TY - JOUR A1 - Alshareef, Nouf Owdah A1 - Otterbach, Sophie L. A1 - Allu, Annapurna Devi A1 - Woo, Yong H. A1 - de Werk, Tobias A1 - Kamranfar, Iman A1 - Müller-Röber, Bernd A1 - Tester, Mark A1 - Balazadeh, Salma A1 - Schmöckel, Sandra M. T1 - NAC transcription factors ATAF1 and ANAC055 affect the heat stress response in Arabidopsis JF - Scientific reports N2 - Pre-exposing (priming) plants to mild, non-lethal elevated temperature improves their tolerance to a later higher-temperature stress (triggering stimulus), which is of great ecological importance. 'Thermomemory' is maintaining this tolerance for an extended period of time. NAM/ATAF1/2/ CUC2 (NAC) proteins are plant-specific transcription factors (TFs) that modulate responses to abiotic stresses, including heat stress (HS). Here, we investigated the potential role of NACs for thermomemory. We determined the expression of 104 Ara bidopsis NAC genes after priming and triggering heat stimuli, and found ATAF1 expression is strongly induced right after priming and declines below control levels thereafter during thermorecovery. Knockout mutants of ATAF1 show better thermomemory than wild type, revealing a negative regulatory role. Differential expression analyses of RNA-seq data from ATAF1 overexpressor, ataf1 mutant and wild-type plants after heat priming revealed five genes that might be priming-associated direct targets of ATAF1: AT2G31260 (ATG9), AT2G41640 (GT61), AT3G44990 (XTH31), AT4G27720 and AT3G23540. Based on co-expression analyses applied to the aforementioned RNA-seq profiles, we identified ANAC055 to be transcriptionally co-regulated with ATAF1. Like atafl, anac055 mutants show improved thermomemory, revealing a potential co-control of both NACTFs over thermomemory. Our data reveals a core importance of two NAC transcription factors, ATAF1 and ANAC055, for thermomemory. Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1038/s41598-022-14429-x SN - 2045-2322 VL - 12 IS - 1 PB - Nature Research CY - Berlin ER - TY - THES A1 - Shevtsova, Iuliia T1 - Recent and future vegetation change in the treeline region of Chukotka (NE Russia) inferred from field data, satellite data and modelling N2 - Vegetation change at high latitudes is one of the central issues nowadays with respect to ongoing climate changes and triggered potential feedback. At high latitude ecosystems, the expected changes include boreal treeline advance, compositional, phenological, physiological (plants), biomass (phytomass) and productivity changes. However, the rate and the extent of the changes under climate change are yet poorly understood and projections are necessary for effective adaptive strategies and forehanded minimisation of the possible negative feedbacks. The vegetation itself and environmental conditions, which are playing a great role in its development and distribution are diverse throughout the Subarctic to the Arctic. Among the least investigated areas is central Chukotka in North-Eastern Siberia, Russia. Chukotka has mountainous terrain and a wide variety of vegetation types on the gradient from treeless tundra to northern taiga forests. The treeline there in contrast to subarctic North America and north-western and central Siberia is represented by a deciduous conifer, Larix cajanderi Mayr. The vegetation varies from prostrate lichen Dryas octopetala L. tundra to open graminoid (hummock and non-hummock) tundra to tall Pinus pumila (Pall.) Regel shrublands to sparse and dense larch forests. Hence, this thesis presents investigations on recent compositional and above-ground biomass (AGB) changes, as well as potential future changes in AGB in central Chukotka. The aim is to assess how tundra-taiga vegetation develops under changing climate conditions particularly in Fareast Russia, central Chukotka. Therefore, three main research questions were considered: 1) What changes in vegetation composition have recently occurred in central Chukotka? 2) How have the above-ground biomass AGB rates and distribution changed in central Chukotka? 3) What are the spatial dynamics and rates of tree AGB change in the upcoming millennia in the northern tundra-taiga of central Chukotka? Remote sensing provides information on the spatial and temporal variability of vegetation. I used Landsat satellite data together with field data (foliage projective cover and AGB) from two expeditions in 2016 and 2018 to Chukotka to upscale vegetation types and AGB for the study area. More specifically, I used Landsat spectral indices (Normalised Difference Vegetation Index (NDVI), Normalised Difference Water Index (NDWI) and Normalised Difference Snow Index (NDSI)) and constrained ordination (Redundancy analysis, RDA) for further k-means-based land-cover classification and general additive model (GAM)-based AGB maps for 2000/2001/2002 and 2016/2017. I also used Tandem-X DEM data for a topographical correction of the Landsat satellite data and to derive slope, aspect, and Topographical Wetness Index (TWI) data for forecasting AGB. Firstly, in 2016, taxa-specific projective cover data were collected during a Russian-German expedition. I processed the field data and coupled them with Landsat spectral Indices in the RDA model that was used for k-means classification. I could establish four meaningful land-cover classes: (1) larch closed-canopy forest, (2) forest tundra and shrub tundra, (3) graminoid tundra and (4) prostrate herb tundra and barren areas, and accordingly, I produced the land cover maps for 2000/2001/2002 and 2016/20017. Changes in land-cover classes between the beginning of the century (2000/2001/2002) and the present time (2016/2017) were estimated and interpreted as recent compositional changes in central Chukotka. The transition from graminoid tundra to forest tundra and shrub tundra was interpreted as shrubification and amounts to a 20% area increase in the tundra-taiga zone and 40% area increase in the northern