TY - THES A1 - Leidinger, Ludwig Klaus Theodor T1 - How genomic and ecological traits shape island biodiversity - insights from individual-based models T1 - Einflüsse genomischer und ökologischer Arteigenschaften auf die Biodiversität von Inseln - Erkenntnisse aus individuenbasierten Modellen N2 - Life on oceanic islands provides a playground and comparably easy\-/studied basis for the understanding of biodiversity in general. Island biota feature many fascinating patterns: endemic species, species radiations and species with peculiar trait syndromes. However, classic and current island biogeography theory does not yet consider all the factors necessary to explain many of these patterns. In response to this, there is currently a shift in island biogeography research to systematically consider species traits and thus gain a more functional perspective. Despite this recent development, a set of species characteristics remains largely ignored in island biogeography, namely genomic traits. Evidence suggests that genomic factors could explain many of the speciation and adaptation patterns found in nature and thus may be highly informative to explain the fascinating and iconic phenomena known for oceanic islands, including species radiations and susceptibility to biotic invasions. Unfortunately, the current lack of comprehensive meaningful data makes studying these factors challenging. Even with paleontological data and space-for-time rationales, data is bound to be incomplete due to the very environmental processes taking place on oceanic islands, such as land slides and volcanism, and lacks causal information due to the focus on correlative approaches. As promising alternative, integrative mechanistic models can explicitly consider essential underlying eco\-/evolutionary mechanisms. In fact, these models have shown to be applicable to a variety of different systems and study questions. In this thesis, I therefore examined present mechanistic island models to identify how they might be used to address some of the current open questions in island biodiversity research. Since none of the models simultaneously considered speciation and adaptation at a genomic level, I developed a new genome- and niche-explicit, individual-based model. I used this model to address three different phenomena of island biodiversity: environmental variation, insular species radiations and species invasions. Using only a single model I could show that small-bodied species with flexible genomes are successful under environmental variation, that a complex combination of dispersal abilities, reproductive strategies and genomic traits affect the occurrence of species radiations and that invasions are primarily driven by the intensity of introductions and the trait characteristics of invasive species. This highlights how the consideration of functional traits can promote the understanding of some of the understudied phenomena in island biodiversity. The results presented in this thesis exemplify the generality of integrative models which are built on first principles. Thus, by applying such models to various complex study questions, they are able to unveil multiple biodiversity dynamics and patterns. The combination of several models such as the one I developed to an eco\-/evolutionary model ensemble could further help to identify fundamental eco\-/evolutionary principles. I conclude the thesis with an outlook on how to use and extend my developed model to investigate geomorphological dynamics in archipelagos and to allow dynamic genomes, which would further increase the model's generality. N2 - Inseln sind nützliche Modellsysteme für das Verständnis von Biodiversität im Allgemeinen. Dies wird verstärkt durch den Umstand, dass Flora und Fauna auf Inseln eine Vielzahl einzigartiger Phänomene aufweisen: von endemischen Arten über Artenradiationen bis hin zu außergewöhnlichen Arteigenschaften. Bisherige Theorien der Inselbiogeographie berücksichtigen jedoch nicht alle Faktoren, die nötig wären, um solche Phänomene zu erklären. Derzeitige Bemühungen zielen daher darauf ab, Arteigenschaften systematisch mit bestehenden Theorien zu vereinen. Trotz dieser Entwicklung werden genomische Arteigenschaften bislang in solch einer funktionalen Inselbiogeographie weitestgehend ignoriert, obwohl es Hinweise darauf gibt, dass genomische Faktoren einige der faszinierenden Diversifizierungsmuster einschließlich Artenradiationen erklären könnten. Die Erforschung dieser Faktoren gestaltet sich aufgrund des Mangels an umfangreichen, aussagekräftigen Daten jedoch als schwierig. Selbst unter Zuhilfenahme von paläontologischen Daten und substituierten Daten aus vergleichbaren Systemen lassen sich Unvollständigkeiten in den Daten und das Problem fehlender Kausalzusammenhänge schwer überwinden. Eine vielversprechende Alternative stellen mechanistische Modelle dar, von denen einige bereits für eine Vielzahl von Systemen und Forschungsprojekten eingesetzt wurden. In dieser Dissertation wurden daher mechanistische Inselmodelle untersucht, um herauszufinden, inwiefern sich diese für derzeitige offene Fragen in der Inselbiogeographie eignen würden. Da keines der untersuchten Modelle gleichzeitig Artbildung and Anpassung unter Berücksichtigung von genomischen Faktoren abbildet, wurde ein neues genom- und nischenexplizites, individuenbasiertes Modell entwickelt. Dieses wurde benutzt, um drei verschiedene Phänomene im Kontext der Inselbiogeographie zu untersuchen: die Anpassung an Umweltvariation, Artenradiationen und Invasionen durch exotische Arten. Mit diesem neuentwickeltem Modell konnte gezeigt werden, dass kleinere Arten mit flexiblen Genomen unter variablen Umwelteigenschaften erfolgreicher sind, dass eine komplexe Kombination aus Ausbreitungsfähigkeiten, Fortpflanzungsstrategien und genomischen Arteigenschaften das Entstehen von Artenradiationen beeinflussen und dass Invasionen vor allem von der Einführungsintensität und den Arteigenschaften exotischer Arten getrieben sind. Diese Ergebnisse demonstrieren, wie die Berücksichtigung funktionaler Arteigenschaften dabei helfen kann, einige bislang wenig untersuchte Phänomene der Inselbiogeographie zu verstehen. Die