Katrin Kiemel

• In times of ongoing biodiversity loss, understanding how communities are structured and what mechanisms and local adaptations underlie the patterns we observe in nature is crucial for predicting how future ecological and anthropogenic changes might affect local and regional biodiversity. Aquatic zooplankton are a group of primary consumers that represent a critical link in the food chain, providing nutrients for the entire food web. Thus, understanding the adaptability and structure of zooplankton communities is essential. In this work, the genetic basis for the different temperature adaptations of two seasonally shifted (i.e., temperature-dependent) occurring freshwater rotifers of a formerly cryptic species complex (Brachionus calyciflorus) was investigated to understand the overall genetic diversity and evolutionary scenario for putative adaptations to different temperature regimes. Furthermore, this work aimed to clarify to what extent the different temperature adaptations may represent a niche partitioning process thus enablingIn times of ongoing biodiversity loss, understanding how communities are structured and what mechanisms and local adaptations underlie the patterns we observe in nature is crucial for predicting how future ecological and anthropogenic changes might affect local and regional biodiversity. Aquatic zooplankton are a group of primary consumers that represent a critical link in the food chain, providing nutrients for the entire food web. Thus, understanding the adaptability and structure of zooplankton communities is essential. In this work, the genetic basis for the different temperature adaptations of two seasonally shifted (i.e., temperature-dependent) occurring freshwater rotifers of a formerly cryptic species complex (Brachionus calyciflorus) was investigated to understand the overall genetic diversity and evolutionary scenario for putative adaptations to different temperature regimes. Furthermore, this work aimed to clarify to what extent the different temperature adaptations may represent a niche partitioning process thus enabling co-existence. The findings were then embedded in a metacommunity context to understand how zooplankton communities assemble in a kettle hole metacommunity located in the northeastern German "Uckermark" and which underlying processes contribute to the biodiversity patterns we observe. Using a combined approach of newly generated mitochondrial resources (genomes/cds) and the analysis of a candidate gene (Heat Shock Protein 40kDa) for temperature adaptation, I showed that the global representatives of B. calyciflorus s.s.. are genetically more similar than B. fernandoi (average pairwise nucleotide diversity: 0.079 intraspecific vs. 0.257 interspecific) indicating that both species carry different standing genetic variation. In addition to differential expression in the thermotolerant B. calyciflorus s.s. and thermosensitive B. fernandoi, the HSP 40kDa also showed structural variation with eleven fixed and six positively selected sites, some of which are located in functional areas of the protein. The estimated divergence time of ~ 25-29 Myr combined with the fixed sites and a prevalence of ancestral amino acids in B. calyciflorus s.s. indicate that B. calyciflorus s.s. remained in the ancestral niche, while B. fernandoi partitioned into a new niche. The comparison of mitochondrial and nuclear markers (HPS 40kDa, ITS1, COI) revealed a hybridisation event between the two species. However, as hybridisation between the two species is rare, it can be concluded that the temporally isolated niches (i.e., seasonal-shifted occurrence) they inhabit based on their different temperature preferences most likely represent a pre-zygotic isolation mechanism that allows sympatric occurrence while maintaining species boundaries. To determine the processes underlying zooplankton community assembly, a zooplankton metacommunity comprising 24 kettle holes was sampled over a two-year period. Active (i.e., water samples) and dormant communities (i.e., dormant eggs hatched from sediment) were identified using a two-fragment DNA metabarcoding approach (COI and 18S). Species richness and diversity as well as community composition were analysed considering spatial, temporal and environmental parameters. The analysis revealed that environmental filtering based on parameters such as pH, size and location of the habitat patch (i.e., kettle hole) and surrounding field crops largely determined zooplankton community composition (explained variance: Bray-Curtis dissimilarities: 10.5%; Jaccard dissimilarities: 12.9%), indicating that adaptation to a particular habitat is a key feature of zooplankton species in this system. While the spatial configuration of the kettle holes played a minor role (explained variance: Bray-Curtis dissimilarities: 2.8% and Jaccard dissimilarities: 5.5%), the individual kettle hole sites had a significant influence on the community composition. This suggests monopolisation/priority effects (i.e., dormant communities) of certain species in individual kettle holes. As environmental filtering is the dominating process structuring zooplankton communities, this system could be significantly influenced by future land-use change, pollution and climate change.…