taiga. Major contributors of shrubification are alder, dwarf birch and some species of the heather family. Land-cover change from the forest tundra and shrub tundra class to the larch closed-canopy forest class is interpreted as tree infilling and is notable in the northern taiga. We find almost no land-cover changes in the present treeless tundra. Secondly, total AGB state and change were investigated for the same areas. In addition to the total vegetation AGB, I provided estimations for the different taxa present at the field sites. As an outcome, AGB in the study region of central Chukotka ranged from 0 kg m-2 at barren areas to 16 kg m-2 in closed-canopy forests with the larch trees contributing the highest. A comparison of changes in AGB within the investigated period from 2000 to 2016 shows that the greatest changes (up to 1.25 kg m 2 yr 1) occurred in the northern taiga and in areas where land cover changed to larch closed-canopy forest. Our estimations indicate a general increase in total AGB throughout the investigated tundra-taiga and northern taiga, whereas the tundra showed no evidence of change in AGB within the 15 years from 2002 to 2017. In the third manuscript, potential future AGB changes were estimated based on the results of simulations of the individual-based spatially explicit vegetation model LAVESI using different climate scenarios, depending on Representative Concentration Pathways (RCPs) RCP 2.6, RCP 4.5 and RCP 8.5 with or without cooling after 2300 CE. LAVESI-based AGB was simulated for the current state until 3000 CE for the northern tundra-taiga study area for larch species because we expect the most notable changes to occur will be associated with forest expansion in the treeline ecotone. The spatial distribution and current state of tree AGB was validated against AGB field data, AGB extracted from Landsat satellite data and a high spatial resolution image with distinctive trees visible. The simulation results are indicating differences in tree AGB dynamics plot wise, depending on the distance to the current treeline. The simulated tree AGB dynamics are in concordance with fundamental ecological (emigrational and successional) processes: tree stand formation in simulated results starts with seed dispersion, tree stand establishment, tree stand densification and episodic thinning. Our results suggest mostly densification of existing tree stands in the study region within the current century in the study region and a lagged forest expansion (up to 39% of total area in the RCP 8.5) under all considered climate scenarios without cooling in different local areas depending on the closeness to the current treeline. In scenarios with cooling air temperature after 2300 CE, forests stopped expanding at 2300 CE (up to 10%, RCP 8.5) and then gradually retreated to their pre-21st century position. The average tree AGB rates of increase are the strongest in the first 300 years of the 21st century. The rates depend on the RCP scenario, where the highest are as expected under RCP 8.5. Overall, this interdisciplinary thesis shows a successful integration of field data, satellite data and modelling for tracking recent and predicting future vegetation changes in mountainous subarctic regions. The obtained results are unique for the focus area in central Chukotka and overall, for mountainous high latitude ecosystems. N2 - Die Veränderung der Vegetation in den hohen Breiten ist heutzutage eines der zentralen Themen im Hinblick auf den anhaltenden Klimawandel und hat potenziell auslösende Rückkopplungen. In den Ökosystemen der hohen Breiten umfassen die erwarteten Veränderungen das Fortschreiten der borealen Baumgrenze, sowie kompositorische, phänologische, physiologische, Biomassen- (Phytomasse) und Produktivitätsveränderungen. Die Geschwindigkeit und das Ausmaß der Veränderungen im Rahmen des Klimawandels sind jedoch noch wenig verstanden, und Projektionen sind für wirksame Anpassungsstrategien und eine vorausschauende Minimierung möglicher negativer Rückkopplungen erforderlich. Die Vegetation selbst und die Umweltbedingungen, die bei ihrer Entwicklung und Verbreitung eine große Rolle spielen, sind in der gesamten Subarktis bis zur Arktis unterschiedlich. Zu den am wenigsten untersuchten Gebieten gehört Zentral-Tschukotka, in Nordost-Sibirien, Russland. Tschukotka hat gebirgiges Terrain und eine weite Bandbreite von Vegetationstypen entlang des Gradienten von der baumlosen Tundra bis zu den nördlichen Taiga-Wäldern. Die Baumgrenze dort wird im Gegensatz zum subarktischen Nordamerika sowie Nordwest- und Mittelsibirien durch eine laubabwerfende Nadelbaumart, Larix cajanderi Mayr, aufgebaut. Die Vegetation variiert von Tundra mit Flechten und Dryas octopetala L. über offene graminoide (Horstgras und nicht Horstgras) Tundra und hohe Pinus pumila (Pall.) Regel Strauchlandschaften zu lockeren Lärchenbeständen bis zu dichten Lärchenwäldern. Somit werden in meiner Dissertation Untersuchungen zu den jüngsten Veränderungen der Vegetationszusammensetzung und der oberirdischen Biomasse (aus dem Englischen above-ground biomass, bzw. AGB), sowie zu potenziellen zukünftigen Veränderungen der AGB vorgestellt. Das Ziel meiner Arbeit ist es abzuschätzen, wie sich die Tundra-Taiga-Vegetation unter Klimawandel entwickelt, insbesondere in Fernost Russland, Zentral-Tschukotka. Daher wurden drei Hauptforschungsfragen berücksichtigt: 1) Welche Veränderungen in der Vegetationszusammensetzung sind in den letzten Jahrzehnten in Zentral-Tschukotka aufgetreten? 2) Wie haben sich die AGB-Raten und die Verteilung der oberirdischen Biomasse in Zentral-Tschukotka verändert? 