Ergebnisse dieser Dissertation stehen beispielhaft für die Allgemeingültigkeit integrativer, auf Grundzusammenhängen aufbauender Modelle. Dies wird durch die Aufdeckung diverser Biodiversitätsmuster und -dynamiken im Rahmen der Bearbeitung verschiedener komplexer Fragestellungen hervorgehoben. Weitere Modelle, wie das hier beschriebene, könnten sogar in einem Modellensemble kombiniert werden, um öko-evolutionare Grundprinzipien zu identifizieren. Abschließend wird ein Ausblick auf die Möglichkeit gewährt, das Modell weiterzunutzen und zu erweitern, um beispielsweise geomorphologische Archipeldynamiken oder dynamische Genome abzubilden, und damit die Allgemeingültigkeit des Modells noch zu erweitern. KW - Inselbiogeografie KW - Simulation KW - Biodiversität KW - Genetik KW - Mikroevolution KW - island biogeography KW - mechanistic models KW - genetic architecture KW - eco-evolutionary feedbacks Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-207300 ER - TY - THES A1 - Sieger, Charlotte Sophie T1 - Potential evolutionary responses to landscape heterogeneity and systematic environmental trends T1 - Mögliche evolutionäre Reaktionen auf Landschaftsheterogenität und systemische Umwelttrends N2 - Over the course of the last century, humans have witnessed drastic levels of global environmental change that endangered both, the survival of single species as well as biodiversity itself. This includes climate change, in both environmental means and in variance and subsequently frequent extreme weather events, as well as land use change that species have to cope with. With increasing urbanization, increasing agricultural area and increasing intensification, natural habitat is not only lost, but also changes its shape and distribution in the landscape. Both aspects can heavily influence an individual's fitness and therefore act as a selective force promoting evolutionary change. This way climate change influences individuals' niches and dispersal. Local adaptation and dispersal are not independent of each other. Dispersal can have two opposite effects on local adaptation. It can oppose local adaptation, by promoting the immigration of maladapted indi- viduals or favor local adaptation by introducing better adapted genotypes. Which of those effects of dispersal on local adaptation emerges in a population depends on the dispersal strategies and the spatial structure of the landscape. In principle an adaptive response can include adjustment of the niche optimum as well as habitat tolerance (niche width) or (instead) ecological tracking of adequate conditions by dispersal and range shifting. So far, there has been no extensive modeling study of the evolution of the environmental niche optimum and tolerance along with dispersal probability in complex landscapes. Either only dispersal or (part of ) the environmental niche can evolve or the landscapes used are not realistic but rather a very abstract representation of spatial structures. I want to try and disentangle those different effects of both local adaptation and dispersal during global change, as well as their interaction, especially considering the separation between the effects of increasing mean and increasing variance. For this, I implemented an individual based model (IBM), with escalating complexity. I showed that both on a temporal as well as on a spatial scale, variation can be more influential then mean conditions. Indeed, the actual spatial configuration of this heterogeneity and the relationship between spatial and temporal heterogeneity affect the evolution of the niche and of dispersal probability more than temporal or spatial mean conditions. I could show that in isolated populations, an increase of an environmental attribute's mean or variance can lead to extinction, under certain conditions. In particular, increasing variance cannot be tracked forever, since increasing tolerance has distinct limits of feasibility. Increasing mean conditions can also occur too fast to be tracked, especially from generalist individuals. When expanding the model to the metapopulation level without a temporal environmental trend, the degree of spatial vs.temporal heterogeneity influenced the evolution of random dispersal heavily. With increasing spatial heterogeneity, individuals from extreme and rare patches evolve from being philopatric to dispersive, while individuals from average patches switch in the opposite direction. With the last expansion to a different set of landscapes with varying degrees of edge density, I could show that edge effects are strong in pseudo-agricultural landscapes, while in pseudo-natural habitats they were hardly found, regardless of emigration strategy. Sharp edges select against dispersal in the edge patches and could potentially further isolate populations in agricultural landscapes. The work I present here can also be expanded further and I present several suggestions on what to do next. These expansions could help the realism of the model and eventually shed light on its bearing on ecological global change predictions. For example species distribution models or extinction risk models would be more precise, if they included both spatial and temporal variation. The current modeling practices might not be suffcient to describe the possible outcomes of global change, because spatio-temporal heterogeneity and its influence on species' niches is too important to be ignored for longer. N2 - Mögliche evolutionäre Reaktionen auf Landschaftsheterogenität und systemische Umwelttrends KW - Theoretical Ecology KW - Evolution KW - Dispersal KW - Spatial heterogeneity KW - Temporal heterogeneity KW - Individual based model (IBM) Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-216690 ER - TY - THES A1 - Isasa, Emilie T1 - Relationship between wood properties, drought-induced embolism and environmental preferences across temperate diffuse-porous broadleaved trees T1 - Beziehung zwischen Holzeigenschaften, trockenheitsbedingter Embolie und Umweltpräferenzen bei zerstreutporigen Laubbäumen der gemäßigten Breiten N2 - In the scope of climate warming and the increase in frequency and intensity of severe heat waves in Central