Altitude, land cover and climate change : mechanisms of adaptation in insects

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Wagner, Kathrin:
Altitude, land cover and climate change : mechanisms of adaptation in insects.
Bayreuth , 2016 . - 106 S.
( Dissertation, 2016 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Climate and land cover change are both major threats for biodiversity and can interrupt species composition and ecosystem functioning. To cope with these environmental changes species need to adapt. Although species response to climate warming has become an attractive field of research in the last decade, yet very little data are available regarding climate change in terms of the synchronisation of trophic interactions, neither on the combination with land cover change, nor on life history traits outside the laboratory. In order to disentangle how insects adapt to modified environmental conditions this thesis explores the effects of climate change / modified climatic conditions on insects with a focus on three mean issues: (1) the synchronization of phenology of interacting species, (2) butterfly diversity and historical land cover change along an altitudinal climatic gradient and (3) climate-driven changes in the life history traits of the model species Araschnia levana in a low mountain region.
This thesis reveals that a surprisingly low number of studies consider responses to climate warming at different trophic levels in parallel (Chapter 3). In most examined systems insects shifted in phenology towards the start of the year. But the advanced phenology of short-lived insects was often not synchronized with other trophic levels (almost 75% of interactions). Insects reacted rapidly to climate warming, whereas their long-lived counterparts like plants or birds often lag behind. As shorter life cycles implicate more generations per year and thus increase the probability of adaptation to a fast changing environment, the trophic rank seems to be less important than differences in longevity. The examined ambiguous shifts between trophic levels emphasise the need for additional studies on different functional groups.
Species richness-altitude relationships can be explained by different theories. This thesis documented highest species richness of butterflies at mid elevations in a low mountain region and is therefore in line with the mid-domain-effect theory (Chapter 4). Within the last 40-60 years about one third of the examined open habitats in the Fichtelgebirge were lost. In higher altitudes land cover change was strongest. Interestingly, species richness of butterflies was not reflected by historical loss of open habitats and did not depend on current open habitats but increased with patch size. These findings apply for open land specialized butterflies as well as for generalist and forest species. But due to the decreasing amount of open habitats with increasing altitude, rising temperatures, reforestations and intensive land use, butterfly species, which are at their thermal distribution limits, are endangered. Habitats of open habitat specialists might be decimate, hence it is on high priority to protect open habitats at high elevations.
Finally, adaptive responses to changing environmental factors can be genetically fixed or plastic and are determined by physiological thresholds. In order to determine whether life history traits of the European Map butterfly (Araschnia levana) differ along an altitudinal gradient, field experiments with the stinging nettle (Urtica dioica), the larval host plant of A. levana, were performed (Chapter 5). Larvae showed slower larval development rates and lower larval weight at higher altitudes and lower temperatures than at lower altitudes and higher temperatures. No differences could be recorded on pupation, adult-life-span and mortality in relation to altitude or temperature. None of the larvae was parasitized. Occurring sex differences in larval weight, pupal and adult life span might be the consequence of protandry and the adaptation to different temperatures can be explained as a result of phenotypic plasticity.

