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This thesis draws a comprehensive picture about the radiation and diversification of truncatelloidean gastropods across the south pacific. It covers three more specifc studies focussing on the Truncelloideans from Fiji, Vanuatu and New Caledonia, respectively. And a conclusive analysis that combines the results of the three more specific studies and enhances them using species from the Austral Islands, Lord Howe Island, the Indonesian island Sulawesi as well as several species from New Zealand and Australia. Molecular phylogenies were calculated using four nuclear gene fragments (ITS2; 18S rRNA; 28S rRNA and Histone 3) besides the mitochondrial COI and 16S rRNA. Further molecuular data was used to calculate dated phylogenies, perform ancestral range reconstructions and develop a modified molecular barcoding approach.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Verbreitung und Populationsgenetik der invasiven asiatischen Buschmücke Ae. j. japonicus, die sich seit 2008 durch Menschen-vermittelten Transport in Deutschland ausbreitet. Aedes j. japonicus ist unter Laborbedingungen Vektor für verschiedene Viren, unter anderem für das Dengue-Virus und das Chikungunya-Virus, und wurde im Feld mit dem Japanische Enzephalitis-Virus, dem West Nil-Virus und dem La Crosse-Virus infiziert gefunden. 2012 wurde aufgrund mehrerer unabhängiger Mücken-Einsendungen im Rahmen des Citizen-Science-Projekts “Mückenatlas” eine Population der Asiatischen Buschmücke in Westdeutschland entdeckt. Das Verbreitungsgebiet dieser Population befand sich weit nördlich der bisher angenommenen nördlichen Verbreitungsgrenze der Art in Süddeutschland. Das Ausmaß der Population wurde nach einem zeitlich begrenzten Monitoring auf eine Fläche von ca. 2000 km2 bestimmt. Aus dieser Population wurden Individuen von fünf Orten populationsgenetischen Analysen unterzogen, um verwandtschaftliche Beziehungen innerhalb der Population und im Vergleich zu anderen europäischen Populationen aufzudecken. Hierzu wurden sieben Mikrosatelliten-Loci untersucht. Zusätzlich wurde ein Teil der mitochondrialen nad4-Genregion der Individuen auf Nukleotid-Polymorphismen untersucht. Die Ergebnisse wurden mit bereits zuvor erhobenen Daten von Populationen aus der Schweiz, aus Österreich/Slowenien und Belgien verglichen. Die Mikrosatellitensignatur der westdeutschen Population unterschied sich deutlich von der der anderen europäischen Populationen. Weiterhin wurden verschiedene nad4-Haplotypen gefunden, die zuvor nirgendwo sonst in Europa aufgetreten waren. Demnach ist zu vermuten, dass diese Population auf eine unabhängige Einschleppung von Individuen aus Übersee zurückgeht. Der genaue Ursprung – USA oder Ostasien – konnte nicht bestimmt werden. 2013 wurden zwei weitere Ae. j. japonicus-Populationen in Europa entdeckt: eine in Norddeutschland und eine weitere in den Niederlanden. Die genetischen Signaturen von Individuen dieser Populationen wurden wie beschrieben analysiert. Zusätzlich wurde das genetische Material einer größeren Menge von Individuen aus Slowenien sowie von Individuen aus Kroatien und Süddeutschland untersucht. Die Ergebnisse wurden mit denen aus der vorigen Studie verglichen und zeigten aufgrund einer ähnlichen Mikrosatellitensignatur und gleicher nad4-Haplotypen klar, dass die norddeutsche Population eine Subpopulation der westdeutschen ist. Die geringe Populationsdichte und die vergleichsweise kleine Ausdehnung der norddeutschen Population deuten außerdem darauf hin, dass die Abspaltung nicht lange zurückliegt. Die niederländische Population scheint hingegen auf einer weiteren Einschleppung von Individuen aus Übersee zu basieren. Im Spätsommer 2015 wurde die bisher letzte deutsche Ae. j. japonicus-Population in Oberbayern und dem angrenzenden Österreich entdeckt. Populationsgenetischen Analysen zufolge ist diese Population eng mit der früher beschriebenen österreichisch-slowenischen Population verwandt und unterscheidet sich von allen anderen deutschen Populationen, was darauf schließen lässt, dass es sich bei ihr um eine Abspaltung von der österreichisch-slowenischen Population handelt. Die Ver- und Ausbreitung von Ae. j. japonicus in West- und Norddeutschland wurde vom Zeitpunkt der Entdeckung in 2012/2013 bis 2015 beobachtet. In dieser Periode erweiterte die westdeutsche Population ihr Verbreitungsgebiet beträchtlich, während die norddeutsche überhaupt nicht zu expandieren schien. Dies ist möglicherweise darauf zurückzuführen, dass die norddeutsche Population jünger als die westdeutsche ist, das Verschleppungsereignis noch nicht so weit zurückliegt und die Population sich noch in der Gründerphase befindet. Die passive weltweite Verschleppung von Stechmücken wird in der Zukunft vermutlich zunehmen, und die Etablierung und Ausbreitung invasiver Spezies, inklusive der Asiatischen Buschmücke und anderer potenzieller Überträger von Krankheitserregern, werden Europa und Deutschland weiterhin vor herausfordernde Probleme stellen. Das Monitoring der Ausbreitung von Populationen und die Durchführung populationsgenetischer Analysen zur Ermittlung von geographischen Ursprüngen sowie von Wanderungs- und Transportrouten werden helfen, weitere Einschleppungs- und Ausbreitungsereignisse nachzuvollziehen und zu unterbinden und sind daher essenzielle Instrumente des Managements von Mückenvektoren.
Bats belong to the most gregarious and diverse mammals with highly complex social behaviors. Despite extensive research on their ecology and social behavior in some bat species, gained insights are restricted to only few of the more than 1300 species. In the recent past, bats have also become a central topic of a different branch of research: Since the 1990s bats came to the fore of virologists and immunologists due to the bats’ apparent importance as reservoir hosts and vectors of several (mostly tropical) diseases. While this research is focused mainly on emerging infectious diseases linked to bats, and their zoonotic potential, little has been invested regarding the link between disease transmission and bat social systems.
In my work, I aim at filling this gap by merging automated daily roosting observations, social network analysis, and a virological screening in Natterer’s bats (Myotis nattereri). In a collaborative approach, my co-workers and I analyzed the social structure of individually marked Natterer’s bats, their astrovirus detection rate and transmission pathways within their colony, as well as roosting interactions between different co-occurring con- and heterospecific bat colonies.
We discovered Natterer’s bats to display a very divergent social network structure that contradicts the findings of previous studies on large fission-fusion groups. Contrary to the modular social network structure found in e.g. primates or other bats species, the social network of Natterer’s bats consists of only one highly interconnected community. Moreover, although the close proximity between bat hosts in the colony should strongly promote direct transmission, we found indications that astrovirus infections follow at least partly an indirect transmission pathway via contaminated roost use. Lastly, our results prove that co-occurring con- and heterospecific bat colonies, e.g. as in this study Natterer’s bats, brown long-eared bats and Bechstein’s bats, can influence each other in their roost use by avoiding conspecific roosts and by being attracted towards those of heterospecifics. This holds implication for the transmission of parasites and pathogens within and between different colonies with opportunities for spillovers. To conclude, this multidisciplinary study led to valuable insights in the hitherto hidden mechanisms within and among bat colonies.
Tapire wurden bislang im Gegensatz zu ihren Verwandten, den Nashörnern und Pferden bei Studien zur Kommunikation deutlich weniger beachtet. Ziel der vorliegenden Studie war es daher zu überprüfen, welche Reize Informationen für die Kommunikation bei Tapiren bergen. Zu diesem Zweck wurden die Reaktionen von Tapiren auf olfaktorische (Kotproben männlicher Tapire), akustische (Playback verschiedener Tierstimmen) und optische Reize (Plakate mit bearbeiteten Tapirsilhouetten) untersucht sowie das Pflegepersonal zur Wahrnehmung und Kommunikation bei Tapiren befragt. Die Forschungsaufenthalte fanden während der Jahre 2004, 2005 und 2006 in den Zoologischen Einrichtungen der Städte Berlin, Dortmund, Heidelberg, München, Nürnberg, Osnabrück und Mulhouse (Frankreich) statt. Insgesamt wurden 30 Individuen, davon 13 (8.5) Schabrackentapire (Tapirus indicus) und 17 (7.10) Flachlandtapire (Tapirus terrestris) in die Versuche einbezogen.