3) Wie sind die räumlichen Dynamiken und Änderungsraten der Baum-AGB in dem kommenden Jahrtausend in der nördlichen Tundra-Taiga in Zentral-Tschukotka? Fernerkundung liefert Informationen über die räumliche und zeitliche Vegetationsvariabilität. Ich habe Landsat-Satellitendaten zusammen mit Felddaten (Projektive Vegetationsbedeckung und AGB) von zwei Expeditionen in den Jahren 2016 und 2018 nach Tschukotka verwendet, um Vegetationstypen und AGB für das Untersuchungsgebiet räumlich abzubilden. Insbesondere habe ich die Landsat-Spektralindizes (Normalized Difference Vegetation Index (NDVI), Normalized Difference Water Index (NDWI) und Normalized Difference Snow Index (NDSI)) und eine Ordination mit Randbedingungen (Redundanzanalyse, RDA) verwendet, um eine Land-Klassifizierung mittels der k-means Methode zu entwickeln, und AGB-Karten mittels des General Additive Model (GAM) für 2000/2001/2002 und 2016/2017 zu erstellen. Außerdem verwendete ich Tandem-X-DEM-Daten, um die Landsat-Satellitendaten topografisch zu korrigieren und um die Hangneigung-, Hangaspekt- und TWI- (Topographical Wetness Index) Daten für die Vorhersage von AGB abzuleiten. Auf einer russisch-deutschen Expedition im Jahr 2016 wurden Vegetationsdaten erhoben. Ich prozessierte die Felddaten zu taxaspezifischen-projektiven Vegetationsbedeckungsdaten. Ich habe die taxaspezifisch-projektive Vegetationsbedeckung mit Landsat-Spektralindizes im RDA-Modell gekoppelt, das für die k-means-Klassifizierung verwendet wurde. Ich konnte vier repräsentative Landbedeckungsklassen einrichten: (1) Lärchen-Wald mit geschlossenem Blätterdach, (2) Waldtundra und Strauch-Tundra, (3) graminoide Tundra und (4) Kräutertundra und vegetationsarme Gebiete. Dementsprechend prozessierte ich dann die Landbedeckungskarten für 2000/2001/2002 und 2016/20017. Ich ermittelte die Änderungen der Landbedeckungsklassen zwischen dem Beginn des Jahrhunderts (2000/2001/2002) und der Gegenwart (2016/2017) und konnte sie als aktuelle Kompositionsänderungen in der Vegetation von Zentral-Tschukotka interpretieren. Die Transformation von der graminoiden Tundra zur Waldtundra oder zur Strauch-Tundra habe ich als Prozess der Strauchbildung interpretiert, die einer Flächenvergrößerung von 20% in der Tundra-Taiga Zone und einer Flächenvergrößerung von 40% in der nördlichen Taiga entspricht. Hauptakteure der Strauchung sind Erle, Zwergbirke und einige Arten der Heidekrautfamilie. Der Landbedeckungswechsel von der Waldtundra- und Strauch-Tundra-Klasse zur Klasse des Lärchen-Waldes mit geschlossenen Blätterdach wird als eine Verdichtung des Baumbestandes interpretiert und ist in der nördlichen Taiga bemerkenswert. In der heutigen baumlosen Tundra finden wir fast keine Landbedeckungsänderungen. Im zweiten Projekt bestimmte ich den Gesamt-AGB-Zustand und die gesamte AGB-Veränderung für dieselben Regionen in Zentral-Chukotka. Zusätzlich zur gesamten AGB lieferte ich Schätzungen für die verschiedenen Taxa, die an den Feldstandorten vorhanden sind. Als Ergebnis lag die AGB in der Untersuchungsregion von Zentral-Tschukotka zwischen 0 kg m-2 in vegetationsarmen Gebieten und 16 kg m-2 in den Wäldern mit geschlossenem Blätterdach mit dem größten Anteil von Lärchen. Ein Vergleich der Veränderungen der AGB im Untersuchungszeitraum von 2000 bis 2016 zeigt, dass die größten Veränderungen (bis zu 1,25 kg m-2 Jahr-1) in der nördlichen Taiga und in den Gebieten auftraten, in denen sich die Landbedeckung hin zu einen Lärchenwald mit geschlossenen Blätterdach änderte. Unsere Schätzungen deuten auf einen allgemeinen Anstieg der gesamten AGB in der untersuchten Tundra-Taiga und der nördlichen Taiga hin. Im Gegensatz zeigte die Tundra innerhalb der 15 Jahre von 2002 bis 2017 keine Hinweise auf eine Veränderung der AGB. Im dritten Projekt wurden potenzielle zukünftige Änderungen der oberirdischen Biomasse (AGB) basierend auf den Ergebnissen von Simulationen des individuell basierten räumlich expliziten Vegetationsmodells LAVESI unter Verwendung verschiedener Klimaszenarien, abhängig von RCP (Representative Concentration Pathways) 2.6, RCP 4.5 und RCP 8.5 (mit und ohne die Temperaturminderung nach den 2300 CE), geschätzt. Die LAVESI-basierte AGB wurde für den aktuellen Zustand bis 3000 CE für Lärchen-AGB simuliert, da wir davon ausgehen, dass die bemerkenswertesten Veränderungen im Baumgrenze-Ökoton mit einer Waldausdehnung zusammenhängen. Die räumliche Verteilung und der aktuelle Zustand der Baum-AGB wurden anhand von AGB-Felddaten, aus Landsat-Satellitendaten extrahierten AGB und einem Satellitenbild mit hoher räumlicher Auflösung und dadurch sichtbaren Einzelbäumen validiert. Die Simulationsergebnisse deuten auf Unterschiede in der Baum-AGB-Dynamik in Abhängigkeit von der Entfernung zur aktuellen Baumgrenze hin. Die simulierte Baum-AGB-Dynamik stimmt mit grundlegenden ökologischen (Auswanderungs- und Sukzessions-) Prozessen überein: die simulierte Baumbestandsentwicklung fängt mit Samenverbreitung an, Schaffung des Baumbestands, Baumbestand Verdichtung und episodische Verdünnung. Unsere Ergebnisse weisen auf eine Verdichtung des bestehenden Baumbestandes im Laufe dieses Jahrhunderts hin in der Untersuchungsregion, und auf eine zeitlich verzögerte Waldverbreitung (bis zu 39% der Fläche im RCP 8.5) unter allen betrachteten Klima-Szenarien ohne Abkühlung in verschiedenen lokalen Bereichen, abhängig von der Nähe zur heutigen Baumgrenze. In Szenarien mit Abkühlung nach 2300 CE beenden die Wälder ihre Ausbreitung um 2300 CE; bis zu 10%, RCP 8.5) um dann graduell zu ihrer vor 21. Jhd. Position zurückzuweichen. Die gemittelten Änderungsraten der Baum AGB sind am höchsten in den ersten 300 Jahren des 21. Jahrhunderts. Die Änderungsraten hängen ab von dem RCP Szenarium, mit den höchsten Änderungsraten unter RCP 8.5, wie zu erwarten war. Insgesamt zeigt diese interdisziplinäre Arbeit eine erfolgreiche Integration von Felddaten, Satellitendaten und Modellen zur Verfolgung der aktuellen und vorhergesagten zukünftigen Vegetationsänderungen in subarktischen Gebirgsregionen. Die erzielten Ergebnisse sind einzigartig für den Schwerpunktbereich in Zentral-Tschukotka und insgesamt für Gebirgsregionen in den hohen Breiten. T2 - Aktuelle und zukünftige