Europe, identification of temperate tree species that are suited to cope with these environmental changes is gaining increasing importance. A number of tree physiological characteristics are associated with drought-stress resistance and survival following severe heat, but recent studies have shown the importance of plant hydraulic and anatomical traits for predicting drought-induced tree mortality, such as vessel diameter, and their potential to predict species distribution in a changing climate. A compilation of large global datasets is required to determine traits related to drought-induced embolism and test whether embolism resistance can be determined solely by anatomical traits. However, most measurements of plant hydraulic traits are labour-intense and prone to measurement artefacts. A fast, accurate and widely applicable technique is necessary for estimating xylem embolism resistance (e.g., water potential at 50% loss of conductivity, P50), in order to improve forecasts of future forest changes. These traits and their combination must have evolved following the selective pressure of the environmental conditions in which each species occurs. Describing these environmental-trait relationships can be useful to assess potential responses to environmental change and mitigation strategies for tree species, as future warmer temperatures may be compounded by drier conditions. N2 - Im Rahmen der Klimaerwärmung und der Zunahme der Häufigkeit und Intensität schwerer Hitzewellen in Mitteleuropa gewinnt die Identifizierung von Baumarten der gemäßigten Zonen, die mit diesen Umweltveränderungen zurechtkommen, zunehmend an Bedeutung. Eine Reihe von physiologischen Merkmalen von Bäumen wird mit der Trockenstressresistenz und dem Überleben nach schweren Hitzewellen in Verbindung gebracht. Jüngste Studien haben jedoch gezeigt, wie wichtig pflanzenhydraulische und anatomische Merkmale für die Vorhersage der trockenheitsbedingten Baumsterblichkeit sind, z. B. der Gefäßdurchmesser, und wie wichtig diese wiederum für die Vorhersage der Artenverteilung in einem sich verändernden Klima sind. Eine Zusammenstellung großer globaler Datensätze ist erforderlich, um die Merkmale zu bestimmen, die mit trockenheitsbedingter Embolie zusammenhängen, und um zu prüfen, ob die Embolieresistenz allein durch anatomische Merkmale bestimmt werden kann. Die meisten Messungen der hydraulischen Eigenschaften von Pflanzen sind jedoch sehr arbeitsintensiv und anfällig für Messartefakte. Es wird ein schnelles, genaues und breit anwendbares Verfahren zur Schätzung der Xylem-Embolie-Resistenz (z. B. Wasserpotenzial bei 50 % Leitfähigkeitsverlust, P50) benötigt, um die Vorhersage künftiger Waldveränderungen zu verbessern. Diese Merkmale und ihre Kombination müssen sich unter dem Selektionsdruck der Umweltbedingungen, in denen die einzelnen Arten vorkommen, entwickelt haben. Die Beschreibung dieser Beziehungen zwischen Umwelt und Merkmalen kann nützlich sein, um potenzielle Reaktionen auf Umweltveränderungen und Schutzstrategien für Baumarten zu bewerten, da künftige wärmere Temperaturen mit trockeneren Bedingungen einhergehen könnten. KW - Pflanzenökologie KW - Klimaänderung KW - Dürrestress KW - Plant Ecology KW - Plant Biology KW - Climate change KW - Tree physiology KW - Plant hydraulic KW - Baumphysiologie KW - Klimawandel KW - Trockenstress KW - Pflanzenhydraulik Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-303562 ER - TY - THES A1 - Figueiredo, Ludmilla T1 - Extinction debt of plants, insects and biotic interactions: interactive effects of habitat fragmentation and climate change T1 - Aussterbeschuld von Pflanzen, Insekten und biotischen Interaktionen: interaktiv Auswirkungen der Fragmentierung von Lebensräumen und des Klimawandels N2 - The importance of understanding species extinctions and its consequences for ecosystems and human life has been getting increasing public attention. Nonetheless, regardless of how pressing the current biodiversity loss is, with rare exceptions, extinctions are actually not immediate. Rather, they happen many generations after the disturbance that caused them. This means that, at any point in time after a given disturbance, there is a number of extinctions that are expected to happen. This number is the extinction debt. As long as all the extinctions triggered by the disturbance have not happened, there is a debt to be paid. This delay in extinctions can be interpreted as a window of opportunity, when conservation measures can be implemented. In this thesis, I investigated the relative importance of ecological and evolutionary processes unfolding after different disturbances scenarios, to understand how this knowledge can be used to improve conservation practices aiming at controlling extinctions. In the Introduction (chapter 1), I present the concept of extinction debts and the complicating factors behind its understanding. Namely, I start by presenting i) the theoretical basis behind the definition of extinction debts, and how each theory informed different methodologies of study, ii) the complexity of understanding and predicting eco-evolutionary dynamics, and iii) the challenges to studying extinctions under a regime of widespread and varied disturbance of natural habitats. I start the main body of the thesis (chapter 2) by summarizing the current state of empirical, theoretical, and methodological research on extinction debts. In the last 10 years, extinction debts were detected all over the globe, for a variety of ecosystems and taxonomic groups. When estimated - a rare occurrence, since quantifying debts requires often unavailable data - the sizes of these debts range from 9 to 90\% of current species richness and they have been sustained for periods ranging from 5 to 570 yr. I identified two processes whose contributions to extinction debts have been studied more often, namely 1) life-history traits that prolong individual survival, and 2) population and metapopulation dynamics that maintain populations under deteriorated conditions. Less studied are the microevolutionary dynamics happening during the payment of a debt, the delayed conjoint extinctions of interaction partners, and the extinction