@phdthesis{Koenig2024,
  author    = {K{\"o}nig, Sebastian Thomas},
  title     = {Temperature-driven assembly processes of Orthoptera communities: Lessons on diversity, species traits, feeding interactions, and associated faecal microorganisms from elevational gradients in Southern Germany (Berchtesgaden Alps)},
  doi       = {10.25972/OPUS-35460},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-354608},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2024},
  abstract  = {Chapter I: Introduction Temperature is a major driver of biodiversity and abundance patterns on our planet, which becomes particularly relevant facing the entanglement of an imminent biodiversity and climate crisis. Climate shapes the composition of species assemblages either directly via abiotic filtering mechanisms or indirectly through alterations in biotic interactions. Insects - integral elements of Earth's ecosystems - are affected by climatic variation such as warming, yet responses vary among species. While species' traits, antagonistic biotic interactions, and even species' microbial mutualists may determine temperature-dependent assembly processes, the lion's share of these complex relationships remains poorly understood due to methodological constraints. Mountains, recognized as hotspots of diversity and threatened by rapidly changing climatic conditions, can serve as natural experimental settings to study the response of insect assemblages and their trophic interactions to temperature variation, instrumentalizing the high regional heterogeneity of micro- and macroclimate. With this thesis, we aim to enhance our mechanistic understanding of temperature-driven assembly processes within insect communities, exemplified by Orthoptera, that are significant herbivores in temperate mountain grassland ecosystems. Therefore, we combined field surveys of Orthoptera assemblages on grassland sites with molecular tools for foodweb reconstruction, primarily leveraging the elevational gradients offered by the complex topography within the Berchtesgaden Alpine region (Bavaria, Germany) as surrogate for temperature variation (space-for-time substitution approach). In this framework, we studied the effects of temperature variation on (1) species richness, abundance, community composition, and interspecific as well as intraspecific trait patterns, (2) ecological feeding specialisation, and (3) previously neglected links to microbial associates found in the faeces. Chapter II: Temperature-driven assembly processes Climate varies at multiple scales. Since microclimate is often overlooked, we assessed effects of local temperature deviations on species and trait compositions of insect communities along macroclimatic temperature gradients in Chapter II. Therefore, we employed joint species distribution modelling to explore how traits drive variation in the climatic niches of Orthoptera species at grassland sites characterized by contrasting micro- and macroclimatic conditions. Our findings revealed two key insights: (1) additive effects of micro- and macroclimate on the diversity, but (2) interactive effects on the abundance of several species, resulting in turnover and indicating that species possess narrower climatic niches than their elevational distributions might imply. This chapter suggests positive effects of warming on Orthoptera, but also highlights that the interplay of macro- and microclimate plays a pivotal role in structuring insect communities. Thus, it underscores the importance of considering both elements when predicting the responses of species to climate change. Additionally, this chapter revealed inter- and intraspecific effects of traits on the niches and distribution of species. Chapter III: Dietary specialisation along climatic gradients A crucial trait linked to the position of climatic niches is dietary specialisation. According to the 'altitudinal niche-breadth hypothesis', species of high-elevation habitats should be less specialized compared to their low-elevation counterparts. However, empirical evidence on shifts in specialization is scarce for generalist insect herbivores and existing studies often fail to control for the phylogeny and abundance of interaction partners. In Chapter III, we used a combination of field observations and amplicon sequencing to reconstruct dietary relationships between Orthoptera and plants along an extensive temperature gradient. We did not find close but flexible links between individual grasshopper and plant taxa in space. While interaction network specialisation increased with temperature, the corrected dietary specialisation pattern