Vegetationsveränderung in der Baumgrenzenregion von Chukotka (Nordost-Russland), abgeleitet aus Felddaten, Satellitendaten und Modellierung KW - plant ecology KW - vegetation change KW - Chukotka vegetation KW - above-ground biomass KW - land-cover classification KW - LAVESI KW - tree infilling KW - shrubification KW - subarctic vegetation change KW - treeline KW - tundra-taiga KW - Larix cajanderi KW - Vegetation von Tschukotka KW - oberirdische Biomasse KW - Klassifikation der Landbedeckung KW - Pflanzenökologie KW - Vegetationsveränderungen in der Subarktis KW - Waldausdehnung KW - Vegetationsveränderungen KW - Baumgrenze KW - Tundra-Taiga Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-548452 ER - TY - JOUR A1 - Stoof-Leichsenring, Kathleen R. A1 - Huang, Sichao A1 - Liu, Sisi A1 - Jia, Weihan A1 - Li, Kai A1 - Liu, Xingqi A1 - Pestryakova, Luidmila A. A1 - Herzschuh, Ulrike T1 - Sedimentary DNA identifies modern and past macrophyte diversity and its environmental drivers in high-latitude and high-elevation lakes in Siberia and China JF - Limnology and oceanography N2 - Arctic and alpine aquatic ecosystems are changing rapidly under recent global warming, threatening water resources by diminishing trophic status and changing biotic composition. Macrophytes play a key role in the ecology of freshwaters and we need to improve our understanding of long-term macrophytes diversity and environmental change so far limited by the sporadic presence of macrofossils in sediments. In our study, we applied metabarcoding using the trnL P6 loop marker to retrieve macrophyte richness and composition from 179 surface-sediment samples from arctic Siberian and alpine Chinese lakes and three representative lake cores. The surface-sediment dataset suggests that macrophyte richness and composition are mostly affected by temperature and conductivity, with highest richness when mean July temperatures are higher than 12 degrees C and conductivity ranges between 40 and 400 mu S cm(-1). Compositional turnover during the Late Pleistocene/Holocene is minor in Siberian cores and characterized by a less rich, but stable emergent macrophyte community. Richness decreases during the Last Glacial Maximum and rises during wetter and warmer climate in the Late-glacial and Mid-Holocene. In contrast, we detect a pronounced change from emergent to submerged taxa at 14 ka in the Tibetan alpine core, which can be explained by increasing temperature and conductivity due to glacial runoff and evaporation. Our study provides evidence for the suitability of the trnL marker to recover modern and past macrophyte diversity and its applicability for the response of macrophyte diversity to lake-hydrochemical and climate variability predicting contrasting macrophyte changes in arctic and alpine lakes under intensified warming and human impact. Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1002/lno.12061 SN - 0024-3590 SN - 1939-5590 VL - 67 IS - 5 SP - 1126 EP - 1141 PB - Wiley-Blackwell CY - Oxford [u.a.] ER - TY - JOUR A1 - Hébert, Raphaël A1 - Herzschuh, Ulrike A1 - Laepple, Thomas T1 - Millennial-scale climate variability over land overprinted by ocean temperature fluctuations JF - Nature geoscience N2 - Variations in regional temperature have widespread implications for society, but our understanding of the amplitude and origin of long-term natural variability is insufficient for accurate regional projections. This is especially the case for terrestrial temperature variability, which is currently thought to be weak over long timescales. By performing spectral analysis on climate reconstructions, produced using sedimentary pollen records from the Northern Hemisphere over the last 8,000 years, coupled with instrumental data, we provide a comprehensive estimate of regional temperature variability from annual to millennial timescales. We show that short-term random variations are overprinted by strong ocean-driven climate variability on multi-decadal and longer timescales. This may cause substantial and potentially unpredictable regional climatic shifts in the coming century, in contrast to the relatively muted and homogeneous warming projected by climate models. Due to the marine influence, regions characterized by stable oceanic climate at sub-decadal timescales experience stronger long-term variability, and continental regions with higher sub-decadal variability show weaker long-term variability. This fundamental relationship between the timescales provides a unique insight into the emergence of a marine-driven low-frequency regime governing terrestrial climate variability and sets the basis to project the amplitude of temperature fluctuations on multi-decadal timescales and longer. Temperature variability over land is enhanced by ocean temperature fluctuations on millennial timescales, with implications for regional-scale climate change, according to an analysis of Northern Hemisphere proxy records and observations. Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1038/s41561-022-01056-4 SN - 1752-0894 SN - 1752-0908 VL - 15 IS - 11 SP - 899 PB - Nature portfolio CY - Berlin ER - TY - JOUR A1 - Gutschmann, Björn A1 - Simões, Matilde Maldonado A1 - Schiewe, Thomas A1 - Schröter, Edith S. A1 - Münzberg, Marvin A1 - Neubauer, Peter A1 - Bockisch, Anika A1 - Riedel, Sebastian Lothar Stefan T1 - Continuous feeding strategy for polyhydroxyalkanoate production from solid waste animal fat at laboratory- and pilot-scale JF - Microbial biotechnology / Society for Applied Microbiology N2 - Bioconversion of waste animal fat (WAF) to polyhydroxyalkanoates (PHAs) is an approach to lower the production costs of these plastic alternatives. However, the solid nature of WAF requires a tailor-made process development. In this study, a double-jacket feeding system was built to thermally liquefy the WAF to employ a continuous feeding strategy. During laboratory-scale cultivations with