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Forests are a critical biome but are under threat from unprecedented global change. The need to understand forest dynamics across spatial, temporal and biological scales has never been greater. Critical to this will be understanding how the demographic rates of individuals translate into patterns of species diversity, biomass and carbon turnover at much larger scales. In this thesis, I present a modelling framework focussed on demography. In Chapter 2, I introduce methods for translating forest inventory data into population models that account for the size-dependency of vital rates and persistent differences in individual performance. Outbreaks of forest pest and pathogens are increasing in frequency and severity, with consequences for biodiversity and forest structure. In Chapter 3, I explore the impact of ash dieback on the community dynamics of a British woodland, describing a spatially explicit individual based model that captures the effect of an opening of the canopy on local competitive interactions. Chapter 4 introduces methods to infer the impact of historical deer herbivory on the juvenile survival of forest trees. The approach is generalisable and could be applied to any forest in which patterns of regeneration and community structure have been impacted by periodic disturbance (e.g. forest fires). Finding meaningful ways of incorporating species diversity into global vegetation models is increasingly recognised as a research priority. In Chapter 5, I explore the diversity of demographic rates in a tropical forest community and identify groups of species with similar life history strategies. I discuss the potential of integrating demographic and physiological traits as a way to aggregate species for inclusion in global models. In summary, translating measurements of individuals into population dynamics provides opportunities to both explore small-scale community responses to disturbance events, and to feed into much larger scale vegetation models.

Resumo: Este estudo investigou os efeitos do corte seletivo sobre a diversidade genética, sistema de reprodução e dispersão de pólen em uma população de Hymenaea courbaril L., situado na Floresta Nacional do Tapajós, Estado do Pará, utilizando nove locos microssatélites. A espécie é uma das mais importantes na Amazônia Brasileira devido o alto valor comercial de sua madeira. Antes do corte seletivo, todas as árvores adultas foram mapeadas, amostradas e genotipadas e 367 sementes foram coletadas de 20 árvores matrizes. Após o corte seletivo de 61% das arvores com DAP>81 cm, foram amostradas e genotipadas 250 sementes de 14 árvores reprodutivas. A análise da herança, ligação e desequilíbrio de ligação mostraram que os nove locos utilizados segregam conforme as leis mendelianas, não estão ligados e estão em equilíbrio gamético.As plantas não reprodutivas tinham maior número de alelos (122 alelos) do que as plantas reprodutivas (103) e as progênies (84). Destes alelos, 29 alelos eram exclusivos as plantas não reprodutivas, nove as plantas reprodutivas e 14 as progênies. O número médio de alelos por locos e a heterozigosidade esperada foram significativamente menores nas progênies antes ( k =16,7; Ho =0,710) e após a exploração madeireira ( k =9,33; Ho =0,555). O índice de fixação foi positivo e significativamente diferente de zero em todas as amostras ( F ad=0,111 , F juv=0,160 e F prog=0,045 ), sugerindo endogamia. A estimativa da taxa de cruzamento multilocos populacional ( tm ) foi significativamente menor do que a unidade ( tm =0,962) e a diferença entre a taxa de cruzamento multilocos e unilocos ( tm−t s =0,066) sugere que ocorreram cruzamentos entre parentes. A estimativa do número efetivo de árvores doadoras de pólen antes da exploração ( Nep =3,79) foi significativamente menor que após a exploração de ( Nep =7,2). A taxa de imigração ... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: This study evaluated the effects of selective logging on the genetic diversity, reproductive system and pollen dispersal of a Hymenaea courbaril L. population by using nine microsatellite loci. Because of the characteristics of the wood, this species is one of the most logged in the Amazon resulting in significant reductions in its natural population. The study is located in the Tapajós National Forest, Para State, Brazil, in a 546 ha stand that is part of a governmental initiative for public forest concessions. To determine the effects of logging, both pre- and post-logging populations were analysed. Before logging, all adult trees of H. courbaril were mapped, sampled and genotyped; additionally progeny was analysed based on 367 seeds collected from 20 matrices. After logging took place (61% of the population above 81cm diameter at breast height), 250 seeds from 14 trees were collected and genotyped. Initially, tests for Mendelian inheritance, linkage and