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Schwerpunktprogramm (SPP) 1374: Biodiversitäts-Exploratorien; Exploratories for Long-Term and Large-Scale Biodiversity Research (Biodiversity Exploratories), Teilprojekt: Künstliche Intelligenz zum automatisierten Monitoring von Insekten Biodiversität

Insekten und Grasländer sind wegen ihrer großen Vielfalt, ihrer Empfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen und ihrer Bedeutung für zahlreiche Ökosystemfunktionen intensiv untersuchte ökologische Modelle. In den Biodiversitätsexploratorien und andernorts wurde ein erheblicher Rückgang der Insektenabundanz und -vielfalt dokumentiert und die Intensivierung der Landnutzung wurde als eine der wichtigsten Ursachen für den weltweiten Artenverlust ermittelt. Die Intensivierung der Grünlandbewirtschaftung führt nachweislich zu einer Verringerung der Abundanz und Vielfalt von Arthropoden, aber die Auswirkungen variieren je nach Landnutzungskomponente und untersuchter Arthropodengruppe. Ein mechanistisches Verständnis dieser Variabilität wird durch die fehlende räumliche und zeitliche Auflösung des Insektenmonitorings behindert, die aufgrund der Arbeitsintensität etablierter Monitoring-Methoden und durch die beschränkte Ressourcenverfügbarkeit bedingt ist. Daher sind neue Methoden für das Insektenmonitoring erforderlich, um die erforderlichen hochauflösenden Daten zu generieren und unser Verständnis der Auswirkungen der Landnutzung auf Insektengemeinschaften zu verbessern. Digitales Monitoring auf der Grundlage von Fotos und KI-gestützter Bilderkennung sind vielversprechende Techniken, die dies ermöglichen. Das vorliegende Projekt zielt darauf ab, fliegende Insekten in den Grünlandflächen der Biodiversitätsexploratorien mit sehr hoher zeitlicher Auflösung zu dokumentieren. Wir werden verfügbare RGB-Kamera-Fallensysteme verwenden und Deep-Learning-Algorithmen entwickeln, um die Abundanz der Insekten, die Diversität von Morphogruppen und die Verteilung der Körpergrößen zu quantifizieren. Wir werden auf den vorhandenen Insektendaten aus den Biodiversitätsexploratorien aufbauen, um Trainingsdaten zu erhalten und die Leistung der KI-Bilderkennung zu überprüfen. Durch den Einsatz eines eingebetteten Sensorsystems mit mobiler Konnektivität zum Monitoren von Insekten wollen wir kontinuierliche in-situ-Messungen in den Grünlandflächen der drei Regionen der Biodiversitätsexploratorien vor, während und nach verschiedenen Landmanagementaktivitäten durchführen. Aufgrund der hohen zeitlichen Auflösung unserer Daten können wir untersuchen, wie sich Landnutzungsaktivitäten auf die Dynamik und Stabilität der Insektengemeinschaften auswirken, indem wir den Referenzzustand, Störungseffekte und Erholungsphasen direkt quantifizieren. Wir werden zwischen demografischen Prozessen und (Wieder-)Besiedlungsprozessen als Reaktion auf Störungen durch die Landnutzung unterscheiden und dabei ausnutzen, dass demografische und verhaltensbasierten Prozesse auf unterschiedlichen Zeitskalen ablaufen; z. B. ist die Wiederbesiedlung viel schneller als die Reproduktion. Durch die hier vorgeschlagene Forschung wird dieses Projekt die verfügbare Technologie für das Insektenmonitoring und das mechanistische Verständnis der Auswirkungen der Landnutzung auf Insektengemeinschaften vorantreiben.

Ressortforschungsplan 2020, TP3: Wissenschaftskommunikation und Verstetigung

Insektenvielfalt am Fließgewässer fördern, Teilvorhaben: Libellen-Monitoring

Konzept zur Förderung der Vielfalt der Insekten im Wald

Konzept vom Landesbetrieb Landesforsten RP zur Förderung der Vielfalt der Insekten im Wald

Flower visitor interactions in 2007, Schwäbische Alb

<p>Original data comes from a project which takes or took place as part of the DFG priority program "Exploratories for large-scale and long-term functional biodiversity research". The data is stored together with descriptive metadata, in combination called a dataset, in the project repository (https://www.bexis.uni-jena.de). Species information was extracted from that original dataset. The second paragraph is part of the metadata of the original dataset.</p><p>Specialisation of flower visitors is compared across grasslands along a gradient of land use intensity. We focus on resource-based mechanisms that may determine flower visiting insect communities in different habitats. We analyze flower diversity and abundance as well as pollinator diversity and abundance and flower visiting rates of pollinators in order to measure possible variation between differently used sites. Moreover, we will characterize the degree of specialisation on species and community level (pollinator networks; Blüthgen et al. 2007).</p>

Vielfalt herbivorer Insekten entlang von Höhen- und Störungsgradienten in ecuadorianischen Bergwäldern - Schmetterlinge als Modellfall

Herbivore Insekten stellen eine wesentliche Komponente des Artenreichtums terrestrischer Ökosysteme und spielen zugleich als Bindeglied verschiedener Trophie-Ebenen eine wichtige Rolle in Stoffflüssen. Insbesondere für artenreiche Herbivorengemeinschaften ist bis heute unklar, ob Pflanzenartenreichtum oder eher Strukturparameter der Vegetation (neben abiotischen Faktoren wie Klima und Nährstoffangebot) die Diversität der Pflanzenfresser entscheidend determinieren. Am Beispiel mehrerer artenreicher Schmetterlings-Taxozönosen soll in einem südecuadorianischen Bergwaldgebiet diese Frage beantwortet werden, wobei Datensätze aus botanischer, bodenkundlicher und klimatologischer Forschung mit quantitativen Erhebungen zur Struktur und Vielfalt der Insekten-Artengemeinschaften zusammengeführt werden. Dabei stehen zunächst Taxozönosen in einem ausgeprägten Höhengradienten zur Analyse an, während in einem zweiten Schritt auch Muster und Mechanismen der Besiedlung anthropogen degradierter Landschaften (Weiden, Brache- und Sukzessionsflächen unterschiedlichen Alters, Aufforstungen) durch diese Herbivorentaxa bearbeitet werden.

