TY - JOUR A1 - Hothorn, Torsten A1 - Müller, Jörg A1 - Schroeder, Boris A1 - Kneib, Thomas A1 - Brandl, Roland T1 - Decomposing environmental, spatial, and spatiotemporal components of species distributions JF - Ecological monographs : a publication of the Ecological Society of America. N2 - Species distribution models are an important tool to predict the impact of global change on species distributional ranges and community assemblages. Although considerable progress has been made in the statistical modeling during the last decade, many approaches still ignore important features of species distributions, such as nonlinearity and interactions between predictors, spatial autocorrelation, and nonstationarity, or at most incorporate only some of these features. Ecologists, however, require a modeling framework that simultaneously addresses all these features flexibly and consistently. Here we describe such an approach that allows the estimation of the global effects of environmental variables in addition to local components dealing with spatiotemporal autocorrelation as well as nonstationary effects. The local components can be used to infer unknown spatiotemporal processes; the global component describes how the species is influenced by the environment and can be used for predictions, allowing the fitting of many well-known regression relationships, ranging from simple linear models to complex decision trees or from additive models to models inspired by machine learning procedures. The reliability of spatiotemporal predictions can be qualitatively predicted by separately evaluating the importance of local and global effects. We demonstrate the potential of the new approach by modeling the breeding distribution of the Red Kite (Milvus milvus), a bird of prey occurring predominantly in Western Europe, based on presence/absence data from two mapping campaigns using grids of 40 km 2 in Bavaria. The global component of the model selected seven environmental variables extracted from the CORINE and WorldClim databases to predict Red Kite breeding. The effect of altitude was found to be nonstationary in space, and in addition, the data were spatially autocorrelated, which suggests that a species distribution model that does not allow for spatially varying effects and spatial autocorrelation would have ignored important processes determining the distribution of Red Kite breeding across Bavaria. Thus, predictions from standard species distribution models that do not allow for real-world complexities may be considerably erroneous. Our analysis of Red Kite breeding exemplifies the potential of the innovative approach for species distribution models. The method is also applicable to modeling count data. KW - boosting KW - model selection KW - nonstationarity KW - spatial autocorrelation KW - species distribution model KW - structured additive model KW - variable selection Y1 - 2011 U6 - https://doi.org/10.1890/10-0602.1 SN - 0012-9615 VL - 81 IS - 2 SP - 329 EP - 347 PB - Wiley CY - Washington ER - TY - THES A1 - Pätzel, Jonas T1 - Seismic site characterization using broadband and DAS ambient vibration measurements on Mt Etna, Italy N2 - Both horizontal-to-vertical (H/V) spectral ratios and the spatial autocorrelation method (SPAC) have proven to be valuable tools to gain insight into local site effects by ambient noise measurements. Here, the two methods are employed to assess the subsurface velocity structure at the Piano delle Concazze area on Mt Etna. Volcanic tremor records from an array of 26 broadband seismometers is processed and a strong variability of H/V ratios during periods of increased volcanic activity is found. From the spatial distribution of H/V peak frequencies, a geologic structure in the north-east of Piano delle Concazze is imaged which is interpreted as the Ellittico caldera rim. The method is extended to include both velocity data from the broadband stations and distributed acoustic sensing data from a co-located 1.5 km long fibre optic cable. High maximum amplitude values of the resulting ratios along the trajectory of the cable coincide with known faults. The outcome also indicates previously unmapped parts of a fault. The geologic interpretation is in good agreement with inversion results from magnetic survey data. Using the neighborhood algorithm, spatial autocorrelation curves obtained from the modified SPAC are inverted alone and jointly with the H/V peak frequencies for 1D shear wave velocity profiles. The obtained models are largely consistent with published models and were able to validate the results from the fibre optic cable. N2 - Sowohl die räumliche Autokorrelations-Methode (SPAC) als auch die Methode der horizontal-vertikal Spektralverhältnisse (H/V) sind wichtige Instrumente bei der seismischen Charakterisierung des Untergrundes