Ralstonia eutropha Re2058/pCB113, 70% more PHA (45 g(PHA) L-1) and a 75% higher space-time yield (0.63 g(PHA) L-1 h(-1)) were achieved compared to previously reported fermentations with solid WAF. During the development process, growth and PHA formation were monitored in real-time by in-line photon density wave spectroscopy. The process robustness was further evaluated during scale-down fermentations employing an oscillating aeration, which did not alter the PHA yield although cells encountered periods of oxygen limitation. Flow cytometry with propidium iodide staining showed that more than two-thirds of the cells were viable at the end of the cultivation and viability was even little higher in the scale-down cultivations. Application of this feeding system at 150-L pilot-scale cultivation yielded in 31.5 g(PHA) L-1, which is a promising result for the further scale-up to industrial scale. Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1111/1751-7915.14104 SN - 1751-7915 PB - Wiley CY - Hoboken ER - TY - GEN A1 - Hering, Robert A1 - Hauptfleisch, Morgan A1 - Kramer-Schadt, Stephanie A1 - Stiegler, Jonas A1 - Blaum, Niels T1 - Effects of fences and fence gaps on the movement behavior of three southern African antelope species T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Globally, migratory ungulates are affected by fences. While field observational studies reveal the amount of animal–fence interactions across taxa, GPS tracking-based studies uncover fence effects on movement patterns and habitat selection. However, studies on the direct effects of fences and fence gaps on movement behavior, especially based on high-frequency tracking data, are scarce. We used GPS tracking on three common African antelopes (Tragelaphus strepsiceros, Antidorcas marsupialis, and T. oryx) with movement strategies ranging from range residency to nomadism in a semi-arid, Namibian savanna traversed by wildlife-proof fences that elephants have regularly breached. We classified major forms of ungulate–fence interaction types on a seasonal and a daily scale. Furthermore, we recorded the distances and times spent at fences regarding the total individual space use. Based on this, we analyzed the direct effects of fences and fence gaps on the animals’ movement behavior for the previously defined types of animal–fence interactions. Antelope-fence interactions peaked during the early hours of the day and during seasonal transitions when the limiting resource changed between water and forage. Major types of ungulate–fence interactions were quick, trace-like, or marked by halts. We found that the amount of time spent at fences was highest for nomadic eland. Migratory springbok adjusted their space use concerning fence gap positions. If the small home ranges of sedentary kudu included a fence, they frequently interacted with this fence. For springbok and eland, distance traveled along a fence declined with increasing utilization of a fence gap. All species reduced their speed in the proximity of a fence but often increased their speed when encountering the fence. Crossing a fence led to increased speeds for all species. We demonstrate that fence effects mainly occur during crucial foraging times (seasonal scale) and during times of directed movements (daily scale). Importantly, we provide evidence that fences directly alter antelope movement behaviors with negative implications for energy budgets and that persistent fence gaps can reduce the intensity of such alterations. Our findings help to guide future animal–fence studies and provide insights for wildlife fencing and fence gap planning. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1308 KW - fence ecology KW - veterinary cordon fence KW - ungulate KW - movement speed KW - fence interaction KW - GPS KW - Africa KW - wildlife conservation Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-582672 SN - 1866-8372 IS - 1308 ER - TY - GEN A1 - Hering, Robert A1 - Hauptfleisch, Morgan A1 - Jago, Mark A1 - Smith, Taylor A1 - Kramer-Schadt, Stephanie A1 - Stiegler, Jonas A1 - Blaum, Niels T1 - Don't stop me now: Managed fence gaps could allow migratory ungulates to track dynamic resources and reduce fence related energy loss T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - In semi-arid environments characterized by erratic rainfall and scattered primary production, migratory movements are a key survival strategy of large herbivores to track resources over vast areas. Veterinary Cordon Fences (VCFs), intended to reduce wildlife-livestock disease transmission, fragment large parts of southern Africa and have limited the movements of large wild mammals for over 60 years. Consequently, wildlife-fence interactions are frequent and often result in perforations of the fence, mainly caused by elephants. Yet, we lack knowledge about at which times fences act as barriers, how fences directly alter the energy expenditure of native herbivores, and what the consequences of impermeability are. We studied 2-year ungulate movements in three common antelopes (springbok, kudu, eland) across a perforated part of Namibia's VCF separating a wildlife reserve and Etosha National Park using GPS telemetry, accelerometer measurements, and satellite imagery. We identified 2905 fence interaction events which we used to evaluate critical times of encounters and direct fence effects on energy expenditure. Using vegetation type-specific greenness dynamics, we quantified what animals gained in terms of high quality food resources from crossing the VCF. Our results show that the perforation of the VCF sustains herbivore-vegetation interactions in the savanna with its scattered resources. Fence permeability led to peaks in crossing numbers during the first flush of woody plants before the rain started. Kudu and eland often showed increased energy expenditure when crossing the fence. Energy expenditure was lowered during the frequent interactions of ungulates standing at the fence. We found no alteration of energy expenditure when springbok immediately found and crossed fence breaches. Our results indicate that constantly open gaps did not affect energy expenditure, while gaps with obstacles increased motion. Closing gaps may have confused ungulates and modified their intended movements. While browsing, sedentary kudu's use of space was less affected by the VCF; migratory, mixed-feeding springbok, and eland benefited from gaps by gaining forage quality and quantity after crossing. This highlights the importance of access to vast areas to allow ungulates to track vital vegetation patches. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1278 KW - veterinary cordon fence KW - ungulate KW - fence ecology KW - resource-tracking KW - energy expenditure KW - accelerometer KW - GPS KW - wildlife and habitat management Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-570087 SN - 1866-8372 IS - 1278 ER - TY - THES A1 - Kürschner, Tobias T1 - Disease transmission and persistence in dynamic landscapes T1 - Krankheitsübertragung und Persistenz in dynamischen Landschaft N2 - Infectious diseases are an increasing threat to biodiversity and human health. Therefore, developing a general understanding of the drivers shaping host-pathogen dynamics is of key importance in both ecological and epidemiological research. Disease dynamics are driven by a variety of interacting processes such as individual host behaviour, spatiotemporal resource availability or pathogen traits like virulence and transmission. External drivers such as global change may modify the system conditions and, thus, the disease dynamics. Despite their importance, many of these drivers are often simplified and aggregated in epidemiological models and the interactions among multiple drivers are neglected. In my thesis, I investigate disease dynamics using a mechanistic approach that includes both bottom-up effects - from landscape dynamics to individual movement behaviour - as well as top-down effects - from pathogen virulence on host density and contact rates. To this end, I extended an established spatially explicit individual-based model that simulates epidemiological and ecological processes stochastically, to incorporate a dynamic resource landscape that can be shifted away from the timing of host population-dynamics (chapter 2). I also added the evolution of pathogen virulence along a theoretical virulence-transmission trade-off (chapter 3). In chapter 2, I focus on bottom-up effects, specifically how a temporal shift of resource availability away from the timing of biological events of host-species - as expected under global change - scales up to host-pathogen interactions and disease dynamics. My results show that the formation of temporary disease hotspots in combination with directed individual movement acted as key drivers for pathogen persistence even under highly unfavourable conditions for the host. Even with drivers like global change further increasing the likelihood of unfavourable interactions between host species and their environment, pathogens can continue to persist with heir hosts. In chapter 3, I demonstrate that the top-down effect caused by pathogen-associated mortality on its host population can be mitigated by selection for lower virulent pathogen strains when host densities are reduced through mismatches between seasonal resource availability and host life-history events. I chapter 4, I combined parts of both theoretical models into a new model that includes individual host movement decisions and the evolution of pathogenic virulence to simulate pathogen outbreaks in realistic landscapes. I was able to match simulated patterns of pathogen spread to observed patterns from long-term outbreak data of classical swine fever in wild boar in Northern Germany. The observed disease course was best explained by a simulated high virulent strain, whereas sampling schemes and vaccination campaigns could explain differences in the age-distribution of infected hosts. My model helps to understand and disentangle how the combination of individual decision making and evolution of virulence can act as important drivers of pathogen spread and persistence. As I show across the chapters of this thesis, the interplay of both bottom-up and top-down processes is a key driver of disease dynamics in spatially structured host populations, as they ultimately shape host densities and contact rates among moving individuals. My findings are an important step towards a paradigm shift in disease ecology away from simplified assumptions towards the inclusion of mechanisms, such as complex multi-trophic interactions, and their feedbacks on pathogen spread and disease persistence. The mechanisms presented here should be at the core of realistic predictive and preventive epidemiological models. N2 - Infektionskrankheiten stellen eine zunehmende Bedrohung für die biologische Vielfalt und die menschliche Gesundheit dar. Daher ist es sowohl für die epidemiologische als auch für die ökologische Forschung von zentraler Bedeutung, ein allgemeines Verständnis der Mechanismen, die die Wirts-Pathogen-Dynamik beeinflussen, zu entwickeln. Die Krankheitsausbrüche werden durch eine Vielzahl von interagierenden Prozessen angetrieben, wie unter anderem individuellem Wirtsverhalten, Ressourcenverfügbarkeit oder Erregermerkmale wie Virulenz. Externe Faktoren wie der globale Wandel können grundlegende Veränderungen dieser Prozesse verursachen und sich damit auch auf Krankheitsdynamiken auswirken. Trotz ihrer Bedeutung für Krankheitsausbrüche werden viele dieser Faktoren in epidemiologischen Modellen oft vereinfacht und die Wechselwirkungen zwischen den Faktoren vernachlässigt. In Anbetracht dessen, ist es sowohl für die ökologische als auch für die epidemiologische Forschung von zentraler Bedeutung, ein allgemeines Verständnis dafür zu