TY  - THES
A1  - Claßen, Alice
T1  - Diversity, traits and ecosystem services of pollinators along climate and land use gradients on Mount Kilimanjaro
T1  - Diversität, Merkmale und Ökosystemfunktionen von Bestäubern entlang von Klima- und Landnutzungsgradienten am Kilimandscharo
N2  - Since more than two centuries naturalists are fascinated by the profound changes in biodiversity observed along climatic gradients. Although the theories explaining changes in the diversity and the shape of organisms along climatic gradients belong to the foundations of modern ecology, our picture on the spatial patterns and drivers of biodiversity is far from being complete. Ambiguities in theory and data are common and past work has been strongly concentrated on plants and vertebrates. In the last two decades, interest in the fundamental processes structuring diversity along climatic gradients gained new impetus as they are expected to improve our understanding about how ecosystems will respond to global environmental changes. Global temperatures are rising faster than ever before; natural habitats are transformed into agricultural land and existing land use systems get more and more intensified to meet the demands of growing human populations. The fundamental shifts in the abiotic and biotic environment are proclaimed to affect ecosystems all over the world; however, precise predictions about how ecosystems respond to global changes are still lacking. We investigated diversity, traits and ecosystem services of wild bees along climate and land use gradients on Mount Kilimanjaro (Tanzania, East Africa). Wild bees play a major role in ecosystems, as they contribute to the reproduction and performance of wild and crop plants. Their responsiveness to environmental changes is therefore of high ecological and economic importance.

Temperature and energy resources have often been suggested to be the main determinants of global and local species richness, but the mechanisms behind remain poorly understood. In the study described in chapter II we analyzed species richness patterns of wild bees along climate and land use gradients on Mount Kilimanjaro and disentangled the factors explaining most of the changes in bee richness. We found that floral resources had a weak but significant effect on pollinator abundance, which in turn was positively related to species richness. However, temperature was the strongest predictor of species richness, affecting species richness both directly and indirectly by positively influencing bee abundances. We observed higher levels of bee-flower-interactions at higher temperatures, independently of flower and bee abundances. This suggests that temperature restricts species richness by constraining the exploitation of resources by ectotherms. Current land use did not negatively affect species richness. We conclude that the richness of bees is explained by both temperature and resource availability, whereas temperature plays the dominant role as it limits the access of ectotherms to floral resources and may accelerate ecological and evolutionary processes that drive the maintenance and origination of diversity.

Not only species numbers, but also morphological traits like body size are expected to be shaped by both physiological and energetic constraints along elevational gradients. Paradoxically, Bergmann´s rule predicts increases of body sizes in cooler climates resulting from physiological constraints, while species-energy theory suggests declines in the mean body size of species caused by increased extinction probabilities for large-bodied species in low-energy habitats. In chapter III we confronted this ambiguity with field data by studying community-wide body size variation of wild bees on Mt. Kilimanjaro. We found that along a 3680 m elevational gradient bee individuals became on average larger within species, while large species were increasingly absent from high-elevational communities. This demonstrates, on the one hand, how well-established, but apparently contrasting ecological theories can be merged through the parallel consideration of different levels of biological organization. On the other hand it signals that the extinction risk in the course of environmental change is not equally distributed among species within a community.

Land use intensification is known to threaten biodiversity, but the consequences for ecosystem services are still a matter of debate. In chapter IV, we experimentally tested the single and combined contributions of pest predators and pollinators to coffee production along a land use intensification gradient on Mount Kilimanjaro. We found that pest predation increased fruit set by on average 9%, while pollination increased fruit weight of coffee by on average 7.4%. Land use had no significant effect on both ecosystem services. However, we found that in coffee plantations with most intensified land use, pollination services were virtually exclusively provided by the honey bee (Apis mellifera). The reliance on a single pollinator species is risky, as possible declines of that species may directly lower pollination services, resulting in yield losses. In contrast, pollination services in structurally complex homegardens were found to be provided by a diverse pollinator community, increasing the stability of pollination services in a long term.