mittels Bodenunruhe. In der vorliegenden Arbeit werden beide Techniken angewandt, um die Geschwindigkeitsstruktur der Piano delle Concazze Ebene auf dem Ätna zu untersuchen. Die Aufzeichnungen vulkanischen Tremors auf einem Array aus 26 Breitband-Seismometern werden prozessiert und starke Schwankungen des H/V Verhältnisses, insbesondere während Zeiten erhöhter vulkanischer Aktivität werden festgestellt. Die räumliche Verteilung der H/V Frequenzpeaks bildet eine geologische Struktur im nordöstlichen Bereichs des Untersuchungsgebietes ab. Diese wird als der alte Rand der Ellittico Caldera interpretiert. Die H/V-Methode wird um die kombinierte Verarbeitung von Geschwindigkeitsaufzeichnungen des Breitband-Arrays und faseroptischen Dehnungmessungen (distributed acoustic sensing, DAS) erweitert. Hierfür werden die Daten eines 1,5 km langen Glasfaserkabels, mit welchem das Seismometer-Array zusammen installiert wurde, genutzt. Erhöhte Werte der maximalen Amplitude der berechneten Spektralverhältnisse, stimmen mit der Lage bekannter Verwerfungen im Gebiet überein. Das Ergebnis deutet auf einen bisher nicht aufgezeichneten Verlauf einer der Verwerfungszonen hin. Die Interpretaion der Strukturen stimmt überein mit den Ergebnissen einer Geomagnetik-Studie der Piano delle Concazze. Mithilfe des Neighborhood-Algorithmus werden die räumlichen Autokorrelationskurven der modifizierten SPAC, sowohl einfach als auch in Kombination mit den H/V Frequenzpeaks, invertiert. So werden schließlich 1D Modelle der S-Wellengeschwindigkeit abgeleitet. Diese stimmen weitgehend überein mit den Resultaten anderer Studien und bestätigen darüberhinaus die Ergebnisse der DAS-Aufzeichnungen. KW - site characterization KW - Etna KW - DAS KW - ambient vibration KW - seismic noise KW - H/V KW - HVSR KW - velocity model KW - SPAC KW - MSPAC KW - spatial autocorrelation KW - Piano delle Concazze KW - site effects KW - microzonation KW - volcanic tremor KW - joint inversion KW - ortsverteile faseroptische Dehnungsmessung KW - Ätna KW - H/V KW - horizontal-vertikales Spektralverhältnis KW - räumliche Autkorrelationsmethode KW - modifizierte räumliche Autkorrelationsmethode KW - Bodenunruhe KW - gemeinsame Inversion KW - Mikrozonierung KW - seismisches Rauschen KW - Ortscharakterisierung KW - Ortseffekte KW - räumliche Autokorrelation KW - Geschwindigkeitsmodell KW - vulkanischer Tremor KW - Piano delle Concazze Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-613793 ER - TY - JOUR A1 - Eckert, Silvia A1 - Herden, Jasmin A1 - Stift, Marc A1 - Durka, Walter A1 - Kleunen, Mark Van A1 - Joshi, Jasmin Radha T1 - Traces of Genetic but Not Epigenetic Adaptation in the Invasive Goldenrod Solidago canadensis Despite the Absence of Population Structure JF - Frontiers in Ecology and Evolution N2 - Biological invasions may result from multiple introductions, which might compensate for reduced gene pools caused by bottleneck events, but could also dilute adaptive processes. A previous common-garden experiment showed heritable latitudinal clines in fitness-related traits in the invasive goldenrod Solidago canadensis in Central Europe. These latitudinal clines remained stable even in plants chemically treated with zebularine to reduce epigenetic variation. However, despite the heritability of traits investigated, genetic isolation-by-distance was non-significant. Utilizing the same specimens, we applied a molecular analysis of (epi)genetic differentiation with standard and methylation-sensitive (MSAP) AFLPs. We tested whether this variation was spatially structured among populations and whether zebularine had altered epigenetic variation. Additionally, we used genome scans to mine for putative outlier loci susceptible to selection processes in the invaded range. Despite the absence of isolation-by-distance, we found spatial genetic neighborhoods among populations and two AFLP clusters differentiating northern and southern Solidago populations. Genetic and epigenetic diversity were significantly correlated, but not linked to phenotypic variation. Hence, no spatial epigenetic patterns were detected along the latitudinal gradient sampled. Applying genome-scan approaches (BAYESCAN, BAYESCENV, RDA, and LFMM), we found 51 genetic and epigenetic loci putatively responding to selection. One of these genetic loci was significantly more frequent in populations at the northern range. Also, one epigenetic locus was more frequent in populations in the southern range, but this pattern was lost under zebularine treatment. Our results point to some genetic, but not epigenetic adaptation processes along a large-scale latitudinal gradient of S. canadensis in its invasive range. KW - AFLP KW - MSAP KW - cytosine methylation KW - spatial autocorrelation KW - genome scan Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.3389/fevo.2022.856453 