gametic disequilibrium were carried out which confirmed no linkage, deviation or disequilibrium for the used loci. The results for genetic diversity showed that the non-reproductive population presented a higher number of alleles (122) than the reproductive population (103) and progenies (84). From all alleles, 29 were exclusive to non-reproductive trees, nine to reproductive and 14 to progeny. The average number of alleles and expected heterozygosity were significantly lower for progenies in both pre- and post-logging situations ( k =16,7; Ho =0,710; k =9,33; Ho =0,555, respectively). The fixation index was positive and significantly different from zero for all sampled populations which suggests endogamy ( F ad=0,111 , F juv=0, 160 e F prog=0,045 ). The multilocus crossing rate was statistically significant ( tm =0,962) and the difference between multilocus and single-locus outcrossing rate was also significant ... (Complete abstract click electronic access below) / Orientador: Alexandre Magno Sebbenn / Coorientador: André Eduardo Biscaia de Lacerda / Banca: Miguel Luiz Menezes Freitas / Banca: Milton Kanashiro / Mestre

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Made available in DSpace on 2014-06-11T19:29:42Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2010-07-30Bitstream added on 2014-06-13T19:18:06Z : No. of bitstreams: 1 carneiro_fs_me_ilha.pdf: 693759 bytes, checksum: db6629049183f44cfd869df8b6a4a199 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Este estudo investigou os efeitos do corte seletivo sobre a diversidade genética, sistema de reprodução e dispersão de pólen em uma população de Hymenaea courbaril L., situado na Floresta Nacional do Tapajós, Estado do Pará, utilizando nove locos microssatélites. A espécie é uma das mais importantes na Amazônia Brasileira devido o alto valor comercial de sua madeira. Antes do corte seletivo, todas as árvores adultas foram mapeadas, amostradas e genotipadas e 367 sementes foram coletadas de 20 árvores matrizes. Após o corte seletivo de 61% das arvores com DAP>81 cm, foram amostradas e genotipadas 250 sementes de 14 árvores reprodutivas. A análise da herança, ligação e desequilíbrio de ligação mostraram que os nove locos utilizados segregam conforme as leis mendelianas, não estão ligados e estão em equilíbrio gamético.As plantas não reprodutivas tinham maior número de alelos (122 alelos) do que as plantas reprodutivas (103) e as progênies (84). Destes alelos, 29 alelos eram exclusivos as plantas não reprodutivas, nove as plantas reprodutivas e 14 as progênies. O número médio de alelos por locos e a heterozigosidade esperada foram significativamente menores nas progênies antes ( k =16,7; Ho =0,710) e após a exploração madeireira ( k =9,33; Ho =0,555). O índice de fixação foi positivo e significativamente diferente de zero em todas as amostras ( F ad=0,111 , F juv=0,160 e F prog=0,045 ), sugerindo endogamia. A estimativa da taxa de cruzamento multilocos populacional ( tm ) foi significativamente menor do que a unidade ( tm =0,962) e a diferença entre a taxa de cruzamento multilocos e unilocos ( tm−t s =0,066) sugere que ocorreram cruzamentos entre parentes. A estimativa do número efetivo de árvores doadoras de pólen antes da exploração ( Nep =3,79) foi significativamente menor que após a exploração de ( Nep =7,2). A taxa de imigração... / This study evaluated the effects of selective logging on the genetic diversity, reproductive system and pollen dispersal of a Hymenaea courbaril L. population by using nine microsatellite loci. Because of the characteristics of the wood, this species is one of the most logged in the Amazon resulting in significant reductions in its natural population. The study is located in the Tapajós National Forest, Para State, Brazil, in a 546 ha stand that is part of a governmental initiative for public forest concessions. To determine the effects of logging, both pre- and post-logging populations were analysed. Before logging, all adult trees of H. courbaril were mapped, sampled and genotyped; additionally progeny was analysed based on 367 seeds collected from 20 matrices. After logging took place (61% of the population above 81cm diameter at breast height), 250 seeds from 14 trees were collected and genotyped. Initially, tests for Mendelian inheritance, linkage and gametic disequilibrium were carried out which confirmed no linkage, deviation or disequilibrium for the used loci. The results for genetic diversity showed that the non-reproductive population presented a higher number of alleles (122) than the reproductive population (103) and progenies (84). From all alleles, 29 were exclusive to non-reproductive trees, nine to reproductive and 14 to progeny. The average number of alleles and expected heterozygosity were significantly lower for progenies in both pre- and post-logging situations ( k =16,7; Ho =0,710; k =9,33; Ho =0,555, respectively). The fixation index was positive and significantly different from zero for all sampled populations which suggests endogamy ( F ad=0,111 , F juv=0, 160 e F prog=0,045 ). The multilocus crossing rate was statistically significant ( tm =0,962) and the difference between multilocus and single-locus outcrossing rate was also significant ... (Complete abstract click electronic access below)

