mật độ các loài ăn nấm khác nhau theo danh tính thực vật và lịch sử đất trong các ô không có thuốc diệt nấm. Kết quả của chúng tôi cho thấy rằng thông qua việc thay đổi số lượng nấm trong đất, một loài thực vật xâm lấn có thể gián tiếp ảnh hưởng đến các tiêu thụ sơ cấp trong mạng lưới thực phẩm trong đất, nhưng tác động gián tiếp này không ảnh hưởng đến các kẻ săn mồi.

Từ khóa

#cây xâm lấn #mạng lưới thực phẩm trong đất #nấm #thực vật bản địa #thuốc diệt nấm

Tài liệu tham khảo

Abgrall C, Forey E, Mignot L, Chauvat M (2018) Invasion by Fallopia japonica alters soil food webs through secondary metabolites. Soil Biol Biochem 127:100–109 Abgrall C, Forey E, Chauvat M (2019) Soil fauna responses to invasive alien plants are determined by trophic groups and habitat structure: a global meta-analysis. Oikos. https://doi.org/10.1111/oik.06493 Alerding AB, Hunter RM (2013) Increased springtail abundance in a garlic mustard-invaded forest. Northeast Nat 20:275–288 Anderson RC, Dhillion SS, Kelley TM (1996) Aspects of the ecology of an invasive plant, garlic mustard (Alliaria petiolata), in central Illinois. Restor Ecol 4:181–191 Anderson MJ, Gorley RN, Clarke KR (2008) PERMANOVA + for PRIMER: Guide to software and statistical methods. PRIMER-E, Plymouth Ayres E, Steltzer H, Berg S, Wall DH (2009) Soil biota accelerate decomposition in high-elevation forests by specializing in the breakdown of litter produced by the plant species above them. J Ecol 97:901–912 Bardgett R (2005) The biology of soil: a community and ecosystem approach. Oxford University Press, Oxford Bardgett RD, Wardle DA (2010) Aboveground-belowground linkages: biotic interactions, ecosystem processes, and global change. Oxford University Press, Oxford Behan VM, Hill SB (1978) Feeding habits and spore dispersal of oribatid mites in the North American arctic. Rev Ecol Biol Sol 15:497–516 Bezemer TM, Harvey JA, Cronin JT (2014) Response of native insect communities to invasive plants. Annu Rev Entomol 59:119–141 Bultman TL, Uetz GW (1984) Effect of structure and nutritional quality of litter on abundances of litter-dwelling arthropods. Am Midl Nat 111:165–172 Callaway RM, Cipollini D, Barto K et al (2008) Novel weapons: invasive plant suppresses fungal mutualists in America but not in its native Europe. Ecology 89:1043–1055 Caporaso JG, Kuczynski J, Stombaugh J et al (2010) QIIME allows analysis of high-throughput community sequencing data. Nat Methods 7:335–336 Chen B, Wise DH (1999) Bottom-up limitation of predaceous arthropods in a detritus-based terrestrial food web. Ecology 80:761–772 Coleman DC, Crossley DA Jr (2003) Fundamentals of soil ecology. Academic Press, Cambridge Coleman DC, Hendrix PF (2000) Invertebrates as webmasters in ecosystems. CABI, London Coleman DC, Blair JM, Elliott ET, Wall DH (1999) Soil invertebrates. In: Robertson GP, Coleman DC, Bledsoe CS, Sollins P (eds) Standard soil methods for long-term ecological research. Oxford University Press, New York Crotty FV, Adl SM (2019) Competition and predation in soil fungivorous microarthropods using stable isotope ratio mass spectrometry. Front Microbiol 10:1274 Daubenmire RF (1959) A canopy coverage method of vegetational analysis. Northwest Sci 35:43–64 deHart PAP, Strand SE (2012) Effects of garlic mustard invasion on arthropod diets as revealed through stable-isotope analyses. Southeast Nat 11:575–588 Edgar RC (2010) Search and clustering orders of magnitude faster than BLAST. Bioinformatics 26:2460–2461 Gerber E, Krebs C, Murrell C et al (2008) Exotic invasive knotweeds (Fallopia spp.) negatively affect native plant and invertebrate assemblages in European riparian habitats. Biol Conserv 141:646–654 Grace JB (2006) Structural equation modeling and natural systems. Cambridge University Press, Cambridge Green SJ, Venkatramanan R, Naqib A (2015) Deconstructing the polymerase chain reaction: understanding and correcting bias associated with primer degeneracies and primer-template mismatches. PLoS One 10:e0128122 Harkes P, Verhoeven A, Sterken MG et al (2017) The differential impact of a native and non-native ragwort species (Senecioneae) on the first and second trophic level of the rhizosphere food web. Oikos 126:1790–1803 Jabaji-Hare SH, Kendrick WB (1987) Response of an endomycorrhizal fungus in Allium porrum L. to different concentrations of the systemic fungicides, metalaxyl (Ridomil®) and fosetyl-Al (Aliette®). Soil Biol Biochem 19:95–99 Klironomos JN, Widden P, Deslandes I (1992) Feeding preferences of the collembolan Folsomia candida in relation to microfungal successions on decaying litter. Soil Biol Biochem 24:685–692 Lankau RA, Bauer JT, Anderson MR, Anderson RC (2014) Long-term legacies and partial recovery of mycorrhizal communities after invasive plant removal. Biol Invasions 16:1979–1990 Lau JA (2013) Trophic consequences of a biological invasion: do plant invasions increase predator abundance? Oikos 122:474–480 Lawrence KL, Wise DH (2017) Long-term resource addition to a detrital food web yields a pattern of