entwickeln, wie mehrere interagierende Prozesse Wirts-Pathogen-Interaktionen beeinflussen können. In meiner Dissertation untersuche ich die Krankheitsdynamik mittels eines mechanistischen Ansatzes, der sowohl Bottom-up-Effekte - von der Landschaftsdynamik bis zum individuellen Bewegungsverhalten - als auch Top-down-Effekte - von der Virulenz des Erregers auf die Wirtsdichte und die Kontaktraten - berücksichtigt. Zu diesem Zweck habe ich ein etabliertes, räumlich explizites, Individuen basiertes Modell, das epidemiologische und ökologische Prozesse stochastisch simuliert, um eine dynamische Ressourcenlandschaft erweitert, die zeitlich mit der Populationsdynamik der Wirte verschoben werden kann (Kapitel 2). Zusätzlich habe ich die Evolution der Virulenz von Krankheitserregern entlang eines theoretischen Verhältnisses zwischen Virulenz und Übertragung hinzugefügt (Kapitel 3). In Kapitel 2 konzentriere ich mich auf Bottom-up-Effekte, insbesondere auf die Frage, wie sich eine zeitliche Verschiebung der Ressourcenverfügbarkeit weg vom Zeitpunkt biologischer Ereignisse der Wirtsarten - wie sie im Rahmen des globalen Wandels erwartet wird - auf die Wirt-Pathogen-Interaktionen und Krankheitsdynamiken auswirkt. Meine Ergebnisse zeigen, dass die Bildung vorübergehender Krankheitsherde in Kombination mit gezielter individueller Wirtsbewegung als Schlüsselfaktoren für die Persistenz von Krankheitserregern selbst unter äußerst ungünstigen Bedingungen für den Wirt fungieren. Selbst wenn Faktoren wie der globale Wandel die Wahrscheinlichkeit ungünstiger Wechselwirkungen zwischen Wirtsarten und ihrer Umwelt weiter erhöhen, können Krankheitserreger weiterhin in ihren Wirten persistieren. In Kapitel 3 zeige ich, dass der Top-Down-Effekt, der durch die pathogen-assoziierte Mortalität verursacht wird, durch eine evolutionäre Selektion auf weniger virulente Erregerstämme abgeschwächt werden kann, wenn die Wirtsdichte durch eine zeitliche Verschiebung von saisonaler Ressourcenverfügbarkeit und dem Zeitpunkt von biologischen Ereignissen der Wirtsarten reduziert wird. In Kapitel 4 habe ich Teile der beiden theoretischen Modelle zu einem neuen Modell kombiniert, das individuelle Wirtsbewegungen und die Entwicklung der Virulenz von Krankheitserregern einbezieht, um Ausbrüche von Krankheitserregern in realistischen Landschaften zu simulieren. Es gelang mir, die simulierten Muster der Krankheitsausbreitung mit beobachteten Mustern von Langzeitausbrüchen der klassischen Schweinepest in Wildschweinen in Norddeutschland abzugleichen. Der beobachtete Krankheitsverlauf ließ sich am besten durch einen simulierten hochvirulenten Stamm erklären, während das Design der Probenentnahmen und Impfkampagnen Unterschiede in der Altersverteilung der infizierten Wirte erklären könnten. Mein Modell trägt dazu bei, zu verstehen, wie die Kombination aus individueller Bewegung und der Evolution von Virulenz als wichtige Treiber für die Ausbreitung und Persistenz des Erregers wirken können. Wie ich in den Kapiteln dieser Arbeit zeige, ist das Zusammenspiel von Bottom-up- und Top-down-Prozessen ein entscheidender Faktor für die Krankheitsdynamik in Wirtspopulationen, da sie letztlich die Wirtsdichte und den Kontakt zwischen sich bewegenden Individuen bestimmen. Meine Ergebnisse sind ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einem Paradigmenwechsel in der Krankheitsökologie, weg von vereinfachten Annahmen hin zur Einbeziehung von komplexen Interaktionen und deren Rückkopplungen auf die Ausbreitung und Persistenz von Krankheitserregern. Die hier vorgestellten Mechanismen sollten den Kern realistischer Vorhersage- und Präventivmodelle für die Epidemiologie bilden. KW - disease ecology KW - movement ecology KW - Krankheitsökologie KW - Bewegungsökologie Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-564689 ER - TY - THES A1 - Oberkofler, Vicky T1 - Molecular basis of HS memory in Arabidopsis thaliana T1 - Die molekulare Basis des Hitzestress-Gedächtnisses in Arabidopsis thaliana N2 - Plants can be primed to survive the exposure to a severe heat stress (HS) by prior exposure to a mild HS. The information about the priming stimulus is maintained by the plant for several days. This maintenance of acquired thermotolerance, or HS memory, is genetically separable from the acquisition of thermotolerance itself and several specific regulatory factors have been identified in recent years. On the molecular level, HS memory correlates with two types of transcriptional memory, type I and type II, that characterize a partially overlapping subset of HS-inducible genes. Type I transcriptional memory or sustained induction refers to the sustained transcriptional induction above non-stressed expression levels of a gene for a prolonged time period after the end of the stress exposure. Type II transcriptional memory refers to an altered transcriptional response of a gene after repeated exposure to a stress of similar duration and intensity. In particular, enhanced re-induction refers to a transcriptional pattern in which a gene is induced to a significantly higher degree after the second stress exposure than after the first. This thesis describes the functional characterization of a novel positive transcriptional regulator of type I transcriptional memory, the heat shock transcription factor HSFA3, and compares it to HSFA2, a known positive regulator of type I and type II transcriptional memory. It investigates type I transcriptional memory and its dependence on HSFA2 and HSFA3 for the first time on a genome-wide level, and gives insight on the formation of heteromeric HSF complexes in response to HS. This thesis confirms the tight correlation between transcriptional memory and H3K4 hyper-methylation, reported here in a case study that aimed to reduce H3K4 hyper-methylation of the type II transcriptional memory gene APX2 by CRISPR/dCas9-mediated epigenome editing. Finally, this thesis gives insight