Explicar os padrões de diversidade de espécies e entender os processos que geram e mantêm essa diversidade na natureza é um dos grandes objetivos da Ecologia. A teoria clássica de competição prevê que duas espécies só podem coexistir quando há divergência no uso de recursos. Portanto, há um limite de similaridade imposto pela competição entre as espécies, que leva à co-ocorrência de espécies com estratégias ecológicas mais diferentes entre si. Por outro lado, o ambiente físico pode impor restrições às possíveis estratégias ecológicas das espécies. Ambientes com limitações de recursos ou condições desfavoráveis permitem apenas a sobrevivência de espécies com estratégias mais similares, um processo conhecido como filtro ambiental. Dois processos podem então gerar padrões antagônicos na estrutura das comunidades, selecionando estratégias ecológicas mais parecidas ou mais diferentes entre si. Há ainda a possibilidade de que os dois processos ou mesmo nenhum dos dois seja importante na estruturação das comunidades, levando a um padrão aleatório ou neutro. Utilizando-se das contribuições proporcionais (elasticidades) das três taxas vitais demográficas - sobrevivência, crescimento e fecundidade - para a taxa de crescimento populacional para inferir as estratégias ecológicas das espécies de árvores de uma comunidade, nos propusemos a responder a pergunta: \"Qual processo é responsável pela estruturação de comunidades de árvores tropicais?\". O trabalho foi realizado em uma parcela permanente de 10,24 hectares na Restinga da Ilha do Cardoso, São Paulo. Todos os indivíduos com mais de 15cm de perímetro à altura do peito foram marcados, identificados e tiveram seus diâmetros à altura do peito registrados para dois censos. As elasticidades das três taxas vitais para 89 espécies de árvores foram obtidas por meio de um modelo de projeção integral (IPMs). Os IPMs são ferramentas modernas mais robustas que os clássicos modelos matriciais, comumente utilizados em estudos demográficos. Definimos um espaço ecológico no triângulo onde as estratégias ecológicas das espécies são classificadas de acordo com as elasticidades das três taxas demográficas. Construímos também uma filogenia molecular específica para a comunidade baseada nos marcadores cloroplásticos rbcL e matK, com a qual obtivemos as distâncias entre todos os pares de espécies. Calculamos o sinal filogenético das estratégias ecológicas por meio da correlação entre a distância entre as espécies no espaço ecológico e suas distâncias filogenéticas. Aceitamos a premissa de conservação das estratégias ecológicas na filogenia. As espécies puderam ser classificadas em quatro grupos demográficos distintos no espaço ecológico, distribuídos principalmente no eixo crescimento-sobrevivência, o que é esperado para árvores. Não há sinal filogenético para as estratégias ecológicas, o que indica que ambos os processos ou nenhum dos dois processos é importante na estruturação dessa comunidade. Nosso trabalho traz uma nova abordagem metodológica e resultados que contradizem a literatura recente, em que a importância dos filtros ecológicos na estruturação de comunidades tropicais é repetidamente encontrada. A confirmação deste padrão para outras comunidades poderá colaborar para o melhor entendimento dos processos estruturadores das comunidades tropicais. / One of Ecology\'s biggest goals is to explain the patterns of species\' diversity and to understand the processes that generate and maintain this diversity in natural communities. Classical competition theory predicts that two species will be able to coexist only when there is divergence in the use of resources, i.e., competition imposes a limiting similarity among species that allows co-occurrence of species with divergent ecological strategies. On the other hand, the physical environment may impose restrictions to the range of possible ecological strategies of species. Environments with limited resources or adverse conditions will allow the survival of species with more specific strategies, a process known as environmental filtering. These two processes will generate opposite effects on the structure of communities, as more similar or more different ecological strategies will be selected. There is still the possibility that both processes are occurring simultaneously, or neither are important for the community. In both cases, a neutral or random pattern is expected. Using the proportional contribution (elasticities) of the three demographic vital rates - survival, growth and fecundity - to the finite rate of increase of population as a mean of inferring the ecological strategy of trees in a community, we intended to answer the question: \"What process is responsible for the structuring of tropical tree communities?