Biological invasions have been observed throughout the world for centuries, often with major consequences to biodiversity and food security. Tying invasion to species identity and associated traits has led to numerous hypotheses on why, and where, some species are invasive. In recent decades, attention to intraspecific variation among invaders has produced questions about their adaptation to climate, land use, and environmental change. I examined the intraspecific variation of invasive Johnsongrass's (Sorghum halepense (L.) Pers.) seedling stress response, propagule cold tolerance, and large-scale niche dynamics for correlation with populations' climatic and ecotypic (i.e., agricultural vs. non-agricultural) origin. Overall, I found a greater number of home climate effects than ecotypic effects on various traits. Non-agricultural seed from cold climates and agricultural seed from warm climates germinated more and faster, while non-agricultural seedlings showed uniform chlorophyll production regardless of home soil carbon origin, unlike their agricultural counterparts. Neither seedling stress response nor propagule cold tolerance interacted with ecotype identity; however, drought stress varied with population origins' aridity and soil fertility, and seed from warm/humid and cold/dry climates was most germinable. Comparison of seed and rhizome cold tolerance also suggested that the latter is a conserved trait that may be limiting S. halepense poleward range expansion. This physiological limit, an unchanged cold temperature niche boundary between continents and ecotypes, and a narrowed niche following transition to non-agricultural lands all imply low likelihood of spread based on climatic niche shift. Instead, evidence points to range expansion driven primarily by climate change and highlights agriculture's role in facilitating invasibility. This tandem approach to climate and land use as drivers of intraspecific variation is transferable to other taxa and can help refine our conception of and response to invasion in the Anthropocene. / Doctor of Philosophy / Exotic invasive species are a global problem, threatening biodiversity and biosecurity now and in the future. In the last several decades, ecologists have studied many individual invaders and their traits to understand what drives their spread. More recently, abundant differences in traits between populations within an invasive species have raised questions about humans' role in facilitating invasion through climate change, land use, and other disturbances. I studied the invasive Johnsongrass's (Sorghum halepense (L.) Pers.) response to drought, nutrient limitation, and freezing to detect differences between populations based on their climate and ecotype (agricultural vs. non-agricultural) origin. I also tracked differences in the climates the species occupied across the globe and North America and projected its future distribution under climate change. Overall, I found a greater number of home climate effects than ecotypic effects on various traits. Non-agricultural seed from cold climates and agricultural seed from warm climates germinated the most, while non-agricultural seedlings performed consistently regardless of soil carbon origin, unlike their agricultural counterparts. In addition, drought stress varied with population origins' rainfall and soil fertility, and seed germination favored warm/humid and cold/dry origin. Rhizome (underground stem) cold tolerance appears to be a trait that limits S. halepense poleward range expansion. Along with no change in the coldest climates occupied worldwide and no spread to new climates with transition to non-agricultural lands, this implies that Johnsongrass is unlikely to expand its range without external forces. Instead future range expansion will likely be driven by climate change. This coupled approach to climate and land use affecting invasion is transferable to other species and can help refine both our concepts and response strategies.

As várzeas do Alto Tietê e do Alto Paraíba do Sul, na Mata Atlântica do sudeste brasileiro, têm sido severamente exploradas e ocupadas por cidades, agricultura, e mineração nos últimos 500 anos. Endêmico destas áreas, o bicudinho-do-brejo-paulista (Formicivora paludicola) passou muito tempo desconhecido para a ciência, até sua descoberta em 2005, quando sua situação de ameaça parecia preocupante. Esta ave (Thamnophilidae) foi descoberta à beira da extinção, e nada se sabe sobre sua distribuição, história natural, estrutura populacional e seleção de habitat, o que gera perspectivas de conservação pessimistas e desacreditadas. Este trabalho traz uma investigação da distribuição da espécie e das áreas mais adequadas à sua sobrevivência usando modelos ecológicos de nicho, amostragens de campo e modelos de ocupação. Nossos resultados mostram que a espécie deve ser considerada Criticamente Ameaçada de acordo com os critérios da IUCN. A ocupação humana na região resultou em uma perda de mais de 300 km2 de habitat adequado à ocorrência de F. paludicola, que agora apresenta uma área de ocupação severamente fragmentada de 1,42 km2. Além disso, esta espécie apresenta capacidade de dispersão limitada, alta especificidade de habitat e disponibilidade de habitat restrita. Também apontamos que brejos com menor densidade de taboa (Typha dominguensis) apresentam maiores probabilidades de ocorrência de F. paludicola, e que essas áreas devem ser priorizadas em futuros esforços de conservação. Usando estimativas geradas por Kernel, nós ainda mostramos que a espécie apresenta pequena área de vida de apenas 0,55 ha, e ocorre em altas densidades nas áreas ocupadas remanescentes, apresentando tamanho populacional entre 383 e 