Species have to cope with climate change either by migration or by adaptation and acclimatisation. Especially for long-living tree species with a low seed dispersal capacity (e.g. European beech, hereafter called beech), the in situ responses through genetic adaptation and phenotypic plasticity play an important role for their persistence. Beech, the dominant climax tree species in Central Europe, shows a high drought sensitivity and its distribution range is expected to shift northwards. On the other hand, projected northward shifts need to be taken with caution, as some studies suggest a sensitivity of beech to frost events in winter and spring. However, studies on the growth performance of cold-marginal beech populations are still rare. Previous studies on beech populations found local adaptation to drought and phenotypic plasticity in fitness-related traits as well as phenological traits. However, studies on the regeneration of beech under natural conditions are yet missing, although germination and establishment of young trees are a very first selective bottleneck and are crucial for tree population persistence and for successful range shifts.
This PhD-thesis aimed to identify the potential of plasticity and local adaptation in the important early life-history traits germination, establishment after the 1st year, and survival after the 2nd year in a reciprocal transplantation experiment at 11 sites across and even beyond the distribution range of beech (Manuscript 1). Moreover, this thesis investigated the climate sensitivity and the adaptation potential of beech populations by conducting dendroecological studies along a large climatic gradient across the distribution range (Manuscript 2) and along a strong winter temperature gradient towards the cold distribution margin in Poland (Manuscript 3). In addition, the impact of local climatic singularities was studied in a local study at the southern margin (Manuscript 4).
Warm and dry conditions limited natural regeneration, which was indicated by very low survival of young trees, even though germination rates increased with increasing temperature (Manuscript 1). This was also the case in parts of the distribution centre due to the hot and dry conditions in 2018. Although the transplantation experiment revealed high plasticity in the early life-history traits, this plasticity might thus not buffer against climate change under dry conditions. Local adaptation was not detected for any of these traits along the climatic gradient. In contrast, the results of the dendroecological study across the gradient (Manuscript 2) hint towards an adaptation potential of adult trees to drought at the southern margin. Thus, adult trees seemed to be adapted to drought at the southern margin, whereas tree growth in the distribution centre was sensitive to drought. These results indicate that parts of the centre may become ecologically marginal with increasing drought frequency in times of climate change. Interestingly, Manuscript 4 shows that beech growth was positively influenced by frequent fog immersion at the southern distribution margin in north-eastern Spain. This study underlines the importance of local climatic singularities, as they may allow marginal populations to grow in climate refugia in an otherwise unfavourable climate.
At the cold distribution margin, the study in Manuscript 1 found a remarkably higher survival of young trees in Sweden than in Poland. Moreover, the dendroecological studies revealed that beech was hampered by both drought at the cold-dry margin (Manuscript 2) and by winter cold at the cold-wet margin in Poland (Manuscript 3). All these results highlight the importance to study climate sensitivity of adult trees and the response of early life-history traits at the cold margin with a more differentiated view comparing cold-dry against the cold-wet populations and growing conditions. However, the high plasticity of the early life-history traits may allow for an increasing germination rate with climate warming at the northern margin and may thus facilitate natural regeneration there. In contrast, the dendroecological studies suggest that adult trees at the cold distribution margin may suffer either from drought or from winter cold and that the risk for spring frost may increase. Thus, the often-predicted compensation of dry-marginal population decline by a northward range expansion should be discussed more critically.
In conclusion, my PhD thesis provides new knowledge about the potential of natural regeneration and about climate sensitivity of adult trees across the distribution range of beech. Moreover, it underlines the importance to study both the young tree stages as well as adult trees to assess the performance and vulnerability of tree species under climate change, as both showed differences in their response to changing environmental conditions.