responses more complex than pervasive bottom-up control. PeerJ 5:e3572 Lefcheck JS (2016) piecewiseSEM: piecewise structural equation modelling in r for ecology, evolution, and systematics. Methods Ecol Evol 7:573–579 Lenoir L, Persson T, Bengtsson J et al (2007) Bottom-up or top-down control in forest soil microcosms? Effects of soil fauna on fungal biomass and C/N mineralisation. Biol Fertil Soils 43:281–294 McCary MA, Zellner M, Wise D (2019) The role of plant-mycorrhizal mutualisms in deterring plant invasions: insights from an individual-based model. Ecol Evol 9:2018–2030 Moore JC, McCann K, Setälä H, De Ruiter PC (2003) Top-down is bottom-up: does predation in the rhizosphere regulate aboveground dynamics? Ecology 84:846–857 Morris SJ, Herrmann DL, McClain J et al (2012) The impact of garlic mustard on sandy forest soils. Appl Soil Ecol 60:23–28 Nakamori T, Suzuki A (2005) Spore-breaking capabilities of collembolans and their feeding habitat within sporocarps. Pedobiologia 49:261–267 Newell K (1984) Interaction between two decomposer basidiomycetes and a collembolan under Sitka spruce: distribution, abundance and selective grazing. Soil Biol Biochem 16:227–233 Newman EI (1966) A method of estimating the total length of root in a sample. J Appl Ecol 3:139–145 NRCS (2016) Soil Survey Staff, Natural Resources Conservation Service, United States Department of Agriculture. Web Soil Survey. Accessed 19 July 2016 Nuzzo (1999) Invasion pattern of herb garlic mustard (Alliaria petiolata) in high quality forests. Biol Invasions 1:169–179 Pearson DE (2009) Invasive plant architecture alters trophic interactions by changing predator abundance and behavior. Oecologia 159:549–558 Quast C, Pruesse E, Yilmaz P et al (2013) The SILVA ribosomal RNA gene database project: improved data processing and web-based tools. Nucl Acids Res 41:D590–D596 R Development Core Team (2018) R: a language and environment for statistical computing. R Development Core Team, Vienna Ridenour WM, Callaway RM (2001) The relative importance of allelopathy in interference: the effects of an invasive weed on a native bunchgrass. Oecologia 126:444–450 Roberts KJ, Anderson RC (2001) Effect of garlic mustard [Alliaria petiolata (Beib. Cavara & Grande)] extracts on plants and arbuscular mycorrhizal (AM) fungi. Am Midl Nat 146:146–152 Rodgers VL, Wolfe BE, Werden LK, Finzi AC (2008) The invasive species Alliaria petiolata (garlic mustard) increases soil nutrient availability in northern hardwood-conifer forests. Oecologia 157:459–471 Rusek J (1998) Biodiversity of Collembola and their functional role in the ecosystem. Biodivers Conserv 7:1207–1219 Scheu S, Schaefer M (1998) Bottom-up control of the soil macrofauna community in a beechwood on limestone: manipulation of food resources. Ecology 79:1573–1585 Scheu S, Simmerling F (2004) Growth and reproduction of fungal feeding Collembola as affected by fungal species, melanin and mixed diets. Oecologia 139:347–353 Shao Y, Bao W, Chen D et al (2015) Using structural equation modeling to test established theory and develop novel hypotheses for the structuring forces in soil food webs. Pedobiologia 58:137–145 Shipley B (2013) The AIC model selection method applied to path analytic models compared using ad-separation test. Ecology 94:560–564 Stinson KA, Campbell SA, Powell JR et al (2006) Invasive plant suppresses the growth of native tree seedlings by disrupting belowground mutualisms. PLoS Biol 4:727 Sylvia DM (1992) Quantification of external hyphae of vesicular-arbuscular mycorrhizal fungi. Methods Microbiol 24:53–65 Vainio EJ, Hantula J (2000) Direct analysis of wood-inhabiting fungi using denaturing gradient gel electrophoresis of amplified ribosomal DNA. Mycol Res 104:927–936 Vilá M, Espinar JL, Hejda M et al (2011) Ecological impacts of invasive alien plants: a meta-analysis of their effects on species, communities and ecosystems. Ecol Lett 14:702–708 Von Alten H, Lindemann A, Schönbeck F (1993) Stimulation of vesicular-arbuscular mycorrhiza by fungicides or rhizosphere bacteria. Mycorrhiza 2:167–173 Wardle DA, Nicholson KS, Ahmed M, Rahman A (1994) Interference effects of the invasive plant Carduus nutans L. against the nitrogen fixation ability of Trifolium repens L. Plant Soil 163:287–297 Warrix AR, Moore D, Marshall JM (2015) Influence of low density garlic mustard presence and hardwood leaf litter composition on litter dwelling arthropod diversity. Proc Indian Acad Sci 124:16–25 Wilson GWT, Williamson MM (2008) Topsin-M: the new benomyl for mycorrhizal-suppression experiments. Mycologia 100:548–554 Wolfe BE, Rodgers VL, Stinson KA, Pringle A (2008) The invasive plant Alliaria petiolata (garlic mustard) inhibits ectomycorrhizal fungi in its introduced range. J Ecol 96:777–783 Zhang P, Li B, Wu J, Hu S (2019) Invasive plants differentially affect soil biota through litter and rhizosphere pathways: a meta-analysis. Ecol Lett 22:200–210 Zuur AF, Ieno EN, Walker NJ et al (2009) Mixed effects models and extensions in ecology with R. Spring, New York