peaked at intermediate elevations on assemblage level. These nuanced findings demonstrate that (1) resource availability, (2) phylogenetic relationships, and (3) climate can affect empirical foodwebs intra- and interspecifically and, hence, the dietary specialisation of herbivorous insects. In this context, we discuss that the underlying mechanisms involved in shaping the specialisation of herbivore assemblages may switch along temperature clines. Chapter IV: Links between faecal microbe communities, feeding habits, and climate Since gut microbes affect the fitness and digestion of insects, studying their diversity could provide novel insights into specialisation patterns. However, their association with insect hosts that differ in feeding habits and specialisation has never been investigated along elevational climatic gradients. In Chapter IV, we utilized the dietary information gathered in Chapter III to characterize links between insects with distinct feeding behaviour and the microbial communities present in their faeces, using amplicon sequencing. Both, feeding and climate affected the bacterial communities. However, the large overlap of microbes at site level suggests that common bacteria are acquired from the shared feeding environment, such as the plants consumed by the insects. These findings emphasize the influence of a broader environmental context on the composition of insect gut microbial communities. Chapter V: Discussion \& Conclusions Cumulatively, the sections of this dissertation provide support for the hypothesis that climatic conditions play a role in shaping plant-herbivore systems. The detected variation of taxonomic and functional compositions contributes to our understanding of assembly processes and resulting diversity patterns within Orthoptera communities, shedding light on the mechanisms that structure their trophic interactions in diverse climates. The combined results presented suggest that a warmer climate could foster an increase of Orthoptera species richness in Central European semi-natural grasslands, also because the weak links observed between insect herbivores and plants are unlikely to limit decoupled range shifts. However, the restructuring of Orthoptera communities in response to warmer temperatures depends on species' traits such as moisture preferences or phenology. Notably, we were able to demonstrate a crucial role of microclimate for many species, partly unravelling narrower climatic niches than their elevational ranges suggest. We found evidence that not only Orthoptera community composition, specialisation, and traits varied along elevational gradients, but even microbial communities in the faeces of Orthoptera changed, which is a novel finding. This complex restructuring and reassembly of communities, coupled with the nonlinear specialisation of trophic interactions and a high diversity of associated bacteria, emphasize our currently incomplete comprehension of how ecosystems will develop under future climatic conditions, demanding caution in making simplified predictions for biodiversity change under climate warming. Since these predictions may benefit from including biotic interactions and both, micro- and macroclimate based on our findings, conservation authorities and practitioners must not neglect improving microclimatic conditions to ensure local survival of a diverse set of threatened and demanding species. In this context, mountains can play a pivotal role for biodiversity conservation since these offer heterogeneous microclimatic conditions in proximity that can be utilized by species with distinct niches.},
  subject      = {Heuschrecken},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Hein2004,
  author    = {Hein, Silke},
  title     = {The survival of grasshoppers and bush crickets in habitats variable in space and time},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-9140},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2004},
