Universiẗat, Diss., 2003--Kiel.

University, Diss., 2004--Würzburg.

Die zunehmende Nutzung von Landschaften führt zu einer steigenden Fragmentierung schützenswerter Flächen. Damit verbunden ist eine Zerschneidung von großen Populationen in Metapopulationen. In solchen Fällen bestimmt das Gleichgewicht zwischen Aussterben und Besiedlung von Habitaten die regionale Überlebenswahrscheinlichkeit von Arten. Um diese bestimmen, braucht man ein gutes Verständnis der Habitatansprüche der Arten, sowie Informationen über ihr Ausbreitungsverhalten. Ziel dieser Arbeit war es, geeignete Flächen für Heuschrecken in einer Landschaft identifizieren zu können, sowie einen Beitrag zur Quantifizierung der Erreichbarkeit einzelner Flächen durch Individuen zu leisten. Der erste Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Quantifizierung der Habitateignung von Flächen für Heuschrecken. Dazu habe ich statistische Habitateignungsmodelle mittels logistischer Regression erstellt, evaluiert und validiert. Es zeigte sich, dass die Habitatwahl der Heuschrecken auf einer mittleren räumlichen Skalenebene erfolgt. Dies steht mit der beobachteten Ausbreitungsdistanz der Tiere im Einklang. Neben dem nur grob klassifizierten Landschaftsfaktor „Biotoptyp“ korrelieren vor allem strukturelle Faktoren sowie abiotische Faktoren mit dem Vorkommen der Heuschreckenarten. Bei der Bestimmung eines gemeinsamen Models für alle drei Heuschreckenarten erwies sich das Model der Art S. lineatus mit den Parametern Biotoptyp und Vegetationshöhe als am besten geeignet zur Vorhersage der Vorkommen der anderen Heuschreckenarten. Um zu testen, ob auch die Vorkommen von Arten unterschiedlicher Tiergruppen mittels eines gemeinsamen Modells vorhergesagt werden können, habe ich sowohl die Heuschreckenmodelle zur Prognose von Faltervorkommen getestet, als auch Modelle für Falter auf Heuschrecken übertragen. Dabei erwiesen sich die Heuschreckenmodelle zur Prognose der anderen Arten weniger geeignet als das Modell für das Widderchen Z. carniolica in das der Anteil an geeignetem Habitat sowie die Vorkommen der beiden Saugpflanzen C. jacea und S. columbaria einfließen. Diese Art wird als standorttreu eingestuft und repräsentiert damit auch die anderen Arten, die typisch für Säume und Halbtrockenrasen sind. Die erhöhte Mobilität von Z. carniolica im Vergleich zu den Heuschrecken garantiert gleichzeitig auch die Erreichbarkeit aller geeigneten Flächen im Gebiet und damit ein Modell, das nur unwesentlich durch Zufallseffekte bei der Besiedlung beeinflusst wird. Neben der Habitatqualität/-quantität spielt vor allem der Austausch zwischen Flächen eine entscheidende Rolle für das Überleben der Metapopulation. Im zweiten Teil meiner Arbeit habe ich mich sowohl theoretisch als auch empirisch, mit dem Ausbreitungsverhalten von Heuschrecken beschäftigt. In Freilandexperimenten konnte ich zeigen, dass die Annahme eines dichotomen Bewegungsverhaltens für Heuschrecken in einer realen Landschaft nicht zutrifft. Vielmehr wird die Bewegung in einer Fläche besser als Kontinuum beschrieben das durch strukturelle Resistenz, Temperatur, Mortalitätsrisiko und Ressourcenverfügbarkeit bestimmt wird. Die jeweilige Kombination dieser Parameter veranlasst die Tiere dann zu einem entsprechenden Bewegungsmuster, das sich zwischen den beiden Extremen gerichteter und zufälliger Lauf bewegt. In Experimenten zum Grenzverhalten von Heuschrecken bestätigte sich dieses Ergebnis. Für verschiedene Grenzstrukturen konnte ich unterschiedliche Übertrittswahrscheinlichkeiten nachweisen. Weiterhin konnte ich feststellen, dass Heuschrecken geeignete Habitate aus einer gewissen Entfernung detektieren können. Da das Ausbreitungsverhalten von Tieren in theoretischen Modellen eine wichtige Rolle spielt, können diese empirischen Daten zur Parametrisierung dieser Modelle verwendet werden. Zusätzlich zum Einfluss des Laufmusters der Tiere auf die Erreichbarkeit geeigneter Habitate, zeigte sich in den von mir durchgeführten Simulationsstudien deutlich, dass der landschaftliche Kontext, in dem die Ausbreitung stattfindet, die Erreichbarkeit einzelner Habitate beeinflusst. Dieser Effekt ist zusätzlich abhängig von der Mortalitätsrate beim Ausbreitungsvorgang. Mit den Ergebnissen aus den Untersuchungen zur Habitateignung lassen sich die für Heuschrecken geeigneten Habitate in einer Landschaft identifizieren. Somit lässt sich die potentielle Eignung einer Fläche als Habitat, basierend auf Vorhersagen über die Änderung des Biotoptyps durch ein Managementverfahren, vorhersagen. Diese Information allein reicht aber nicht aus, um die regionale Überlebenswahrscheinlichkeit einer Art bestimmen zu können. Meine Untersuchungen zum Ausbreitungsverhalten zeigen deutlich, dass die Erreichbarkeit geeigneter Flächen von der räumlichen Anordnung der Habitate und der Struktur der Flächen, die zwischen Habitaten liegen, abhängt. Zusätzlich spielen individuenspezifische Faktoren wie Motivation und physiologische Faktoren eine ausschlaggebende Rolle für die Erreichbarkeit von geeigneten Flächen. / The