Lebenslang persistierende Neurogenese ist ein fester Bestandteil des olfaktorischen Systems bei reptanten Dekapoden („Panzerkrebse“; lat. reptans – kriechend; griech. deca – zehn, podes – Füße). Dabei generiert das deutocerebrale proliferative System über die Larvalphase hinaus neue Neuronen, die in die bestehenden neuronalen Netzwerke der deutocerebralen chemosensorischen Loben (auch „olfaktorische Loben“) integriert werden. Während in zahlreichen Studien die phänotypische Ausprägung, der zelluläre Mechanismus zur Umsetzung adulter Neurogenese und deren regulierende Faktoren umfassend untersucht und zum Teil kontrovers diskutiert wurden, ist über die phylogenetische Verbreitung in anderen Taxa der Malacostraca („Höhere Krebse“; griech. malakos – weich, ostrakon – Schale) nichts bekannt. Daher wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit verschiedene Vertreter aus Malakostrakentaxa mit unterschiedlicher phylogenetischer Position untersucht und unter evolutionären Aspekten diskutiert. Wie gezeigt werden konnte, ist adulte Neurogenese vermutlich ein plesiomorphes Merkmal der Eumalacostraca, welches in Vertretern der Euphausiacea („Leuchtgarnelen“; griech. phausis – Leuchten) und Peracarida („Ranzenkrebse“; griech. pera – Ranzen, karides – kleine Seekrebse) reduziert wurde. In Abhängigkeit von der zugrunde gelegten Verwandtschaftshypothese ist die Reduktion der persistierenden Neurogenese entweder mehrfach unabhängig (konvergent) erfolgt oder ein apomorphes Merkmal eines Monophylums aus Euphausiacea und Peracarida. Dagegen ist innerhalb der Decapoda eine Ausdehnung und strukturelle Erweiterung des deutocerebralen proliferativen Systems feststellbar. Um einen möglichen Zusammenhang zur Komplexität und Bedeutung des olfaktorischen Systems zu überprüfen, wurden zusätzlich die neuroanatomischen Merkmale von Vertretern der Decapoda und der Peracarida (am Beispiel der Amphipoda) vergleichend betrachtet. Dabei konnte innerhalb der Decapoda eine Korrelation zwischen der Entwicklung des deutocerebralen proliferativen Systems und der Evolution des akzessorischen Lobus bei Vertretern der Reptantia sowie dessen Reduktion in der Gruppe der Meiura, zu denen die Vertreter der Brachyura („Echte Krabben“; griech. brachys – kurz, oura – Schwanz) und Anomura („Mittelkrebse“; griech. anomalos – ungleich) gehören, festgestellt werden. Basierend auf diesen Ergebnissen wurden Vermutungen über die im Adultus neu generierten Neuronenklassen und somit über die Funktion adulter Neurogenese aufgestellt. In allen anderen untersuchten Taxa der Malacostraca konnte dagegen keine Korrelation mit der Komplexität des olfaktorischen Systems festgestellt werden.
Sowohl für die Leistungsausprägung als auch die Gesundheit landwirtschaftlicher Nutztiere ist die relative Verteilung von Skelettmuskel- und Fettgewebe ein entscheidender Faktor. Entwicklungs- und Wachstumsprozesse werden neben gewebespezifischen Faktoren auch durch Wechselwirkungen zwischen beiden Geweben beeinflusst. Beim Menschen sind das Auftreten von Adipositas und die damit verbundene geringere Ausprägung der Muskulatur und Veränderung metabolischer Prozesse entscheidende Risikofaktoren für die Entwicklung von Krankheiten. Die Aufklärung der Regulation der Entwicklung von Muskel- und Fettgewebe ist daher ein wichtiges Anliegen der Nutztierforschung, aber auch der humanmedizinischen Forschung. Adiponectin und Leptin gehören zu den am besten untersuchten Adipokinen, wobei der Fokus hauptsächlich auf der Regulation der Fettsäureoxidation, des Glucosestoffwechsels und der Insulinsensitivität lag und liegt. Beide Faktoren können sowohl von Fett- als auch Skelettmuskelgewebe synthetisiert und sezerniert werden und somit physiologische Prozesse in beiden Geweben beeinflussen. In wenigen Studien, hauptsächlich durchgeführt am Muskel von Nagern, wurden unterschiedliche Ergebnisse gezeigt, die auf widersprüchliche Effekte (positiv, negativ oder nicht nachweisbar) der Adipokine auf das Muskelwachstum hinweisen. Die Wirkung beider Adipokine auf den Proteinstoffwechsel porciner Muskelzellen wurde bisher noch nicht beschrieben. Ebenso gibt es bislang keinen Nachweis für das Vorhandensein der spezifischen Rezeptorproteine für Adiponectin (ADIPOR1, ADIPOR2) und Leptin (LEPR) im Skelettmuskel des Schweins. Das Ziel der Untersuchungen dieser Arbeit bestand in der Erforschung zellulärer und molekularer Prozesse der Regulation des Wachstums porciner Skelettmuskelzellen durch Adiponectin und Leptin. Es sollten erstmals 1) die direkte Wirkung beider Adipokine auf das Wachstum und die Differenzierung porciner Skelettmuskelzellkulturen und 2) die zugrundeliegenden Regulationsmechanismen unter Beteiligung wichtiger Signalwege des Energie- und Proteinstoffwechsels beschrieben werden. Aufgrund der Genexpression der spezifischen Rezeptoren für Adiponectin kann der porcine Skelettmuskel als Adiponectin-sensitives Gewebe betrachtet werden. Bei den Untersuchungen zeigte sich, dass die Wirkungen von Adiponectin und Leptin auf proliferierende porcine Skelettmuskelzellen von den vorherrschenden Kulturbedingungen abhängig sind. Die Behandlung mit Adiponectin bei der Verwendung von serumfreiem aber Wachstumsfaktor-supplementiertem Medium resultierte in einer verminderten DNA-Syntheserate, welche auf Wechselwirkungen zwischen dem Adipokin und dem im Medium vorhandenen Wachstumsfaktor bFGF zurückzuführen war. Für Leptin konnte unter diesen Bedingungen nur eine kurzzeitige Hemmung der Proliferation porciner Muskelzellen beobachtet werden. Des Weiteren wurde die Wirkung von Adiponectin, aber nicht Leptin, auf die Prolfiferation porciner Myoblasten durch Ölsäure moduliert. Weiterhin zeigte sich, dass die Vitalität adipokinbehandelter Zellen im Vergleich zu unbehandelten Kontrollzellen unter serumfreien, wachstumsfaktor-supplementierten Bedingungen leicht verbessert war. Unter Niedrigserumbedingungen führten beide Adipokine zu einer gesteigerten DNA-Syntheserate, welche bei Leptin mit einer Verminderung der Zellzahl einherging. Im Gegensatz zu serumfreien Kulturbedingungen, unter denen die vorhandenen Wachstumsfaktoren die Zellen offensichtlich vor einem negativen Einfluss der Adipokine schützen, wurde bei der Verwendung von Medium mit niedrigem Serumgehalt eine verminderte Zellvitalität adipokinbehandelter Zellen beobachtet. Ein Einfluss von Adiponectin und Leptin auf den Proteinstoffwechsel differenzierender Kulturen konnte unter den verwendeten Kulturbedingungen nicht gezeigt werden. Weiterhin erhöhten Adiponectin und Leptin zwar den Differenzierungsgrad porciner Myoblasten in Form eines erhöhten Fusionsgrades, aber nicht bezüglich der Aktivität des Markerenzyms Creatinkinase. Die Untersuchungen verschiedener intrazellulärer Schlüsselsignalmoleküle zeigen erste Hinweise auf eine Beteiligung des p44/42 MAPK Signalweges an der Vermittlung der Adipokineffekte, obwohl dessen Aktivierung möglicherweise zu kurz ist, um eine langfristige stimulierende Wirkung auf downstream targets und somit auf physiologische Prozesse zu haben. Die Ergebnisse dieser Arbeit leisten zum einen einen wichtigen Beitrag zur Aufklärung der Regulation von Wachstums- und Entwicklungsprozessen des Muskel- und Fettgewebes durch wechselseitige Beeinflussung. Zum anderen sind die beim Schwein gewonnenen Erkenntnisse aufgrund der dem Menschen ähnlichen Physiologie durchaus auf die Humanforschung übertragbar und somit ebenfalls für die Erforschung adipositas-assoziierter Erkrankungen beim Menschen relevant.
Unstable environments and habitats changing due to climate change force individuals to either respond by genetic adaptation, phenotypic plasticity or by dispersal to suitable environments. Theodoxus fluviatilis (Linneaus, 1758) is a good study organisms when researching phenotypic plasticity and genetic adaptation as it naturally appears in freshwater (FW) as well as brackish water (BW) and thus inhabits a wide range of environmental salinities (0-18‰). It is a euryhaline snail that can be found in shallow waters with stony ground or on Fucus spp. and has formed regional subgroups. The brackish water and the freshwater subgroups are spatially separated and the species cannot be found in areas inbetween, e.g. estuaries.
The species shows great variability in shell patterning and shell size and there is still debate whether the subgroups are distinguishable by these traits or not. The mitochdrial RNA marker cytochrome c subunit I did not show differences between the subgroups indicating that they must be closely related, but salinity tolerance has been observed to be higher in BW snails. This might be caused by the different protein expression patterns and osmolyte accumulation (measured as ninhydrin-positive substances) observed in this species in previous studies. The exact mechanisms regulating protein expression and osmolyte accumulation, however, are not fully understood yet.