dynamics under different regimes of disturbances (e.g. habitat loss vs. climate change). Based on these observations, I proposed a roadmap for future research to focus on these less studies aspects. In chapters 3 and 4, I started to follow this roadmap. In chapter 3, I used a genomically-explicit, individual-based model of a plant community to study the microevolutionary processes happening after habitat loss and climate change, and potentially contributing to the settlement of a debt. I showed that population demographic recovery through trait adaptation, i.e. evolutionary rescue, is possible. In these cases, rather than directional selection, trait change involved increase in trait variation, which I interpreted as a sign of disruptive selection. Moreover, I disentangled evolutionary rescue from demographic rescue and show that the two types of rescue were equally important for community resistance, indicating that community re-assembly plays an important role in maintaining diversity following disturbance. The results demonstrated the importance of accounting for eco-evolutionary processes at the community level to understand and predict biodiversity change. Furthermore, they indicate that evolutionary rescue has a limited potential to avoid extinctions under scenarios of habitat loss and climate change. In chapter 4, I analysed the effects of habitat loss and disruption of pollination function on the extinction dynamics of plant communities. To do it, I used an individual, trait-based eco-evolutionary model (Extinction Dynamics Model, EDM) parameterized according to real-world species of calcareous grasslands. Specifically, I compared the effects of these disturbances on the magnitude of extinction debts and species extinction times, as well as how species functional traits affect species survival. I showed that the loss of habitat area generates higher number of immediate extinctions, but the loss of pollination generates higher extinction debt, as species take longer to go extinct. Moreover, reproductive traits (clonal ability, absence of selfing and insect pollination) were the traits that most influenced the occurrence of species extinction as payment of the debt. Thus, the disruption of pollination functions arose as a major factor in the creation of extinction debts. Thus, restoration policies should aim at monitoring the status of this and other ecological processes and functions in undisturbed systems, to inform its re-establishment in disturbed areas. Finally, I discuss the implications of these findings to i) the theoretical understanding of extinction debts, notably via the niche, coexistence, and metabolic theories, ii) the planning conservation measures, including communicating the very notion of extinction debts to improve understanding of the dimension of the current biodiversity crisis, and iii) future research, which must improve the understanding of the interplay between extinction cascades and extinction debts. N2 - Die Tatsache, dass es wichtig ist das Aussterben von Arten und dessen Folgen für Ökosysteme und das menschliche Leben zu verstehen, findet zunehmend öffentliche Beachtung. Unabhängig davon, wie dringlich und besorgniserregend der derzeitige Verlust an biologischer Vielfalt ist, finden Aussterbeereigniss, mit seltenen Ausnahmen, nicht unmittelbar nach einer Störung (z.B. Habitatverlust und Klimawandel) statt. Sie geschehen vielmehr viele Generationen nach der eigentlichen Störung. Dies bedeutet, dass nach einer Störung zu jeder Zeit eine bestimmte Anzahl von noch auszusterbenden Arten zu erwarten ist . Diese Anzahl wird Aussterbeschuld ("extinction debt") genannt. Solange nicht alle durch die Störung ausgelösten Aussterbeereignisse eingetreten sind, ist diese Schuld zu begleichen. Durch diese Verzögerung des Aussterbens von Arten entsteht ein Zeitfenster, in dem Erhaltungsmaßnahmen umgesetzt werden können. In dieser Forschungsarbeit untersuche ich die Bedeutung von ökologischen und evolutionären Prozessen als Folge verschiedener Störungsszenarien, um zu verstehen, wie dieses Wissen zur Verbesserung von Naturschutzmaßnahmen verwendet werden kann, um Aussterbeereignisse zu minimieren. In der Einleitung (Kapitel 1) stelle ich das Konzept der Aussterbeschuld vor und verschiedene Faktoren, die unser Verständnis dieses Sachverhaltes erschweren. Kapitel 1 fokussiert sich auf i) die theoretischen Grundlagen hinter der Definition der Aussterbeschuld und wie diese unterschiedliche Untersuchungsmethoden beeinflussten , ii) die Komplexität, ökologische Evolutionsdynamik zu verstehen und vorherzusagen, und iii) die Herausforderungen, die es mit sich bringt Aussterbeereignisse zu einer Zeit zu untersuchen, in der Störungen in natürlichen Lebensräumen weit verbreitet und vielfältig sind. Ich beginne den Hauptteil meiner Arbeit (Kapitel 2) mit einer Zusammenfassung des aktuellen Standes der empirischen, theoretischen und methodischen Forschung zur Aussterbeschuld. In den letzten 10 Jahren wurden Aussterbeschulden weltweit in einer Vielzahl von Ökosystemen und taxonomischen Gruppen festgestellt. Wenn der Größenwert der Aussterbeschuld geschätzt wird - was selten ist, da für eine Quantifizierung häufig nicht verfügbare Daten erforderlich sind -, liegt er zwischen 9 und 90\% des aktuellen Artenreichtums und variiert zwischen einer Dauer von 5 und 570 Jahren. Ich identifiziere zwei Hauptprozesse hinter der Aussterbeschuld, nämlich 1) Merkmale, die verschiedene Lebensstadien betreffen und dadurch das Überleben des Einzelnen verlängern, und 2) Populations- und Metapopulationsdynamiken, die es Populationen erlauben auch unter verschlechterten Bedingungen zu überleben. Weniger untersucht sind die mikroevolutionären Dynamiken, die während der Dauer der Aussterbeschuld auftreten, wie das verzögerte gleichzeitige Aussterben von Interaktionspartnern und die Aussterbedynamik unter verschiedenen Störungsregimen (z. B. Habitatverlust vs. Klimawandel). In den Kapiteln 3 und 4 widme ich mich diesen Fragen. Im dritten Kapitel verwende ich ein genomisch explizites, Individuen-basiertes Modell einer Pflanzengemeinschaft, um die mikroevolutionären Prozesse zu untersuchen, die nach Habitatverlust