Flower-visiting insect intercations in grasslands, 2008

<p>Original data comes from a project which takes or took place as part of the DFG priority program "Exploratories for large-scale and long-term functional biodiversity research". The data is stored together with descriptive metadata, in combination called a dataset, in the project repository (https://www.bexis.uni-jena.de). Species information was extracted from that original dataset. The second paragraph is part of the metadata of the original dataset.</p><p>Specialisation of flower visitors is compared across grasslands along a gradient of land use intensity. We focus on resource-based mechanisms that may determine flower visiting insect communities in different habitats. We analyze flower visiting rates of pollinators in order to measure possible variation between differently used sites. Moreover, we characterize the degree of specialisation on species and community level (pollinator networks; Blüthgen et al. 2007).</p>

DINA Dataset University of Kassel

<p>Examination of metabarcoding plant DNA traces from Malaise trap samples. A dataset of 79 samples from 21 sites in Germany was analyzed using the ITS2 barcode. This study is part of the project DINA (Diversity of insects in Nature Reserves) to study insect communities in 21 nature reserves in Germany.</p>

Bedeutung des Klimas für die Interaktionen zwischen holzabbauenden Mikroorganismen und Insekten auf globaler Ebene

Der Abbau von Totholz stellt einen wichtigen Prozess im globalen Kohlenstoffkreislauf der Wälder dar. Die biotischen Hauptagenten des Holzabbaus sind Mikroorganismen und Insekten, aber während Insekten in den Tropen den Holzabbau beschleunigen, wirken sie in der gemäßigten und borealen Zone neutral oder sogar negativ auf den Holzabbau. Insekten interagieren eng mit holzzersetzenden Mikroorganismen, einschließlich symbiotischer Assoziationen, Facilitation und Konkurrenz. Es ist jedoch unklar, wie sich die Auswirkungen von Insekten auf mikrobielle Gemeinschaften entlang globaler Klimagradienten verändern. Während lokale Feldstudien und Laborexperimente gezeigt haben, dass Insekten-Mikroorganismen-Interaktionen den Holzabbau sowohl beschleunigen als auch verlangsamen können, wurde bisher nicht untersucht, ob dieser Mechanismus erklärt, warum sich die Auswirkungen von Insekten auf den Abbau so stark von tropischen zu borealen Wäldern ändern. In dem vorgeschlagenen Projekt werden wir die erste globale Studie zu Insekten-Pilz-Interaktionen in Totholz durchführen, indem wir Holzproben aus einem globalen Experiment verwenden, das Behandlungen umfasste, die entweder Insekten Zugang gewährten oder Insekten ausschlossen (Seibold et al. 2021, Nature). Die Holzproben wurden bereits gesammelt und nun sollen die Pilz- und Bakteriengemeinschaften durch DNA-Sequenzierung bestimmt werden, um die Effekte der Insekten zu untersuchen. Dieser Ansatz ermöglicht es zu untersuchen, wie globale Klimagradienten die Interaktionen zwischen Insekten und holzzersetzende Pilzen und Bakterien beeinflussen. Dies wird zu einem besseren Verständnis darüber beitragen, wie Insekten die mikrobielle Biodiversität beeinflussen und wie sich diese Effekte auf den Holzabbau übertragen. Wir werden fünf Hypothesen testen bezüglich der Effekte von Insekten auf Mikroorganismengemeinschaften in Relation zu globalen Klimagradienten. Dabei werden wir Diversität auf verschiedenen Ebenen (alpha- und beta-Diversität), sowie Maße für Spezialisierung basierend auf Netzwerkanalysen und phylogenetische Diversität betrachten.Angesichts des globalen Klimawandels und des anhaltenden Verlusts an Biodiversität, einschließlich unter den Waldinsekten, ist ein besseres Verständnis der Effekte des Klimas auf die komplexen Beziehungen zwischen holzbewohnenden Insekten und Mikroorganismen erforderlich, um die Zukunft der globalen Kohlenstoffsenke im Wald vorherzusagen. Wir sind zuversichtlich, dass das vorgeschlagene Projekt ein wichtiger Schritt ist, um diese Wissenslücke zu schließen und damit nicht nur für die Wissenschaft, sondern auch für die Umwelt- und CO2-Politik von großer Bedeutung sein wird.

Untersuchung der Veränderungen der Biodiversität im Tertiär am Beispiel der Insekten aus der Fossillagerstätte Messel, Deutschland

Die eozäne Fossillagerstätte Grube Messel ist besonders für ihre hervorragend erhaltenen Wirbeltierfossilien berühmt. Dass es große Sammlungen von herausragend überlieferten Insekten gibt, ist weitgehend unbekannt. Die gute Fossildokumentation der Insekten ist eine wichtige Grundlage für die Untersuchung des ehemaligen terrestrisch-limnischen Ökosystems zur Zeit des eozänen Klimaoptimums in Mitteleuropa. Detaillierte Vergleiche zwischen den Insektenfaunen verschiedener Lokalitäten sollen die Rekonstruktion von zeitlichen und räumlichen Diversitätsmustern der Insekten ermöglichen.

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