985 indivíduos maduros. Por fim, usando \"Torus shift\", nós demonstramos que a espécie exótica invasora, lírio-do-brejo (Hedychium coronarium) é evitada por F. paludicola, e que a invasão biológica representa mais uma ameaça às populações existentes. A conservação desta espécie reside na criação de uma rede de unidades de conservação conectadas, com áreas naturais e restauradas. Por causa de sua estrutura populacional marcada pela alta densidade, a espécie pode prosperar em áreas alagadas adequadas protegidas da ocupação humana, contaminação dos corpos d\'água e plantas exóticas invasoras. Estes esforços poderiam ajudar não só esta ave extremamente ameaçada, mas também restaurar uma parte das áreas alagadas da Mata Atlântica no estado de São Paulo / Wetlands in Upper Tietê and Upper Paraíba do Sul basins, in southeastern Atlantic Forest, Brazil, have been severely transformed by urbanization, agriculture and mining in the last 500 years. Endemic to these areas, the São Paulo Marsh Antwren (Formicivora paludicola) persisted through this period unknown to science until its discovery in 2005, when its threatened situation became worrying. This bird (Thamnophilidae) was discovered on the verge of extinction, and virtually nothing is known about its natural history, population structure and habitat selection, which made conservation perspectives pessimist and discredited. We investigated both the species distribution and the distribution of its suitable areas using ecological niche modeling, fieldwork surveys and occupancy models. Our results show that the species should be considered \"Critically Endangered\" according to IUCN criteria. Human occupation has resulted in a loss of more than 300 km2 of suitable habitat, so that it now occupies a total and severely fragmented area of only 1.42 km2. Additionally, F. paludicola has limited dispersal ability, narrow habitat specificity, and restricted habitat availability. Furthermore, we showed that marshes with lower cattail (Typha dominguensis) densities have higher probabilities of being occupied. Thus, these areas should be prioritized in future conservation efforts. Using Kernel home range estimations, we show that the species has a small home range of about 0.55 ha, and occurs in high densities in those areas where it is still present, with a total population size between 383 and 985 mature birds. Furthermore, using a novel tool for animal habitat selection studies, the Torus Shift, we showed that the alien invasive ginger lily (Hedychium coronarium) is avoided by the species, and that this invasion represents a serious threat to the remaining populations. The successful conservation of F. plaudicola rests on the creation of a series of interconnected protected areas, with natural and restored wetlands. Given the high density of their population structure, this species could thrive in a relatively small area of suitable wetlands protected from human occupation, water contamination and invasive plants. Such efforts would also greatly contribute to the general conservation and restoration of Atlantic Forest wetlands

Mesoamerica is considered a biodiversity hot spot with levels of endemism and species diversity likely underestimated. For mammals, the patterns of diversification of Mesoamerican taxa still are controversial. Reasons for this include the region's complex geologic history, and the relatively recent timing of such geological events. Previous studies, however, support the view that substantial migration between North (NA) and South America (SA) occurred prior or/and during the Great American Biotic Interchange (GABI) ~3.5 Ma. This was followed by repeated periods of isolation during Pleistocene climatic oscillations, which produced most of the diversification in the region. From a North American origin, the subfamily Sigmodontinae migrated to SA, where most of its present day diversity exists. The taxonomic history of this subfamily, and of Oryzomynii, its largest tribe, has been exceptionally complex. Recently, extensive studies have helped to clarify genealogical relationships among major clades, but have left the evolutionary histories of several groups unresolved. Such is the case for the genus Handleyomys that includes nine species; seven of which are endemic to Mesoamerica; and of its phylogenetic position among closely related genera Euryoryzomys, Hylaeamys, Oecomys, Nephelomys and Transandinomys. The results supported the monophyly of Handleyomys, and four clades with inter-generic levels of divergence within the genus, three of these clades restricted to Mesoamerica (the alfaroi, chapmani and melanotis species groups). Furthermore, the estimated time for the split of the Mesoamerican Handleyomys is on average, 2.0 Myr older than the proposed migrations to NA during the GABI. In addition, the position of Handleyomys as the sister clade to Euryoryzomys, Hylaeamys, Oecomys, Nephelomys and Transandinomys was well supported, as it was a biogeographic hypotheses that depicted a polyphyletic origin for these genera and Handleyomys 5.5-6.0 Ma. The integrative approach implemented in this dissertation allowed the development of more biologically realistic hypothesis than has previously been conducted in Mesoamerica, where half of the endemic mammals are listed under the IUCN Red list; and where mammals with small ranges, which are the most vulnerable to extinction, are found largely outside reserves. The continued decline of the ecosystems health in this region calls for a more precise account of its biodiversity for its proper conservation; and for rigorous biogeographic studies for its management, since the region also serves as a biological corridor for intercontinental connectivity.

