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Ecosystem functions of rare arable plants - field study: Carabidae data

Partly taken from the materials and methods of https://doi.org/10.1016/j.baae.2022.12.003: To compare the activity densities of ground-dwelling predators between treatments with and without RAPs, carabids were sampled using pitfall traps, which were set up after each round of aphid counting (one per plot, twice per year; Brown & Matthews, 2016). The traps (with a volume of 400 ml and a width of 90 mm) were filled with a mixture of water and ethylene glycol (1:1; 120 ml) and dug at ground level into the middle of each plot. The traps were covered with a plastic roof and a metal grid (15 × 15 mm grid size) to avoid overflowing during rain and accidental rodent catches (Császár et al., 2018). The traps were activated for 7 days. Subsequently, all arthropods were transferred into 70% ethanol. Carabids were identified to species according to Hůrka (1996). Carabid feeding behavior was classified according to Homburg et al. (2014). To simplify the dataset, carabid feeding behavior was classified as predominantly granivorous (species mainly feed on seeds and fruits) or as carnivorous/omnivorous, because carnivorous and omnivorous species are potentially feeding on aphids and other non-plant material.

Ecosystem functions of rare arable plants - field study: Araneae data

Partly taken from the materials and methods of https://doi.org/10.1016/j.baae.2022.12.003: To compare the activity densities of ground-dwelling predators between treatments with and without RAPs, spiders were sampled using pitfall traps, which were set up after each round of aphid counting (one per plot, twice per year; Brown & Matthews, 2016). The traps (with a volume of 400 ml and a width of 90 mm) were filled with a mixture of water and ethylene glycol (1:1; 120 ml) and dug at ground level into the middle of each plot. The traps were covered with a plastic roof and a metal grid (15 × 15 mm grid size) to avoid overflowing during rain and accidental rodent catches (Császár et al., 2018). The traps were activated for 7 days. Subsequently, all arthropods were transferred into 70% ethanol. Spiders were identified to species according to Nentwig et al. (2019). Spider hunting strategy (active hunter or web-builder) was used as the feeding trait according to Cardoso et al. (2011).

Populationsmodell des Auerhuhns in den Schweizer Alpen: Grundlagen für den Artenschutz

Das Auerhuhn ist eine stark gefährdete Brutvogelart der Schweiz. Veränderungen in der Zusammensetzung und Nutzung des Waldes haben dazu geführt, dass sich die Bestände dieses Raufusshuhns in den letzten drei Jahrzehnten halbiert haben. Deshalb sollen die Lebensraumansprüche des attraktiven Waldvogels vermehrt in der Planung und Umsetzung von Waldreservaten und der Bewirtschaftung von Wäldern der höheren Lagen berücksichtigt werden. Auf der kleinen räumlichen Ebene sind die Habitatsansprüche der Art durch Untersuchungen in West- und Mitteleuropa (Storch 1993, 2002, Schroth 1994) und Skandinavien relativ gut bekannt. Dagegen werden die Populationsprozesse auf der Ebene der Landschaft erst in Ansätzen verstanden (Sjöberg 1996, Kurki 2000). Entsprechend konnte man die Bestandsrückgänge in den meisten Gebieten Europas noch nicht stoppen, da einerseits genauere Kenntnisse über das Zusammenspiel und die relative Bedeutung der einzelnen Faktoren fehlen (Habitatqualität, Störungen, Prädatoren, Witterung-Klima, Huftierkonkurrenz), und andererseits noch nicht versucht wurde, die Bestandsentwicklung im grossen landschaftlichen Massstab als Metapopulationsdynamik zu verstehen. Es ist das primäre Ziel dieses Projekts, ein räumlich explizites Metapopulationsmodell des Auerhuhns für einen grossen Landschaftsausschnitt der Schweizer Alpen zu erarbeiten. Dabei sollen die erwähnten Einflussfaktoren möglichst umfassend berücksichtigt werden. Die Arbeit soll modellhaft zeigen, dass für das Verständnis von Populationsvorgängen von raumbeanspruchenden Wildtierarten eine Analyse und Bewertung von lokal bis überregional wirksamen Einflussfaktoren notwendig sind. Die Ergebnisse sollen zudem als konzeptionelle Grundlage für den Nationalen Aktionsplan Auerhuhn und für regionale Artenförderungsprojekte dienen. Folgende Fragen und Themen sind für das Projekt von zentraler Bedeutung: Wie gross ist das landschaftsökologische Lebensraumpotenzial für das Auerhuhn in den Alpen, wie ist es räumlich verteilt? Wie verteilen sich die lokalen Auerhuhnpopulationen in diesen Potenzialgebieten? Wie gross sind die Bestände? Welche Faktoren beeinflussen den Status von Lokal- und Regionalpopulationen? Welche Populationen haben abgenommen oder sind verschwunden, welche sind stabil (Source-Sink-Mechanismen)? Zwischen welchen räumlich getrennten Populationen besteht ein Austausch? Welche Landschaftselemente wirken als Barrieren? Entwickeln einer nicht-invasiven Methode für die genetische Differenzierung von Populationen, sowie für Bestandsschätzungen und Monitoring.