und Klimawandel ablaufen und möglicherweise zur Minderung der Aussterbeschuld beitragen. Ich zeige, dass eine demografische Erholung der Population durch Anpassung der Arteigenschaften, d.h. Rettung durch Evolution, möglich ist. In diesen Fällen äußert sich eine Änderung der Merkmale, anstatt in einer direktionalen Selektion, in einer Zunahme der Variation der Merkmale, was ich als Zeichen einer disruptiven Selektion interpretiere. Darüber hinaus kann ich die „evolutionäre Rettung“ von der „demografischen Rettung“ trennen und zeigen, dass diese beiden Arten der Rettung für die Widerstandsfähigkeit einer Gemeinschaft gleich wichtig sind. Dies weist darauf hin, dass die Wiederherstellung von Artengemeinschaften eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung der biologischen Vielfalt nach Störungen spielt. Meine Ergebnisse zeigen, wie wichtig es ist, ökologische Evolutionsprozesse auf Artgemeinschaftsebene zu berücksichtigen, um den Wandel der biologischen Vielfalt zu verstehen und vorherzusagen. Darüber hinaus zeigt sich, dass die „evolutionäre Rettung“ ein begrenztes Potenzial hat, um Aussterbeereignisse unter Szenarien von Habitatverlust und Klimawandel zu vermeiden. Im vierten Kapitel vergleiche ich die Auswirkungen von Lebensraum- und Bestäubungsverlust auf die Aussterbedynamik einer Pflanzengemeinschaft. Dazu verwende ich ein Individuen- und Merkmal-basiertes Öko-Evolutionsmodell (Extinction Dynamics Model, EDM), welches für reale Mager-rasen-Arten parametrisiert worden ist. Insbesondere vergleiche ich die Auswirkungen dieser Störungen auf das Ausmaß der „extinction debt“ und die Zeitspanne bis zum Aussterben einer Art sowie darauf, wie sich die Funktionsmerkmale der einzelnen Arten auf die Aussterbedynamik der Artgemeinschaften auswirken. Ich zeige, dass Habitatverlust zu einer höheren Anzahl von unmittelbar aussterbenden Arten führt, aber der Verlust von Bestäubung eine höhere „extinction debt“ mit sich bringt, da Arten hierbei länger brauchen, um auszusterben. Darüber hinaus beeinflussten insbesondereFortpflanzungsmerkmale (klonale Fähigkeit, Abwesenheit von Selbstbestäubung und Insektenbestäubung) das Artensterben zur Tilgung der Aussterbeschuld. Bestäubung ist daher ein wesentlicher Faktor bei der Entstehung von Aussterbeschuld. Renaturierungsvorgaben müssen daher darauf abzielen, den Status ökologischer Prozesse und Funktionen in ungestörten Systemen zu überwachen, um diese in gestörten Gebieten zu verbessern. Abschließend diskutiere ich die Auswirkungen dieser Ergebnisse i) auf das theoretische Verständnis der Aussterbeschuld, insbesondere mit Hilfe der Nischen-, Koexistenz- und Metabolischen Theorie, ii) auf die Planung von Erhaltungsmaßnahmen, einschließlich der Vermittlung des Begriffs der Aussterbeschuld, um das Verständnis der Dimension der aktuellen Biodiversitätskrise zu erweitern, und iii) darauf, wie die zukünftige Forschung die Herausforderung angehen kann, das Zusammenspiel zwischen Auslöschungskaskaden und Aussterbenschuld zu verstehen. KW - Aussterbedynamik KW - Pflanzenaussterben KW - mechanistische Modellierung KW - schnelle Evolution KW - extinction dynamics KW - transient dynamics KW - Anthropocene KW - rapid evolution KW - metabolic theory of ecology Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-238738 ER - TY - THES A1 - Lewerentz, Anne F. T1 - Spatiotemporal dynamics of freshwater macrophytes in Bavarian lakes under environmental change T1 - Raum-zeitliche Dynamik der Makrophyten in bayerischen Seen unter sich ändernden Umweltbedingungen N2 - Macrophytes are key components of freshwater ecosystems because they provide habitat, food, and improve the water quality. Macrophyte are vulnerable to environmental change as their physiological processes depend on changing environmental factors, which themselves vary within a geographical region and along lake depth. Their spatial distribution is not well understood and their importance is publicly little-known. In this thesis, I have investigated the spatiotemporal dynamics of freshwater macrophytes in Bavarian lakes to understand their diversity pattern along different scales and to predict and communicate potential consequences of global change on their richness. In the introduction (Chapter 1), I provide an overview of the current scientific knowledge of the species richness patterns of macrophytes in freshwater lakes, the influences of climate and land-use change on macrophyte growth, and different modelling approaches of macrophytes. The main part of the thesis starts with a study about submerged and emergent macrophyte species richness in natural and artificial lakes of Bavaria (Chapter 2). By analysing publicly available monitoring data, I have found a higher species richness of submerged macrophytes in natural lakes than in artificial lakes. Furthermore, I showed that the richness of submerged species is better explained by physio-chemical lake parameters than the richness of emergent species. In Chapter 3, I considered that submerged macrophytes grow along a depth gradient that provides a sharp environmental gradient on a short spatial scale. This study is the first comparative assessment of the depth diversity gradient (DDG) of macrophytes. I have found a hump-shaped pattern of different diversity components. Generalised additive mixed-effect models indicate that the shape of the DDG is influenced mainly by light quality, light quantity, layering depth, and lake area. I could not identify a general trend of the DDG within recent years, but single lakes show trends leading into different directions. In Chapter 4, I used a mechanistic eco-physiological model to explore changes in the distribution of macrophyte species richness under different scenarios of environmental conditions across lakes and with depths. I could replicate the hump-shaped pattern of potential species richness along depth. Rising temperature leads to increased species richness in all lake types, and depths. The effect of turbidity and nutrient change depends on depth and lake type. Traits that characterise “loser species” under increased turbidity and nutrients are a high light consumption and a high sensibility to