Neuronale Plastizität, also Veränderungen neuronaler Strukturen in ihrer funktionellen oder sogar anatomischen Erscheinung, ist noch im Erwachsenenalter nachweisbar. Diese kann durch Kurzzeit- oder Langzeitlernen bzw. -training verursacht sein. Zur Untersuchung von durch Langzeitlernen oder -training hervorgerufenen Effekten eignen sich insbesondere Musiker. Diese zeigen eine bemerkenswerte Fähigkeit, motorische und sensorische Aspekte zu verarbeiten. Viele der dabei ablaufenden Prozesse sind spezifisch für die Interaktion mit dem jeweiligen Instrument. Ziel der zugrunde liegenden Untersuchung war es, instrumentenspezifische Veränderungen in zerebralen und zerebellären Arealen zu identifizieren. Hierzu wurden zwei Gruppen von Instrumentalisten mittels funktioneller Magnet-resonanztomographie untersucht, die in demographischen Parametern und Instrumentalerfahrung weitgehend homogen waren, sich aber in der Art der Interaktion mit dem jeweiligen Instrument unterschieden. Beide Gruppen (Trompeter als Experimentalgruppe, Pianisten als Kontrollgruppe) führten Aufgaben mit isolierter oder kombinierter Lippen- bzw. Fingerbewegung auf einem Trompetenmodell oder einem Keypad durch. Hierbei wurden Trompeten- bzw. Klaviernoten oder Piktogramme von Händen gezeigt, um die geforderten Fingerbewegungen zu kodieren. Während des isolierten Fingerspiels auf dem Trompetenmodell, also ohne zusätzlichen auditorischen Stimulus, zeigten die Trompeter verstärkte Aktivierung im posterior-superioren Kleinhirn, dem primär sensomotorischen Kortex der dominanten Hemisphäre im Bereich der Lippe und des Körperstamms sowie dem linken primär auditorischen Kortex. Diese Ergebnisse legen die Existenz eines audito-motorischen, moto-motorischen sowie zerebro-zerebellären Regelkreises nahe, der bei kontextspezifischen Fingerbewegungen aktiviert wird. Darüber hinaus entwickelten die Trompeter beim kombinierten Lippen- und Fingerspiel sowie isolierten Lippenspiel eine stärkere bilaterale Aktivierung im Heschl Gyrus, obwohl die Pianisten lauter spielten. Dies unterstreicht die Rolle des primär auditorischen Kortex im Rahmen von durch Langzeittraining ausgebildeten auditorischen Feedbackmechanismen. Beim kombinierten Lippen- und Fingerspiel zeigten beide Gruppen eine Annäherung der primär somatosensorischen Repräsentationsareale der Lippe und Hand in der dominanten Hemisphäre im Vergleich zu den jeweils isolierten Bewegungen. Dies wirft die Frage auf, ob es sich bei dem beschriebenen Effekt um einen für die fokale Dystonie des Lippenansatzes ätiologisch relevanten, wie bisher angenommen, oder im Allgemeinen dem kombinierten Lippen- und Fingerspiel geschuldeten handelt. Eine primäre Ökonomisierung der Lippenmuskelaktivität, der eine sekundäre, mit der Spielerfahrung positiv korrelierende folgt, sowie eine niedrigere Sensibilitätsschwelle der Oberlippe konnten mit Hilfe der zusätzlich durchgeführten peripher physiologischen Messungen bei Trompetern gezeigt werden.
Die Fähigkeit Temperaturstress zu wiederstehen gilt als äßerst wichtig für die Fitness eines Individuums oder das Überleben von Arten. Lebewesen müssen daher effektive Mechanismen entwickeln, um unter belastenden Temperaturbedingungen überleben zu können. Reaktionen auf sich ändernde Umweltbedingungen könnnen schnell durch phänotypische Plastizität oder langsame durch genetische Adaptation erfolgen. Neben Temperaturstress haben möglicherweise auch andere Umweltfaktoren einen Effekt auf die Temperaturstressresistenz. Wir erforschten zunächst phänotypische Anpassungen der Temperaturstressresistenz, ausgelöst durch unterschiedliche Manipulationen der Umwelt, bei dem Augenfalter Bicyclus anynana. Temperaturinduzierte Plastizität bewirkte eine schnelle und deutliche Änderung in der Temperaturstressresistenz, dieser Effekt ist reversibel. Kurzzeitige Abhärtung ergab komplexere Muster, so war die Kältestressresistenz beispielsweise am höchsten bei intermediären Temperaturen. Die Temperaturstressresistenz konnte auch durch Futtererhältlichkeit, Alter und Lichtzyklus beeinflußt werden. Des weiteren wurde der Einfluß der Photoperiode auf die Temperaturstressresistenz an der Fliege Protophormia terranovae erforscht. Variationen der Temperaturstressresistenz konnten durch Änderungen in der Photoperiode hervorgerufen werden, so bewirkten kürzere Tageslängen kälteresistentere und längere Tage hitzeresistentere Phänotypen. Wir schlagen vor, dass es sich hierbei um adaptive saisonale Plastizität handelt. Neben Temperaturstress hat möglicherweise auch Inzucht einen negativen Einfluss auf die Fähigkeit, mit sich ändernden Umweltbedingungen zurechtzukommen. Das könnte das Aussterberisiko kleiner Populationen erhöhen, insbesondere wenn Häufigkeit und Intensität extremer Wetterereignisse in Zukunft zunehmen sollen. Wir untersuchten den Einfluss von Inzucht auf den Schlupferfolg, die Entwicklung und die Temperaturstresstoleranz bei dem tropischen Augenfalter Bicyclus anynana indem wir drei verschiedene Inzuchtniveaus bildeten( Ausgekreuzt, nach 1 und nach 2 Geschwisterverpaarungen). Bereits diese vergleichsweise niedrigen Inzuchtniveaus hatten einen negativen