Wozu bauen Coccolithophoriden eine Kalkschale? Dient sie zum Schutz gegen Fressfeinde und Pathogene?

Coccolithophoriden sind eine Gruppe von ca. 200-300 marinen Phytoplanktonarten, die in allen Weltmeeren vorkommt. Sie besitzen die besondere Fähigkeit eine Kalkschale (Coccosphäre) zu bauen, die sie aus vielen kleinen Kalkplättchen (Coccolithen) zusammensetzen. Aufgrund ihrer Fähigkeit zu kalzifizieren sind sie ein wichtiger Bestandteil im Klimasystem, denn die Produktion von Kalk nahe der Meeresoberfläche führt zu einem vertikalen Gradienten der Seewasseralkalinität, beschleunigt den Kohlenstoffexport in die Tiefsee und erhöht die Rückstrahlung von einfallender Sonnenenergie von der Erdoberfläche ins Weltall. Trotz intensiver Forschung an der Physiologie der Kalzifizierung und dessen biogeochemischer Relevanz konnten wir eine der entscheidenden Fragen immer noch nicht beantworten: Wozu bauen Coccolithophoriden eine Kalkschale? Die Beantwortung dieser Frage ist von außerordentlicher Bedeutung, denn solange wir nicht wissen wozu die Kalkschale dient können wir auch nicht vorraussagen in welchem Maße sich die durch die Ozeanversauerung zu erwartende Abnhame in der Kalzifizierung negativ auf die Fitness dieser Lebewesen in ihrem natürlichen Lebensraum auswirkt. In dem hier vorgestellten Projekt möchten wir die Frage nach der Bedeutung der Kalzifizierung erforschen, indem wir untersuchen ob die Coccosphäre einen Schutz gegen planktonische Räuber, Bakterien und Viren darstellt. Dazu haben wir eigens einen experimentellen Ansatz entwickelt wobei kalzifizierte und dekalzifizierte Coccolithophoridentzellen zusammen mit deren Fressfeinden und Pathogenen kultiviert werden. Dieser Ansatz erlaubt es uns folgende Fragestellungen zu untersuchen: 1) Sind kalzifizierte Zellen besser in der Lage sich gegen Fraß und Infektion zu schützen als Zellen ohne Coccosphäre? 2) Bevorzugen Fressfeinde und Pathogene solche Zellen, bei denen die Coccosphäre entfernt wurde, wenn ihnen beides angeboten wird? 3) Sind Wachstum und Reproduktion von Fressfeinden und Pathogenen verlangsamt, wenn sie kalzifizierte Zellen fressen oder infizieren?

Ecosystem functions of rare arable plants - field experiment: Carabidae data

Partly taken from the materials and methods of https://doi.org/10.1016/j.baae.2022.12.003: To compare the activity densities of ground-dwelling predators between treatments with and without RAPs, carabids were sampled using pitfall traps, which were set up after each round of aphid counting (one per plot, twice per year; Brown & Matthews, 2016). The traps (with a volume of 400 ml and a width of 90 mm) were filled with a mixture of water and ethylene glycol (1:1; 120 ml) and dug at ground level into the middle of each plot. The traps were covered with a plastic roof and a metal grid (15 × 15 mm grid size) to avoid overflowing during rain and accidental rodent catches (Császár et al., 2018). The traps were activated for 7 days. Subsequently, all arthropods were transferred into 70% ethanol. Carabids were identified to species according to Hůrka (1996). Carabid feeding behavior was classified according to Homburg et al. (2014). To simplify the dataset, carabid feeding behavior was classified as predominantly granivorous (species mainly feed on seeds and fruits) or as carnivorous/omnivorous, because carnivorous and omnivorous species are potentially feeding on aphids and other non-plant material.