exploitation of landscapes increases fragmentation of valuable areas with high biodiversity. Consequently, many populations nowadays exist as metapopulations. In such cases, the balance between extinction and colonisation of patches determines the regional survival of species. To determine long term survival of species and to assess the impact of different management regimes proper knowledge of species habitat requirements as well as information on their dispersal behaviour is needed. The aim of this thesis was to develop methods and measures for the identification of suitable areas for grasshoppers and bush crickets, as well as to quantify the reachability of single patches by individuals. The first part of my work focuses on the quantification of habitat suitability for grasshoppers and bush crickets. Based on presence/absence data, I developed statistical habitat suitability models using logistic regression analyses. The resulting models are evaluated and validated in space and time. It turned out that habitat selection of the species mainly took place on an intermediate spatial scale. The relevant scale falls into the same range as the species’ mean dispersal distances. Besides the rather coarse grained factor ‘type of habitat’ structural factors as well as abiotic factors are correlated with the occurrence of the species. The model of S. lineatus, including the parameters ‘type of biotope’ and ‘vegetation height’ was most successful in predicting the occurrences of the bush cricket species. To further test whether the occurrence of species of different insect groups can be predicted with a common model, I tested the usefulness of the orthoptera models for the prediction of butterflies in the same region and vice versa. While transferability of the orthoptera models was poor, the model of the moth Z. carniolica performed quite successful. It included the proportion of suitable habitat as well as the occurrence of the two sucking plants C. jacea and S. columbaria as relevant factors. Z. carniolica is classified as stenoecious and thus represents other species typically found on fringes and mesoxerophytic grasslands. The high mobility of Z. carniolica simultaneously guarantees the reachability of regional suitable areas and thus ensures that the influence of the random effects of colonisation on the model are marginal. Unfortunately, the factors predicting habitat quality for a species are normally not available at the landscape level. Thus, they cannot be used for the prediction of occurrences without extensive censuses in the field. Nevertheless, my results show that the sole use of the variable ‘type of habitat’, which often is available landscape wide, will be sufficient for the classification of habitat suitability in a landscape. I conclude that for practical use in conservation biology the type of biotope can be used to predict occurrence of the studied species. Besides quality/quantity of suitable habitat, dispersal of individuals between patches is a key factor influencing the survival of populations. Thus, the second part of my work concentrates on theoretical as well as empirical studies on the dispersal behaviour of bush crickets. In field experiments I could show that the assumption of a dichotomous movement behaviour does not apply for bush crickets. Instead, movement pattern changes continuously with structural resistance, temperature, mortality risk and resource availability. This result is confirmed in my experiments on the behaviour of bush crickets at habitat borders. For different borders I could demonstrate different edge permeabilities. Additionally, I observed that grasshoppers could detect suitable habitat from a certain distance. Because the dispersal behaviour plays an important role in theoretical models, my empirical data can be used to parameterise such models. In addition to the influence of movement pattern on the reachability of suitable habitats, I could demonstrate, with simulation models, that the influence of the landscape context in which dispersal takes place has a critical impact on the exchange of individuals between patches. This effect is enhanced if mortality risk during dispersal is accounted for. The results from my studies on habitat suitability can be used to identify suitable habitat for grasshoppers and bush crickets in a landscape. Consequently, the potential suitability of an area as habitat, based on predictions on changes in the type of biotope by management regime, can be predicted. But this information alone is not sufficient to determine regional survival probability of a species. My investigations concerning the dispersal behaviour clearly show, that the reachability of suitable areas is dependent on the spatial configuration of patches and the structure of areas between habitats. Additionally, factors specific for individuals, like motivation and physiological factors play a crucial role for the reachability of suitable habitats.

Hohenheim, Universiẗat, Diss., 2000.

Zugl.: Kiel, Universiẗat, Diss., 200.