Einfluss auf die Reproduktion und Entwicklung bei günstigen Umweltbedingungen. Inzucht reduzierte auch die Kältetoleranz bei adulten Schmetterlingen, während es keinen Einluss auf die Hitzetoleranz gab. Wir schließen daraus das Stresstoleranz nicht zwangsläufig durch Inzucht negativ beeinflusst wird. Verringerte genetische Diversität als Konsequenz von Inzucht oder Drift verringert möglicherweise auch das evolutionäre Potential einer Population. Wir erforschten die Auswirkungen von Inzucht auf das evolutionäre Potential (die Fähigkeit, Kältetoleranz zu erhöhen) mit Hilfe künstlicher Selektion beginnend von drei Inzuchtniveaus (ausgekreuzt, eine und zwei Geschwisterverpaarungen.) Obwohl ein negativer Einfluss genetischer Erosion (z.B. durch Inzucht) auf das evolutionäre Potential theoretisch vorhergesagt wird, sind empirische Nachweise bisher kaum vorhanden. Unsere Studie zeigt eine deutliche Raktion auf die Selektion, deren Effekt in den ingezüchteten Populationen kleiner war als in den ausgekreuzten Populationen. Korrelierte Reaktionen auf die Selektion untersucht in 10 verschiedenen Merkmalen der Lebensgeschichte konnten nicht gefunden werden. Eine Inzuchtdepression ließ sich in einigen untersuchten Merkmalen nach wie vor nachweisen. Merkmale, die bedeutender für die Fitness sind, zeigten dagegen eine deutliche Erholung von der Inzuchtdepression. Wir konnten mit diese Studie experimentell zeigen, das erhöhte Inzuchtniveaus das evolutionäre Potential reduzieren und damit auch die Fähigkeit, sich an ändernde Umweltbedingungen anzupassen. Zuletzt untersuchten wir, ob die durch Selektion erhöhte Kältetoleranz für alle Entwicklungsstadien gilt. Es gab eine positive signifikante Reaktion auf die Selektion bei Imagines, die ein Tag alt waren (das Alter, in dem die Selektion stattgefunden hatte). Ältere Individuen zeigten eine ähnliche, jedoch schwächere Reaktion. Die erhöhte Kälteresistenz ließ sich jedoch nicht bei Eiern, Raupen oder Puppen nachweisen und war sogar geringer in den Selektionslinien im Vergleich zu den Kontrollinien bei Eiern und jungen Raupen. Diese Ergebnisse deuten auf Kosten erhöhter Kältetoleranz im adulten Stadium hin, so dass vermutlich weniger Ressourcen für den Nachwuchs in frühen Stadien der Ontogenie bleiben. Diese Dissertation verdeutlicht, wie wichtig es ist, sowohl genetische als auch Umwelteffekt zusammen zu betrachten, da beide interaktiv die Fähigkeit eines Organismus herausfordern sich an ändernde Bedingungen anzupassen. In Zeiten von durch den Menschen verursachten Verlust und/oder der Verkleinerung von Habitaten, die die Populationsgrößen verkleinern und damit auch die genetische Diversität, sowie erhöhtem Temperaturstress aufgrund des Klimawandels, wird das langfristige Überleben von Arten von dieser Fähigkeit abhängen.
Arm Ability Training (AAT) has been specifically designed to promote manual dexterity recovery for stroke patients who have mild to moderate arm paresis. The motor control problems that these patients suffer from relate to a lack of efficiency in terms of the sensorimotor integration needed for dexterity. Various sensorimotor arm and hand abilities such as speed of selective movements, the capacity to make precise goal-directed arm movements, coordinated visually guided movements, steadiness, and finger dexterity all contribute to our “dexterity” in daily life. All these abilities are deficient in stroke patients who have mild to moderate paresis causing focal disability. The AAT explicitly and repetitively trains all these sensorimotor abilities at the individual's performance limit with eight different tasks; it further implements various task difficulty levels and integrates augmented feedback in the form of intermittent knowledge of results. The evidence from two randomized controlled trials indicates the clinical effectiveness of the AAT with regard to the promotion of “dexterity” recovery and the reduction of focal disability in stroke patients with mild to moderate arm paresis. In addition, the effects have been shown to be superior to time-equivalent “best conventional therapy.” Further, studies in healthy subjects showed that the AAT induced substantial sensorimotor learning. The observed learning dynamics indicate that different underlying sensorimotor arm and hand abilities are trained. Capacities strengthened by the training can, in part, be used by both arms. Non-invasive brain stimulation experiments and functional magnetic resonance imaging data documented that at an early stage in the training cortical sensorimotor network areas are involved in learning induced by the AAT, yet differentially for the tasks trained. With prolonged training over 2 to 3 weeks, subcortical structures seem to take over. While behavioral similarities in training responses have been observed in healthy volunteers and patients, training-induced functional re-organization in survivors of a subcortical stroke uniquely involved the ipsilesional premotor cortex as an adaptive recruitment of this secondary motor area. Thus, training-induced plasticity in healthy and brain-damaged subjects are not necessarily the same.