Ecosystem functions of rare arable plants - field experiment: Araneae data

Partly taken from the materials and methods of https://doi.org/10.1016/j.baae.2022.12.003: To compare the activity densities of ground-dwelling predators between treatments with and without RAPs, spiders were sampled using pitfall traps, which were set up after each round of aphid counting (one per plot, twice per year; Brown & Matthews, 2016). The traps (with a volume of 400 ml and a width of 90 mm) were filled with a mixture of water and ethylene glycol (1:1; 120 ml) and dug at ground level into the middle of each plot. The traps were covered with a plastic roof and a metal grid (15 × 15 mm grid size) to avoid overflowing during rain and accidental rodent catches (Császár et al., 2018). The traps were activated for 7 days. Subsequently, all arthropods were transferred into 70% ethanol. Spiders were identified to species according to Nentwig et al. (2019). Spider hunting strategy (active hunter or web-builder) was used as the feeding trait according to Cardoso et al. (2011).

Zeitliche und räumliche Dynamik der Mutationslast des Antarktischen Prädatoren Arctocephalus gazella

Die Resilienz natürlicher Populationen gegen Umweltveränderungen wird von der Menge schädlicher Mutationen in der Population, d.h. ihrer Mutationslast bestimmt. Deren Fitnesseffekt hängt vom Selektionsdruck und der Populationsgröße ab, welche beide in Raum und Zeit veränderlich sind. Auswirkungen dieser Dynamik auf die Mutationslast sind wenig erforscht, was unser Verständnis der Gefährdung von Arten durch Umweltveränderungen behindert. Drastische Reduzierungen der Populationsgröße führen zu Inzucht, was die Mutationslast stärker exponiert und selektiv wirksam macht. Dies verursacht eine Fitness-Reduktion betroffener Individuen, ermöglicht aber auch eine Entfernung schädlicher Mutationen durch Purging, was die Mutationslast langfristig verringern kann. Folglich hat Übernutzung in der Vergangenheit die Mutationslast vieler Arten beeinflusst, vor allem in der Antarktis, wo Robben- und Walfang große ökologische Auswirkungen hatten. In meinem Projekt plane ich durch Genomsequenzierung räumliche und zeitliche Dynamiken der Mutationslast in Antarktischen Pelzrobben zu erforschen. Dabei verfolge ich drei komplementäre Ziele. Erstens werde ich räumliche Dynamiken der Mutationslast durch den Vergleich von sechs Populationen mit unterschiedlicher effektiver Populationsgröße und Geschichte untersuchen. Erkenntnisse zur Mutationslast dieser Populationen liefern Aufschluss über deren Gefährdung durch Umweltveränderungen. Zweitens werde ich Langzeit-Dynamiken der Mutationslast durch eine Quantifizierung von Purging zu verschiedenen Zeitpunkten der Populationsgeschichte analysieren. Ein Vergleich von Regionen innerhalb des Genoms welche vor, während und nach dem durch Robbenjagd verursachten Flaschenhals von Inzucht betroffen waren, wird über das genetische Erbe dieses Eingriffes aufklären. Schließlich werde ich kurzfristige Dynamiken der Mutationslast untersuchen, indem ich den Umwelteinfluss auf die Mutationslast einer rückläufigen Population in Südgeorgien analysieren werde. Dort hat sich der Selektionsdruck auf die Robben durch den von Erwärmung getriebenen Rückgang des Antarktischen Krills erhöht. Eine einzigartige, vier Jahrzehnte umfassende Langzeitstudie erlaubt hier die Erforschung des Zusammenhangs der Mutationslast und dem Fitnessmerkmal „Rekrutierungs-Erfolg“. Dies kann zeigen, ob aktuelle Umweltveränderungen die Mutationslast durch Purging verringern, was für die Beständigkeit der Populationen relevant ist. Mein Projekt kombiniert hochauflösende genomische Verfahren mit einem herausragenden Untersuchungssystem und verspricht neue Erkenntnisse zur Beständigkeit eines antarktischen Prädatoren. Diese sind essentiell für das Verständnis der Resilienz des Ökosystems des Südpolarmeeres. Durch die Einführung moderner genomischer Methoden in ein polares Modellsystem werde ich zum SPP beitragen können, zudem werde ich mich durch Kollaborationen und das Ausrichten eines Workshops zu reproduzierbarem coding in die breitere SPP-Gemeinschaft integrieren.