  abstract  = {Die zunehmende Nutzung von Landschaften f{\"u}hrt zu einer steigenden Fragmentierung sch{\"u}tzenswerter Fl{\"a}chen. Damit verbunden ist eine Zerschneidung von großen Populationen in Metapopulationen. In solchen F{\"a}llen bestimmt das Gleichgewicht zwischen Aussterben und Besiedlung von Habitaten die regionale {\"U}berlebenswahrscheinlichkeit von Arten. Um diese bestimmen, braucht man ein gutes Verst{\"a}ndnis der Habitatanspr{\"u}che der Arten, sowie Informationen {\"u}ber ihr Ausbreitungsverhalten. Ziel dieser Arbeit war es, geeignete Fl{\"a}chen f{\"u}r Heuschrecken in einer Landschaft identifizieren zu k{\"o}nnen, sowie einen Beitrag zur Quantifizierung der Erreichbarkeit einzelner Fl{\"a}chen durch Individuen zu leisten. Der erste Teil dieser Arbeit besch{\"a}ftigt sich mit der Quantifizierung der Habitateignung von Fl{\"a}chen f{\"u}r Heuschrecken. Dazu habe ich statistische Habitateignungsmodelle mittels logistischer Regression erstellt, evaluiert und validiert. Es zeigte sich, dass die Habitatwahl der Heuschrecken auf einer mittleren r{\"a}umlichen Skalenebene erfolgt. Dies steht mit der beobachteten Ausbreitungsdistanz der Tiere im Einklang. Neben dem nur grob klassifizierten Landschaftsfaktor „Biotoptyp" korrelieren vor allem strukturelle Faktoren sowie abiotische Faktoren mit dem Vorkommen der Heuschreckenarten. Bei der Bestimmung eines gemeinsamen Models f{\"u}r alle drei Heuschreckenarten erwies sich das Model der Art S. lineatus mit den Parametern Biotoptyp und Vegetationsh{\"o}he als am besten geeignet zur Vorhersage der Vorkommen der anderen Heuschreckenarten. Um zu testen, ob auch die Vorkommen von Arten unterschiedlicher Tiergruppen mittels eines gemeinsamen Modells vorhergesagt werden k{\"o}nnen, habe ich sowohl die Heuschreckenmodelle zur Prognose von Faltervorkommen getestet, als auch Modelle f{\"u}r Falter auf Heuschrecken {\"u}bertragen. Dabei erwiesen sich die Heuschreckenmodelle zur Prognose der anderen Arten weniger geeignet als das Modell f{\"u}r das Widderchen Z. carniolica in das der Anteil an geeignetem Habitat sowie die Vorkommen der beiden Saugpflanzen C. jacea und S. columbaria einfließen. Diese Art wird als standorttreu eingestuft und repr{\"a}sentiert damit auch die anderen Arten, die typisch f{\"u}r S{\"a}ume und Halbtrockenrasen sind. Die erh{\"o}hte Mobilit{\"a}t von Z. carniolica im Vergleich zu den Heuschrecken garantiert gleichzeitig auch die Erreichbarkeit aller geeigneten Fl{\"a}chen im Gebiet und damit ein Modell, das nur unwesentlich durch Zufallseffekte bei der Besiedlung beeinflusst wird. Neben der Habitatqualit{\"a}t/-quantit{\"a}t spielt vor allem der Austausch zwischen Fl{\"a}chen eine entscheidende Rolle f{\"u}r das {\"U}berleben der Metapopulation. Im zweiten Teil meiner Arbeit habe ich mich sowohl theoretisch als auch empirisch, mit dem Ausbreitungsverhalten von Heuschrecken besch{\"a}ftigt. In Freilandexperimenten konnte ich zeigen, dass die Annahme eines dichotomen Bewegungsverhaltens f{\"u}r Heuschrecken in einer realen Landschaft nicht zutrifft. Vielmehr wird die Bewegung in einer Fl{\"a}che besser als Kontinuum beschrieben das durch strukturelle Resistenz, Temperatur, Mortalit{\"a}tsrisiko und Ressourcenverf{\"u}gbarkeit bestimmt wird. Die jeweilige Kombination dieser Parameter veranlasst die Tiere dann zu einem entsprechenden Bewegungsmuster, das sich zwischen den beiden Extremen gerichteter und zuf{\"a}lliger Lauf bewegt. In Experimenten zum Grenzverhalten von Heuschrecken best{\"a}tigte sich dieses Ergebnis. F{\"u}r verschiedene Grenzstrukturen konnte ich unterschiedliche {\"U}bertrittswahrscheinlichkeiten nachweisen. Weiterhin konnte ich feststellen, dass Heuschrecken geeignete Habitate aus einer gewissen Entfernung detektieren k{\"o}nnen. Da das Ausbreitungsverhalten von Tieren in theoretischen Modellen eine wichtige Rolle spielt, k{\"o}nnen diese empirischen Daten zur Parametrisierung dieser Modelle verwendet werden. Zus{\"a}tzlich zum Einfluss des Laufmusters der Tiere auf die Erreichbarkeit geeigneter Habitate, zeigte sich in den von mir durchgef{\"u}hrten Simulationsstudien deutlich, dass der landschaftliche Kontext, in dem die Ausbreitung stattfindet, die Erreichbarkeit einzelner Habitate beeinflusst. Dieser Effekt ist zus{\"a}tzlich abh{\"a}ngig von der Mortalit{\"a}tsrate beim Ausbreitungsvorgang. Mit den Ergebnissen aus den Untersuchungen zur Habitateignung lassen sich die f{\"u}r Heuschrecken geeigneten Habitate in einer Landschaft identifizieren. Somit l{\"a}sst sich die potentielle Eignung einer Fl{\"a}che als Habitat, basierend auf Vorhersagen {\"u}ber die {\"A}nderung des Biotoptyps durch ein Managementverfahren, vorhersagen. Diese Information allein reicht aber nicht aus, um die regionale {\"U}berlebenswahrscheinlichkeit einer Art bestimmen zu k{\"o}nnen. Meine Untersuchungen zum Ausbreitungsverhalten zeigen deutlich, dass die Erreichbarkeit geeigneter Fl{\"a}chen von der r{\"a}umlichen Anordnung der Habitate und der Struktur der Fl{\"a}chen, die zwischen Habitaten liegen, abh{\"a}ngt. Zus{\"a}tzlich spielen individuenspezifische Faktoren wie Motivation und physiologische Faktoren eine ausschlaggebende Rolle f{\"u}r die Erreichbarkeit von geeigneten Fl{\"a}chen.},
  subject      = {Naturschutzgebiet Hohe Wann},
  language  = {en}
}