\". Data was collected in a Restinga forest 10.24 ha permanent plot. All individuals with more than 15cm of perimeter at breast height were marked, identified and had their diameters at breast height registered for two censes. Elasticities of the three vital rates for 89 tree species were obtained with an Integral Projection Model (IPM). IPMs are modern tools more robust than classical matrix models, commonly used in demographic studies. We defined an ecological space in the triangle where ecological strategies are plotted according to elasticities of the three vital rates. We also generated a molecular phylogeny based on rbcL and matK chloroplast markers, and used it to obtain the phylogenetic distance between all pairs of species. We calculated the phylogenetic signal of ecological strategies using the correlation between ecological distances in the ecological space and phylogenetic distances. We assumed ecological strategies to be conserved in the phylogeny. Species could be classified into four demographic groups in ecological space, distributed mainly in a growth-survival axis. This is expected for trees. No phylogenetic signal was found for the ecological strategies. This can mean that either both processes are structuring this community, or neither is important. Our study uses a new methodological approach and presents new results that contradict recent literature, on which environmental filtering is repeatedly accounted as the main process structuring tropical communities. Confirmation of this pattern for other communities may bring further understanding of structuring of tropical communities.

Basic studies of seed germination and seedling emergence assume an important role within scientific researches due to the devastation and fragmentation of the native vegetation of the Cerrado. Thus, in the present study the processes of seed germination and seedling emergency were evaluated using the linear correlations among the measurements calculated for five Cerrado species. The individual contribution for the variability of the studied species and the contribution of each species in relation to the studied group were also quantified. For this purpose, hierarchical lineal models were used to determine the genetic parameters among individuals within the species. The diaspores were collected in the 2004/2005 crops, in a fragmented area of the Araguari river valley, MG. The experiments were carried out using newly-collected diaspores, being conducted in a germination chamber for germination and in a greenhouse covered with light reducing net for seedling emergency. The data collection was carried out every 24 hours, taking into account the protrusion of the embryo for the experiments set up in the laboratory and the emergence of any part of seedling above the substratum for experiments kept in greenhouse. The variability registered among the individuals of the studied species generated statistical differences in all aspects of the germination and emergency processes, indicating that the decision to mix the diaspores or not for the formation of the lots should be made after results of previous tests. High mean values were registered for germinability (G) and emergency percentage (E) for the majority of individuals studied, indicating the good physiological quality of the diaspores produced in the 2004-2005 crop. The seed germination and seedling emergence of Anadenanthera colubrina and Chorisia speciosa and the seedling emergence of Myracrodruon urundeuva were faster and synchronized, while those of Cedrela fissilis and Lithraea molleoides were slower, asynchronous and spread over time, indicating the presence of relative dormancy. These germination and emergence patterns were confirmed by means of positive linear correlations between E and Z (synchrony) and negative between E and U (uncertainty) for the synchronous events; negative correlations between E and Z and positive and E and U for the asynchronous. For C. speciosa the synchrony of germination was also expressed by the positive association between G and v (mean germination rate). The partition of the variability allowed one to verify that the germination process and seedling emergence present a pattern behavior intrinsic to each species, with more than 60% of the total variability attributed to the species. Above 0.80 of the heritability was registered for most of the characteristics evaluated, indicating that the largest proportion of the total variability is of genetic nature. High genetic variability, expressed by the CVg and detected for time, rate, and synchrony measurements was registered between the L. molleoides and C. fissilis individuals. The magnitude of the CVg values showed that genetic