Teilprojekt C 01 : Populationsdynamik von Fischarten in reoligotrophierenden Seen (Habitatwahl und Ressourcennutzung von Fluss- und Kaulbarsch im reoligotrophierten Bodensee), Habitatwahl und Ressourcennutzung von Fluss- und Kaulbarsch im reoligotrophierten Bodensee

In den Untersuchungen sollen die Auswirkungen der tages- und jahreszeitlichen Habitatwechsel von Fluss- und Kaulbarsch auf die Interaktionen zwischen diesen beiden Arten sowie auf andere trophische Ebenen der litoralen, pelagischen und benthalen Biozoenosen analysiert werden. Dazu werden zwei Themenbereiche bearbeitet: a) Flussbarsche leben nach dem Schluepfen im Pelagial und kehren nach einigen Wochen wieder zum Litoral zurueck. Es soll in einer Orientierungsarena untersucht werden, ob die Tiere dabei gerichtete Wanderungen durchfuehren und an welchen Reizen sie sich orientieren. Waehrend der Vegetationsperiode scheinen Flussbarsche sehr standorttreu zu sein, was durch ultraschalltelemetrische Verfolgung von adulten Einzeltieren im See ueberprueft werden soll. b) der Flussbarschbestand des Bodensees ist in den 90er Jahren zwei grundlegenden Veraenderungen in seinem Lebensraum ausgesetzt, der Oligotrophierung, die zu einer Abnahme des Zooplanktons und einem Rueckgang der strukturbildenden submersen Makrophyten fuehrt, und gleichzeitig einem stark wachsenden Bestand des Kaulbarsches, eines potentiellen Konkurrenten. Diese Fischart trat 1987 erstmals im Bodensee auf und ist heute in vielen Regionen des Sees die haeufigste Fischart im Litoral. Wir wollen untersuchen, wie sich diese Veraenderungen auf Habitat- und Nahrungswahl des Flussbarsches auswirken und wie Fluss- und Kaulbarsch um Raum und Nahrung konkurrieren. Weiterhin sollen die in-situ Praedationsraten beider Arten abgeschaetzt und die verhaltensphysiologischen Grundlagen ihrer Raeubervermeidungsstrategien untersucht werden. Hierzu werden intensive Befischungen im Freiland durchgefuehrt und es sind Experimente in Mesokosmen geplant, in denen die Bedeutung einzelner Faktoren analysiert wird.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1158: Antarctic Research with Comparable Investigations in Arctic Sea Ice Areas; Bereich Infrastruktur - Antarktisforschung mit vergleichenden Untersuchungen in arktischen Eisgebieten, Wirts-Mikroben Interaktionen in einer sich veränderten Welt: Steuergrössen für das Darmmikrobiom von Robben in der Antarktis und Konsequenzen für die Fitness der Tiere

Wirbeltiere sind mit einer großen Zahl von Mikroorganismen assoziiert. Diese mikrobiellen Gemeinschaften tragen um Größenordnungen mehr Gene als ihre Wirte und erfüllen Funktionen, die im Genom des Wirts nicht kodiert sind. Der Magen-Darmtrakt zeichnet sich durch ein sehr diverses Mikrobiom aus. Beim Menschen wird eine verminderte mikrobielle Vielfalt im Darm mit vielen Krankheiten in Verbindung gebracht, darunter Autoimmunerkrankungen, Diabetes und Fettleibigkeit. Über die Beziehung zwischen Darmmikroben und Gesundheit in wild lebenden Wirbeltierpopulationen ist jedoch nur wenig bekannt, da dort eine höhere genetische Variation und eine ausgeprägte Umweltheterogenität die Auswirkungen des Darmmikrobioms auf den Wirt modulieren oder sogar überlagern können. Diese große Lücke in unserem Wissen über die Wechselwirkungen zwischen Wirt und Mikrobiom behindert unser Verständnis von Widerstandsfähigkeit und Anpassung von wild lebenden Tieren an den Klimawandel. In diesem Projekt untersuchen wir die antarktischen Pelzrobben und wollen verstehen wie sich Veränderungen im Darmmikrobiom der Tiere auf die Fitness von unterschiedlichen Wildpopulation auswirken. Als Steuergröße wird das verringerte Nahrungsangebot für einige Wildpopulationen genutzt, dass sich durch den Klimawandel in manchen Regionen der Antarktis ergeben hat. Entsprechend untersuchen wir zwei interagierende Umweltstressoren - Nahrungsbeschränkung und soziale Dichte. Das Projekt konzentriert sich auf das kritische Entwicklungszeitfenster zwischen der Geburt und der Ernährungsunabhängigkeit und wird die Auswirkungen wichtiger intrinsischer und extrinsischer Faktoren auf das Darmmikrobiom und sein Zusammenspiel mit mehreren fitnessrelevanten Phänotypen wie Wachstum, Überleben, Stresshormonspiegel, Immunfunktion und Genexpression aufklären. Darüber hinaus wird ein kürzlich entwickelter Einzelnukleotid-Polymorphismus-Array eine robuste Bewertung der modulierenden Auswirkungen des Wirtsgenotyps ermöglichen, einschließlich der vererbbaren genetischen Variation und der genetischen Qualität, ausgedrückt als Inzucht und immunogenetische Vielfalt. Wir stellen die Hypothese auf, dass eine geringere Nahrungsverfügbarkeit die mikrobielle Vielfalt im Darm verringert und die Prävalenz mukolytischer und proinflammatorischer Taxa erhöht, was sich negativ auf die Fitness des Wirts auswirkt. Diese Auswirkungen könnten bei Individuen mit schlechter genetischer Qualität besonders ausgeprägt sein, da diese weniger effektiv in der Lage sind, schädliche Mikroben zu bekämpfen, und dies auch unter stressigen Bedingungen mit hoher Dichte. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass durch die Kombination von phänotypische Parametern der Individuen mit mikrobiellen Daten, erstmals mechanistische Einblicke in die Wirts-Mikroben-Interaktionen einer Wildtierart möglich werden, was Vorhersagen über langfristige Populationstrends und das Management des empfindlichen Ökosystems des Südlichen Ozeans ermöglicht.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1374: Biodiversitäts-Exploratorien; Exploratories for Long-Term and Large-Scale Biodiversity Research (Biodiversity Exploratories), Teilprojekt: Effekt von Landnutzungsintensität und Biodiversität auf trophische Interaktionen von Kleinsäugern (SMaTI)