Data collected for this thesis shows differences in shell size and suggests a less strict grouping of FW and BW individuals as shell sizes of one FW site are more similar to BW individuals than the other FW ones. A better salinity tolerance towards high salinities and a higher physiological salinity limit of BW snails was confirmed and extended by demonstrating an expanded tolerance range through slow acclimation to challenging salinities in snails from both subgroups. This was achieved by a shift in the slope of their reaction norms that was much more pronounced in BW snails than FW ones. S3 individuals showed a shift similar to that of BW individuals. The data for the salinity tolerance indicates that the underlying mechanism for these tolerances are a combination of phenotypic plasticity and genetic adaptation. Despite an acclimation and shift in the slope of the reaction norms and therefore an increased tolerance towards high salinities (plasticity) FW individuals from two collection sites were not able to cope with salinities as high as BW individuals (local adaptation). The general ability to mobilise free amino acids (FAA) as organic osmolytes was not the reason for this tolerance difference. Individuals from BW and FW sites were capable of accumulating quantities of FAAs equally well. Proline, alanine and urea were the most important components of the accumulated cocktail of organic osmolytes. Even though the total amount of FAAs accumulated under hyperosmotic conditions was the same in both subgroups, there were differences in the metabolic pathways involved in osmolyte accumulation in the foot muscle. The data indicates that the hydrolysis of storage proteins and the synthesis of proline and alanine are the main processes to avoid detrimental body volume shrinkage in T. fluviatilis. While FW individuals seemed to rely on the degradation of proteins and synthesis of alanine, BW individuals depended on newly synthesising proline and alanine and accumulating urea as a side product of transamination. The accumulation of urea is a new finding in aquatic living snails and has not been reported as a mechanism to avoid cell volume shrinkage in these animals.
Differing protein expression patterns were observed under control conditions across all collection sites. 9 spots showed volume changes in BW snails opposite to those of FW snails from collection sites S1 and S2. For 6 of those spots, S3 individuals showed patterns similar to those of BW individuals and for the remaining 3 they showed patterns similar to those of FW animals. The patterns observed when exposing snails to hypo- or hyperosmotic stress were not conclusive in relation to pinpointing individual spots that show the same pattern in all collection sites, but revealed the heterogeneity of protein expression in snails from the different collection sites and in the process of osmoregulation. It also showed the general tendency of protein reduction when snails where under osmotic stress of either kind (hypo- or hyperosmotic), which supports the hypothesis of storage protein degradation.
The investigation of an ANP-receptor showed two variations of the encoding sequence expressed in T. fluviatilis. S3 individuals as well as BW individuals were found to express one type, while FW individuals, with the exception of one sample expressed the other type. This showed that the FW subgroup of T. fluviatilis seems to be more heterogeneous than the BW subgroup, but also raises the question of the dispersal history of this species. The collected data indicates that T. fluviatilis individuals are firstly capable of surviving the acidity of a duck's gizzard and secondly can tolerate acute salinity changes to 16‰ when introduced into a new environment. Hence, if snails from the FW were to be transported to waters with a salinity of up to 16‰ by man, bird, drifting plants or some other means of transport, they would most likely survive and possibly be able to thrive and spread.
Herzinsuffizienz ist eine der häufigsten Ursachen für Morbidität und Mortalität weltweit. Zum jetzigen Zeitpunkt ist die Herztransplantation im fortgeschrittenen Stadium der Erkrankung der einzige kurative Therapieansatz. Durch den Einsatz von Stammzellen als Therapieoption der Herzinsuffizienz konnten in den letzten Jahren im Rahmen von tierexperimentellen und klinischen Studien zahlreiche vielversprechende Daten gewonnen werden. Ziel der Stammzelltransplantationen ist es, das geschädigte Gewebe zu ersetzen, die Gefäßneubildung zu induzieren und somit die kardiale Funktion aufrechtzuerhalten. Kardialen Stammzellen wird durch die Fähigkeit der Selbsterneuerung, Proliferation und der Differenzierung in spezialisierte Zelltypen ein großes Regenerationspotential zugeschrieben. Weiterhin wurde ein positiver Einfluss von kardialen Stammzellen auf die Gefäßneubildung mittels parakriner Effekte beschrieben. Obwohl durch die Transplantation von kardialen Stammzellen eine Regeneration des geschädigten Gewebes, z.B. nach einem Myokardinfarkt, beobachtet wurde, ist noch wenig über die genauen Wirkungsweisen der eingesetzten Stammzellen bekannt. Zudem bleibt unklar, welchen Einfluss eine Schädigung des Herzens auf die Stammzellen und ihre Funktion hat und welche Faktoren dabei eine Rolle spielen. Die Existenz von residenten kardialen Stammzellen konnte sowohl im tierischen als auch im humanen Herzen nachgewiesen werden. Jedoch ist bis heute nicht geklärt, warum der Pool an residenten kardialen Progenitorzellen nicht merklich zur Regeneration nach einer Schädigung beitragen kann. Die vorliegende Arbeit befasste sich daher mit der Untersuchung der Funktion muriner residenter kardialer Progenitorzellen, die positiv für das Stammzellantigen-1 (Sca-1) sind, unter physiologischen und pathophysiologischen Bedingungen. Hierfür wurde der Einfluss des Renin-Angiotensin-Aldosteron Systems (RAAS), welches entscheidend an der Entwicklung einer Herzinsuffizienz beteiligt ist, auf die Funktion Sca-1 positiver Zellen in vitro untersucht. Anschließend wurde der Einfluss pathophysiologischer Aldosteronkonzentrationen, wie sie im Rahmen einer Herzinsuffizienz nachweisbar sind, auf die sekretorische Aktivität der Sca-1 positiven Zellen bestimmt. Im Rahmen dieser Arbeit konnte erstmals gezeigt werden, dass die Komponenten des RAAS die Migrationsrate Sca-1 positiver Zellen dosis- und zeitabhängig beeinflussen, wobei vor allem pathophysiologische Konzentrationen von Aldosteron eine signifikante Steigerung der Migrationsrate der Sca-1 positiven Zellen bewirkten. Des Weiteren konnte eine Mineralokortikoidrezeptor-vermittelte Wirkungsweise des Aldosterons auf die Funktion der Sca-1 positiven Zellen festgestellt werden, welche durch den Einsatz der Aldosteron-Antagonisten Spironolakton und Eplerenon inhibiert wurde. Anhand der an Sca-1 positiven Zellen durchgeführten Sekretomanalysen konnte gezeigt werden, dass sich die sekretorische Aktivität kardialer Progenitorzellen unter physiologischen und pathophysiologischen Bedingungen unterscheidet. Pathophysiologische Stimuli führen zu einer erhöhten sekretorischen Aktivität kardialer Progenitorzellen. Die Analyse der sekretierten löslichen Faktoren deutet auf eine Beteiligung Sca-1 positiver Zellen an Reparatur- und Regenerationsprozessen mittels parakriner Mechanismen nach einer Schädigung hin. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass mit dem Mineralokortikoid Aldosteron ein Faktor identifiziert wurde, welcher zur Optimierung der Stammzelltherapie, z.B. im Rahmen einer Herzinsuffizienz, dienen kann. Weiterhin konnte in dieser Arbeit das Verhalten und die Funktion kardialer Progenitorzellen unter pathophysiologischen Bedingungen näher charakterisiert werden und mögliche Mechanismen aufgezeigt werden, über welche kardiale Stammzellen an Regenerationsprozessen beteiligt sein können.
There is an increasingly urgent need to understand and predict how organisms will cope with the environmental consequences of global climate change. Adaptation in any form can be mediated by genetic adaptation and/or by phenotypic plasticity. Disentangling these two adaptive processes is critical in understanding and predicting adaptive responses to environmental change. Usually, disentangling genetic adaptation from phenotypic plasticity requires common garden experiments conducted under controlled laboratory conditions. While these experiments are powerful, it is often difficult to translate the results into natural populations and extrapolate to naturally occurring phenotypic variation. One solution to this problem is provided by the many examples of invasive species that exhibit wide phenotypic variation and that reproduce asexually. Besides selecting the appropriate in situ model, one must carefully choose a relevant trait to investigate. Ecomorphology has been a central theme in evolutionary biology because it reflects how organisms can adapt to their environment through their morphology. Intraspecific ecomorphological studies are especially well suited to identify adaptive pressures and provide insights into the microevolutionary mechanisms leading to the phenotypic differentiation.
One excellent candidate for an intraspecific ecomorphological study aiming to understand adaptation through genetic adaptation and phenotypic plasticity is the invasive New Zealand mudsnail Potamopyrgus antipodarum Gray (1853). This ovoviviparous snail features high variability in shell morphology and has successfully invaded a wide range of fresh- and brackish water habitats around the world. The evolutionary and ecological situations in this species’ native and invasive ranges is drastically different. In New Zealand, P. antipodarum’s native range, sexual and asexual individuals coexist and experience selective pressure by sterilizing endoparasites. By contrast, only a few asexual lineages have been established in invaded regions around the globe, where parasite infection is extremely rare. Here, we took advantage of the low genetic diversity among asexually reproducing European individuals in an attempt to characterize the relative contribution of genetic variation and phenotypic plasticity to the wide variation in shell morphology of this snail.