Habitat fragmentation and destruction due to anthropogenic land use are the major causes of the increasing extinction risk of many species and have a detrimental impact on animal populations in numerous ways. The long-term survival and stability of spatially structured populations in fragmented landscapes largely depends on the colonisation of habitat patches and the exchange of individuals and genes between patches. The degree of inter-patch dispersal, in turn, depends on the dispersal ability of a species (i.e. the combination of physiological and morphological factors that facilitate dispersal) and the landscape structure (i.e. the nature of the landscape matrix or the spatial configuration of habitat patches). As fragmentation of landscapes is increasing and the number of species is continuously declining, a thorough understanding of the causes and consequences of dispersal is essential for managing natural populations and developing effective conservation strategies. In the context of animal dispersal, movement behaviour is intensively investigated with capture-mark-recapture studies. For the analysis of such experiments, the influence of marking technique, handling and translocation of marked animals on movement pattern is of crucial importance since it may mask the effects of the main research question. Chapter 2 of this thesis presents a capture-mark-recapture study investigating the effect of translocation on the movement behaviour of the blue-winged grasshopper Oedipoda caerulescens. Transferring individuals of this grasshopper species to suitable but unfamilliar sites has a significant influence on their movement behaviour. Translocated individuals moved longer distances, showed smaller daily turning angles, and thus their movements were more directed than those of resident individuals. The effect of translocation was most pronounced on the first day of the experiment, but may persist for longer. On average, daily moved distances of translocated individuals were about 50 % longer than that of resident individuals because they have been transferred to an unfamiliar habitat patch. Depending on experiment duration, this leads to considerable differences in net displacement between translocated and resident individuals. In summary, the results presented in chapter 2 clearly point out that translocation effects should not be disregarded in future studies on arthropod movement, respectively dispersal. Studies not controlling for possible translocation effects may result in false predictions of dispersal behaviour, habitat detection capability or habitat preferences. Beside direct field observations via capture-mark-recapture methods, genetic markers can be used to investigate animal dispersal. Chapter 3 presents data on the genetic structure of populations of Metrioptera bicolor, a wing-dimorphic bush cricket, in a spatially structured landscape with patches of suitable habitat distributed within a diverse matrix of different habitat types. Using microsatellite markers, the effects of geographic distance and different matrix types on the genetic differentiation among 24 local populations was assessed. The results of this study clearly indicate that for M. bicolor the isolation of local populations severely depends on the type of surrounding matrix. The presence of forest and a river running through the study area was positively correlated with the extent of genetic differentiation between populations. This indicates that both matrix types severely impede gene flow and the exchange of individuals between local populations of this bush cricket. In addition, for a subsample of populations which were separated only by arable land or settlements, a significant positive correlation between pairwise genetic and geographic distances exists. For the complete data set, this correlation could not be found. This is most probably due to the adverse effect of forest and river on gene flow which dominates the effect of geographic distance in the limited set of patches investigated in this study. The analyses in chapter 3 clearly emphasize the differential resistance of different habitat types on dispersal and the importance of a more detailed view on matrix ‘quality’ in metapopulation studies. Studies that focus on the specific dispersal resistance of different matrix types may provide much more detailed information on the dispersal capacity of species than a mere analysis of isolation by distance. Such information is needed to improve landscape oriented models for species conservation. In addition to direct effects on realised dispersal (see chapter 3), landscape structure on its own is known to act as an evolutionary selection agent because it determines the costs and benefits of dispersal. Both morphological and behavioural traits of individuals and the degree to which a certain genotype responds to environmental variation have heritable components, and are therefore expected to be able to respond to selection pressures. Chapter 4 analyses the influence of patch size, patch connectivity (isolation of populations) and sand dynamics (stability of habitat) on thorax- and wing length as proxies for dispersal ability of O. caerulescens in coastal grey dunes. This study revealed clear and sex-specific effects of landscape dynamics and patch configuration on dispersal-related morphology. Males of this grasshopper species were smaller and had shorter wings if patches were larger and less connected. In addition, both sexes were larger in habitat patches with high sand dynamics compared to those in patches with lower dynamics. The investments in wing length were only larger in connected populations when sand dynamics were low, indicating that both landscape and patch-related environmental factors are of importance. These results are congruent with theoretical predictions on the evolution of dispersal in metapopulations. They add to the evidence that dispersal-related morphology varies and is selected upon in recently structured populations even at small spatial scales. Dispersal