disturbances. “Winner species” can be identified by a high biomass production. In Chapter 5, I discuss the image problem of macrophytes. Unawareness, ignorance, and the poor accessibility of macrophytes can lead to conflicts of use. I assumed that an increased engagement and education could counteract this. Because computer games can transfer knowledge interactively while creating an immersive experience, I present in the chapter an interactive single-player game for children. Finally, I discuss the findings of this thesis in the light of their implications for ecological theory, their implications for conservation, and future research ideas (Chapter 6). The findings help to understand the regional distribution and the drivers of macrophyte species richness. By applying eco-physiological models, multiple environmental shaping factors for species richness were tested and scenarios of climate and land-use change were explored. N2 - Makrophyten sind wichtige Bestandteile des Lebensraums See. Sie schaffen Habitate und verbessern die Wasserqualität, sind in der Öffentlichkeit jedoch kaum bekannt. Makrophyten sind sehr anfällig für Umweltveränderungen, da ihre physiologischen Prozesse von Umweltfaktoren abhängen, die ihrerseits innerhalb einer geografischen Region und entlang der Seetiefe variieren. Diese Arbeit untersucht die räumlich-zeitliche Dynamik von Makrophyten in bayerischen Seen, um die Muster ihrer Artenvielfalt auf verschiedenen Skalen zu verstehen und um die Folgen von Klima- und Landnutzungswandel auf ihre Artenvielfalt zu untersuchen. Die Einleitung (Kapitel 1) gibt einen Überblick über den aktuellen Wissensstand zur Artenvielfalt von Makrophyten in Seen, zu Einflüssen von Klima- und Landnutzungswandel auf das Wachstum von Makrophyten, sowie zu verschiedenen Modellierungsansätzen von Makrophyten. Der Hauptteil der Arbeit beginnt mit der Analyse (Kapitel 2) der submersen und emergenten Makrophytenvielfalt in natürlichen und künstlichen Seen Bayerns. Mit Hilfe von öffentlich zugänglichen Monitoringdaten konnte gezeigt werden, dass es mehr submerser Makrophyten in natürlichen Seen als in künstlichen Seen gibt und dass sich die Anzahl an submersen Makrophyten je See besser mit physiko-chemischen Parametern erklären lässt als die von emergenten Arten. In Kapitel 3 wird die Verteilung der Artenvielfalt von submersen Makrophyten entlang des Tiefengradienten be-trachtet. Entlang der Tiefe ändern sich physikalisch-chemische Parameter auf einer kurzen räumli-chen Skala. Diese Studie ist die erste vergleichende Untersuchung des Tiefen-Diversitätsgradienten (DDG) von Makrophyten. Der DDG von verschiedenen Diversitätskomponenten verläuft buckelförmig. „Generalised additive mixed-effect models“ deuten darauf hin, dass die Form des DDG hauptsächlich von der Lichtqualität, der Lichtmenge, der Schichtungstiefe und der Fläche des Sees beeinflusst wird. Die Daten zeigen keine verallgemeinerbare Veränderung des höckerförmigen DDGs in den letzten Jahren. In einzelnen Seen gibt es jedoch Trends. In Kapitel 4 wird mit einem mechanistischen, ökophysiologischen Makrophyten-Wachstums-Modell (MGM) die potenziellen Veränderungen in der Verbreitung von Makrophyten unter verschiedenen Klima- und Landnutzungsszenarien untersucht. Durch die Anwendung von MGM konnte das höckerförmige Muster des DDG repliziert werden. Unterschiede zum kartierten Artenreichtum lassen sich wahrscheinlich durch nicht modellierte Prozesse wie Konkurrenz und Umweltheterogenität innerhalb des Sees erklären. Steigende Temperaturen führen zu einer Zunahme des Artenreichtums in allen Seetypen, Artengruppen und Tiefen. Die Auswirkungen von Trübungen und Nährstoffveränderungen hängen von der Tiefe und dem Seetyp ab. Merkmale, die unter erhöhter Trübung und Nährstoffgehalt "Verlierer-Arten" kennzeichnen, sind ein hoher Lichtverbrauch und eine hohe Störungsempfindlichkeit, während "Gewinner-Arten" diejenigen sind, die eine hohe Biomasseproduktion aufweisen. Kapitel 5 stellt das Imageproblem von Makrophyten dar. Unkenntnis, Unwissenheit und die schlechte Zugänglichkeit können zu Nutzungskonflikten führen. Es ist anzunehmen, dass ein verstärktes Engagement und Aufklärung dem entgegenwirken könnten. Da Computerspiele eine Möglichkeit sind, Wissen interaktiv zu transportieren und ein immersives Erlebnis zu schaffen, wird in diesem Kapitel das entwickelte Spiel bioDIVERsity vorgestellt. Abschließend werden die Ergebnisse im Hinblick auf ihre Bedeutung für ökologische Theorien, ihre Auswirkungen auf den Naturschutz und zukünftige Forschungsideen diskutiert (Kapitel 6). Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen dazu bei, die regionale Verbreitung und die Treiber einer oft übersehenen Artengruppe zu verstehen. Durch die Anwendung öko-physiologischer Modelle konnten verschiedene Einflussfaktoren auf den Artenreichtum von Makrophyten getestet und Szenarien von Klima- und Landnutzungswandel erforscht werden. KW - Ökologie KW - Makrophyten KW - Biologisches Modell KW - Klimaänderung KW - Artenreichtum KW - Ecology KW - Macrophytes KW - Global change KW - Species richness KW - Mechanistic model Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-287700 ER - TY - THES A1 - Kumar, Manish T1 - Structural and compositional effects on tree-water relation T1 - Strukturelle und Zusammenseztungseffekte auf die Beziehung zwischen Baum und Wasser N2 - Forests are essential sources of tangible and intangible benefits, but global climate change associated with recurrent extreme drought episodes severely affects forest productivity due to extensive tree die-back. On that, it appeals to an urgency for large-scale reforestation efforts to mitigate the impact of climate change worldwide; however, there is a lack of understanding of drought-effect on sapling growth and survival mechanisms. It is also challenging to anticipate how long trees can survive and when they succumb to drought. Hence, to ensure success of reforestation programs and sustainable forest productivity, it is essential to identify drought-resistant saplings. For that, profound knowledge of hydraulic characteristics is needed. To achieve this, the study was split into two phases which seek to address (1) how the hydraulic and anatomical traits influence the sapling’s growth rate under drought stress. (2) how plant water potential regulation and physiological traits are linked to species’ water use strategies and their drought tolerance. The dissertation is assembled of two study campaigns carried out on saplings at the Chair of Botany II, University of Würzburg, Germany. The first study involved three ecologically important temperate broadleaved tree species — saplings of 18-month (Acer pseudoplatanus, Betula pendula, and Sorbus aucuparia) — grown from seeds in contrasting conditions (inside a greenhouse and outside), with the latter being subjected to severe natural heat waves. In the second study, two additional temperate species (Fagus sylvatica and Tilia cordata) were added. The drying-out event was conducted using a randomised blocked design by monitoring plant water status in a climate-controlled chamber and a greenhouse. In campaign I, I present the result based on analysed data of 82 plants of temperate deciduous species and address the juvenile growth rate trade-off with xylem safety-efficiency. Our results indicate biomass production varies considerably due to the contrasted growing environment. High hydraulic efficiency is necessary for increased biomass production, while safety-efficiency traits are decoupled and species-specific. Furthermore, productivity was linked considerably to xylem safety without revealing a well-defined pattern among species. Moreover, plasticity in traits differed between stressed and non-stressed plants. For example, safety-related characteristics were more static than efficiency-related traits, which had higher intra-specific variation. Moreover, we recorded anatomical and leaf traits adjustments in response to a stress condition, but consistency among species is lacking. In campaign II, I combined different ways to estimate the degree of isohydry based on water potential regulation and connected the iso-anisohydric spectrum (i.e., hydroscape area, HSA) to hydraulic traits to elucidate actual plant performance during drought. We analysed plant water potential regulation (Ψpd and Ψmd) and stomatal conductance of 28-29 month saplings of five species. I used a linear mixed modelling approach that allowed to control individual variations to describe the water potential regulation and tested different conceptual definitions of isohydricity. The combined methods allowed us to estimate species' relative degree of isohydry. Further, we examined the traits coordination, including hydraulic safety margin, HSM; embolism resistance, P88; turgor loss, Ψtlp; stomata closure, Ps90; capacitance, C; cuticular conductance, gmin, to determine time to hydraulic failure (Thf). Thf is the cumulative effect of time to stomata closure (Tsc) and time after stomatal closure to catastrophic hydraulic failure (Tcrit). Our results show the species' HSA matches their stomatal stringency, which confirms the relationship between stomatal response and leaf water potential decline. Species that close stomata at lower water potential notably had a larger HSA. Isohydric behaviour was mostly associated with leaf hydraulic traits and poorly to xylem safety traits. Species' degree of isohydry was also unrelated to the species' time to death during drying-out experiments. This supports the notion that isohydry behaviours are linked to water use rather than drought survival strategies. Further, consistent with our assumptions, more isohydric species had larger internal water storage and lost their leaf turgor at less negative water potentials. Counter to our expectations, neither embolism resistance nor the associated hydraulic safety margins were related to metrics of isohydry. Instead, our results indicate traits associated with plant drought response to cluster along two largely independent axes of variation (i.e., stomatal stringency and xylem safety). Furthermore, on the temporal progression of plant drought responses, stomatal closure is critical in coordinating various traits to determine species' hydraulic strategies. Desiccation avoidance strategy was linked to Tsc and coordinated traits response of Ps90, Ψtlp, and HSA, whereas desiccation tolerance was related to Tcrit and traits such as lower P88 value, high HSM, and lower gmin. Notably, the shoot capacitance (C) is crucial in Thf and exhibits dichotomous behaviour linked to both Tsc and Tcrit. In conclusion, knowledge of growth rate trade-offs with xylem safety-efficiency combined with traits linked to species’ hydraulic strategies along the isohydry could substantially enhance our ability to identify drought-resistant saplings to ensure the success of reforestation programs and predicting sensitivity to drought for achieving sustainable forest ecosystems. N2 - Wälder sind wichtige Quellen materieller und immaterieller Vorteile, aber der globale Klimawandel, der mit wiederkehrenden extremen Dürreperioden einhergeht, beeinträchtigt die Produktivität der Wälder aufgrund des starken Absterbens von Bäumen erheblich. Deshalb werden dringend groß angelegte Aufforstungsmaßnahmen gefordert, um die Auswirkungen des Klimawandels weltweit abzumildern. Allerdings fehlt es an Kenntnissen über die Auswirkungen von Dürre auf das Wachstum und die Überlebensmechanismen von Jungbäumen. Es ist auch schwierig, vorherzusehen, wie lange Bäume überleben können und wann sie der Trockenheit erliegen. Um den Erfolg von Wiederaufforstungsprogrammen und die nachhaltige Produktivität der Wälder zu gewährleisten, ist es daher unerlässlich, trockenheitsresistente Setzlinge zu identifizieren. Dazu ist eine profunde Kenntnis der hydraulischen Eigenschaften erforderlich. Um dies zu erreichen, wurde die Studie in zwei Phasen aufgeteilt, in denen untersucht werden soll, (1) wie die hydraulischen und anatomischen Merkmale die Wachstumsrate der Setzlinge unter Trockenstress beeinflussen. (2) wie die Regulierung des pflanzlichen Wasserpotenzials und die physiologischen Merkmale mit den Wassernutzungsstrategien der Arten und ihrer Trockentoleranz zusammenhängen. Die Dissertation setzt sich aus zwei Studienkampagnen zusammen, die am Lehrstuhl für Botanik II der Universität Würzburg an Setzlingen durchgeführt wurden. In der ersten Studie wurden drei ökologisch wichtige Laubbaumarten der gemäßigten Zonen - 18-monatige Setzlinge (Acer pseudoplatanus, Betula pendula und Sorbus aucuparia) - aus Samen unter unterschiedlichen Bedingungen (in einem Gewächshaus und im Freien) aufgezogen, wobei letztere schweren natürlichen Hitzewellen ausgesetzt waren. In der zweiten Studie wurden zwei weitere gemäßigte Arten (Fagus sylvatica und Tilia cordata) hinzugefügt. Der Austrocknungsversuch wurde in einem randomisierten Blockdesign durchgeführt, bei dem der Wasserhaushalt der Pflanzen in einer klimatisierten Kammer und einem Gewächshaus überwacht wurde. In Kampagne I präsentiere ich die Ergebnisse, die auf den analysierten Daten von 82 Pflanzen gemäßigter Laubbaumarten basieren, und gehe auf den Kompromiss zwischen der Wachstumsrate von Jungpflanzen und der Sicherheitseffizienz des Xylems ein. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Biomasseproduktion aufgrund der unterschiedlichen Wachstumsbedingungen stark variiert. Eine hohe hydraulische Effizienz ist für eine erhöhte Biomasseproduktion notwendig, während die Sicherheitseffizienz entkoppelt und artspezifisch ist. Darüber hinaus war die Produktivität in erheblichem Maße mit der Xylemsicherheit verknüpft, ohne dass sich ein klar definiertes Muster zwischen den Arten ergab. Darüber hinaus war die Plastizität der Merkmale zwischen gestressten und nicht gestressten Pflanzen unterschiedlich. So waren beispielsweise sicherheitsbezogene Merkmale statischer als effizienzbezogene Merkmale, die eine stärkere intra-spezifische Variation aufwiesen. Darüber hinaus haben wir Anpassungen der anatomischen Merkmale und der Blatteigenschaften als Reaktion auf eine Stressbedingung festgestellt, aber es fehlt die Konsistenz zwischen den Arten. In Kampagne II kombinierte ich verschiedene Methoden zur Schätzung des Isohydrierungsgrads auf der Grundlage der Wasserpotenzialregulierung und verknüpfte das iso-anisohydrische Spektrum (d. h. die Hydroscape-Fläche, HSA) mit hydraulischen Merkmalen, um die tatsächliche Leistung der Pflanzen bei Trockenheit zu ermitteln. Wir analysierten die Regulierung des pflanzlichen Wasserpotenzials (Ψpd und Ψmd) und die stomatäre Leitfähigkeit von 28-29 Monate alten Setzlingen von fünf Arten. Ich verwendete einen linearen gemischten Modellierungsansatz, der die Kontrolle individueller Variationen zur Beschreibung der Wasserpotenzialregulierung ermöglichte, und testete verschiedene konzeptionelle Definitionen der Isohydrizität. Die kombinierten Methoden ermöglichten es uns, den relativen Grad der Isohydrizität der Arten zu schätzen. Darüber hinaus untersuchten wir die Koordination der Merkmale, einschließlich der hydraulischen Sicherheitsspanne (HSM), des Embolieresistenz (P88), des Turgorverlustes (Ψtlp), des Spaltöffnungsgrades (Ps90), der Kapazität (C) und des kutikulären Leitwertes (gmin), um die Zeit bis zum hydraulischen Versagen (Thf) zu bestimmen. Thf ist der kumulative Effekt der Zeit bis zum Schließen der Spaltöffnungen (Tsc) und der Zeit nach dem Schließen der Spaltöffnungen bis zum katastrophalen hydraulischen Versagen (Tcrit). Unsere Ergebnisse zeigen, dass die HSA der Arten mit ihrer Spaltöffnungsintensität übereinstimmt, was die Beziehung zwischen der Spaltöffnungsreaktion und dem Rückgang des Wasserpotenzials der Blätter bestätigt. Arten, die ihre Spaltöffnungen bei einem niedrigeren Wasserpotenzial schließen, hatten einen deutlich größeren HSA. Das isohydrische Verhalten stand hauptsächlich mit den hydraulischen Eigenschaften der Blätter in Verbindung und kaum mit den Sicherheitsmerkmalen des Xylems. Der Grad der Isohydrierung der Arten stand auch in keinem Zusammenhang mit der Zeit bis zum Absterben der Arten während der Austrocknungsversuche. Dies unterstützt die Annahme, dass das Isohydrie-Verhalten eher mit der Wassernutzung als mit Überlebensstrategien bei Trockenheit zusammenhängt. Darüber hinaus wiesen isohydrische Arten, wie von uns angenommen, einen größeren internen Wasserspeicher auf und verloren ihren Blattturgor bei weniger negativen Wasserpotentialen. Entgegen unseren Erwartungen standen weder die Embolieresistenz noch die damit verbundenen hydraulischen Sicherheitsspannen in Zusammenhang mit Isohydratisierungsmerkmalen. Stattdessen deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass sich die Merkmale, die mit der Reaktion der Pflanzen auf Trockenheit in Verbindung stehen, entlang zweier weitgehend unabhängiger Variationsachsen (d. h. stomatäre Strenge und Xylem-Sicherheit) gruppieren. Was den zeitlichen Verlauf der pflanzlichen Reaktionen auf Trockenheit betrifft, so ist der Stomataverschluss für die Koordinierung der verschiedenen Merkmale entscheidend, um die hydraulischen Strategien der Arten zu bestimmen. Die Strategie zur Vermeidung von Austrocknung war mit Tsc und koordinierten Merkmalen wie Ps90, Ψtlp und HSA verbunden, während die Austrocknungstoleranz mit Tcrit und Merkmalen wie einem niedrigeren P88-Wert, einem hohen HSM und einem niedrigeren gmin zusammenhing. Insbesondere die Sprosskapazität (C) ist für Thf entscheidend und zeigt ein dichotomes Verhalten, das sowohl mit Tsc als auch mit Tcrit zusammenhängt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Wissen um die Wechselwirkungen zwischen der Wachstumsrate und der Sicherheitseffizienz des Xylems in Verbindung mit Merkmalen, die mit den hydraulischen Strategien der Arten entlang der Isohydrie zusammenhängen, unsere Fähigkeit, trockenheitsresistente Setzlinge zu identifizieren, erheblich verbessern könnte, um den Erfolg von Aufforstungsprogrammen zu gewährleisten und die Empfindlichkeit gegenüber Trockenheit vorherzusagen, um nachhaltige Waldökosysteme zu erreichen. KW - Wachstumsrate KW - hydraulic efficiency KW - phenotypic plasticity KW - growth rate KW - safety-efficiency trade-off KW - vulnerability curve KW - stomatal closure KW - desiccation time KW - hydroscape KW - cuticular conductance KW - shoot capacitance KW - Baum KW - Wasser KW - hydraulische Effizienz KW - Verwundbarkeitskurve KW - Stomatenverschluss KW - Hydroscape-Gebiet Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-326245 ER -