Multitrophische Interaktionen sind die zugrundeliegenden Mechanismen vieler Ökosystemfunktionen in artenreichen Gemeinschaften. Anstatt zwischenartliche Wechselwirkungen direkt zu erfassen, wird in Studien zum Einfluss von Landnutzungsintensität auf Biodiversität und Ökosystemfunktionen die Abundanz und Vielfalt von Arten bestimmt oder Prozessraten ermittelt. Heute ermöglichen Fortschritte in der DNA-Sequenzierung die empirische Untersuchung einer Vielzahl von Interaktionen. Ziel des SMaTI-Projektes ist es daher, trophische Interaktionen und Ökosystemprozessraten von Kleinsäugern (Eulipotyphla, Rodentia) und ihre Reaktion auf Landnutzungsintensität und Biodiversität im Wald und Grasland empirisch zu erfassen. Kleinsäuger spielen eine entscheidende Rolle für zahlreiche Ökosystemprozesse in natürlichen und bewirtschafteten Ökosystemen, wie beispielweise Samenprädation und Herbivorie. Trotz des großen Einflusses von Kleinsäugern auf Pflanzen- (durch herbivore Rodentia) und Invertebratengemeinschaften (durch carnivore Eulipotyphla), ist weitgehend unbekannt wie die Intensität der Landnutzung die Ernährung von Kleinsäugern beeinflusst. Im Rahmen des SMaTI Projekts sollen Änderungen trophischer Interaktionen entlang des Landnutzungsgradienten durch Metabarcodierung pflanzlicher und tierischer DNA im Mageninhalt von Mäusen, Wühlmäusen und Spitzmäusen analysiert werden. Diese detaillierte Momentaufnahme der Ernährung wird durch Informationen zur langfristigen Ressourcennutzung ergänzt. Dazu werden stabile Isotope im Muskelgewebe der Kleinsäuger untersucht. Der Einfluss von Kleinsäugern auf Samen- und Insektenprädation wird mittels einer Kombination aus Cafeteria-Experiment und Kamerabeobachtung erfasst. Diese Methode ermöglicht es Prädatoren zu identifizieren und den Pro-Kopf-Verbrauch von exponiertem Saatgut und tierischer Beute durch verschiedene Konsumentengruppen zu ermitteln. Die vorgeschlagene Studie ist die erste, die darauf abzielt, Veränderungen in der Ernährung von Kleinsäugern entlang eines systematisch gewählten Landnutzungsgradienten zu erfassen. Dabei werden detaillierte Daten zu trophischen Interaktionen wichtige Einblicke in Mechanismen gewähren, die der Dynamik der Artenzusammensetzung und den ökologischen Prozessen in komplexen Ökosystemen zugrunde liegen.

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