• In Zeiten des fortschreitenden Verlusts biologischer Vielfalt ist es von entscheidender Bedeutung zu verstehen, wie natürliche Gemeinschaften strukturiert sind und welche Mechanismen und lokalen Anpassungen den beobachteten Biodiversitätsmustern zugrunde liegen, um eine wissenschaftliche Grundlage für die Vorhersage künftiger Veränderungen der lokalen und regionalen biologische Vielfalt zu schaffen. Aquatisches Zooplankton ist eine artenreiche Gruppe Primärkonsumenten, die ein entscheidendes Glied in der Nahrungskette darstellen, indem sie Nährstoffe für das gesamte Nahrungsnetz bereitstellen. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die Anpassungsfähigkeit und Struktur von Zooplanktongemeinschaften zu verstehen. In dieser Arbeit wurden die genetischen Grundlagen für die unterschiedliche Temperaturanpassung zweier saisonal-versetzt (d.h. temperaturabhängig) vorkommender limnischen Rädertierarten eines ehemals kryptischen Artenkomplexes (Brachionus calyciflorus) untersucht, um die genetische Variation und das evolutionäreIn Zeiten des fortschreitenden Verlusts biologischer Vielfalt ist es von entscheidender Bedeutung zu verstehen, wie natürliche Gemeinschaften strukturiert sind und welche Mechanismen und lokalen Anpassungen den beobachteten Biodiversitätsmustern zugrunde liegen, um eine wissenschaftliche Grundlage für die Vorhersage künftiger Veränderungen der lokalen und regionalen biologische Vielfalt zu schaffen. Aquatisches Zooplankton ist eine artenreiche Gruppe Primärkonsumenten, die ein entscheidendes Glied in der Nahrungskette darstellen, indem sie Nährstoffe für das gesamte Nahrungsnetz bereitstellen. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die Anpassungsfähigkeit und Struktur von Zooplanktongemeinschaften zu verstehen. In dieser Arbeit wurden die genetischen Grundlagen für die unterschiedliche Temperaturanpassung zweier saisonal-versetzt (d.h. temperaturabhängig) vorkommender limnischen Rädertierarten eines ehemals kryptischen Artenkomplexes (Brachionus calyciflorus) untersucht, um die genetische Variation und das evolutionäre Divergenz-Szenario sowie Grundlagen für die mutmaßliche Anpassungen an unterschiedliche Temperaturregime zu verstehen. Weiterhin sollte untersucht werden, ob die Temperaturanpassungen als Prozess der Nischenaufteilung verstanden werden können die die Koexistenz der Arten ermöglicht. Diese Ergebnisse wurden dann in einen Metagemeinschaftskontext eingebettet, um zu verstehen, wie sich Zooplanktongemeinschaften in einer Soll-Metagemeinschaft, welche sich in der nordostdeutschen Region "Uckermark" befindet, zusammensetzen und welche zugrundeliegenden Prozesse zu den beobachteten Biodiversitätsmustern führen. Eine Kombination aus neu generierten mitochondrialen Ressourcen (Genome/codierende Sequenzen) und der Analyse eines Kandidatengens (HSP 40kDa Gen) für die Temperaturanpassung ergab zum einen, dass die globalen Vertreter von B. calyciflorus s.s. einander genetisch ähnlicher sind als B. fernandoi (Nukleotiddiversität: 0,079 intraspezifisch vs. 0,257 interspezifisch) und beide Arten somit eine unterschiedliche genetische Variation besitzen. Zum anderen wird das HSP 40kDa wird nicht nur in dem wärmetoleranten B. calyciflorus s.s. und wärmeempfindlichen B. fernandoi unterschiedlich exprimiert, sondern weist auch strukturelle Variationen mit elf fixierten und sechs positiv selektierten Positionen auf, von denen einige in funktionellen Regionen des HSP 40kDa liegen. Die geschätzte Divergenzzeit von ca. 25-29 Millionen Jahren sowie die fixierten Positionen und die Dominanz anzestraler Aminosäuren in B. calyciflorus s.s. legen nahe, dass B. calyciflorus s.s. in der anzestralen Nische verblieb, während B. fernandoi eine neue Nische besetzte. Der Vergleich von mitochondrialen und nukleären Markern (HSP 40kDa, ITS1, COI) ergab ein Hybridisierungsereignis zwischen beiden Arten. Da Hybridisierung jedoch selten ist, können die zeitlich isolierten Nischen (d.h. saisonal-versetztes Auftreten), die sie aufgrund ihrer unterschiedlichen Temperaturpräferenzen bewohnen, als prä-zygotischer Isolationsmechanismus verstanden werden, der ein sympatrisches Vorkommen der Arten unter Aufrechterhaltung der Artgrenzen ermöglicht. Um die Prozesse zu bestimmen, die der Strukturierung von Zooplanktongemeinschaften zugrunde liegen, wurde über einen Zeitraum von zwei Jahren eine Zooplankton-Metagemeinschaft, bestehend aus 24 Söllen beprobt. Aktive (d.h. Wasserproben) und ruhende Gemeinschaften (d.h. aus dem Sediment geschlüpfte Gemeinschaften) wurden mit einem Zwei-Fragment-DNA-Metabarcoding-Ansatz (COI und 18S) bestimmt. Die Artenzahl und Abundanz sowie die Zusammensetzung der Gemeinschaften wurden unter Berücksichtigung räumlicher, zeitlicher und umweltbezogener Parameter analysiert. Die Analyse ergab, dass Umweltfilterung basierend auf Parametern wie pH-Wert, Größe, Lage und Typ des Habitats (d.h. des Solls) und der umgebenden Feldfrüchte die Zusammensetzung der Zooplanktongemeinschaft weitgehend bestimmt (erklärte Varianz: Bray-Curtis-Dissimilaritäten: 10,5%; Jaccard-Dissimilaritäten: 12,9%), was darauf hindeutet, dass die Anpassung an einen bestimmten Lebensraum ein wichtiges Merkmal der Zooplanktonarten in diesem System ist. Während die räumliche Struktur der Sölle eine geringe Rolle spielte (erklärte Varianz: Bray-Curtis-Dissimilaritäten: 2,8% und Jaccard-Dissimilaritäten: 5,5%), hatten die einzelnen Standorte einen erheblichen Einfluss auf die Zusammensetzung der Gemeinschaft. Dies deutet auf Monopolisierung/Prioritätseffekte (d.h. ruhende Gemeinschaften) bestimmter Arten in einzelnen Söllen hin. Da Umweltfilterung der dominierende Prozess für die Strukturierung der Zooplanktongemeinschaften ist, könnte dieses System durch künftige Landnutzungsänderungen, Verschmutzung und Klimawandel erheblich beeinflusst werden.…