Analysing the ecomorphology of 425 European P. antipodarum in a geometric-morphometric framework, using brood size as proxy for fecundity, and mtDNA and nuclear SNPs to account for relatedness and identify reproductive mode, we hypothesized that 1) shell variation in the invasive range should be adaptive with respect to colonization of novel habitats, and 2) at least some of the variation might be caused by phenotypic plasticity. We then expanded our ecomorphological scope by analysing 996 native specimens, expecting 1) genetic and morphological diversity to be higher in the native range compared to invaded regions; 2) morphological diversity to be higher in sexual compared to asexual individuals according to the frozen niche hypothesis; and 3) shell morphology to be habitat specific, hence adaptative. In a last part, we used computational fluid dynamics simulations to calculate relative drag and lift forces of three shell morphologies (globular, intermediate, and slender). Here, we tested the overall hypothesis that shell morphology in gastropods is an adaptation against dislodgement through lift rather than drag forces, which would explain the counterintuitive presence of wider shells with shorter spires in lotic environments. With a final flow tank experiment, we tested the specific hypothesis that the dislocation velocity of living snails is positively linked to foot size, and that the latter can be predicted by shell morphology, in particular the aperture area as assumed by several authors.
As expected, we found genetic and morphological diversity to be higher in native than in invasive snails, but surprisingly no higher morphological diversity in sexual versus asexual individuals. The relationships between shell morphology, habitat, and fecundity were complex. Shape variation was primarily linked to genetic relatedness, but specific environmental factors including flow rate induced similar shell shapes. By contrast, shell size was largely explained by environmental factors. Fecundity was correlated with size, but showed trade-offs with shape in increasingly extreme conditions. With increasing flow and in smaller habitats such as springs, the trend of shell shape becoming wider was reversed, i.e. snails with slender shells were brooding more embryos. This increase in fitness was explained by our CFD simulations: in lotic habitats, slender shells experience less drag and lift forces compared to globular shells. We found no correlation between foot size and shell shape or aperture area showing that the assumed aperture/foot area correlation should be used with caution and cannot be generalized for all aquatic gastropod species. Finally, shell morphology and foot size were not related to dislodgement speed in our flow tank experiment. We concluded that the relationship of shell morphology and flow velocity is more complex than assumed. Hence, other traits must play a major role in decreasing dislodgement risk in stream gastropods, e.g. specific behaviours or pedal mucus stickiness. Although we did not find that globular shells are adaptations decreasing dislodgement risk, we cannot rule out that they are still flow related adaptations. For instance, globular shells are more crush-resistant and might therefore represent a flow adaptation in terms of diminishing damage caused by tumbling after dislodgement or against lotic specific crush-type predators.
At this point, we can conclude that shell morphology in P. antipodarum varies at least in part as an adaptation to specific environmental factors. This study shows how essential it is to reveal how plastic, genetically as well as phenotypically, adaptive traits in species can be and to identify the causal factors and how these adaptations affect the fitness in order to better predict how organisms will cope with changing environmental conditions.
Culicidae, auch bekannt als Stechmücken, sind medizinisch bedeutsame Zweiflügler, die als Vektoren eine Vielzahl von Krankheitserregern auf Menschen und Tiere übertragen können. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich einerseits mit der Verbreitung von zwei seltenen Stechmückenarten, welche im Rahmen eines Monitoringprojekts gefangen wurden, und andererseits mit der Ökologie der Asiatischen Tigermücke. Bei allen Arten handelt es sich um thermophile Arten, bei denen angenommen wird, dass der Klimawandel ihre Verbreitung Richtung Norden begünstigt. Dies konnte vor allem für die Art Uranotaenia unguiculata gezeigt werden, da sie an zwei Orten gefunden wurde, die ausgesprochen weit entfernt waren von der einzigen jemals zuvor beschriebenen Nachweisstelle in Deutschland. Obwohl an beiden Fundorten jeweils nur ein einziges adultes Individuum gefangen werden konnte, ergab eine Beprobung von potenziellen Bruthabitaten im darauffolgenden Jahr, dass lokale Reproduktion stattfand. Somit konnte eine ausschließliche Verschleppung von adulten Einzelindividuen weitgehend ausgeschlossen werden. Eine weitere seltene Stechmückenart, die im Zuge des Monitorings nachgewiesen werden konnte, ist Anopheles algeriensis. Diese Art wurde an drei Standorten gefangen, an zwei von ihnen mit einer viel höheren Abundanz als Ur. unguiculata.
Den ökologischen Teil dieser Arbeit machen Feld- und Laborexperimente mit Aedes albopictus aus. Sie dienten der Ermittlung der Kältetoleranz der Eier dieser Spezies, die als Vektor für eine Vielzahl von Viren und andere Pathogene gilt. Drei verschiedene Stämme, die aus tropischen, subtropischen und gemäßigten Breiten stammen, wurden niedrigen Temperaturen, welche typischerweise im Winter herrschen, unter Feld- und Laborbedingungen ausgesetzt. Die Experimente belegen, dass alle untersuchten Stämme prinzipiell einen Winter mit einem Temperaturminimum von –8 °C im Feld überleben konnten. Die Laborexperimente konnten hingegen zeigen, dass alle Stämme in der Lage waren, Temperaturen von –10 °C für eine gewisse Zeit zu ertragen. Die Überlebensfähigkeit schwankte je nach Stamm zwischen 2 und 20 Tagen. Dabei hatte der Stamm aus den gemäßigten Breiten eine Kältetoleranz, die nur wenig höher lag als die des subtropischen Stammes. Der tropische Stamm hingegen besaß die geringste Toleranz gegenüber niedrigen Temperaturen, sowohl in den Freiland- als auch in den Laborexperimenten. Diapausierende Eier zeigen nur eine höhere Kältetoleranz nahe den physiologischen Grenzen der jeweiligen Stämme. Weiterhin konnte festgestellt werden, dass Eier unter fluktuierenden Temperaturen eine bestimmte Minimaltemperatur länger aushalten konnten als unter konstanten Temperaturen. Somit zeigen beide Experimente, dass gewisse Stämme von Ae. albopictus eine sehr hohe Toleranz gegenüber niedrigen Temperaturen haben. Das macht es sehr wahrscheinlich, dass diese invasive Art Winter in Deutschland oder anderen mitteleuropäischen Ländern überleben und ihre Ausbreitung weiter fortschreiten werden. Diese Entwicklung wird epidemiologische Auswirkungen auf die Human- und Veterinärmedizin haben.