As várzeas do Alto Tietê e do Alto Paraíba do Sul, na Mata Atlântica do sudeste brasileiro, têm sido severamente exploradas e ocupadas por cidades, agricultura, e mineração nos últimos 500 anos. Endêmico destas áreas, o bicudinho-do-brejo-paulista (Formicivora paludicola) passou muito tempo desconhecido para a ciência, até sua descoberta em 2005, quando sua situação de ameaça parecia preocupante. Esta ave (Thamnophilidae) foi descoberta à beira da extinção, e nada se sabe sobre sua distribuição, história natural, estrutura populacional e seleção de habitat, o que gera perspectivas de conservação pessimistas e desacreditadas. Este trabalho traz uma investigação da distribuição da espécie e das áreas mais adequadas à sua sobrevivência usando modelos ecológicos de nicho, amostragens de campo e modelos de ocupação. Nossos resultados mostram que a espécie deve ser considerada Criticamente Ameaçada de acordo com os critérios da IUCN. A ocupação humana na região resultou em uma perda de mais de 300 km2 de habitat adequado à ocorrência de F. paludicola, que agora apresenta uma área de ocupação severamente fragmentada de 1,42 km2. Além disso, esta espécie apresenta capacidade de dispersão limitada, alta especificidade de habitat e disponibilidade de habitat restrita. Também apontamos que brejos com menor densidade de taboa (Typha dominguensis) apresentam maiores probabilidades de ocorrência de F. paludicola, e que essas áreas devem ser priorizadas em futuros esforços de conservação. Usando estimativas geradas por Kernel, nós ainda mostramos que a espécie apresenta pequena área de vida de apenas 0,55 ha, e ocorre em altas densidades nas áreas ocupadas remanescentes, apresentando tamanho populacional entre 383 e 985 indivíduos maduros. Por fim, usando \"Torus shift\", nós demonstramos que a espécie exótica invasora, lírio-do-brejo (Hedychium coronarium) é evitada por F. paludicola, e que a invasão biológica representa mais uma ameaça às populações existentes. A conservação desta espécie reside na criação de uma rede de unidades de conservação conectadas, com áreas naturais e restauradas. Por causa de sua estrutura populacional marcada pela alta densidade, a espécie pode prosperar em áreas alagadas adequadas protegidas da ocupação humana, contaminação dos corpos d\'água e plantas exóticas invasoras. Estes esforços poderiam ajudar não só esta ave extremamente ameaçada, mas também restaurar uma parte das áreas alagadas da Mata Atlântica no estado de São Paulo / Wetlands in Upper Tietê and Upper Paraíba do Sul basins, in southeastern Atlantic Forest, Brazil, have been severely transformed by urbanization, agriculture and mining in the last 500 years. Endemic to these areas, the São Paulo Marsh Antwren (Formicivora paludicola) persisted through this period unknown to science until its discovery in 2005, when its threatened situation became worrying. This bird (Thamnophilidae) was discovered on the verge of extinction, and virtually nothing is known about its natural history, population structure and habitat selection, which made conservation perspectives pessimist and discredited. We investigated both the species distribution and the distribution of its suitable areas using ecological niche modeling, fieldwork surveys and occupancy models. Our results show that the species should be considered \"Critically Endangered\" according to IUCN criteria. Human occupation has resulted in a loss of more than 300 km2 of suitable habitat, so that it now occupies a total and severely fragmented area of only 1.42 km2. Additionally, F. paludicola has limited dispersal ability, narrow habitat specificity, and restricted habitat availability. Furthermore, we showed that marshes with lower cattail (Typha dominguensis) densities have higher probabilities of being occupied. Thus, these areas should be prioritized in future conservation efforts. Using Kernel home range estimations, we show that the species has a small home range of about 0.55 ha, and occurs in high densities in those areas where it is still present, with a total population size between 383 and 985 mature birds. Furthermore, using a novel tool for animal habitat selection studies, the Torus Shift, we showed that the alien invasive ginger lily (Hedychium coronarium) is avoided by the species, and that this invasion represents a serious threat to the remaining populations. The successful conservation of F. plaudicola rests on the creation of a series of interconnected protected areas, with natural and restored wetlands. Given the high density of their population structure, this species could thrive in a relatively small area of suitable wetlands protected from human occupation, water contamination and invasive plants. Such efforts would also greatly contribute to the general conservation and restoration of Atlantic Forest wetlands

Biodiversity, the variety of life on the planet, is declining due to climate change, population and species interactions and as the result f demographic and landscape dynamics. Integrated model-based assessments play a key role in understanding and exploring these complex dynamics and have proven use in conservation planning. Model-based assessments using Species Distribution Models constitute an efficient means of translating limited point data to distribution probability maps for current and future scenarios in support of conservation decision making. The aims of this doctoral study were to investigate; (1) the use of a hybrid genetic programming to build high quality models that handle noisy real-world presence and absence data, (2) the extension of this solution to exploit the parallelism inherent to genetic programming for fast scenario based decision making tasks, and (3) a conceptual framework to share models in the hope of enabling research synthesis. Subsequent to this, the quality of the method, evaluated with the true skill statistic, was examined with