We showed that on Mount Kilimanjaro pollinator communities changed along elevational gradients in terms of species richness (chapter II) and trait composition (chapter III). Temperature and the temperature-mediated accessibility of resources were identified as important predictors of these patterns, which contributes to our fundamental understanding about the factors that shape ectothermic insect communities along climatic gradients. The strong temperature-dependence of pollinators suggests that temperature shifts in the course of global change are likely to affect pollinator communities. Pollinators might either profit from rising temperatures, or shift to higher elevations, which could result in related biotic attrition in the lowland with consequences for the provision of ecosystem services in cropping systems. Up to now, land use intensification had no significant impact on the diversity of pollinator communities and their ecosystem services. Pollinators might profit from the strong landscape heterogeneity in the region and from the amount of flower resources in the understory of cropping systems. However,progressing homogenization of the landscape and the pronounced application of pesticides could result in reduced diversity and dominance of single species, as we already found in sun coffee plantations. Such shifts in community compositions could threaten the stability of ecosystem services within cropping and natural systems in a long term.
N2  - Die Biodiversität auf der Erde ist nicht gleichmäßig verteilt, sondern verändert sich entlang klimatischer Gradienten – ein Phänomen, das Naturwissenschaftler schon seit mehr als zwei Jahrhunderten fasziniert. Über die Mechanismen, welche die Verteilung von Arten entlang von Klimazonen bestimmen, besteht nach wie vor keine Einigkeit, auch wenn viele der hier hervorgebrachten Theorien zu den Grundlagen der modernen Ökologie gehören. Ambivalenzen in den Erklärungsmodellen und erhobenen Daten sind häufig und bisherige Studien konzentrierten sich vorrangig auf Pflanzen und Vertebraten, während andere Taxa weniger Beachtung fanden. Die Unsicherheit über die Auswirkungen des globalen Wandels auf Ökosysteme und die Konsequenzen für Ökosystemdienstleistungen setzte neue Impulse im Bereich der Biodiversitätsforschung. Temperaturen steigen so schnell wie nie zuvor; natürliche Habitate werden zunehmend in Agrarflächen umgewandelt und bestehende Landwirtschaftssysteme werden intensiviert. Präzise Vorhersagen darüber, wie Ökosysteme auf solch drastische Umweltveränderungen reagieren, fehlen jedoch weitgehend.
In dieser Dissertation wird gezeigt, wie sich die Artenvielfalt, morphologische Merkmale und Ökosystemfunktionen von Bienen entlang von Klima- und Landnutzungsgradienten des Kilimandscharos (Tansania, Ostafrika) verändern. Bienen spielen eine wichtige Rolle in Ökosystemen, da sie als Bestäuber zur Reproduktion und Produktivität von Wild- und Nutzpflanzen beitragen. Die Veränderung ihres Artenreichtums, ihrer Merkmale und ihrer Ökosystemdienstleistungen entlang von Umweltgradienten ist somit von großer ökologischer und ökonomischer Relevanz.

Temperatur und die Verfügbarkeit von Ressourcen sind die Faktoren, mit denen globale und lokale Muster von Diversität am häufigsten erklärt werden. Die kausalen Zusammenhänge über welche die Temperatur und die Verfügbarkeit von Ressourcen eine Erhöhung der Artenvielfalt bewirken, sind jedoch nach wie vor unklar. Im zweiten Kapitel dieser Arbeit wurde untersucht, wie sich der Artenreichtum von Bienen entlang von Klima- und Landnutzungsgradienten des Kilimandscharos verändert und welche Faktoren für diese Veränderungen verantwortlich sind. Blühressourcen hatten einen schwachen, aber signifikanten Einfluss auf die Bestäuberabundanzen, welche wiederum einen Großteil des Artenreichtums erklärten. Insgesamt hatte die Temperatur jedoch einen deutlich stärken Einfluss auf die Artenvielfalt als die Verfügbarkeit von Blühressourcen: Die Temperatur wirkte sich direkt, möglicherweise über einen Erhöhung von Speziationsraten, und indirekt, über eine Erhöhung der Bienenabundanz, auf die Artenvielfalt von Bienen aus. Zusätzlich konnte beobachtet werden, dass die Blütenbesuche von Bienen unabhängig von der Blütendichte und der Bienenabundanz, mit einem Anstieg der Temperatur zunahmen. Aus diesen Beobachtungen folgern wir, dass bei Ektothermen die Nutzbarkeit von Ressourcen durch die Temperatur gesteuert sein könnte.