into the requirements for a heat shock transcription factor to function as a positive regulator of transcriptional memory, both in terms of its expression profile and protein abundance after HS and the contribution of individual functional domains. In summary, this thesis contributes to a more detailed understanding of the molecular processes underlying transcriptional memory and therefore HS memory, in Arabidopsis thaliana. N2 - Pflanzen können darauf vorbereitet werden, einen schweren Hitzestress (HS) zu überleben, indem sie zuvor einem leichten HS ausgesetzt werden. Die Information über den Priming-Stimulus wird von der Pflanze mehrere Tage lang aufrechterhalten. Diese Aufrechterhaltung der erworbenen Thermotoleranz, das so genannte HS-Gedächtnis, ist genetisch vom Erwerb der Thermotoleranz selbst trennbar, und in den letzten Jahren wurden mehrere spezifische Regulierungsfaktoren identifiziert. Auf molekularer Ebene korreliert das HS-Gedächtnis mit zwei Arten von Transkriptionsgedächtnis, Typ I und Typ II, die eine sich teilweise überschneidende Untergruppe von HS-induzierbaren Genen charakterisieren. Das Transkriptionsgedächtnis vom Typ I oder die anhaltende Induktion bezieht sich auf die anhaltende Transkriptionsinduktion eines Gens über das Niveau der Expression im ungestressten Zustand hinaus über einen längeren Zeitraum nach dem Ende der Stressbelastung. Das Transkriptionsgedächtnis des Typs II bezieht sich auf eine veränderte Transkriptionsreaktion eines Gens nach wiederholter Exposition gegenüber einem Hitzestress von ähnlicher Dauer und Intensität. Insbesondere bezieht sich dabei die verstärkte Re-Induktion auf ein Transkriptionsmuster, bei dem ein Gen nach der zweiten Stressexposition in deutlich höherem Maße induziert wird als nach der ersten. Diese Arbeit beschreibt die funktionelle Charakterisierung eines neuartigen positiven Transkriptionsregulators des Typ-I-Transkriptionsgedächtnisses, des Hitzeschock-Transkriptionsfaktors HSFA3, und vergleicht ihn mit HSFA2, einem bekannten positiven Regulator des Typ-I- und Typ-II-Transkriptionsgedächtnisses. Die Arbeit untersucht das Typ-I-Transkriptionsgedächtnis und seine Abhängigkeit von HSFA2 und HSFA3 zum ersten Mal auf genomweiter Ebene und gibt Einblick in die Bildung heteromerer HSF-Komplexe als Reaktion auf HS. Diese Arbeit bestätigt den engen Zusammenhang zwischen transkriptionellem Gedächtnis und H3K4-Hypermethylierung, über den hier in einer Fallstudie berichtet wird, die darauf abzielt, die H3K4-Hypermethylierung des Typ-II-Transkriptionsgedächtnisgens APX2 durch CRISPR/dCas9-vermitteltes Epigenom-Editing zu reduzieren. Schließlich gibt diese Arbeit einen Einblick in die Anforderungen, die ein Hitzeschock-Transkriptionsfaktor erfüllen muss, damit er als positiver Regulator des Transkriptionsgedächtnisses fungieren kann, und zwar sowohl in Bezug auf sein Expressionsprofil und seine Proteinabundanz nach HS als auch in Bezug auf den Beitrag seiner einzelnen funktionellen Domänen. Zusammenfassend trägt diese Arbeit zu einem genaueren Verständnis der molekularen Prozesse bei, die dem Transkriptionsgedächtnis und damit dem HS-Gedächtnis in Arabidopsis thaliana zugrunde liegen. KW - Arabidopsis thaliana KW - abiotic stress KW - heat stress memory KW - transcription factors KW - HSF KW - epigenome editing KW - histone methylation KW - H3K4me KW - Arabidopsis thaliana KW - H3K4me KW - Hitzeschock-Transkriptionsfaktor KW - abiotischer Stress KW - Epigenom Editierung KW - Hitzestress-Gedächtnis KW - Histon Methylierung KW - Transkriptionsfaktoren Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-569544 ER - TY - JOUR A1 - Singh, Aakanksha A1 - Compart, Julia A1 - AL-Rawi, Shadha Abduljaleel A1 - Mahto, Harendra A1 - Ahmad, Abubakar Musa A1 - Fettke, Jörg T1 - LIKE EARLY STARVATION 1 alters the glucan structures at the starch granule surface and thereby influences the action of both starch-synthesizing and starch-degrading enzymes JF - The plant journal N2 - For starch metabolism to take place correctly, various enzymes and proteins acting on the starch granule surface are crucial. Recently, two non-catalytic starch-binding proteins, pivotal for normal starch turnover in Arabidopsis leaves, namely, EARLY STARVATION 1 (ESV1) and its homolog LIKE EARLY STARVATION 1 (LESV), have been identified. Both share nearly 38% sequence homology. As ESV1 has been found to influence glucan phosphorylation via two starch-related dikinases, alpha-glucan, water dikinase (GWD) and phosphoglucan, water dikinase (PWD), through modulating the surface glucan structures of the starch granules and thus affecting starch degradation, we assess the impact of its homolog LESV on starch metabolism. Thus, the 65-kDa recombinant protein LESV and the 50-kDa ESV1 were analyzed regarding their influence on the action of GWD and PWD on the surface of the starch granules. We included starches from various sources and additionally assessed the effect of these non-enzymatic proteins on other starch-related enzymes, such as starch synthases (SSI and SSIII), starch phosphorylases (PHS1), isoamylase and beta-amylase. The data obtained indicate that starch phosphorylation, hydrolyses and synthesis were affected by LESV and ESV1. Furthermore, incubation with LESV and ESV1 together exerted an additive effect on starch phosphorylation. In addition, a stable alteration of the glucan structures at the starch granule surface following treatment with LESV and ESV1 was observed. Here, we discuss all the observed changes that point to modifications in the glucan structures at the surface of the native starch granules and present a model to explain the existing processes. KW - starch KW - starch metabolism KW - starch surface structure KW - Arabidopsis KW - thaliana Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1111/tpj.15855 SN - 0960-7412 SN - 1365-313X VL - 111 IS - 3 SP - 819 EP - 835 PB - Wiley-Blackwell CY - Oxford ER -