two case studies. The first with a dataset obtained by defining a virtual species, and the second with data extracted from the North American Breeding Bird Survey relating to mourning dove (Zenaida macroura). In these studies, the produced models effectively predicted the species distribution up to 30% of error rate both presence and absence samples. The parallel implementation based on a twenty-node c3.xlarge Amazon EC2 StarCluster showed a linear speedup due to the multiple-deme coarse-grained design. The hybrid fuzzy genetic programming algorithm generated under certain consitions during the case studies significantly better transferable models. / Biodiversidade, a variedade de vida no planeta, está em declínio às alterações climáticas, mudanças nas interações das populações e espécies, bem como nas alterações demográficas e na dinâmica de paisagens. Avaliações integradas baseadas em modelo desempenham um papel fundamental na compreensão e na exploração destas dinâmicas complexas e tem o seu uso comprovado no planejamento de conservação da biodiversidade. Os objetivos deste estudo de doutorado foram investigar; (1) o uso de técnicas de programação genética e fuzzy para construir modelos de alta qualidade que lida com presença e ausência de dados ruidosos do mundo real, (2) a extensão desta solução para explorar o paralelismo inerente à programação genética para acelerar tomadas de decisão e (3) um framework conceitual para compartilhar modelos, na expectativa de permitir a síntese de pesquisa. Subsequentemente, a qualidade do método, avaliada com a true skill statistic, foi examinado com dois estudos de caso. O primeiro utilizou um conjunto de dados fictícios obtidos a partir da definição de uma espécie virtual, e o segundo utilizou dados de uma espécie de pomba (Zenaida macroura) obtidos do North American Breeding Bird Survey. Nestes estudos, os modelos foram capazes de predizer a distribuição das espécies maneira correta mesmo utilizando bases de dados com até 30% de erros nas amostras de presença e de ausência. A implementação paralela utilizando um cluster de vinte nós c3.xlarge Amazon EC2 StarCluster, mostrou uma aceleração linear devido ao arquitetura de múltiplos deme de granulação grossa. O algoritmo de programação genética e fuzzy gerada em determinadas condições durante os estudos de caso, foram significativamente melhores na transferência do que os algoritmos do BIOMOD.

Biodiversity, the variety of life on the planet, is declining due to climate change, population and species interactions and as the result f demographic and landscape dynamics. Integrated model-based assessments play a key role in understanding and exploring these complex dynamics and have proven use in conservation planning. Model-based assessments using Species Distribution Models constitute an efficient means of translating limited point data to distribution probability maps for current and future scenarios in support of conservation decision making. The aims of this doctoral study were to investigate; (1) the use of a hybrid genetic programming to build high quality models that handle noisy real-world presence and absence data, (2) the extension of this solution to exploit the parallelism inherent to genetic programming for fast scenario based decision making tasks, and (3) a conceptual framework to share models in the hope of enabling research synthesis. Subsequent to this, the quality of the method, evaluated with the true skill statistic, was examined with two case studies. The first with a dataset obtained by defining a virtual species, and the second with data extracted from the North American Breeding Bird Survey relating to mourning dove (Zenaida macroura). In these studies, the produced models effectively predicted the species distribution up to 30% of error rate both presence and absence samples. The parallel implementation based on a twenty-node c3.xlarge Amazon EC2 StarCluster showed a linear speedup due to the multiple-deme coarse-grained design. The hybrid fuzzy genetic programming algorithm generated under certain consitions during the case studies significantly better transferable models. / Biodiversidade, a variedade de vida no planeta, está em declínio às alterações climáticas, mudanças nas interações das populações e espécies, bem como nas alterações demográficas e na dinâmica de paisagens. Avaliações integradas baseadas em modelo desempenham um papel fundamental na compreensão e na exploração destas dinâmicas complexas e tem o seu uso comprovado no planejamento de conservação da biodiversidade. Os objetivos deste estudo de doutorado foram investigar; (1) o uso de técnicas de programação genética e fuzzy para construir modelos de alta qualidade que lida com presença e ausência de dados ruidosos do mundo real, (2) a extensão desta solução para explorar o paralelismo inerente à programação genética para acelerar tomadas de decisão e (3) um framework conceitual para compartilhar modelos, na expectativa de permitir a síntese de pesquisa. Subsequentemente, a qualidade do método, avaliada com a true skill statistic, foi examinado com dois estudos de caso. O primeiro utilizou um conjunto de dados fictícios obtidos a partir da definição de uma espécie virtual, e o segundo utilizou dados de uma espécie de pomba (Zenaida macroura) obtidos do North American Breeding Bird Survey. Nestes estudos, os modelos foram capazes de predizer a distribuição das espécies maneira correta mesmo utilizando bases de dados com até 30% de erros nas amostras de presença e de ausência. A implementação paralela utilizando um cluster de vinte nós c3.xlarge Amazon EC2 StarCluster, mostrou uma aceleração linear devido ao arquitetura de múltiplos deme de granulação grossa. O algoritmo de programação genética e fuzzy gerada em determinadas condições durante os estudos de caso, foram significativamente melhores na transferência do que os algoritmos do BIOMOD.