variation exists in the studied species in relation to the germination and emergency processes and then they should be included in conservation projects. / Os estudos básicos de germinação de sementes e emergência de plântulas assumem papel relevante dentro das pesquisas científicas diante da realidade de devastação e fragmentação da vegetação nativa do Cerrado. Em função disso, o presente trabalho teve por objetivos avaliar o processo de germinação de diásporos e a emergência de plântulas de cinco espécies do Cerrado do Planalto Central e, a partir de medidas desses processos, quantificar as correlações lineares entre as mesmas; quantificar a contribuição da variabilidade das matrizes para as espécies estudadas e de cada espécie em relação ao grupo estudado, utilizando-se modelos lineares hierárquicos e, estimar parâmetros genéticos entre matrizes dentro de espécies. Os diásporos foram coletados nas safras 2004/2005 numa região fragmentada do vale do rio Araguari, MG. Os testes foram realizados com diásporos recém-coletados de matrizes em separado, sendo os testes de germinação instalados em câmara de germinação e os de emergência em estufa coberta com telado redutor de luminosidade. A coleta dos dados foi realizada a cada 24 horas, observando-se a protrusão do embrião para os experimentos montados em laboratório e a emergência de qualquer parte da plântula acima do substrato para experimentos mantidos em estufa. Registrou-se variabilidade entre as matrizes das espécies estudadas em todos os aspectos do processo de germinação e emergência e, por isso, a decisão da mistura ou não dos diásporos para a formação dos lotes deve ser tomada após a realização de testes prévios. Foram registrados altos valores médios para germinabilidade (G) e porcentagem de emergência (E) para as matrizes estudadas, indicando a boa qualidade fisiológica dos diásporos produzidos na safra 2004-2005. Os processos de germinação de sementes e emergência de plântulas de Anadenanthera colubrina e Chorisia speciosa e de emergência de plântulas de Myracrodruon urundeuva foram mais rápidos e sincronizados, enquanto para Cedrela fissilis e Lithraea molleoides foram mais lentos, assíncronos e espalhados no tempo, indicando a presença de dormência relativa. Esse padrão de comportamento foi confirmado por meio das correlações positivas entre E e Z (sincronia) e negativas entre E e I (incerteza) para os eventos síncronos; correlações negativas entre E e Z e positivas entre E e I para os assíncronos. Para C. speciosa a sincronia da germinação também foi retratada pela associação positiva entre G e v (velocidade média). A partição da variabilidade permitiu verificar que o processo de germinação e emergência de plântulas apresenta padrão de comportamento característico e intrínseco das espécies, com mais de 60% da variabilidade total atribuída às espécies. A herdabilidade da maioria das características avaliadas apresentou valores acima de 0,80, indicando que a maior proporção da variabilidade total é de natureza genética. Alta variabilidade genética, expressa pelo CVg, e detectada para as medidas de tempo, velocidade e sincronia foi registrada entre as matrizes de L. molleoides e C. fissilis. A magnitude dos valores de CVg mostrou que existe variação genética nas espécies estudadas com relação aos processos de germinação e emergência e, por se tratar de material com variabilidade natural, devem ser incluídas em projetos de conservação. / Mestre em Agronomia

Explicar os padrões de diversidade de espécies e entender os processos que geram e mantêm essa diversidade na natureza é um dos grandes objetivos da Ecologia. A teoria clássica de competição prevê que duas espécies só podem coexistir quando há divergência no uso de recursos. Portanto, há um limite de similaridade imposto pela competição entre as espécies, que leva à co-ocorrência de espécies com estratégias ecológicas mais diferentes entre si. Por outro lado, o ambiente físico pode impor restrições às possíveis estratégias ecológicas das espécies. Ambientes com limitações de recursos ou condições desfavoráveis permitem apenas a sobrevivência de espécies com estratégias mais similares, um processo conhecido como filtro ambiental. Dois processos podem então gerar padrões antagônicos na estrutura das comunidades, selecionando estratégias ecológicas mais parecidas ou mais diferentes entre si. Há ainda a possibilidade de que os dois processos ou mesmo nenhum dos dois seja importante na estruturação das comunidades, levando a um padrão aleatório ou neutro. Utilizando-se das contribuições proporcionais (elasticidades) das três taxas vitais demográficas - sobrevivência, crescimento e fecundidade - para a taxa de crescimento populacional para inferir as estratégias ecológicas das espécies de árvores de uma comunidade, nos propusemos a responder a pergunta: \"Qual processo é responsável pela estruturação de comunidades de árvores tropicais?