involves different individual fitness costs like increased predation risk, energy expenditure, costs of developing dispersal-related traits, failure to find new suitable habitat as well as reproductive costs. Therefore, the decision to disperse should not be random but depend on the developmental stage or the physiological condition of an individual just as on actual environmental conditions (context-dependent dispersal, e.g. sex- and wing morph-biased dispersal). Biased dispersal is often investigated by comparing the morphology, physiology and behaviour of females and males or sedentary and dispersive individuals. Studies of biased dispersal in terms of capture-mark-recapture experiments, investigating real dispersal and not routine movements, and genetic proofs of biased dispersal are still rare for certain taxa, especially for orthopterans. However, information on biased dispersal is of great importance as for example, undetected biased dispersal may lead to false conclusions from genetic data. In chapter 5 of this thesis, a combined approach of morphological and genetic analyses was used to investigate biased dispersal of M. bicolor. The presented results not only show that macropterous individuals are predestined for dispersal due to their morphology, the genetic data also indicate that macropters are more dispersive than micropters. Furthermore, even within the group of macropterous individuals, males are supposed to be more dispersive than females. To get an idea of the flight ability of M. bicolor, the morphological data were compared with that of Locusta migratoria and Schistocerca gregaria, which are proved to be very good flyers. Based on the morphological data presented here, one can assume a good flight ability for macropters of M. bicolor, although flying individuals of this species are seldom observed in natural populations. / Zahlreiche Tierarten sind mehr und mehr vom Aussterben bedroht. Hauptursachen dafür sind die Zerstörung und Fragmentierung von Lebensraum durch den Menschen. Mit der anthropogenen Landnutzung sind vielfältige, negative Auswirkungen auf die betroffenen Tierpopulationen verbunden. Das langfristige Überleben und die Stabilität von räumlich strukturierten Populationen in fragmentierten Landschaften hängen dabei wesentlich von der Besiedlung von Habitatflächen, sowie dem Individuenaustausch und dem damit verbundenen genetischen Austausch zwischen einzelnen Populationen ab. Das Ausmaß der Ausbreitung von Individuen zwischen einzelnen Habitatflächen wird dabei (i) durch die Ausbreitungsfähigkeit der betreffenden Tierart, als die Kombination physiologischer und morphologischer Faktoren, welche die Ausbreitung eines Individuums begünstigen, und (ii) von der Struktur der Landschaft, wie z.B. dem Matrix-Typ oder die räumliche Anordnung von Habitatflächen, bestimmt. Da die Fragmentierung von Lebensräumen und die Anzahl bedrohter Tierarten stetig zunehmen, ist ein umfassendes Verständnis der Ursachen und Konsequenzen der Ausbreitung essenziel für das Management natürlicher Populationen sowie für die Entwicklung effektiver Schutzmaßnahmen. Eine gängige und sehr häufig angewandte Methode, Ausbreitung zu untersuchen, sind Fang-Wiederfang-Studien zum Laufverhalten einzelner Individuen. Dabei wird grundsätzlich davon ausgegangen, dass das Markieren und das Versetzen der Tiere keinerlei Einfluss auf deren Verhalten haben. Für die Analyse und Interpretation solcher Experimente ist es entscheidend, diesen Einfluss ausschließen zu können, da er die Effekte, die eigentlich untersucht werden sollen, überlagern kann. Kapitel 2 der vorliegenden Arbeit ist eine Fang-Wiederfang-Studie, die diese Annahme und damit den Einfluss des Versetzens auf das Laufverhalten der Blauflügelige Ödlandschrecke (Oedipoda caerulescens) untersucht. Wie sich zeigte, hat das Versetzen von Individuen auf eine geeignete, jedoch fremde Habitatfläche einen signifikanten Einfluss auf das Laufverhalten der versetzten Tiere. Versetzte Individuen legten größere Strecken zurück und zeigten ein geradlinigeres Bewegungsmuster als die Tiere, die genau an ihrem Fundort im „Heimathabitat“ wieder freigelassen wurden. Dieser Effekt war am ersten Tag nach der Freilassung der Versuchstiere am deutlichsten ausgeprägt, kann jedoch auch noch darüber hinaus anhalten. Die zurückgelegten Tagesstrecken der versetzten Individuen, die in eine ihnen unbekannte Habitatfläche verbracht wurden, waren im Durchschnitt 50 % länger, als die der nichtversetzten Tiere. In Abhängigkeit von der Dauer eines Experiments führt dies zu erheblichen Unterschieden hinsichtlich der Nettostrecken, die insgesamt von versetzten und nicht versetzten Tieren zurückgelegt werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die in Kapitel 2 präsentierten Ergebnisse deutlich zeigen, dass in zukünftigen Untersuchungen des Laufverhaltens von Arthropoden bzw. deren Ausbreitung, der Effekt des Versetzens berücksichtigt werden muss. Studien, die diesen Einfluss ignorieren, können zu falschen Vorhersagen bezüglich des Ausbreitungsverhaltens, der Fähigkeit geeignetes Habitat zu detektieren oder der Habitatpräferenzen einer Art führen. Neben direkter Beobachtung mittels Fang-Wiederfang-Methoden kommen auch genetische Methoden zur Anwendung, um das Ausbreitungsverhalten von Tieren zu untersuchen. Kapitel 3 beinhaltet Daten zur genetischen Struktur von Populationen der Zweifarbigen Beißschrecke (Metrioptera bicolor), einer Heuschreckenart mit ausgeprägtem Flügeldimorphismus. Die Untersuchung fand in einer räumlich strukturierten Landschaft statt, in der geeignete Habitatflächen verteilt in einer diversen Matrix von unterschiedlichen nicht-geeigneten Habitattypen vorliegen. Mit Hilfe von Mikrosatellitenmarkern wurde der Einfluss der geographischen Distanz und unterschiedlicher Matrixtypen auf die genetische Differenzierung von 24 lokalen Populationen von M. bicolor untersucht. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen deutlich, dass der Isolationsgrad lokaler Populationen dieser Heuschreckenart wesentlich von der umgebenden Matrix abhängt. Wie sich zeigte, werden der Individuenaustausch und der damit verbundenen Genfluss zwischen den untersuchten Populationen wesentlich durch Wald und einen Fluss eingeschränkt, da das Vorhandensein dieser beiden Matrixtypen positiv mit dem Grad der genetischen Differenzierung zwischen den Populationen korrelierte. Zudem zeigte sich für eine Teilauswahl von Populationen, welche nur durch landwirtschaftlich genutzte Flächen und Siedlungen voneinander getrennt sind, eine signifikant positive Korrelation zwischen der paarweise berechneten genetischen und der geographischen Distanz zwischen zwei Populationen. Dies bedeutet eine größere Differenzierung der Populationen je weiter sie voneinander entfernt sind. Für den vollständigen Datensatz mit allen untersuchten Populationen, konnte dieser Zusammenhang nicht nachgewiesen werden. Am wahrscheinlichsten ist dies darauf zurück zu führen, dass der nachteilige Effekt von Wald und Fluss auf den Genfluss den Effekt der geographischen Distanz überlagert. Die Analysen in Kapitel 3 machen deutlich, dass sich verschiedene Matrixtypen unterschiedlich auf die Ausbreitung einer Art auswirken, und unterstreichen wie wichtig eine eingehende Betrachtung der Matrixqualität für Metapopulationsstudien ist. Studien mit Fokus auf den unterschiedlichen Einfluss verschiedener Matrixtypen können wesentlich genauere Informationen zur Ausbreitungsfähigkeit einer Art liefern, als eine alleinige Analyse des isolierenden Effekts der räumlichen Trennung von Populationen. Gerade solche Informationen sind essentiell und nötig, um landschaftsorientierte Modelle für den Artenschutz verbessern zu können. Zusätzlich zu dem unmittelbaren Einfluss der Struktur der Landschaft auf die realisierte Ausbreitung von Individuen (siehe Kapitel 3), kann Landschaft auch als evolutionärer Selektionsfaktor agieren, da sie Kosten und Nutzen der Ausbreitung bestimmt. Ein entsprechender Selektionsdruck sollte sich sowohl auf morphologische Merkmale und Verhaltensmerkmale eines Individuums als auch auf das Ausmaß, mit dem ein bestimmter Genotyp auf Variationen der Umwelt reagiert, auswirken. Kapitel 4 untersucht den Einfluss der Größe und der Isolation einer Habitatfläche, sowie der Habitatstabilität (in Form der Sanddynamik) auf die Thorax- und Flügellänge, als Maße für die Ausbreitungsfähigkeit, der Blauflügeligen Ödlandschrecke in einem Küstengebiet. Die vorliegende Studie zeigte deutliche, geschlechtsspezifische Effekte der Sanddynamik und der räumlichen Anordnung der Habitatflächen zueinander auf die untersuchten morphologischen Merkmalen. Mit zunehmender Flächengröße und abnehmender Habitatkonnektivität, waren die Männchen von O. caerulescens kleiner und hatten zudem kürzere Flügel. Männchen und Weibchen von instabilen Habitatflächen (gekennzeichnet durch eine hohe Sanddynamik) waren größer als die Individuen von stabileren Habitatflächen (geringerer Sanddynamik). Insgesamt machen die vorliegenden Ergebnisse deutlich, dass sowohl landschaftsbezogene als auch habitatflächenbezogene Umweltfaktoren für die individuelle Investition in ausreitungsrelevante, morphologische Merkmale von Bedeutung sind. Diese Ergebnisse stimmen mit den Vorhersagen theoretischer Modelle zur Evolution der Ausbreitung in Metapopulationen überein und liefern einen weiteren Nachweis dafür, dass ausbreitungsrelevante, morphologische Merkmale variieren und in kürzlich strukturierten Populationen einer Selektion unterliegen. Die Ausbreitung eines Individuums ist mit unterschiedlichen Fitnesskosten verbunden. Dazu zählen zum Beispiel: Ein erhöhtes Predationsrisiko, energetische Kosten, das Risiko kein geeignetes Habitat zu finden, Kosten die mit der Ausbildung von ausbreitungsrelevanten Merkmalen verbunden sind, sowie Reproduktionskosten. Die Entscheidung, ob sich ein Individuum ausbreitet, sollte daher nicht zufällig erfolgen, sondern von dessen Entwicklungsstadium oder dessen physiologischer Konstitution, sowie von aktuellen Umweltbedingungen abhängen. Man spricht von einer kontextbezogene Ausbreitung, die zum Beispiel vom Geschlecht oder der Flügelmorphe eines Individuums abhängt. Ein Ungleichgewicht in der Ausbreitung verschiedener Geschlechter oder Morphen wird als biased dispersal bezeichnet. Für die Untersuchung von biased dispersal werden häufig Weibchen und Männchen oder sesshafte und sich ausbreitende Individuen einer Art morphologisch, physiologisch oder hinsichtlich ihres Verhaltens miteinander verglichen. Für einige Taxa, insbesondere Heuschrecken, liegen bislang nur wenige Studien zum biased dispersal in Form von Fang-Wiederfang-Experimenten (die auch wirklich Ausbreitung und keine Routinebewegungen einzelner Individuen untersuchen) oder genetischen Analysen vor. Allerdings sind gerade Informationen hierzu von großer Bedeutung, da zum Beispiel ein unentdecktes biased dispersal dazu führen kann, dass falsche Schlüsse aus den Ergebnissen genetischer Untersuchungen gezogen werden. Kapitel 5 der vorliegenden Dissertation untersucht das Auftreten von biased dispersal der Zweifarbigen Beißschrecke unter Verwendung eines kombinierten Ansatzes morphologischer und genetischer Analysen. Die hier präsentierten Ergebnisse zeigen nicht nur, dass makroptere Individuen aufgrund ihrer Morphologie prädestiniert für die Ausbreitung sind. Auch die genetischen Daten deuten an, dass sich makroptere Tiere stärker ausbreiten als mikroptere Tiere. Darüber hinaus besitzen innerhalb der Gruppe der makropteren Individuen Männchen eine bessere Ausbreitungsfähigkeit als Weibchen. Um die Flugfähigkeit von M. bicolor beurteilen zu können, wurden die morphologischen Daten der vorliegenden Untersuchung mit den Ergebnissen von Studien über Locusta migratoria and Schistocerca gregaria verglichen. Beide Arten sind für ihr sehr gutes Flugvermögen bekannt. Darauf basierend ist für maktoptere Individuen von M. bicolor eine gute Flugfähigkeit anzunehmen, wenn auch in natürlichen Populationen fliegende Tiere dieser Art nur selten beobachtet werden.

Zugl.: Hannover, Univ., Diss., 2007

Hannover, University, Diss., 2007.