La forêt atlantique brésilienne est un des points sensibles de biodiversité avec une richesse spécifique et des risques d’extinction élevés. Cette forêt est située le long de la côte atlantique brésilienne, s’étendant jusqu’au Paraguay vers le Sud et à l’Argentine dans l’intérieur des terres. Du fait des gradients longitudinal et altitudinal, de la géologie complexe et de la diversité des sols, cette forêt comprend une diversité exceptionnelle de paysages et d’écosystèmes qui ont permis à cette riche biodiversité de se développer. Cependant, cette dernière encourt des risques extrêmes d’extinction du fait des densités et des tailles de populations humaines locales les plus élevées en Amérique du Sud. La forêt atlantique est ainsi aujourd’hui réduite à moins de 5% de sa surface originelle, répartie dans des fragments épars. En dépit de cette richesse spécifique reconnue, beaucoup reste à comprendre au sujet de plusieurs composantes de la biodiversité et de leur origine. Parmi les groupes encore mal connus figurent en particulier les insectes. Dans le but de combler cette lacune, j’ai étudié dans cette thèse un genre de blatte endémique de la forêt atlantique, Monastria Saussure, 1864 (Blattodea, Blaberinae). Je me suis focalisé sur sa taxonomie, sa phylogéographie et sur la contribution des données de collections d’histoire naturelle à la modélisation de l’aire de distribution. L’étude de la taxonomie a consisté à entreprendre la révision du genre avec la re-description des espèces espèces déjà connues et la description de nouvelles espèces. Les descriptions des espèces connues étaient fort anciennes et la description (et redescription) a donc inclus la définition de nouveaux caractères, ainsi qu’une étude des genitalia. Des problèmes nomenclaturaux anciens ont été également résolus, une clé d’identification des espèces ainsi qu’une clé d’identification des larves des genres de Blaberinae endémiques de la forêt atlantique ont été construites. La deuxième étude concernait l’analyse de la diversification et de la distribution du genre Monastria dans la forêt atlantique brésilienne. Cette analyse a indiqué l’importance des impacts différentiels des changements de température durant le dernier maximum glaciaire entre les parties Nord et Sud de la forêt atlantique, ceci résultant dans le patron de distribution présent. La troisième étude est une évaluation de l’intérêt des données disponibles dans les collections d’histoire naturelle concernant Monastria pour inférer son aire de répartition en se basant sur des modèles de niches écologiques (ENM), et en utilisant les données issues de l’échantillonnage de terrain ciblé sur Monastria pour valider les résultats. Nous montrons ici que le lot de données des collections est biaisé dans l’espace environmental. Le sur-échantillonnage dans une classe de climat conduit à construire des modèles d’aires favorables plus restreints que ceux de la distribution réelle de Monastria. Ces biais augmentent donc la spécificité des modèles et réduisent leur sensibilité. Pour résoudre ce problème, nous avons conçu deux sortes d’analyse de raréfaction et montré que la suppression aléatoire de points dans la classe climatique la plus biaisée augmente de manière très efficace la sensibilité du modèle de niche climatique. / The Brazilian Atlantic forest is one of the biodiversity hotspots with the richest species diversity and threat. It is located along the Brazilian Atlantic coast going south til Paraguay and Argentina in the interior of the continent. Due to its longitudinal and altitudinal gradients, complex geology and diversity of soils it harbors an enormous diversity of landscapes and ecosystems that gave rise to its rich biodiversity. However, this biodiversity is extremely threatened because this region is the one with the highest population size and density in south America. So, the Atlantic forest is now limited to less than 5% of its original surface and distributed in scattered fragments. Despite the recognized species richness, much remains to be known about several components of this biodiversity and their origin. Among the groups still poorly known are the insects. In order to contribute to bridge this gap, in this thesis I studied one genus of cockroach endemic from the Atlantic forest, Monastria Saussure, 1864 (Blaberidae, Blaberinae). I focused on the taxonomy, phylogeography and on the contribution of the data existing in natural history collections to model the distribution range. The study of the taxonomy consisted in the revision of the genus with the re-description of already known species and description of new ones. Since the known species were described very early, the description (and re-description) comprised the definition of new characters, and consideration paid to genitalia. In addition to that, old nomenclatural problems were solved, a key to species’ identification was provided, a key to the identification of nymphs of the genera of Blaberinae endemic to the Atlantic forest were provided. The second study was aimed to understand the diversification and distribution of the genus Monastria in the Brazilian Atlantic Forest. This analysis indicates the importance of differential impacts of shifts in temperature between the Southern and Northeastern part of the Atlantic forest in the Last Glacial Maximum for explaining the present pattern of distribution. The third study is an evaluation of the data concerning Monastria available in Natural History Collections for estimating its distribution range based on Ecological Niche Models (ENM), and using the data from the field work designed to assess the presence of Monastria to validate the results. Here we showed that the dataset is biased in the environmental space. This oversampling in a climate class leads to models with suitable areas much smaller than that of the real distribution of Monastria. These biases increase model’s specificity and reduced sensitivity. To overcome this problem, we designed two forms of rarefaction and showed deleting points at random in the most biased climate class is very powerful to increase the sensitivity of the ENM.