SN - 2296-701X VL - 10 SP - 1 EP - 17 PB - Frontiers CY - Lausanne, Schweiz ER - TY - JOUR A1 - Eckert, Silvia A1 - Herden, Jasmin A1 - Stift, Marc A1 - Durka, Walter A1 - Kleunen, Mark Van A1 - Joshi, Jasmin Radha T1 - Traces of Genetic but Not Epigenetic Adaptation in the Invasive Goldenrod Solidago canadensis Despite the Absence of Population Structure JF - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Biological invasions may result from multiple introductions, which might compensate for reduced gene pools caused by bottleneck events, but could also dilute adaptive processes. A previous common-garden experiment showed heritable latitudinal clines in fitness-related traits in the invasive goldenrod Solidago canadensis in Central Europe. These latitudinal clines remained stable even in plants chemically treated with zebularine to reduce epigenetic variation. However, despite the heritability of traits investigated, genetic isolation-by-distance was non-significant. Utilizing the same specimens, we applied a molecular analysis of (epi)genetic differentiation with standard and methylation-sensitive (MSAP) AFLPs. We tested whether this variation was spatially structured among populations and whether zebularine had altered epigenetic variation. Additionally, we used genome scans to mine for putative outlier loci susceptible to selection processes in the invaded range. Despite the absence of isolation-by-distance, we found spatial genetic neighborhoods among populations and two AFLP clusters differentiating northern and southern Solidago populations. Genetic and epigenetic diversity were significantly correlated, but not linked to phenotypic variation. Hence, no spatial epigenetic patterns were detected along the latitudinal gradient sampled. Applying genome-scan approaches (BAYESCAN, BAYESCENV, RDA, and LFMM), we found 51 genetic and epigenetic loci putatively responding to selection. One of these genetic loci was significantly more frequent in populations at the northern range. Also, one epigenetic locus was more frequent in populations in the southern range, but this pattern was lost under zebularine treatment. Our results point to some genetic, but not epigenetic adaptation processes along a large-scale latitudinal gradient of S. canadensis in its invasive range. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1271 KW - AFLP KW - MSAP KW - cytosine methylation KW - spatial autocorrelation KW - genome scan Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-566758 SN - 1866-8372 SP - 1 EP - 17 PB - Universitätsverlag Potsdam CY - Potsdam ER - TY - THES A1 - Eckert, Silvia T1 - Trait variation in changing environments: Assessing the role of DNA methylation in non-native plant species T1 - Merkmalsvariation in sich verändernden Umgebungen: Bewertung der Rolle der DNA-Methylierung bei nicht einheimischen Pflanzenarten N2 - The increasing introduction of non-native plant species may pose a threat to local biodiversity. However, the basis of successful plant invasion is not conclusively understood, especially since these plant species can adapt to the new range within a short period of time despite impoverished genetic diversity of the starting populations. In this context, DNA methylation is considered promising to explain successful adaptation mechanisms in the new habitat. DNA methylation is a heritable variation in gene expression without changing the underlying genetic information. Thus, DNA methylation is considered a so-called epigenetic mechanism, but has been studied in mainly clonally reproducing plant species or genetic model plants. An understanding of this epigenetic mechanism in the context of non-native, predominantly sexually reproducing plant species might help to expand knowledge in biodiversity research on the interaction between plants and their habitats and, based on this, may enable more precise measures in conservation biology. For my studies, I combined chemical DNA demethylation of field-collected seed material from predominantly sexually reproducing species and rearing offsping under common climatic conditions to examine DNA methylation in an ecological-evolutionary context. The contrast of chemically treated (demethylated) plants, whose variation in DNA methylation was artificially reduced, and untreated control plants of the same species allowed me to study the impact of this mechanism on adaptive trait differentiation and local adaptation. With this experimental background, I conducted three studies examining the effect of DNA methylation in non-native species along a climatic gradient and also between climatically divergent regions. The first study focused on adaptive trait differentiation in two invasive perennial goldenrod species, Solidago canadensis sensu latu and S. gigantea AITON, along a climate