Chapter I: Introduction Temperature is a major driver of biodiversity and abundance patterns on our planet, which becomes particularly relevant facing the entanglement of an imminent biodiversity and climate crisis. Climate shapes the composition of species assemblages either directly via abiotic filtering mechanisms or indirectly through alterations in biotic interactions. Insects - integral elements of Earth’s ecosystems - are affected by climatic variation such as warming, yet responses vary among species. While species’ traits, antagonistic biotic interactions, and even species’ microbial mutualists may determine temperature-dependent assembly processes, the lion’s share of these complex relationships remains poorly understood due to methodological constraints. Mountains, recognized as hotspots of diversity and threatened by rapidly changing climatic conditions, can serve as natural experimental settings to study the response of insect assemblages and their trophic interactions to temperature variation, instrumentalizing the high regional heterogeneity of micro- and macroclimate. With this thesis, we aim to enhance our mechanistic understanding of temperature-driven assembly processes within insect communities, exemplified by Orthoptera, that are significant herbivores in temperate mountain grassland ecosystems. Therefore, we combined field surveys of Orthoptera assemblages on grassland sites with molecular tools for foodweb reconstruction, primarily leveraging the elevational gradients offered by the complex topography within the Berchtesgaden Alpine region (Bavaria, Germany) as surrogate for temperature variation (space-for-time substitution approach). In this framework, we studied the effects of temperature variation on (1) species richness, abundance, community composition, and interspecific as well as intraspecific trait patterns, (2) ecological feeding specialisation, and (3) previously neglected links to microbial associates found in the faeces. Chapter II: Temperature-driven assembly processes Climate varies at multiple scales. Since microclimate is often overlooked, we assessed effects of local temperature deviations on species and trait compositions of insect communities along macroclimatic temperature gradients in Chapter II. Therefore, we employed joint species distribution modelling to explore how traits drive variation in the climatic niches of Orthoptera species at grassland sites characterized by contrasting micro- and macroclimatic conditions. Our findings revealed two key insights: (1) additive effects of micro- and macroclimate on the diversity, but (2) interactive effects on the abundance of several species, resulting in turnover and indicating that species possess narrower climatic niches than their elevational distributions might imply. This chapter suggests positive effects of warming on Orthoptera, but also highlights that the interplay of macro- and microclimate plays a pivotal role in structuring insect communities. Thus, it underscores the importance of considering both elements when predicting the responses of species to climate change. Additionally, this chapter revealed inter- and intraspecific effects of traits on the niches and distribution of species. Chapter III: Dietary specialisation along climatic gradients A crucial trait linked to the position of climatic niches is dietary specialisation. According to the ‘altitudinal niche-breadth hypothesis’, species of high-elevation habitats should be less specialized compared to their low-elevation counterparts. However, empirical evidence on shifts in specialization is scarce for generalist insect herbivores and existing studies often fail to control for the phylogeny and abundance of interaction partners. In Chapter III, we used a combination of field observations and amplicon sequencing to reconstruct dietary relationships between Orthoptera and plants along an extensive temperature gradient. We did not find close but flexible links between individual grasshopper and plant taxa in space. While interaction network specialisation increased with temperature, the corrected dietary specialisation pattern peaked at intermediate elevations on assemblage level. These nuanced findings demonstrate that (1) resource availability, (2) phylogenetic relationships, and (3) climate can affect empirical foodwebs intra- and interspecifically and, hence, the dietary specialisation of herbivorous insects. In this context, we discuss that the underlying mechanisms involved in shaping the specialisation of herbivore assemblages may switch along temperature clines. Chapter IV: Links between faecal microbe communities, feeding habits, and climate Since gut microbes affect the fitness and digestion of insects, studying their diversity could provide novel insights into specialisation patterns. However, their association with insect hosts that differ in feeding habits and specialisation has never been investigated along elevational climatic gradients. In Chapter IV, we utilized the dietary information gathered in Chapter III to characterize links between insects with distinct feeding behaviour and the microbial communities present in their faeces, using amplicon sequencing. Both, feeding and climate affected the bacterial communities. However, the large overlap of microbes at site level suggests that common bacteria are acquired from the shared feeding environment, such as the plants consumed by the insects. These findings emphasize the influence of a broader environmental context on the composition of insect gut microbial communities. Chapter V: Discussion & Conclusions Cumulatively, the sections of this dissertation provide support for the hypothesis that climatic conditions play a role in shaping plant–herbivore systems. The detected variation of taxonomic and functional compositions contributes to our understanding of assembly processes and resulting diversity patterns within Orthoptera communities, shedding light on the mechanisms that structure their trophic interactions in diverse climates. The combined results presented suggest that a warmer climate could foster an increase of Orthoptera species richness in Central European semi-natural grasslands, also because the weak links observed between insect herbivores and plants are unlikely to limit decoupled range shifts. However, the restructuring of Orthoptera communities in response to warmer temperatures depends on species' traits such as moisture preferences or phenology. Notably, we were able to demonstrate a crucial role of microclimate for many species, partly unravelling narrower climatic niches than their elevational ranges suggest. We found evidence that not only Orthoptera community composition, specialisation, and traits varied along elevational gradients, but even microbial communities in the faeces of Orthoptera changed, which is a novel finding. This complex restructuring and reassembly of communities, coupled with the nonlinear specialisation of trophic interactions and a high diversity of associated bacteria, emphasize our currently incomplete comprehension of how ecosystems will develop under future climatic conditions, demanding caution in making simplified predictions for biodiversity change under climate warming. Since these predictions may benefit from including biotic interactions and both, micro- and macroclimate based on our findings, conservation authorities and practitioners must not neglect improving microclimatic conditions to ensure local survival of a diverse set of threatened and demanding species. In this context, mountains can play a pivotal role for biodiversity conservation since these offer heterogeneous microclimatic conditions in proximity that can be utilized by species with distinct niches. / Kapitel I: Einleitung Die Temperatur ist eine wichtige Triebkraft hinter den Artenvielfalts- und Abundanzmustern auf unserem Planeten, was angesichts der Verflechtung der unmittelbar bevorstehenden Biodiversitäts- und Klimakrise besonders relevant ist. Das Klima strukturiert die Artenvielfalt direkt durch abiotische Filtermechanismen oder indirekt durch Veränderungen biotischer Wechselwirkungen. Insekten - wesentliche Bestandteile der Ökosysteme der Erde - sind von klimatischen Veränderungen wie der Erwärmung betroffen, reagieren aber je nach Art unterschiedlich. Während die Merkmale der Arten, antagonistische biotische Interaktionen und sogar die mikrobiellen Partner der Arten temperaturabhängige Zusammensetzungsprozesse bestimmen können, bleibt ein Großteil dieser komplexen Beziehungen aufgrund methodischer Einschränkungen nach wie vor schlecht verstanden. Gebirge, die als Hotspots der Diversität gelten und von sich rasch verändernden klimatischen Bedingungen bedroht sind, können durch Nutzung der großen regionalen Heterogenität der Klein- und Großklimate als natürliche Experimente dienen, um die Reaktion von Insektengemeinschaften und deren trophischen Interaktionen auf Temperaturänderungen zu untersuchen. Mit dieser Arbeit möchten wir einen Beitrag zum mechanistischen Verständnis der temperaturbedingten Zusammensetzungsprozesse von Insektengemeinschaften leisten, am Beispiel von Heuschrecken, die bedeutende Pflanzenfresser in Grünlandökosystemen der gemäßigten Breiten sind. Hierfür kombinierten wir Felduntersuchungen von Heuschreckengemeinschaften in Grünlandstandorten mit molekularen Methoden zur Rekonstruktion von Nahrungsbeziehungen, wobei wir hauptsächlich die Höhengradienten, die die komplexe Topografie der Berchtesgadener Alpenregion (Bayern, Deutschland) bietet, stellvertretend für Temperaturveränderungen verwendeten (Raum-Zeit-Substitutionsansatz). In diesem Rahmen untersuchten wir die Auswirkungen von Temperaturvariation auf (1) den Artenreichtum, die Abundanz, die Zusammensetzung der Gemeinschaft und die inter- und intraspezifischen Merkmalsmuster, (2) die ökologische Nahrungsspezialisierung und (3) die bis dato vernachlässigte Verbindung zu den mikrobiellen Begleitarten im Kot. Kapitel II: Temperaturabhängige Zusammensetzungsprozesse Das Klima variiert auf verschiedenen Ebenen. Da Veränderungen im Kleinklima oft vernachlässigt werden, haben wir in Kapitel II die Auswirkungen der lokalen Temperaturunterschiede auf die Arten- und Merkmalszusammensetzung von Insektengemeinschaften entlang makroklimatischer Temperaturgradienten untersucht. Hierfür haben wir die Methode der gemeinsamen Artenverteilungsmodellierung verwendet, um zu untersuchen, wie Artmerkmale die Unterschiede in klimatischen Nischen von Heuschreckenarten auf Grünlandstandorten mit gegensätzlichen mikro- und makroklimatischen Bedingungen beeinflussen. Unsere Ergebnisse brachten zwei wichtige Erkenntnisse zutage: (1) additive Auswirkungen des Mikro- und Makroklimas auf die Vielfalt, aber (2) interaktive Effekte auf die Häufigkeit mehrerer Arten, die sich in Zusammensetzungsunterschieden niederschlagen und auf engere klimatische Nischen hinweisen, als es die Höhenverbreitung vermuten lässt. Dieses Kapitel deutet auf positive Auswirkungen einer Erwärmung auf Orthoptera hin, zeigt aber auch, dass das Zusammenspiel von Makro- und Mikroklima eine Schlüsselrolle bei der Strukturierung von Insektengemeinschaften