Distintos padrões de composição de espécies de plantas podem ser observados ao longo de metacomunidades, pois espécies variam de acordo com os diferentes tipos de ambiente e também com a distância geográfica, dado o processo de dispersão. Ainda, estes mecanismos podem causar variação temporal na composição ou abundância de espécies em um sítio devido a alterações que estes mecanismos podem sofrer. Compreender como as mudanças na composição de espécies no espaço, definida como beta diversidade, ou no tempo estão relacionadas ao clima passado, atual ou futuro podem ajudar no planejamento de conservação de uma região. Assim, esta tese esta dividida em quatro capítulos e aborda questões relacionadas com mudanças espaçotemporais na composição de espécies sob uma perspectiva de planejamento de conservação e mudanças climáticas na Mata Atlântica. O primeiro capítulo apresenta um banco de dados com a informação de ocorrência de 1917 espécies de plantas arbóreas distribuídas em 206 comunidades na Mata Atlântica, em diferentes formações florestais (Floresta Atlântica stricto sensu (s.s.), Floresta com Araucária e Floresta Estacional). O segundo capítulo relacionou padrões de beta diversidade com a efetividade da rede de áreas protegidas nas formações florestais do sul da Mata Atlântica (Floresta Atlântica, Floresta com Araucária e Floresta Estacional). Encontramos altos valores de turnover e baixo aninhamento para todas as formações florestais, por isso recomendamos que esforços adicionais precisam almejar o aumento no número de áreas protegidas, especialmente para a Floresta com Araucária e a Floresta Estacional. A maioria das áreas protegidas no sul da Mata Atlântica estão concentradas na região leste, priorizando a Floresta Atlântica s.s. O terceiro capítulo trouxe novas perspectivas sobre a dinâmica da Floresta com Araucária no tempo através da modelagem de nicho ecológica. Durante as flutuações climáticas do Quaternário, estudos palinológicos indicavam uma expansão da Floresta com Araucária, porém nossos resultados demonstraram uma retração da área de cobertura desta floresta, principalmente nas zonas de contato com outras formações florestais. Também observamos que futuramente, se a temperatura continuar aumentando como previsto, a Floresta com Araucária sofrerá uma drástica redução na sua distribuição. Por fim, o capítulo quatro investigou como as espécies de árvores estão respondendo aos efeitos de mudanças climáticas em parcelas permanentes localizadas em ecótonos de florestas Atlânticas. Os resultados mostram que espécies tropicais estão migrando em direção a áreas de maior altitude, ou seja mais frias. Espécies tropicais que já ocorrem em áreas vi de Floresta com Araucária estão apresentando maiores taxas de recrutamento e crescimento, e menor mortalidade do que espécies temperadas, características da Floresta com Araucária. / Distinct patterns of plant species composition can be observed along metacommunities, as species vary in relation to different types of environment and also to the geographic distance, given the dispersal process. These mechanisms may yet lead temporal variation in species composition or abundance in a given place due to fluctuations on these mechanisms. Understanding how changes in species composition across the space, defined as beta diversity, or in time are related with past, current and future climate changes can help conservation planning in a given region. Thus, this thesis is divided into four chapters and discusses shifts in species composition across space and time under the perspective of conservation planning and climate changes in the Atlantic Forest. The first chapter shows a database with 1917 tree species occurrence distributed in 206 sites across distinct forest formations in the Atlantic Forest biome (Atlantic Rainforest, Araucaria Forest and Seasonal Forest). The second chapter related beta diversity patterns with the effectiveness of the current network of protected areas in southern Brazilian Atlantic forests (Atlantic Rainforest, Araucaria Forest and Seasonal Forest). We found high values of turnover and low nestedness for all forest formations, thus additional conservation efforts must target an increase in the number of protected areas, especially for the Araucaria Forest and the Seasonal Forest. Most protected areas are currently limited to the eastern region and prioritize the Atlantic Rainforest. The third chapter brought new insights about the Araucaria Forest dynamics in time through ecological niche models. During the climatic fluctuations of the Quaternary, palynological studies indicated an expansion of the Araucaria Forest, however our results demonstrated an overall retraction of the cover area, mainly in boundary zones with other forest formations. Yet, we showed that in the future, if the temperature continues to increase as expected, the Araucaria Forest would suffer a drastic reduction in its distribution. Finally, the fourth chapter investigated how tree species are responding to climatic changes in permanent plots located in Atlantic forests ecotones. Our results showed that tropical species are migrating towards to colder areas in higher altitudes. Tropical species that already occur in Araucaria Forest areas are even presenting higher rates of recruitment and growth, and lower mortality than temperate species characteristics from the Araucaria Forest.