Ziel meiner Arbeit war es, die evolutionären Beziehungen innerhalb und zwischen den verschiedenen Arten der Möwen (Laridae) genauer zu untersuchen. Der Großteil der Untersuchungen in dieser Arbeit basiert auf DNA-Sequenzen - mitochondriale Regionen sowie nukleare Intronequenzen. Bei einem molekulare n Ansatz wie in meiner Arbeit ist es von enormer Wichtigkeit, einen umfassenden und nicht zu kleinen Datensatz zu behandeln. Dabei wurde auch darauf geachtet, dass die ausgewählten Sequenzen homolog sind und das Alignment robust ist. Meine Arbeit gliedert sich in sechs Schwerpunkte, auf die ich nun näher eingehen möchte. 1. Phylogenie der Möwen Die vorliegende Arbeit erreichte das gesetzte Ziel einer verbesserten Phylogenierekonstruktion in den Laridae und zeigt deutlich die Mängel der bisherigen molekularer Studien (mit zu wenigen Taxa oder zu kleinen und uninformativen Datensätzen). Sicher bestätigt werden kann in dieser Studie die Unterteilung in eine basale Möwengruppe, bestehend aus sieben Gattungen, sowie der Gattung Larus mit sechs voneinander genetisch differenzierten Gruppen. Eine gute Stützung erfahren alle Gruppen der Larus-Gattung. Schwerer ist aber erwartungsgemäß die genauere Erstellung der Verwandtschaftsbeziehungen der jüngsten Taxa. Zu ihrer Abgrenzung werden weitere Marker benötigt. Entdeckt wurde in der Studie ein Signal (Deletion in den LDH - Sequenzen), das entscheidend zur Bestimmung der Gruppenmitglieder der basalen, nicht-Larus Möwengattungen beiträgt. 2. AFLP-Untersuchung in der Gruppe der Großmöwen Bei der von Vos et al. (1995) entwickelten Methode der AFLP (engl. für amplified fragment length polymorphism)-Analyse ist kein Vorwissen der untersuchten Gen(om)sequenz notwendig. Es gelang mit der AFLP-Untersuchung dieser Arbeit die sieben untersuchten Großmöwentaxa voneinander autosomal zu differenzieren und drei mitochondrial biphyletisch auftretenden Taxa (argentatus, hyperboreus und marinus) zu näher zu charakterisieren. Die Eismöwe (hyperboreus) erhielt ihre Clade 1 - Haplotypen von argentatus-Individuen aus Nordeuropa und die Mantelmöwe (marinus) ihre Clade 2 - Haplotypen von nordamerikanischen Arten, vermutlich smithsonianus. Die europäischen Silbermöwen (argentatus) zeigen beide mitochondrialen Clades in allen untersuchten Kolonien mit einem geographischen Gradienten in deren Verteilung. Hier scheinen Vorläufer der Heringsmöwen ihre Clade 2 Mitochondriengenome in die argentatus-Populationen eingebracht zu haben, die anschließend in einer sekundären Ausbreitungswelle über das vollständige Verbreitungsgebiet verteilt wurden. Autosomal erscheinen sogar vier Genlinien, die auf noch mehr Ausbreitungswellen verweisen. 3. Populationsstudien in Dominikanermöwen (L. dominicanus) Nach einer Publikation von Jiguet (2002) werden bei Dominikanermöwen vier Unterarten unterschieden. Die in dieser Arbeit ermittelten Sequenzen der Gene Cyt b, ND 2 und HVR I zeigen eine klare Differenzierung der untersuchten Kolonien. Die Ursprünge der Dominikanermöwen liegen demnach in Südafrika. Von dort erfolgte die Besiedlung von Argentinien, der Kerguelen-Inseln und der Antarktis in mehreren Ausbreitungswellen. In Chile wurde der südamerikanische Kontinent in einem sehr rezenteren Migrationsereignis zum zweiten Mal kolonisiert. Die dort gefundenen Haplotypen sind den südafrikanischen noch sehr ähnlich. Am jüngsten sind die Populationen Neuseelands und der Chatham-Inseln. 4. Populationsstudie in der Sturmmöwe (L. canus) Ganz anders zeigte sich die genetische Differenzierung für dieselben Gene bei der Sturmmöwe (L. canus) und ihren phänotypisch deutlich unterscheidbaren vier Unterarten. Im mitochondrialen Netzwerk bilden die paläarktischen Taxa canus, heinei und kamtschatschensis eine panmiktische Population. Anders das vierte Taxon brachyrhynchus. Dieses nordamerikanische Taxon unterscheidet sich mitochondrial signifikant von den paläarktischen Individuen. 5. und 6. SNP-Analyse in Großmöwen und Ausblick auf geplante weiterführende Untersuchungen Das Detektieren variabler Nukleotidpositionen (Punktmutationen), die SNPs genannt werden, ist von grundlegender Bedeutung für die weitere Untersuchung der molekularen Evolution. In Rahmen dieser Arbeit wurden 32000 Fragmente mittels der CROPS-Analyse untersucht, dabei wurden in 7400 variablen Fragmenten 11000 SNPs gefunden, 24000 Fragmenten ließen keinerlei genetische Variationen erkennen. Somit zeigt sich in eine Rate von einer variablen Position (SNP) in ~500 Nukleotiden, was mit denen in Säugetieren und Menschen vergleichbar ist. Zukünftig mit diesem umfangreichen Basiswissen eine groß angelegte SNP-Typisierung geplant mit dem Ziel autosomale und sexchromosomale SNPs vergleichend zu analysieren. Des Weiteren können die SNP-Daten auch mit mitochondrialen Daten verglichen werden.
Foraging behavior, neuroanatomy and neuroplasticity in cursorial and stationary hunting spiders
(2023)
The central nervous system (CNS) is the integration center for the coordination and regulation of
all body activities of animals and the source of behavioral patterns, behavioral plasticity and
personality. Understanding the anatomy and the potential for plastic changes of the CNS not only
widens the knowledge on the biology of the respective species, but also enables a more
fundamental understanding of behavioral and ecological patterns. The CNS of species with
different sensory ecologies for example, will show specific differences in the wiring of their CNS,
related to their lifestyle. Spiders are a group of mesopredators that include stationary hunting
species that build webs for prey capture, and cursorial hunting species that do not build capture
webs. These distinct lifestyles are associated with major differences in their sensory equipment,
such as size of the different eyes.
In this thesis, I aimed to answer if a cursorial mesopredator would change its behavior due to
different levels of perceived predation risk, and if this behavior would be influenced by individual
differences (chapter 1); how the visual pathways in the brain of the cursorial hunting jumping
spider Marpissa muscosa differs from that of the nocturnal cursorial hunting wandering spider
Cupiennius salei (chapter 2); to what degree the visual systems of stationary and cursorial hunting
spiders differ and whether CNS areas that process vibratory information show similar differences
(chapter 3); and finally if the CNS in stationary and cursorial hunting spiders shows different
patterns of neuroplasticity in response to sensory input and deprivation during development
(chapter 4).
In chapter 1, I found that jumping spiders adjust their foraging behavior to the perceived level of
risk. By favoring a dark over a light substrate, they displayed a background-matching strategy.
Short pulses of acute risk, produced by simulated bird overflights, had only small effects on the
behavior. Instead, a large degree of variation in behavior was due to among-individual differences
in foraging intensity. These covaried with consistent among-individual differences in activity,
forming a behavioral syndrome. Our findings highlight the importance of consistent amongindividual
differences in the behavior of animals that forage under risk. Future studies should
address the mechanisms underlying these stable differences, as well as potential fitness
consequences that may influence food-web dynamics.
In chapter 2, I found that the visual pathways in the brain of the jumping spider M. muscosa differ
from that in the wandering spider C. salei. While the pathway of the principal eyes, which are
responsible for object discrimination, is the same in both species, considerable differences occur
in the pathway of the secondary eyes, which detect movement. Notably, M. muscosa possesses
an additional second-order visual neuropil, which is integrating information from two different
secondary eyes, and may enable faster movement decisions. I also showed that the tiny posterior
median eye is connected to a first-order visual neuropil which in turn connects to the arcuate body
(a higher-order neuropil), and is thus not vestigial as suggested before. Subsequent studies should
focus on exploring the function of the posterior median eyes in different jumping spider species,
Foraging behavior, neuroanatomy, and neuroplasticity in cursorial and stationary hunting spiders
as they show considerable inter-specific size differences that may be correlated with a differing
connectivity in the brain.
In chapter 3, I described all neuropils and major tracts in the CNS of two stationary (Argiope
bruennichi and Parasteatoda tepidariorum) and two cursorial hunting spiders (Pardosa amentata
and M. muscosa). I found major differences in the visual systems of the secondary eyes between
cursorial and stationary hunting spiders, but also within the groups. A. bruennichi has specialized
retinula cells in two of the secondary eyes, which connect to different higher-order neuropils. P.
tepidariorum has only a single visual neuropil connected to all secondary eyes, and lacks
recognizable mushroom bodies. The neuroanatomy of CNS areas that process mechanosensory
information on the other hand, is remarkably similar between cursorial and stationary hunting
species. This suggests that the same major circuits are used for the processing of mechanosensory
information in both cursorial and stationary hunting spiders. Future studies on functional aspects
of sensory processing in spiders can build on the findings of our study.
In chapter 4, I found that developmental neuroplasticity in response to sensory input differs
between a cursorial (M. muscosa) and a stationary hunting spider (P. tepidariorum). While
deprivation of sensory input leads to a volume increase in several visual and mechanosensory
neuropils M. muscosa, neither sensory deprivation nor sensory enrichment had an effect on the
volume of neuropils in P. tepidariorum. However, exposure to mechanical cues during
development had an effect on the allometric scaling slope of the leg neuropils in both M. muscosa
and P. tepidariorum. Future studies should focus on the genetic and cellular basis of
developmental neuroplasticity in response to sensory input in order to explain the observed
patterns.
Bats are special: although they have a small body size, bats are extremely long-lived and have a low annual reproductive output, which puts them at the ‘slow’ end of the slow-fast continuum of mammalian life-histories. Species typically respond to climate change by genetic adaptation, range shifts or phenotypic plasticity. However, limited dispersal behavior in many bat species and long generation times make it very likely, that adaptive responses in bats are rather driven by phenotypic plasticity than by genetic adaptation or range shifts. Changing weather patterns, a higher frequency of extreme weather events and overall rising temperatures, caused by climate change, will impact phenology, energy supply and energy expenditure. In species where adult survival largely shapes population dynamics, it is thus of crucial importance to understand how climate change affects individual fitness and fitness relevant traits by altering behavior and development.
In my study, I investigated how weather impacts behavior, fitness and fitness relevant traits in free ranging Natterer’s bats from two geographical regions (south vs. north) in Germany. In the Nature Park Nossentiner/Schwinzer Heide (northern region, NSH), long-term data for investigations on population dynamics are partially collected by hibernation counts. Although counting hibernating bats is a regularly applied method, it is still unclear to which degree human visits in the hibernaculum trigger energy consuming arousals and thus increase energy expenditure. Thus, I first investigated if hibernation counts potentially threaten winter survival by assessing the number of energy consuming arousals of hibernating Natterer’s bats (Myotis nattereri) and two other bat species (Pipistrellus spp., Plecotus auritus) using thermal imaging. Additionally, I used light barriers in the hibernacula to investigate the relative impact of winter temperatures and human visits on flight activity of hibernating bats. Secondly, I investigated effects on survival and reproduction during summer by analyzing capture-mark-recapture data from summer roosts. Data from summer roosts have been collected since 2011 in Würzburg (WB, south) and 1990 in the Nature Park (NSH, north). Based on these data, I analyzed the effect of intrinsic (e.g. age) and extrinsic(e.g. different weather parameters) factors on individual survival probability and reproductive success. I further focused on the question if individual body size is a fitness relevant trait in Natterer’s bats and how body size of young bats is affected by summer temperatures.