Die Untersuchung morphologischer Merkmale entlang von Umweltgradienten erlaubt es, deterministische von stochastischen Prozessen bei der Zusammensetzung von Artengemeinschaften zu unterscheiden. Während bei stochastischen Prozessen Merkmale entlang von Umweltgradienten zufällig aus Artengemeinschaften ausscheiden sollten, wird im Falle deterministischer Prozesse ein gerichtetes Muster erwartet. Unter den deterministischen Prozessen konkurrieren bezüglich der Körpergröße zwei scheinbar konträre Theorien: Während die Bergmannsche Regel vorhersagt, dass große Tiere, aufgrund eines verbesserten Oberflächen-Volumen-Verhältnisses, einen Vorteil in kühlen Regionen haben, weist die Arten-Energie-Theorie größeren Arten eine erhöhte Aussterbewahrscheinlichkeit in energielimitierten, kühlen Gebieten zu, so dass die mittlere Körpergröße von Lebensgemeinschaften bei kälterer Temperatur sinken sollte. Im dritten Kapitel dieser Dissertation untersuchten wir, ob sich morphologische Merkmale von Wildbienen mit zunehmender Höhe verändern. Dabei betrachteten wir nicht nur Merkmalsveränderungen innerhalb von Artengemeinschaften, sondern auch innerartliche Veränderungen. Sowohl physiologische als auch energetische Restriktionen prägten die Merkmalskompositionen, allerdings auf unterschiedlichen biologischen Ebenen. So nahm die Körpergröße innerhalb von Arten mit der Höhe im Durchschnitt zu (=Bergmannsche Regel), während auf Gemeinschaftsebene kleinere Arten die Hochgebirgsregionen dominierten (=energetische Restriktion). Die parallele Betrachtung der intra- und interspezifischen Ebene ermöglichte es uns, scheinbar konträre ökologische Theorien zusammenzuführen. Zudem konnten wir zeigen, dass Merkmale nicht zufällig, sondern gerichtet aus Artengemeinschaften gefiltert werden.

Landnutzungsintensivierung bedroht Biodiversität, aber die Konsequenzen für Ökosystemdienstleistungen sind nach wie vor ungewiss. Im vierten Kapitel dieser Arbeit prüften wir mit Hilfe von einzelnen und kombinierten Bestäuber- und Prädatorausschlussexperimenten, welchen Beitrag Bestäuber, Vögel und Fledermäuse in verschiedenen Anbausystemen zur Kaffeeproduktion am Kilimandscharo leisten. Wir zeigten, dass sich Bestäuber und Prädatoren in ihren Effekten ergänzten: Während Bestäuber eine Steigerung des Kaffeebohnengewichtes um durchschnittlich 7.4% bewirkten, konnte durch die Prädation von Schädlingen der Fruchtansatz des Kaffees um durchschnittlich 9% gesteigert werden. Landwirtschaftliche Intensivierung, von komplexen Waldwirtschaftssystemen, über beschattete Kaffeeplantagen, bis hin zu Sonnenplantagen hatte keinen negativen Effekt auf die Ökosystemdienstleistungen von Bestäubern und Prädatoren. Wir konnten jedoch nachweisen, dass in Waldwirtschaftssystemen eine diverse Bestäubergemeinschaft den Kaffee bestäubt, während in Sonnenplantagen fast
ausschließlich die Honigbiene als Bestäuber fungiert. Eine solche Verschiebung der Bestäuber-komposition könnte die langfristige Stabilität intensiv genutzter Flächen gefährden.