gradient of more than 1000 km in length in Central Europe. I found population differences in flowering timing, plant height, and biomass in the temporally longer-established S. canadensis, but only in the number of regrowing shoots for S. gigantea. While S. canadensis did not show any population structure, I was able to identify three genetic groups along this climatic gradient in S. gigantea. Surprisingly, demethylated plants of both species showed no change in the majority of traits studied. In the subsequent second study, I focused on the longer-established goldenrod species S. canadensis and used molecular analyses to infer spatial epigenetic and genetic population differences in the same specimens from the previous study. I found weak genetic but no epigenetic spatial variation between populations. Additionally, I was able to identify one genetic marker and one epigenetic marker putatively susceptible to selection. However, the results of this study reconfirmed that the epigenetic mechanism of DNA methylation appears to be hardly involved in adaptive processes within the new range in S. canadensis. Finally, I conducted a third study in which I reciprocally transplanted short-lived plant species between two climatically divergent regions in Germany to investigate local adaptation at the plant family level. For this purpose, I used four plant families (Amaranthaceae, Asteraceae, Plantaginaceae, Solanaceae) and here I additionally compared between non-native and native plant species. Seeds were transplanted to regions with a distance of more than 600 kilometers and had either a temperate-oceanic or a temperate-continental climate. In this study, some species were found to be maladapted to their own local conditions, both in non-native and native plant species alike. In demethylated individuals of the plant species studied, DNA methylation had inconsistent but species-specific effects on survival and biomass production. The results of this study highlight that DNA methylation did not make a substantial contribution to local adaptation in the non-native as well as native species studied. In summary, my work showed that DNA methylation plays a negligible role in both adaptive trait variation along climatic gradients and local adaptation in non-native plant species that either exhibit a high degree of genetic variation or rely mainly on sexual reproduction with low clonal propagation. I was able to show that the adaptive success of these non-native plant species can hardly be explained by DNA methylation, but could be a possible consequence of multiple introductions, dispersal corridors and meta-population dynamics. Similarly, my results illustrate that the use of plant species that do not predominantly reproduce clonally and are not model plants is essential to characterize the effect size of epigenetic mechanisms in an ecological-evolutionary context. N2 - Die zunehmende Eintragung nicht-heimischer Pflanzenarten kann eine Gefahr für die lokale Artenvielfalt darstellen. Die Grundlagen einer erfolgreichen pflanzlichen Ausbreitung sind jedoch nicht abschließend geklärt, zumal sich diese Arten innerhalb kurzer Zeit an das neue Verbreitungsgebiet anpassen können trotz anfänglich reduzierter genetischer Vielfalt der Startpopulationen. In diesem Kontext gilt DNA-Methylierung als vielversprechend, um erfolgreiche Anpassungsmechanismen im neuen Lebensraum zu erklären. Bei der DNA-Methylierung handelt es sich um eine vererbbare Variation der Genaktivität, ohne dass die zugrundeliegende genetische Erbinformation verändert wird. Damit gehört DNA-Methylierung zu den sogenannten epigenetischen Mechanismen, wurde jedoch vorwiegend bei sich klonal vermehrenden Pflanzenarten oder genetischen Modellpflanzen untersucht. Ein Verständnis dieses epigenetischen Mechanismus im Zusammenhang mit nicht-einheimischen, sich vorwiegend sexuell reproduzierenden Pflanzenarten erweitert das Wissen in der Biodiversitätsforschung zur Interaktion zwischen Pflanzen und ihrem Lebensraum und kann, darauf aufbauend, präzisere Maßnahmen in der Naturschutzbiologie ermöglichen. Für meine Studien kombinierte ich die chemische DNA-Demethylierung von im Freiland gesammeltem Samenmaterial sich vorwiegend sexuell fortpflanzender Arten und die Aufzucht unter gemeinsamen klimatischen Bedingungen, um DNA-Methylierung im ökologisch-evolutionären Kontext zu untersuchen. Der Kontrast von chemisch behandelten (demethylierten) Pflanzen, deren Methylierungsvariation nun künstlich verringert war, und unbehandelten Kontrollpflanzen derselben Art ermöglichte mir die Auswirkung dieses Mechanismus auf adaptive Merkmalsvariationen und lokale Anpassung zu studieren. Vor diesem experimentellen Hintergrund führte ich drei Studien durch, um die Auswirkung von DNA-Methylierung bei nicht-einheimischen Pflanzenarten entlang