During hibernation, ambient temperatures were the most important driver for bat activity and were positively correlated with the number of flight passes in the light barrier, suggesting that bats can exploit foraging opportunities more frequently during warm weather bouts. Monitoring caused only a small number of arousals and only a slight increase in activity, which was less severe on warmer days, when activity was generally higher. Thus, I propose that benefits of hibernation counts outweigh the costs of human presence in the hibernaculum and unlikely threaten winter survival in hibernating bats.
In spring, increased precipitation during a short time window strongly reduced the probability of successful reproduction in first-year females (females that returned from first hibernation, FY). In terms of timing, this sensitive period comprises the implantation or early pregnancy, a time before substantial investment into embryo development. Moreover, I identified a positive correlation between a large body size and reproductive success in FY females. Given the evidence that suitable weather conditions during early life support juvenile growth and thus a large body size, my findings suggest that reproduction may be condition dependent in young females. Reproductive success of older females was not affected by either weather or individual parameters. This suggests that older and experienced females can better deal with adverse conditions.
To examine if beneficial weather conditions are linked to a large body size, I investigated the effect of ambient temperatures during the growing season on body size. I found that higher ambient temperatures during summer led to larger individuals, however, only in the northern population. In the on average colder North, warmer summers may benefit juvenile growth by reducing thermoregulatory costs and increasing prey abundance, whereas in the general warmer South, this effect might not be visible or relevant. When I analyzed the link between body size and survival, I revealed that larger adult females have higher survival rates. Given the fact, that a large body size is a response to beneficial early life conditions, this demonstrates the impact of early life conditions on long lasting fitness effects.
The results of my research lead to the assumption that warmer ambient temperatures have positive effects on Natterer’s bats, both during winter and summer. However, increased activity in response to rising winter temperatures, as expected under climate change scenarios, could be a serious thread for hibernating bats, if food availability does not increase in the same amount as bat activity. During summer, warmer temperatures may have positive effects on juvenile development in northern regions, but this effect could be negative in more southern regions by exceeding heat tolerance and resulting in water stress. This research highlights, that investigating periods of weather sensitivity on a finer time scale and also in a spatial context is of crucial importance to gain a better understanding for mechanisms leading to the impacts of weather on fitness.
Climate change threatens marine ecosystems by simultaneous alterations and fluctuations in several abiotic factors like temperature, salinity and pH. Therefore, a strong ability to cope with varying environmental factors is indispensable for marine organisms. Especially, larvae of meroplanktonic species will be affected by predicted alterations in environmental conditions as planktonic larval stages are considered the most sensitive stages during life history (Anger 2001).
The European shore crab Carcinus maenas, as an ecological key species, was chosen as a model species to investigate multiple stressor effects on early life history stages of marine meroplanktonic invertebrates. The life cycle of C. maenas is biphasic consisting of five pelagic larval stages (four zoeal and one megalopal stage), followed by benthic juvenile and adult phases. The metamorphic molt from the last zoeal stage to the semi-benthic Megalopa includes dramatic changes in ecology, habitat, behavior, feeding, morphology, and physiology. During life history, zoeal stages of C. maenas are of particular interest in the course of climate change as these stages are more vulnerable than the following developmental stages to alterations in abiotic factors.
The aim of the present thesis was to develop an integrative view on effects of long-term exposure, from hatching to metamorphosis, to increased temperature and hypo-osmotic conditions on early life history stages of C. maenas. We wanted to gain insights into larval responses to climate driven environmental variables, more specifically, on how tolerance to low salinity is affected by increased temperatures.
Consequently, the present study investigated the effect of long-term exposure to twelve different sub-lethal temperature and salinity combinations in an ecological relevant range on larval development of C. maenas. In a multidisciplinary approach, larval responses in performance (survival and developmental duration) and morphology were measured. Furthermore, analysis on larval ontogeny and organogenesis created the foundation for analysis of larval response to multiple stressors in anatomy.
Results of the present thesis demonstrated that despite their different life-styles and external morphology, brachyuran larvae are smaller versions of their adults when regarding their inner organization: the adult bauplan unfolds from organ anlagen compressed into miniature organisms. In addition, they provide an overall picture of seemingly gradual organogenesis across larval development and the metamorphic molt, an insight that contrasts with the abrupt external morphological changes during metamorphosis. Gradual anatomical changes in e.g. osmoregulatory structures like gills and antennal glands allowed for ontogenetic shifts of tolerance to temperature and salinity during zoeal development and successive increase in osmo- and thermoregulatory capability. On the other hand, osmoregulatory structures as seen for adults were underdeveloped during zoeal development and therefore do not qualify for osmoregulatory function for these stages. This potentially explains the higher sensitivity of zoeae to hypo-osmotic conditions.
Early life history stages of C. maenas were affected on all response levels by the tested multiple stressors. The interaction of temperature and salinity was of antagonistic type, resulting in general reduced stress for larval stages. Nevertheless, low salinity had a strong negative impact on survival, while increased temperature caused ann acceleration of development. Furthermore, the size of zoeae of C. maenas was driven by the interaction of temperature and salinity, with extreme conditions, causing diminished growth, thus resulting in smaller larval size. On the other hand, larval shape was only slightly affected by changes of abiotic factors. Volume of the digestive gland and the heart of larvae from long-term exposure to sub-lethal temperatures and salinities showed high variability.
Larval responses were affected by the stressors intensities: moderately high temperatures lessened the negative effects of low salinities, while extreme high temperatures exceeded the ameliorating effect of temperature on stressful salinity conditions. On the other hand, the tolerance to temperature and salinity increased during larval development indicating an ontogenetic shift in response to multiple stressors with development. In addition, performance, morphology, and multiple stressor interaction showed intrapopulation variability among larvae hatched from different females, and between experimental periods.
In conclusion, this study highlighted direct effects of abiotic factors on all investigated response levels in early life history stages of the meroplanktonic larvae of the invertebrate C. maenas. High mortality rates combined with higher sensitivity confirm that planktonic early life history stages are the bottleneck during life history of this species. Nevertheless, early life history stages of C. maenas had the ability to cope with wide ranges of changing environmental factors. The antagonism between temperature and salinity on larval development offers potential for early life history stages to persist in a changing world. Furthermore, anatomical structures allow for slight eurytolerance and potentially for compensation of abiotic stress. Overall, slight increases in temperature, driven by climate change may enable larvae of C. maenas to tolerate exposure to moderately low salinities and, combinedwith intrapopulation variability, potentially allows for population persistence. Summarized, this study emphasizes the importance of testing a wide range of ecologically relevant traits in developing pelagic larvae in order to properly characterize their response to environmental change.
Changes in abundance and phenology of planktonic larvae like the zoeae of C. maenas have major potential to change a species‘ population structure significantly, and furthermore indirectly affect whole community and ecosystem structures. Therefore, this thesis may serve as a bridge to future studies in evolutionary and ecological developmental biology.
Im Gegensatz zu den Hexapoda und Crustacea (Tetraconata) liegen nur wenige Daten zur Architektur des Nervensystems der Chilopoda vor. Ein besonderer Fokus in neuroanatomischen Studien der Arthropoda liegt auf der internen Organisation des Deutocerebrum. Das Deutocerebrum ist ein primärer Verschaltungsort antennaler Sinnesmodalitäten. Es wurde von Schachtner et al. (2005) gezeigt, dass bei Vertretern der Hexapoda und Crustacea spezifische Synapomorphien in Bezug auf die olfaktorischen Glomeruli festzustellen sind. Durch den Einsatz verschiedenster histologischer Techniken, immunhistochemischer sowie histochemischer Methoden, anterograder Backfill-Anfärbungen und der dreidimensionalen Rekonstruktion wurde das Deutocerebrum der Chilopoda in dieser Dissertation untersucht um zu verifizieren, ob das Deutocerebrum ähnlich zu dem der Tetraconata ausgeprägt und ob diese innerhalb der Mandibulata homologisierbar sind. Zudem wurden die gewonnen Daten mit neuroanatomischen Studien zu den Chelicerata verglichen. Das Deutocerebrum der Chilopoda ist durch mehrere Merkmale charakterisiert: (1) Innervierung durch antennale sensorische Neuriten, (2) ein anterior gelegener olfaktorischer Lobus, (3) der posterior gelegene Corpus lamellosum, (4) afferente Projektionen aus der Antenne die in das Unterschlundganglion projizieren sowie (5) Projektionstrakte zwischen dem Protocerebrum und dem olfaktorischen Lobus. Neuroanatomische Daten zeigen, dass ein Schwestergruppenverhältnis zwischen Myriapoda und Chelicerata höchst unwahrscheinlich ist, da das durch sensorische Anhänge innervierte Neuromer bei den Chelicerata nicht durch ein mechanosensorisches Neuropil charakterisiert ist. Basierend auf den Befunden der untersuchten Chilopoda ergibt sich als Apomorphie der Mandibulata, dass der sensorische Eingang durch die homologe deutocerebrale Antenne zwei distinkte Neuropilbereiche innerviert. Sensorische Informationen werden hauptsächlich von antennalen Sensillen wahrgenommen. Mit Ausnahme der Scutigeromorpha, lagen für alle höheren Taxa der Chilopoda Daten zur Struktur und Diversität antennaler Sensillen vor. In der vorliegenden Arbeit konnte diese Lücke geschlossen werden und ein Vergleich der antennalen Sensillen innerhalb der Chilopoda durchgeführt werden. Innerhalb der Chilopoda lassen sich für die Scutigeromorpha drei einzigartige antennale Strukturen feststellen: (1) der Besitz von langen Antennen mit Noden, die „sensory cones“ tragen, (2) der Besitz eines zweigliedrigen Schaftes, der das Schaftorgan trägt und (3) der Besitz des Beak-like Sensillums. Ein dritter Aspekt dieser Arbeit behandelt verhaltensbiologische Untersuchungen bei Vertretern der Chilopoda. Zusammenfassend zeigen die durchgeführten Experimente, dass die Chilopoda (im Speziellen Scutigera coleoptrata) Sinnesreize über die Antenne wahrnehmen kann, spezifische neuronale Strukturen für die Verarbeitung besitzen und auf olfaktorische Reize reagieren.