Distintos padrões de composição de espécies de plantas podem ser observados ao longo de metacomunidades, pois espécies variam de acordo com os diferentes tipos de ambiente e também com a distância geográfica, dado o processo de dispersão. Ainda, estes mecanismos podem causar variação temporal na composição ou abundância de espécies em um sítio devido a alterações que estes mecanismos podem sofrer. Compreender como as mudanças na composição de espécies no espaço, definida como beta diversidade, ou no tempo estão relacionadas ao clima passado, atual ou futuro podem ajudar no planejamento de conservação de uma região. Assim, esta tese esta dividida em quatro capítulos e aborda questões relacionadas com mudanças espaçotemporais na composição de espécies sob uma perspectiva de planejamento de conservação e mudanças climáticas na Mata Atlântica. O primeiro capítulo apresenta um banco de dados com a informação de ocorrência de 1917 espécies de plantas arbóreas distribuídas em 206 comunidades na Mata Atlântica, em diferentes formações florestais (Floresta Atlântica stricto sensu (s.s.), Floresta com Araucária e Floresta Estacional). O segundo capítulo relacionou padrões de beta diversidade com a efetividade da rede de áreas protegidas nas formações florestais do sul da Mata Atlântica (Floresta Atlântica, Floresta com Araucária e Floresta Estacional). Encontramos altos valores de turnover e baixo aninhamento para todas as formações florestais, por isso recomendamos que esforços adicionais precisam almejar o aumento no número de áreas protegidas, especialmente para a Floresta com Araucária e a Floresta Estacional. A maioria das áreas protegidas no sul da Mata Atlântica estão concentradas na região leste, priorizando a Floresta Atlântica s.s. O terceiro capítulo trouxe novas perspectivas sobre a dinâmica da Floresta com Araucária no tempo através da modelagem de nicho ecológica. Durante as flutuações climáticas do Quaternário, estudos palinológicos indicavam uma expansão da Floresta com Araucária, porém nossos resultados demonstraram uma retração da área de cobertura desta floresta, principalmente nas zonas de contato com outras formações florestais. Também observamos que futuramente, se a temperatura continuar aumentando como previsto, a Floresta com Araucária sofrerá uma drástica redução na sua distribuição. Por fim, o capítulo quatro investigou como as espécies de árvores estão respondendo aos efeitos de mudanças climáticas em parcelas permanentes localizadas em ecótonos de florestas Atlânticas. Os resultados mostram que espécies tropicais estão migrando em direção a áreas de maior altitude, ou seja mais frias. Espécies tropicais que já ocorrem em áreas vi de Floresta com Araucária estão apresentando maiores taxas de recrutamento e crescimento, e menor mortalidade do que espécies temperadas, características da Floresta com Araucária. / Distinct patterns of plant species composition can be observed along metacommunities, as species vary in relation to different types of environment and also to the geographic distance, given the dispersal process. These mechanisms may yet lead temporal variation in species composition or abundance in a given place due to fluctuations on these mechanisms. Understanding how changes in species composition across the space, defined as beta diversity, or in time are related with past, current and future climate changes can help conservation planning in a given region. Thus, this thesis is divided into four chapters and discusses shifts in species composition across space and time under the perspective of conservation planning and climate changes in the Atlantic Forest. The first chapter shows a database with 1917 tree species occurrence distributed in 206 sites across distinct forest formations in the Atlantic Forest biome (Atlantic Rainforest, Araucaria Forest and Seasonal Forest). The second chapter related beta diversity patterns with the effectiveness of the current network of protected areas in southern Brazilian Atlantic forests (Atlantic Rainforest, Araucaria Forest and Seasonal Forest). We found high values of turnover and low nestedness for all forest formations, thus additional conservation efforts must target an increase in the number of protected areas, especially for the Araucaria Forest and the Seasonal Forest. Most protected areas are currently limited to the eastern region and prioritize the Atlantic Rainforest. The third chapter brought new insights about the Araucaria Forest dynamics in time through ecological niche models. During the climatic fluctuations of the Quaternary, palynological studies indicated an expansion of the Araucaria Forest, however our results demonstrated an overall retraction of the cover area, mainly in boundary zones with other forest formations. Yet, we showed that in the future, if the temperature continues to increase as expected, the Araucaria Forest would suffer a drastic reduction in its distribution. Finally, the fourth chapter investigated how tree species are responding to climatic changes in permanent plots located in Atlantic forests ecotones. Our results showed that tropical species are migrating towards to colder areas in higher altitudes. Tropical species that already occur in Araucaria Forest areas are even presenting higher rates of recruitment and growth, and lower mortality than temperate species characteristics from the Araucaria Forest.