In dieser Dissertation zeigten wir, wie sich Bestäubergemeinschaften am Kilimandscharo entlang von Höhengradienten bezüglich ihrer Artenvielfalt (Kapitel II) und ihrer Merkmale (Kapitel III) verändern. Temperatur und temperatur-gesteuerte Ressourcennutzbarkeit wurden als maßgebende Determinanten dieser Muster identifiziert. Damit wurde ein Beitrag zur Identifikation von Gesetzmäßigkeiten in der Verteilung ektothermer Insekten entlang von Klimagradienten geleistet. Unsere Ergebnisse weisen darauf hin, dass Klimaveränderungen im Zuge des globalen Wandels Konsequenzen für Bestäubergemeinschaften haben könnten. Eventuell könnten Bestäuber von den steigenden Temperaturen profitieren. Gleichsam könnte es aber auch zu einer Verschiebung von Bestäubern in höher gelegene Regionen und zu einem daran gekoppelten Einbruch der Bestäubungsleistungen in tiefliegenden Kulturlandschaften kommen. Im Hinblick auf die Konsequenzen anthropogener Landnutzung wurde festgestellt, dass die landwirtschaftliche Intensivierung am Kilimandscharo bisher keinen messbaren negativen Effekt auf die Ökosystemdienstleitungen von Bestäubern hatte. Die Bestäuber profitieren vermutlich von der starken Landschaftsheterogenität der Region und zahlreichen krautigen Blühressourcen im Unterwuchs von Agrarflächen. Eine zunehmende Homogenisierung der Landschaft und ein verstärkter Einsatz von Pestiziden könnten jedoch, wie auf Sonnenplantagen bereits zu finden, zu einer Dominanz von einigen wenigen Arten führen, welches zusammen mit der klimabedingten Artenverschiebung die langfristige Stabilität von Agrarsystemen und natürlichen Systemen gefährden könnte.
KW  - Kilimandscharo
KW  - Bestäuber
KW  - Biodiversität
KW  - Höhengradient
KW  - Landnutzungsgradient
KW  - Arten-Energy-Theory
KW  - species-energy-theory
KW  - elevational gradient
KW  - Kilimanjaro
KW  - pollinators
KW  - diversity
KW  - ecosystem service
KW  - ecology
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-101292
ER  - 
TY  - THES
A1  - Luibl [née Hermann], Christiane
T1  - The role of the neuropeptides NPF, sNPF, ITP and PDF in the circadian clock of Drosophila melanogaster
T1  - Die Rolle der Neuropeptide NPF, sNPF, ITP und PDF in der circadianen Uhr von Drosophila melanogaster
N2  - Organisms have evolved endogenous clocks which allow them to organize their behavior, metabolism and physiology according to the periodically changing environmental conditions on earth. Biological rhythms that are synchronized to daily changes in environment are governed by the so-called circadian clock. Since decades, chronobiologists have been investigating circadian clocks in various model organisms including the fruitfly Drosophila melanogaster, which was used in the present thesis.
Anatomically, the circadian clock of the fruitfly consists of about 150 neurons in the lateral and dorsal protocerebrum, which are characterized by their position, morphology and neurochemistry. Some of these neurons had been previously shown to contain either one or several neuropeptides, which are thought to be the main signaling molecules used by the clock. The best investigated of these neuropeptides is the Pigment Dispersing Factor (PDF), which had been shown to constitute a synchronizing signal between clock neurons as well as an output factor of the clock.
In collaboration with various coworkers, I investigated the roles of three other clock expressed neuropeptides for the generation of behavioral rhythms and the partly published, partly unpublished data are presented in this thesis. Thereby, I focused on the Neuropeptide F (NPF), short Neuropeptide F (sNPF) and the Ion Transport Peptide (ITP). We show that part of the neuropeptide composition within the clock network seems to be conserved among different Drosophila species. However, the PDF expression pattern in certain neurons varied in species deriving from lower latitudes compared to higher latitudes. Together with findings on the behavioral level provided by other people, these data suggest that different species may have altered certain properties of their clocks - like the neuropeptide expression in certain neurons - in order to adapt their behavior to different habitats.
We then investigated locomotor rhythms in Drosophila melanogaster flies, in which neuropeptide circuits were genetically manipulated either by cell ablation or RNA interference (RNAi). We found that none of the investigated neuropeptides seems to be of equal importance for circadian locomotor rhythms as PDF. PDF had been previously shown to be necessary for rhythm maintenance in constant darkness (DD) as well as for the generation of morning (M) activity and for the right phasing of the evening (E) activity in entrained conditions. We now demonstrate that NPF and ITP seem to promote E activity in entrained conditions, but are clearly not the only factors doing so. In addition, ITP seems to reduce nighttime activity. Further, ITP and possibly also sNPF constitute weak period shortening components in DD, thereby opposing the effect of PDF. However, neither NPF or ITP, nor sNPF seem to be necessary in the clock neurons for maintaining rhythmicity in DD.