As the effects of anthropogenic climate change become more pronounced, it is critical to understand if and how species can persist in novel environments. Range-expanding species provide a natural experiment to study this topic: by studying the factors contributing to successful colonization of new habitats, we can gain insight into what influences organisms’ adaptive potential. The wasp spider, Argiope bruennichi, has expanded its range from warm, oceanic and Mediterranean climate zones (populations in this region are referred to as “ancestral” or “core”) into a new thermal niche, the continental climate of the Baltic States and Scandinavia (referred to as “expanding” or “edge”) within the last century. Past work demonstrated that the expanding populations are European in origin, but are more diverse than the ancestral populations, due to genetic admixture. This discovery led to the following questions, which are investigated in this dissertation: (i) Was the successful colonization of colder, more continental northern climates due to phenotypic plasticity or genetic adaptation? (ii) If A. bruennichi’s establishment of northern latitudes can be attributed to genetic adaptation, did selection act on standing genetic variation, on genetic variation introduced via admixture/introgression, on specific genomic regions, or on novel mutations? (iii) Is there a role of the microbiome in the A. bruennichi range expansion?
In Chapter 1, we assembled a chromosome-level genome for the species: the first such high-quality genome for a spider, which we made use of as a resource to provide the genomic context of single nucleotide polymorphisms in our primary study on genetic adaptation and phenotypic plasticity (Chapter 3). The genome assembly also opened the door to many new projects, such as the study presented in Chapter 2. In Chapter 2, the chromosome-level resolution of our assembly allowed us to identify the sex chromosomes in A. bruennichi. Due to the X1X20 sex chromosome system, where males have one copy of two X chromosomes, and females have two copies, the X chromosomes have a lower effective population size, and lower recombination rate, than autosomes. These characteristics give rise to the theoretical prediction of increased evolutionary rates in sex chromosomes. Knowing the identity of the sex chromosomes in our A. bruennichi genome assembly will allow us to test if there is stronger differentiation between populations on the X chromosomes.
Chapter 3 represents the central study of this dissertation. We performed a reciprocal transplant common garden experiment to assess plasticity and adaptation in cold tolerance traits, using spiderlings from the core of the range in France, and the edge of the range in Estonia. We combined this with data on clinal variation in adult phenotypes (body size, pigmentation, and fecundity) and genotypes in a transect across the European range. This study revealed a strong signature of genetic adaptation for increased cold tolerance in edge populations, and clear genetic differentiation of ancestral and expanding populations over a very short geographic distance, despite gene flow. We provide genome-wide evidence for adaptive introgression, and conclude that the A. bruennichi range
expansion was enabled by adaptive introgression, but has reached a poleward range limit.
Interactions with microbes shape all aspects of eukaryotic life. Endosymbiotic bacteria have been shown to alter the thermal tolerance of arthropod hosts, and influence dispersal behavior in spiders. With this background, in Chapter 4, we asked whether the microbiome might play a role in the rapid range expansion of A. bruennichi. We characterized the microbiome in various dissected tissues of spiders from two populations. Although we found no obvious differences between populations or tissues, this study yielded the discovery of a novel, dominant, vertically transmitted symbiont with astoundingly low similarity to all other sequenced bacteria. Since that discovery, we have found evidence of the unknown symbiont in A. bruennichi populations across the Palearctic (unpublished data), making it relatively unlikely to play a role in the range expansion.
By studying the establishment and subsequent differentiation of core versus edge populations of A. bruennichi following range expansion, we were able to gain insight into the evolutionary and ecological processes that allowed this species to successfully cope with novel environments. The rapidity with which local adaptation arose in A. bruennichi suggests that evolutionary adaptation to novel environments is possible over short time periods. However, this may only be possible in species with sufficient standing genetic variation, or with genetic variation introduced via admixture, as in A. bruennichi, which has important implications for our understanding of species responses in the face of ongoing global climate change.
Having been regarded as wastelands until quite recently, wetlands are increasingly acknowledged as ecosystems of high biodiversity. Wetland restoration projects are often accompanied by the implementation of specific species management programs. Naturally, for effective management measures, profound knowledge of the target speciesʼ ecological requirements is obligatory, including habitat selection, feeding ecology as well as spatial behaviour such as movements within and between patches of suitable habitat. Yet, big knowledge gaps exist for many marshland birds which is particularly true for highly secretive species such as rails and crakes. Considered as the least known among the Palaearctic breeding birds, most information about the Baillon's Crake Zapornia pusilla is only anecdotic, resulting in strong uncertainties with regard to the species' distribution, population sizes, status, migratory behaviour as well as ecological requirements. This can be mainly attributed to the species' skulking behaviour and its seemingly highly erratic occurrence. Baillon's Crakes in the Western Palaearctic and Palaeotropics are referred to as the subspecies Z. p. intermedia. While European breeding birds are assumed to winter in sub-Saharan wetlands, African populations are considered rather to be itinerant with local movements induced by seasonal or anthropogenic habitat changes. However, for both migratory movements, major directions or routes are unknown. The discovery of a large number of Baillon's Crakes presumably wintering in the floodplains of the Parc National des Oiseaux du Djoudj (PNOD), situated in the Senegal River Delta, WAfrica, initiated this thesis. The main aim of the study was, firstly, to clarify the status and size of this population and assess its connectivity to European breeding population(s). Secondly, in order to improve the knowledge about the species' ecological requirements as a basis for the National Parks conservation management, habitat selection, spatial behaviour as well as dietary selectivity were investigated. The major part of the fieldwork was performed in PNOD in the course of the dry season during periods of 1.5 - 2.5 months from December - March 2009, 2010 and 2013. Baillon's Crakes were mainly caught with cage traps, ringed and common measurements were taken, including moult status. Skin tissue as well as one rectrice was sampled for DNA and stable isotope analyses. This was also done for Baillon's Crakes caught in European breeding grounds in Germany, Montenegro and Southern Spain. For dietary analyses, faecal samples were collected in PNOD in winter 2009/2010. Furthermore, some individuals were equipped with radio-transmitters to determine home range size and habitat selection. For the identification of the most relevant habitat parameters both on a population as well as on the individuals' level, we used a vegetation map based on satellite imagery covering the entire Djoudj area as well as maps generated on the basis of aerial photographs taken at two study sites.