spielt und beide Elemente bei der Vorhersage der Reaktionen von Arten auf den Klimawandel berücksichtigt werden sollten. Darüber hinaus wurden in diesem Kapitel die inter- und intraspezifischen Auswirkungen von Merkmalen auf die Nischen und die Verbreitung von Arten aufgezeigt. Kapitel III: Nahrungsspezialisierung entlang von Klimagradienten Ein entscheidendes Merkmal für die Lage der klimatischen Nische einer Art ist die Nahrungsspezialisierung. Nach der "Hypothese der Höhenlagen-abhängigen Nischenbreite" sollten Arten in hoch gelegenen Lebensräumen weniger spezialisiert sein als ihre Pendants in niedrigen Lagen. Empirische Belege für Verschiebungen in der Spezialisierung von generalistischen, herbivoren Insekten sind jedoch rar und es fehlt eine Berücksichtigung der Häufigkeit und Phylogenie von Interaktionspartnern. In Kapitel III haben wir eine Kombination aus Feldbeobachtungen und Amplikonsequenzierung verwendet, um die Nahrungsbeziehungen von Heuschrecken und Pflanzen entlang eines ausgedehnten Temperaturgradienten zu rekonstruieren. Wir konnten keine engen, sondern flexible Beziehungen zwischen einzelnen Herbivoren- und Pflanzentaxa feststellen. Während die Spezialisierung der Interaktionsnetzwerke mit der Temperatur zunahm, erreichte das korrigierte Muster der Nahrungsspezialisierung auf Gemeinschaftsebene seinen Höhepunkt in mittleren Höhenlagen. Diese differenzierten Ergebnisse zeigen, dass (1) die Verfügbarkeit von Ressourcen, (2) phylogenetische Beziehungen und (3) das Klima intra- und interspezifische empirische Nahrungsbeziehungen und damit die Nahrungsspezialisierung pflanzenfressender Insekten beeinflussen können. In diesem Kontext diskutieren wir, dass die zugrundeliegenden Mechanismen hinter der Nahrungsspezialisierung von herbivoren Insekten entlang von Temperaturgradienten wechseln könnten. Kapitel IV: Verbindungen zwischen Kotbakteriengemeinschaften, Ernährungsgewohnheiten und Klima. Da Darmbakterien die Fitness und Verdauung von Insekten beeinflussen, könnte die Untersuchung deren Vielfalt neue Erkenntnisse über Spezialisierungsmuster liefern. Ihre Verbindung mit Insekten, die sich in ihren Ernährungsgewohnheiten und ihrer Spezialisierung unterscheiden, wurde jedoch noch nie entlang klimatischer Höhengradienten untersucht. In Kapitel IV verwendeten wir Nahrungsinformationen aus Kapitel III, um mit Hilfe von Amplikonsequenzierung Verbindungen zwischen Insekten mit unterschiedlichem Ernährungsverhalten und mikrobiellen Gemeinschaften in deren Kot zu charakterisieren. Sowohl die Nahrung als auch das Klima hatten Auswirkungen auf die bakteriellen Gemeinschaften. Die große Überschneidung der Mikrobengemeinschaften auf Standortebene deutet jedoch darauf hin, dass gemeinsame Bakterien aus der geteilten Nahrungsumgebung, wie z.B. den von den Insekten verzehrten Pflanzen, stammen. Diese Ergebnisse unterstreichen den Einfluss eines breiteren Umweltkontextes auf die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaften im Insektendarm. Kapitel V: Diskussion & Schlussfolgerungen Insgesamt stützen die Kapitel dieser Dissertation die Hypothese, dass klimatische Verhältnisse Pflanzen-Pflanzenfresser-Systeme prägen. Die festgestellten Unterschiede in der taxonomischen und funktionellen Zusammensetzung tragen zu unserem Verständnis der Zusammensetzungsprozesse und daraus resultierenden Diversitätsmustern von Heuschreckengemeinschaften sowie der Mechanismen bei, die deren trophische Interaktionen in verschiedenen Klimazonen strukturieren. Die Kombination der Ergebnisse deutet darauf hin, dass wärmeres Klima eine Zunahme des Heuschreckenartenreichtums in naturnahen Grünlandgebieten Mitteleuropas begünstigen könnte, auch weil die schwachen Verbindungen zwischen den herbivoren Insekten und Pflanzen entkoppelte Arealverschiebungen wahrscheinlich nicht limitieren. Jedoch könnten höhere Temperaturen die Zusammensetzung von Heuschreckengemeinschaften je nach den Merkmalen der Arten wie deren Feuchtigkeitsvorlieben oder der Schlupfphänologie verändern. Darüber hinaus konnten wir nachweisen, dass das Mikroklima für viele Arten eine entscheidende Rolle spielt, da es teilweise engere klimatische Nischen aufdeckt, als ihre Höhenverbreitung vermuten lassen. Wir fanden Hinweise darauf, dass sich nicht nur die Zusammensetzung, Spezialisierung und Merkmale der Heuschreckengemeinschaften entlang der Höhengradienten ändern, sondern dass sogar die mikrobiellen Gemeinschaften im Kot variieren, was eine neue Erkenntnis darstellt. Diese komplexe Umstrukturierung und Neuzusammensetzung von Gemeinschaften in Kombination mit der nichtlinearen Spezialisierung von Interaktionen und einer hohen Vielfalt an assoziierten Bakterien unterstreichen unser noch immer begrenztes Verständnis davon, wie sich Ökosysteme unter zukünftigen Klimabedingungen entwickeln werden, und mahnen zur Vorsicht bei vereinfachten Vorhersagen über die Veränderung der biologischen Vielfalt im Zuge der Klimaerwärmung. Da solche Vorhersagen auf Grundlage unserer Ergebnisse vom Einbezug biotischer Wechselwirkungen und des Mikro- und Makroklimas profitieren können, dürfen Naturschutzverantwortliche eine Verbesserung der mikroklimatischen Bedingungen nicht vernachlässigen, um das lokale Überleben einer Vielzahl bedrohter und anspruchsvoller Arten zu sichern. In diesem Zusammenhang können Berge eine entscheidende Rolle für den Erhalt der biologischen Vielfalt spielen, da sie in räumlicher Nähe heterogene mikroklimatische Bedingungen bieten, die von Arten mit unterschiedlichen Nischen genutzt werden können.

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