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Os fatores que explicam a distribuição observada em plantas e animais é uma pergunta que intriga naturalistas, biogeógrafos e ecólogos há mais de um século. Ainda nos primórdios da disciplina de ecologia, as tolerâncias ambientais já haviam sido apontadas como as grandes responsáveis pelo padrão observado da distribuição dos seres vivos, o que mais tarde levou à concepção de nicho ecológico das espécies. Nos últimos anos, o estudo das distribuições dos organismos ganhou grande impulso e destaque na literatura. O motivo foi a maior disponibilidade de catálogos de presença de espécies, o desenvolvimento de bancos de variáveis ambientais de todo o planeta e de ferramentas computacionais capazes de projetar mapas de distribuição potencial de um dado organismo. Estes instrumentos, coletivamente chamados de Modelos de Distribuição de Espécies (MDEs) têm sido desde então amplamente utilizados em estudos de diferentes escopos. Um deles é a avaliação de potenciais áreas suscetíveis à invasão de organismos exóticos. Este estudo tem, portanto, o objetivo de compreender, através de MDEs, os fatores subjacentes à distribuição de duas espécies de corais escleractíneos invasores nativos do Oceano Pacífico e ambas invasoras bem sucedidas de diversas partes do Oceano Atlântico, destacadamente o litoral fluminense. Os resultados mostraram que os modelos preditivos da espécie Tubastraea coccinea (LESSON, 1829), cosmopolita amplamente difundida na sua região nativa pelo Indo- Pacífico demonstraram de maneira satisfatória suas áreas de distribuição nas áreas invadidas do Atlântico. Sua distribuição está basicamente associada a regiões com alta disponibilidade de calcita e baixa produtividade fitoplanctônica. Por outro lado, a aplicação de MDEs foi incapaz de predizer a distribuição de T. tagusensis (WELLS,1982) no Atlântico. Essta espécie, ao contrário de sua congênere, tem distribuição bastante restrita em sua região nativa, o arquipélago de Galápagos. Através de análises posteriores foi possível constatar a mudança no nicho observado durante o processo de invasão. Finalmente, o sucesso preditivo para T. coccinea e o fracasso dos modelos para T. tagusensis levantam importantes questões sobre quais os aspectos ecológicos das espécies são mais favoráveis à aplicação de MDEs. Adicionalmente, lança importantes ressalvas na utilização recentemente tão difundida destas ferramentas como forma de previsão de invasões biológicas e em estudos de efeitos de alterações climáticas sobre a distribuição das espécies. / The factors underpinning the observed distribution of plants and animals across time and space are a central question in ecology and has intrigued scientists for over a century. But even back on those early times, the role of climatic tolerances of the species were recognized as one of the main explanations for such distributional patterns. Later, these assumptions gave rise to the concept of niche which triggered several advances in the study of natural history. Recently, these studies were addressed in the light of novel computational techniques capable of providing potential distributional maps for a given species, generically called Species Distribution Models (SDMs). This coupled with the broader availability of species occurrence records and of environmental data from international databases made studies with SDMs very popular and ubiquitous in the literature. One of the main uses of the SDMs approach is the assessment of potentially susceptible areas of invasion by non- indigenous species. Therefore, here we used SDMs to better understand the major factors related to the current distribution of two well established invasive scleractinian coral species in the Atlantic, both from the Pacific Ocean. The results showed that the models were successful in predicting the potentially invaded sites by the cosmopolitan Tubastraea coccinea (LESSON, 1829), broadly distributed throughout the Pacific. This species distribution was basically associated with increasing concentrations of calcite and lower levels of phytoplankton activity. However, the models were incapable of predicting the survival and establishment of T. tagusensis (WELLS, 1982) in the Atlantic. This species, unlike its congener, has a very restricted distribution in its native regions, the Galapagos Islands. A posterior analyzes indeed showed a niche shift during the invasion event of T. tagusensis in the Atlantic. Finally, the good modelling results for T. coccinea contrasted with the failure of modelling T. tagusensis invasion highlight important explanations on methodological procedures in SDMs. It also helps to better understand which ecological aspects of the species are favourable toward good modelling performance. In addition to that, these results calls for precaution when analyzing SDMs results, particularly in invasion and climate change scenarios studies.