Presumably every organism on earth is involved in at least one mutualistic interaction with one or several other species. To interact with each other, the species need traits that provide benefits to the partner species. Surprisingly, the function of traits for the stabilization of mutualisms has rarely been investigated, despite of a general lack of knowledge how mutualisms are maintained. The aim of this work was to find functional traits, which stabilize the mutualism between a bat species and a carnivorous pitcher plant in Northern Borneo. Kerivoula hardwickii is the only bat species known to roost in pitcher-shaped trapping organs of Palaeotropical pitcher plants (Nepenthes). These bats fertilize the pitcher plant Nepenthes hemsleyana with their nutritious nitrogen-rich faeces while roosting inside the pitchers. The plants have outsourced capture and digestion of arthropod prey to the bats on which they strongly rely for nutrient acquisition. The bats in contrast are less dependent on their mutualism partner as they also roost in pitchers of two further Nepenthes species as well as in developing furled leaves of various plant species in the order Zingiberales. In earlier studies, we found that N. hemsleyana outcompetes alternative roosts by providing high-quality roosts for the bats. However, which traits exactly stabilize the mutualism between K. hardwickii and N. hemsleyana was still unclear. I found that both the bats and the pitcher plants show traits, which have the potential to stabilize their interaction. On the level of morphological traits, I found that the pitchers have a low fluid level and a particular shape that provide just enough roosting space for one individual of the solitary K. hardwickii, a mother with juvenile or a mating couple. The bats have enlarged thumb and foot pads that enable them to cling to the smooth surfaces of their roosts without using their claws. This avoids damage to the sensitive N. hemsleyana pitchers. On the level of communicational traits, again N. hemsleyana acquired morphological structures that act as effective ultrasound-reflectors, which guide the echo-orientating bats to the opening of the pitchers and help the bats to identify their mutualism partner. The bats’ calls on the other hand are characterized by extraordinary high starting frequencies and broad bandwidths, which enable K. hardwickii to easily locate pitchers of N. hemsleyana and other Nepenthes species in their dense habitats. Finally, on the level of behavioural traits the bats often but not always prefer their mutualism partner to other roosts when they can select roosts in their natural environment or in behavioural experiments. The reason for this behaviour seems to be a combination of 1) N. hemsleyana’s superior quality compared to alternative roosts and 2) different roosting traditions of the bats. In conclusion, the mutualism between bats and pitcher plants is asymmetric as N. hemsleyana is more dependent on K. hardwickii than vice versa. For the plants bat faeces present their most important nutrient source. In contrast, K. hardwickii can select between alternative roosting plants. This asymmetric dependency is reflected in the specifity and function of the traits that stabilize the mutualism in each of the two involved species. Especially on the morphological level, N. hemsleyana seems to have evolved several traits that perfectly fit to K. hardwickii. In contrast, the bats’ traits more generally facilitate their roosting in funnel-shaped plant structures and their occurrence in cluttered habitats. Thus, they are probably exaptations (i.e. traits that evolved for another reason) that are nevertheless functional and stabilize the mutualism with N. hemsleyana. This plant‘s superior roost quality is likely a consequence of the competition with alternative roosting plants and is a pre-requisite for the bats to prefer N. hemsleyana. Moreover, my study confirms earlier findings that asymmetric dependencies support the stabilization of mutualistic interactions. Finally, my work indicates that the specifity of functional traits can be used as a measure to determine mutual dependencies of mutualistic partners.
Mutualisms are ubiquitous in nature and shape whole ecosystems. Although species benefit by interacting with each other, they permanently act selfishly. As a consequence, the involved partners must balance gaining the maximal benefit while accepting a certain amount of costs. Changes in the environment, however, may alter selection pressures and lead to a shift in the relative costs and benefits for both involved species. Due to this complexity, many mutualisms and their underlying processes, such as the dependence of the involved species on each other, are only poorly understood. Moreover, in several so-called mutualistic interactions it is unclear if they are in fact beneficial for all partners because detailed cost-benefit analyses are missing. The aim of my thesis was to contribute to a better understanding of the basic principles of mammal-plant mutualisms with special emphasis on the interdependence of the involved species. Using the interaction between an insectivorous bat species (Kerivoula hardwickii) and carnivorous pitcher plants (genus Nepenthes) as a model system, I conducted a detailed cost-benefit analysis to test if the partners interact mutualistically and are strongly dependent on one another. I hypothesised that pitchers of these plants serve as high quality roosts for the bats while the bats in turn fertilise the plants via their nutritious faeces. For the involved species the costs of the interaction should be lower than the gained benefits, but general costs should increase in the absence of the partner. Over the course of my field research, I found the bats roosting in three Nepenthes species, but the bats occupied intact pitchers of only one species, Nepenthes hemsleyana. In Nepenthes bicalcarata and Nepenthes ampullaria, the bats used senescing or damaged pitchers whose high amount of digestive fluid had drained off. Thus, only N. hemsleyana was potentially able to digest bat faecal matter, and thereby benefit from the bats. My cost-benefit analysis showed that N. hemsleyana plants strongly benefited from their bat interaction partner: In feeding experiments the plants gained between 34% and 95% of their nitrogen from bat faeces, which significantly improved their growth, photosynthesis and survival. In contrast, plants without access to faeces could not fully compensate the induced lack of nutrients by using arthropod prey. Field observations revealed no obvious costs for the pitcher plant. N. hemsleyana pitchers occupied by bats did not differ in their lifespan from unoccupied ones as bats did not injure the plants’ tissue. The interaction was also advantageous for K. hardwickii because N. hemsleyana offered high quality roosts with a favourable microclimate and low parasite infestation risk. Consequently, bats roosting in N. hemsleyana pitchers were in better condition than those roosting in dead N. bicalcarata pitchers. Although N. hemsleyana pitchers are rare in the natural habitat, bats could easily find and identify them due to an echo reflector, which reduces time and energy costs for roost detection. Most N. hemsleyana plants continuously provided at least one intact pitcher meaning bats could return to the same plants over a period of several months or even years. The interaction between K. hardwickii and N. hemsleyana can be classified as an asymmetric facultative mutualism with stronger dependence of the plant partner. N. hemsleyana has outsourced arthropod capture and digestion to its mutualistic bat partner while arthropod attraction is strongly reduced. Contrastingly, several populations of K. hardwickii frequently use alternative roosts. Strong selective pressure on the plants could be the consequence to attract bats with a potential stabilising effect on the interaction: N. hemsleyana has to outcompete the involuntarily offered roosts of the other Nepenthes species in terms of quality and accessibility. My thesis revealed complex interdependencies in an animal-plant mutualism. This study exemplifies that rigorous cost-benefit analyses are crucial for the classification of interspecific interactions and the characterisation of how the involved species affect and depend on each other.
Küstenüberflutungsmoore sind typische Elemente der vorpommerschen Boddenküste an der südlichen Ostsee. Es sind nur wenige Dezimeter oberhalb des Meeresspiegels liegende Bereiche, die natürlicherweise von Röhrichten eingenommen werden. Mit der menschlichen Nutzung konnten sich seit dem Mittelalter eigenständige Salzgrünlandformationen etablieren, deren Fortbestand an eine extensive landwirtschaftliche Bewirtschaftung gebunden ist. Die Arbeit hat den Einfluss der Beweidung auf die ökofaunistische Indikatorgruppe der Laufkäfer als Repräsentanten des Stratums Epedaphon untersucht. Dafür wurden in den Jahren 2001 bis 2005 mit Bodenfallen die Laufkäfergesellschaften sowie verschiedene abiotische und biotische Standortfaktoren im Bereich von Küstenüberflutungsmooren am Greifswalder Bodden, auf der Insel Ummanz und am Strelasund erfasst. Darüber hinaus wurden bis in das Jahr 1986 zurückreichende vergleichbare Untersuchungen zu Laufkäfergesellschaften verschiedener Habitate der Ostseeküste von Mecklenburg-Vorpommern und Schleswig-Holstein analysiert. Die Auswertung erfolgte mit Hilfe deskriptiver und mulivariater Statistik, ökofaunistischer Indizes und Korrelations-, Regressions- und Indikatorarten-Analysen. Der Datensatz umfasste insgesamt 310 Laufkäfergesellschaften mit 156.140 Individuen aus 211 Arten. Im Gesamtvergleich aller Küsten- und küstennahen Habitate der südlichen Ostsee differenzieren sich die Laufkäfergesellschaften nach den Standortfaktoren Höhenlage, Bodensubstrat und vertikale Vegetationsdichte. Im torfgeprägten mittleren Geolitoral der Küstenüberflutungsmoore sind die horizontale Vegetationsdichte und die Streuschichtausprägung von entscheidender Bedeutung. Beide werden stark durch die Beweidung modifiziert und beeinflussen weitere edaphische Parameter wie Bodenfeuchte und –salinität sowie Raumfülle, -widerstand und das Mikroklima. In Kombination mit der Trittwirkung der Weidetiere und dem gesteigerten Überflutungseinfluss aufgrund der verringerten Anzahl von Mikrohabitaten kommt es mit zunehmender Beweidung zur Abnahme der Artenzahlen, Fangsummen und Biomasse der Laufkäfer sowie zur Zunahme des Individuenanteils halophiler und halobionter Arten. Es wurden drei charakteristische Laufkäfergesellschaften des aktuell beweideten Salzbinsenrasens (Juncetum gerardii), des aufgelassenen Salzgrünlandes (J. gerardii, Oenantho lachenalii-Juncetum maritimi) und ungenutzter Brackwasserröhrichte (Scirpetum maritimi) mit den entsprechenden Laufkäfer-Indikatorarten ermittelt. Das extensiv beweidete Salzgrünland ist ein überregional wichtiger Lebensraum für die naturschutzfachlich bedeutsamen Laufkäferarten Carabus clatratus und Agonum monachum. Aufgrund des anthropogen forcierten Klimawandels könnten sich zukünftig Veränderungen in der Zusammensetzung der Laufkäfergesellschaften ergeben, beispielsweise ist im Untersuchungsgebiet eine Arealregression der Indikatorart Bembidion transparens zu erwarten. Die Arbeit gibt Empfehlungen zum Nutzungsregime innerhalb des Salzgrünlandes und zur Effizienzkontrolle der Beweidungsmaßnahmen anhand der Laufkäfer. Dies wird beispielhaft anhand eines langjährigen Monitorings im Renaturierungsgebiet der Karrendorfer Wiesen dargestellt.