eines klimatischen Gradienten und zwischen zwei klimatisch unterschiedlichen Regionen zu untersuchen. Die erste Studie konzentrierte sich auf adaptive Merkmalsveränderungen bei Nachkommen von zwei invasiven, mehrjährigen Goldrutenarten, Solidago canadensis sensu latu und S. gigantea AITON, entlang eines Klimagradienten von mehr als 1000 km Länge in Zentraleuropa. Ich fand graduelle Unterschiede im Blühzeitpunkt, in der Pflanzenhöhe und der Biomasse bei der zeitlich länger etablierten S. canadensis, bei S. gigantea jedoch nur in der Anzahl der nachwachsenden Triebe. Während S. canadensis keinerlei Populationsstruktur aufwies, konnte ich bei S. gigantea drei genetische Gruppen entlang dieses Klimagradienten identifizieren. Überraschenderweise zeigten demethylierte Pflanzen beider Arten keine Veränderung in der überwiegenden Anzahl der untersuchten Merkmale. In der darauffolgenden zweiten Studie konzentrierte ich mich auf die länger etablierte Goldrutenart S. canadensis und verwendete molekulare Analysen, um räumliche epigenetische und genetische Populationunterschiede aus den Exemplaren der vorhergehenden Studie abzuleiten. Ich fand schwache genetische aber keine epigenetische räumliche Variation zwischen den Populationen. Zusätzlich konnte ich einen genetischen und einen epigenetischen Marker identifizieren, welcher potentiell unter Selektion stehen könnte. Allerdings bestätigten die Ergebnisse dieser Studie erneut, dass DNA-Methylierung bei S. canadensis kaum in die Anpassung an das neue Verbreitungsgebiet involviert zu sein scheint. Schließlich führte ich eine dritte Studie durch, in welcher ich Samen kurzlebiger Pflanzenarten reziprok zwischen zwei klimatisch unterschiedlichen Regionen in Deutschland transplantierte, um lokale Anpassung auf Ebene der Pflanzenfamilien zu untersuchen. Zu diesem Zweck nutze ich vier Pflanzenfamilien (Amaranthaceae, Asteraceae, Plantaginaceae, Solanaceae), wobei ich hier auch zwischen nicht-heimischen und heimischen Pflanzenarten verglich. Beide Regionen lagen mehr als 600 Kilometer voneinander entfernt und wiesen entweder ein gemäßigt-ozeanisches oder gemäßigt-kontinentales Klima auf. In dieser Studie zeigte sich für einige—sowohl nicht-einheimische als auch einhimische—Arten eine Fehlanpassung an die eigenen lokalen Bedingungen. In demethylierten Individuen der untersuchten Pflanzenarten wirkte sich die DNA-Methylierung widersprüchlich, aber artspezifisch auf das Überleben und die Biomasseproduktion aus. Die Ergebnisse dieser Studie unterstreichen, dass DNA-Methylierung einen vernachlässigbaren Beitrag zur lokalen Anpassung bei den untersuchten nicht-heimischen, aber auch einheimischen Arten leistete. Zusammenfassend konnte ich mit dieser Arbeit festellen, dass DNA-Methylierung bei nicht-einheimischen Pflanzenarten eine untergeordnete Rolle sowohl bei der adaptiven Merkmalsvariation entlang von Klimagradienten als auch der lokalen Anpassung an klimatisch unterschiedliche Regionen spielt, wenn diese Pflanzenarten eine hohe genetische Vielfalt aufweisen und sich hauptsächlich sexuell vermehren. Ich konnte zeigen, dass der Anpassungserfolg dieser nicht-einheimischen Pflanzenarten kaum durch DNA-Methylierung erklärbar ist, sondern vielmehr eine mögliche Folge mehrfacher Eintragungen, von Ausbreitungskorridoren und Meta-Populationsdynamiken sein könnte. Die Ergebnisse dieser Studien verdeutlichen ebenso, dass die Verwendung von Pflanzenarten, die sich nicht überwiegend klonal vermehren und keine genetischen Modellpflanzen sind, unerlässlich ist, um die Effektstärke epigenetischer Mechanismen im ökologisch-evolutionären Kontext zu charakterisieren. KW - common-garden experiment KW - reciprocal transplant experiment KW - epigenetics KW - cytosine methylation KW - zebularine KW - adaptive differentiation KW - local adaptation KW - microsatellites KW - Solidago canadensis KW - Solidago gigantea KW - Amaranthus retroflexus KW - Chenopodium album KW - Erigeron canadensis KW - Erigeron annuus KW - Lactuca serriola KW - Senecio vulgaris KW - Sonchus oleraceus KW - Tripleurospermum inodorum KW - Veronica persica KW - Plantago major KW - Datura stramonium KW - Solanum nigrum KW - latitudinal clines KW - population structure KW - invasive KW - ruderal KW - non-native KW - Central Europe KW - Germany KW - AFLP KW - MSAP KW - spatial autocorrelation KW - genome scan KW - Gemeinschaftsgarten-Experiment KW - reziprokes Transplantationsexperiment KW - Epigenetik KW - Cytosin-Methylierung KW - Zebularin KW - adaptive Differenzierung KW - lokale Anpassung KW - Mikrosatelliten KW - Breitengrad KW - Ökokline KW - Populationsstruktur KW - invasiv KW - ruderal KW - nicht-einheimisch KW - Mitteleuropa KW - Deutschland KW - AFLP KW - MSAP KW - räumliche Autokorrelation KW - Genom-Scan Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-568844 ER -