It had been previously suggested that PDF is released rhythmically from the dorsal projection terminals. Now we discovered a rhythm in ITP immunostaining in the dorsal projection terminals of the ITP+ clock neurons in LD, suggesting a rhythm in peptide release also in the case of ITP. Rhythmic release of both ITP and PDF seems to be important to maintain rhythmic behavior in DD, since constantly high levels of PDF and ITP in the dorsal protocerebrum lead to behavioral arrhythmicity.
Applying live-imaging techniques we further demonstrate that sNPF acts in an inhibitory way on few clock neurons, including some that are also activated by PDF, suggesting that it acts as signaling molecule within the clock network and has opposing effects to PDF. NPF did only evoke very little inhibitory responses in very few clock neurons, suggesting that it might rather be used as a clock output factor. We were not able to apply the same live-imaging approach for the investigation of the clock neuron responsiveness to ITP, but overexpression of ITP with various driver lines showed that the peptide most likely acts mainly in clock output pathways rather than inter-clock neuron communication.
Taking together, I conclude that all investigated peptides contribute to the control of locomotor rhythms in the fruitfly Drosophila melanogaster. However, this control is in most aspects dominated by the actions of PDF and rather only fine-tuned or complemented by the other peptides. I assume that there is a high complexity in spatial and temporal action of the different neuropeptides in order to ensure correct signal processing within the clock network as well as clock output.
N2  - Die meisten Organismen haben endogene Uhren entwickelt, mit deren Hilfe sie ihre Verhaltensweisen, ihren Metabolismus und auch ihre Physiologie an die periodisch wechselnden Umweltbedingungen auf unserer Erde anpassen können. Die sogenannten circadianen Uhren steuern dabei biologische Rhythmen, die an täglich wiederkehrende Umweltfaktoren angepasst sind. Schon seit Jahrzehnten wurden diese circadianen Uhren von Chronobiologen in verschiedensten Modellorganismen untersucht. Zu diesen gehört auch die Taufliege Drosophila melanogaster, welche im Rahmen dieser Doktorarbeit Verwendung fand.
Anatomisch besteht die circadiane Uhr der Taufliege aus etwa 150 sogenannten Uhrneuronen, die sich im dorsalen und lateralen Protocerebrum der Fliege befinden. Diese können anhand ihrer Position im Gehirn, ihrer Morphologie als auch ihrer neurochemischen Eigenschaften charakterisiert werden. Es wurde bereits in früheren Arbeiten gezeigt, dass einige dieser Uhrneuronen jeweils ein oder mehrere Neuropeptide exprimieren, welche mit großer Wahrscheinlichkeit die wichtigsten Signalmoleküle der Uhr darstellen. Dabei ist der „Pigment Dispersing Factor“ (PDF) wohl das Neuropeptid, welches bisher in Bezug auf seine Funktion in der Uhr die größte Aufmerksamkeit fand. Es ist daher auch das Neuropeptid, das bei Weitem am besten untersucht ist. So wurde bereits gezeigt, dass PDF die Oszillationen der Uhrneuronen untereinander synchronisiert und auch in Ausgangssignalwegen der Uhr zu nachgeschalteten Gehirnregionen eine Rolle spielt.
In Zusammenarbeit mit verschiedenen Kollegen, wurde im Rahmen dieser Doktorarbeit untersucht, welche Rolle drei andere Neuropeptide, welche in den Uhrneuronen exprimiert werden, in der Generierung von Verhaltensrhythmen spielen. Der Fokus lag dabei auf der Untersuchung des Neuropeptids F (NPF) des short Neuropeptids F (sNPF) und des Ion Transport Peptids (ITP). Wir konnten für manche dieser Peptide zeigen, dass ihre Verwendung im Uhrnetzwerk unterschiedlicher Drosophila-Arten konserviert zu sein scheint. Im Falle von PDF zeigten sich jedoch Unterschiede in der zellspezifischen Expression in Arten aus südlichen Breitengraden im Vergleich zu Arten aus nördlichen Breitengraden. Zusammen mit ergänzenden Verhaltensdaten anderer Arbeitsgruppen, gehen wir davon aus, dass unterschiedliche Arten bestimmte Eigenschaften ihrer Uhr – wie etwa die Neuropeptid-Expression in bestimmten Zellen – verändert haben, um ihr Verhalten bestmöglich an ihr jeweiliges Habitat anzupassen.