\". O trabalho foi realizado em uma parcela permanente de 10,24 hectares na Restinga da Ilha do Cardoso, São Paulo. Todos os indivíduos com mais de 15cm de perímetro à altura do peito foram marcados, identificados e tiveram seus diâmetros à altura do peito registrados para dois censos. As elasticidades das três taxas vitais para 89 espécies de árvores foram obtidas por meio de um modelo de projeção integral (IPMs). Os IPMs são ferramentas modernas mais robustas que os clássicos modelos matriciais, comumente utilizados em estudos demográficos. Definimos um espaço ecológico no triângulo onde as estratégias ecológicas das espécies são classificadas de acordo com as elasticidades das três taxas demográficas. Construímos também uma filogenia molecular específica para a comunidade baseada nos marcadores cloroplásticos rbcL e matK, com a qual obtivemos as distâncias entre todos os pares de espécies. Calculamos o sinal filogenético das estratégias ecológicas por meio da correlação entre a distância entre as espécies no espaço ecológico e suas distâncias filogenéticas. Aceitamos a premissa de conservação das estratégias ecológicas na filogenia. As espécies puderam ser classificadas em quatro grupos demográficos distintos no espaço ecológico, distribuídos principalmente no eixo crescimento-sobrevivência, o que é esperado para árvores. Não há sinal filogenético para as estratégias ecológicas, o que indica que ambos os processos ou nenhum dos dois processos é importante na estruturação dessa comunidade. Nosso trabalho traz uma nova abordagem metodológica e resultados que contradizem a literatura recente, em que a importância dos filtros ecológicos na estruturação de comunidades tropicais é repetidamente encontrada. A confirmação deste padrão para outras comunidades poderá colaborar para o melhor entendimento dos processos estruturadores das comunidades tropicais. / One of Ecology\'s biggest goals is to explain the patterns of species\' diversity and to understand the processes that generate and maintain this diversity in natural communities. Classical competition theory predicts that two species will be able to coexist only when there is divergence in the use of resources, i.e., competition imposes a limiting similarity among species that allows co-occurrence of species with divergent ecological strategies. On the other hand, the physical environment may impose restrictions to the range of possible ecological strategies of species. Environments with limited resources or adverse conditions will allow the survival of species with more specific strategies, a process known as environmental filtering. These two processes will generate opposite effects on the structure of communities, as more similar or more different ecological strategies will be selected. There is still the possibility that both processes are occurring simultaneously, or neither are important for the community. In both cases, a neutral or random pattern is expected. Using the proportional contribution (elasticities) of the three demographic vital rates - survival, growth and fecundity - to the finite rate of increase of population as a mean of inferring the ecological strategy of trees in a community, we intended to answer the question: \"What process is responsible for the structuring of tropical tree communities?\". Data was collected in a Restinga forest 10.24 ha permanent plot. All individuals with more than 15cm of perimeter at breast height were marked, identified and had their diameters at breast height registered for two censes. Elasticities of the three vital rates for 89 tree species were obtained with an Integral Projection Model (IPM). IPMs are modern tools more robust than classical matrix models, commonly used in demographic studies. We defined an ecological space in the triangle where ecological strategies are plotted according to elasticities of the three vital rates. We also generated a molecular phylogeny based on rbcL and matK chloroplast markers, and used it to obtain the phylogenetic distance between all pairs of species. We calculated the phylogenetic signal of ecological strategies using the correlation between ecological distances in the ecological space and phylogenetic distances. We assumed ecological strategies to be conserved in the phylogeny. Species could be classified into four demographic groups in ecological space, distributed mainly in a growth-survival axis. This is expected for trees. No phylogenetic signal was found for the ecological strategies. This can mean that either both processes are structuring this community, or neither is important. Our study uses a new methodological approach and presents new results that contradict recent literature, on which environmental filtering is repeatedly accounted as the main process structuring tropical communities. Confirmation of this pattern for other communities may bring further understanding of structuring of tropical communities.