Abstract in weiterer Sprache

Der Klimawandel und Landnutzungsänderungen stellen eine große Bedrohung für die Biodiversität dar und können die Artenzusammensetzung und die Funktionsweise von Ökosystemen stören. Diese Umweltveränderungen erfordern eine Anpassung der Arten. Obwohl die Reaktion verschiedener Arten auf die Klimaerwärmung im letzten Jahrzehnt ein attraktives Forschungsfeld geworden ist, sind bisher nur wenige Daten verfügbar, die die Auswirkungen des Klimawandels auf die Synchronisation von trophischen Interaktionen untersuchen. Ebenso fehlen Daten zu den Folgen des Klimawandels in Kombination mit Landnutzungsänderungen und Life-History-Merkmalen (ökologische Merkmale) in Freilanduntersuchungen. Um herauszufinden wie sich Insekten an veränderte Umweltbedingungen anpassen, wurden in dieser Dissertation die Effekte vom Klimawandel / von modifizierten klimatischen Bedingungen auf Insekten innerhalb von drei thematischen Bereichen untersucht:
(1) der phänologischen Synchronität mit interagierenden trophischen Partnern, (2) der Diversität von Tagfaltern als Reaktion auf historische Landnutzungsänderungen entlang eines Höhengradienten und (3) den Änderungen in den Life-History-Merkmalen des Modelorganismus Araschnia levana in einem Mittelgebirge.
Die vorliegende Dissertation zeigt, dass sich erstaunlich wenige Studien dem Thema der Klimaerwärmung widmen und dabei verschiedene trophische Ebenen parallel untersuchen (Kapitel 3). Die meisten Studien zeigen, dass sich die Phänologie von Insekten in Richtung des Jahresbeginns verschiebt. Die fortgeschrittene Phänologie der kurzlebigen Insekten war in vielen Fällen nicht synchronisiert mit anderen trophischen Ebenen (fast 75% der Interaktionen). Insekten reagierten schnell auf die Klimaerwärmung, während ihre langlebigen Gegenspieler, wie Pflanzen oder Vögel, oftmals langsamere Reaktionen zeigten. Da kurze Lebenszyklen mehrere Generationen pro Jahr zur Folge haben, erhöhen sie so die Anpassungsfähigkeit an die sich schnell verändernden Umweltbedingungen. Der trophische Rang scheint hierfür weniger wichtig zu sein als die unterschiedliche Lebensdauer der Arten. Um die bisher nicht eindeutigen phänologischen Veränderungen innerhalb der trophischen Ebenen besser zu verstehen, sind weitere Studien zu unterschiedlichen funktionellen Gruppen nötig.
Verschiedene Theorien erläutern das Verhältnis zwischen Artenreichtum und Höhenlage. Die vorliegende Dissertation zeigt, dass im untersuchten Mittelgebirge die Artenvielfalt von Tagfaltern in mittleren Höhenlagen am höchsten war. Dies ist im Einklang mit der Mid-Domain-Effect-Theorie (Kapitel 4). Innerhalb der letzten 40 bis 60 Jahre ging etwa ein Drittel der offenen Habitate im Fichtelgebirge verloren. In höheren Lagen waren die Landnutzungsänderungen am stärksten. Interessanterweise war der Artenreichtum von Tagfaltern unabhängig von dem historischen Verlust offener Habitate und von heutigen offenen Habitaten. Jedoch nahm die Artenanzahl mit zunehmender Größe der Untersuchungsflächen zu. Dies galt für Tagfalter, die auf offene Habitate spezialisiert sind sowie für Generalisten und waldbewohnende Arten. Aufgrund der abnehmenden Anzahl offener Habitate mit zunehmender Höhenlage, zunehmender Temperatur, Aufforstung und intensiver Flächennutzung sind Schmetterlingsarten, die bereits an ihren temperaturbedingten Verbreitungsgrenzen leben, besonders gefährdet. Genauso verringert sich auf diese Weise der Anteil an Lebensräumen von Tagfaltern, die auf offene Habitate spezialisiert sind. Daher kommt dem Schutz offener Habitate in höheren Lagen eine hohe Priorität zu.
Anpassung an veränderte Umweltbedingungen kann genetisch oder plastisch bedingt sein und wird durch physiologische Schwellenwerte bestimmt. Um zu bestimmen in wie weit die Life-History-Merkmale des Landkärtchens (Araschnia levana) entlang eines Höhengradienten variieren, wurde ein Feldexperiment mit der Großen Brennnessel (Urtica dioica), der Raupenfutterpflanze von A. levana, durchgeführt (Kapitel 5). Die Raupen entwickelten sich in höheren Lagen und bei niedriger Temperatur langsamer und waren leichter als in niedrigeren Höhenlagen mit höheren Temperaturen. Es konnten keine Unterschiede bezüglich der Verpuppung, der Lebenserwartung der adulten Tiere und der Mortalität in Abhängigkeit zu Höhe oder Temperatur festgestellt werden. Keine der Larven war parasitiert. Die nachgewiesenen geschlechtsspezifischen Unterschiede bei dem Gewicht der Raupen, der Dauer des Puppenstadiums und der Lebensdauer der adulten Tiere, sind wahrscheinlich die Folge von Protandrie. Die Anpassungsfähigkeit an die unterschiedlichen Temperaturen ist vermutlich die Folge von phänotypischer Plastizität.