Des Weiteren wurde in dieser Arbeit die Aktivitätsrhythmik in Fliegen untersucht, in welchen gezielt bestimmte Neuropeptid-Systeme auf genetischem Wege - entweder durch Zellablation oder RNA-Interferenz (RNAi) - manipuliert wurden. Wir konnten zeigen, dass wohl keines der untersuchten Peptide eine ähnlich große Rolle für die Aktivitätsrhythmik spielt wie PDF. Aus früheren Arbeiten geht hervor, dass PDF sowohl für die Aufrechterhaltung eines Rhythmus in konstanter Dunkelheit (DD), als auch für die Generierung der Morgenaktivität und für die richtige Phasenlage der Abendaktivität in Licht-Dunkel Zyklen (LD) essentiell ist. Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen nun, dass NPF und ITP die Abendaktivität in LD fördern, dass sie jedoch nicht die einzigen Faktoren sind, die dies bewerkstelligen. ITP scheint außerdem Aktivität während der Nacht zu hemmen. Des Weiteren stellen ITP und möglicherweise auch sNPF eine schwache Perioden verkürzende Komponente in DD dar, ganz im Gegensatz zu PDF, welches eine Perioden verlängernde Wirkung besitzt. Jedoch scheinen weder ITP, NPF noch sNPF für die generelle Aufrechterhaltung eines Rhythmus in DD nötig zu sein.
Vorhergehende Arbeiten wiesen bereits darauf hin, dass PDF wahrscheinlich rhythmisch an den dorsalen Nervenendigungen ausgeschüttet wird. Unsere jetzigen Ergebnisse zeigen desweiteren eine Oszillation in der ITP-Immunfärbung in den dorsalen Projektionen der ITP+ Uhrneuronen in LD, was auch auf eine rhythmische Ausschüttung dieses Peptids schließen lässt. Die rhythmische Freisetzung beider Peptide scheint für die Aufrechterhaltung eines Verhaltensrhythmus in DD wichtig zu sein, da eine konstant hohe Menge an ITP und PDF im dorsalen Gehirn den Freilauf-Rhythmus störten. 
Die live-Imaging Experimente dieser Arbeit zeigten, dass sNPF auf manche Uhrneuronen inhibitorisch wirkt – auch auf einige, die durch PDF aktiviert werden können. sNPF könnte also als Signalmolekül innerhalb des Uhrnetzwerkes fungieren. Auch NPF führte zu inhibitorischen Zellantworten, jedoch waren diese äußerst schwach und betrafen nur wenige Uhrneuronen, was darauf schließen lässt, dass dieses Peptid wahrscheinlich am Signalausgang der Uhr beteiligt ist. Es war uns bisher nicht möglich dieselben live-Imaging Untersuchungen auch für ITP durchzuführen, jedoch zeigten Überexpressionsstudien mit verschiedenen Treiberlinien, dass auch ITP mit großer Wahrscheinlichkeit im Signalausgang der Uhr fungiert.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass alle hier untersuchten Neuropeptide an der Kontrolle der rhythmischen Lokomotoraktivität von Drosophila melanogaster mitwirken. Dabei ist PDF eindeutig der dominierende Faktor, während die anderen Neuropeptide die Wirkung von PDF eher feinregulieren oder komplementieren. Aus den Daten kann geschlossen werden, dass die örtliche und zeitliche Funktionsweise dieser verschiedenen Peptide sehr komplex ist, um sowohl die Prozessierung von Signalen innerhalb des Uhrnetzwerkes als auch in den weitgehend noch unbekannten Ausgangswegen der Uhr zu gewährleisten.
KW  - Taufliege
KW  - Biologische Uhr
KW  - Neuropeptide
KW  - Innere Uhr
KW  - Drosophila
KW  - Circadian Rhythms
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-93796
ER  -