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Climatic effects on population dynamics and hybridization of a rare grasshopper species

Klimatische Effekte auf die Populationsdynamik und Hybridisierung einer seltenen Heuschreckenart

  • Climate change and habitat fragmentation modify the natural habitat of many wetland biota and lead to new compositions of biodiversity in these ecosystems. While the direct effects of climate are often well known, indirect effects due to biotic interactions remain poorly understood. The water meadow grasshopper, Chorthippus montanus, is a univoltine habitat specialist, which is adapted to permanently moist habitats. Land use change and drainage led to highly fragmented populations of this generally flightless species. In large parts of the Palaearctic Ch. montanus occurs sympatrically with its widespread congener, the meadow grasshopper Chorthippus parallelus. Due to their close relationship and their similar songs, hybridization is likely to occur in syntopic populations. Such a species pair of a habitat specialist and a habitat generalist represents an ideal model system to examine the role of ongoing climate change and an accumulation of extreme climatic events on the life history strategies, population dynamics and inter-specific interactions. In Chapter I a laboratory experiment was conducted to identify the impact of environmental factors on intra-specific life-history traits of Ch. montanus. Like other Orthoptera species, Ch. montanus follows a converse temperature size rule. In line with the dimorphic niche hypothesis, which states that sexual size dimorphism evolved in response to the different sexual reproductive roles, both sexes showed different responses to increasing density at lower temperatures. Males attained smaller body sizes at high densities, whereas females had a prolonged development time. This is the first evidence for a sex-specific phenotypic plasticity in Ch. montanus. Females benefit from the prolonged development as their reproductive success depends on the size and number of egg clutches they may produce. By contrast, the reproductive success of males depends on the chance to fertilize virgin females, which increases with faster development. This may become a disadvantage for Ch. montanus as an intraspecific phenology shift may increase hybridization risk with the sibling species. Despite the widespread assumption that hybridization between two sympatric species is rare due to complete reproductive barriers, the genetic analyses of 16 populations (Chapter II) provided evidence for wide prevalence of hybridization between both species in the wild. As no complete admixture was found in the examined population, it is assumed that hybridization only occurs in ecotones between wetlands and drier parts. Reproductive barriers (habitat isolation, behavior, phenology) seem to prevent the genetic swamping of Ch. montanus populations. Although a behavioral experiment showed that mate choice presents an important reproductive barrier between both species, the experiment also revealed that reproductive barriers could be altered by environmental change (e.g. increasing heterospecific frequency). Chapter III analyzes the impact of extreme climatic events on population dynamics and interspecific hybridization. A mark-recapture analysis combined with weather records over five years provides evidence that the embryonic development in Ch. montanus is vulnerable to extreme climatic events. Strong population declines in Ch. montanus lead to a disequilibrium between Ch. montanus and Ch. parallelus populations and increases the risk of hybridization. The highest hybridization risk was found in the first weeks of a season, when both species had an overlapping phenology. Furthermore, hybrids were generally localized at the edge of the Ch. montanus distribution with higher heterospecific encounter probabilities. The hybridization rate reached up to 19.6%. The genetic analyses in Chapter II and III show that hybridization differentially affects specialists and generalists. While generalists may benefit from hybridization by an increasing genetic diversity, such a positive correlation was not found for Ch. montanus. The results underline the importance of reproductive barriers for the co-existence of these sympatric species. However, climate change and other anthropogenic disturbances alter reproductive barriers and promote hybridization, which may threaten small populations by genetic displacement. As anthropogenic hybridization is recognized as a major threat to biodiversity, it should be considered in environmental law and policy. In Chapter IV the role of hybrids and hybridization in three levels of law and the historical backgrounds of hybrids becoming a part of legal instruments is analyzed. Due to legal uncertainties and the complexity of this topic a legal assessment of hybrids is challenging and argues for species-specific approaches. Nonetheless, existing legal norms provide a suitable basis, but need to be specified. Finally, this chapter discusses different opportunities for the management of hybrids and hybridization in a conservation perspective and their necessity.
  • Klimawandel und Lebensraumfragmentierung verändern natürliche Lebensräume vieler Feuchtgebietsarten und führen zu neuen Artenzusammensetzungen in diesen Ökosystemen. Während die direkten Auswirkungen des Klimas oft bekannt sind, sind die indirekten Auswirkungen auf biotische Interaktionen weitgehend unerforscht. In der vorliegenden Arbeit wurde der Sumpfgrashüpfer, Chorthippus montanus, als Modellart gewählt, um die Auswirkungen von Klimaänderungen auf seinen Lebenszyklus, die Populationsdynamik und Hybridisierung mit seiner weit verbreiteten Schwesterart Ch. parallelus zu untersuchen. Ch. montanus ist ein Habitatspezialist, der aufgrund seiner Ansprüche während der Embryonalentwicklung auf Feuchtgebiete angewiesen ist. Die nahe Verwandtschaft und ähnliche Balzgesänge beider Arten haben bereits in der Vergangenheit vermuten lassen, dass sie in syntopen Populationen hybridisieren. Dies konnte in dieser Arbeit mit Hilfe molekular-genetischer Methoden bestätigt werden. Des Weiteren zeigte sich, dass Habitatgeneralisten von Hybridisierung profitieren können, da hierdurch ihre genetische Diversität steigt. Bei Spezialisten wie Ch. montanus dagegen sinkt die genetische Diversität und sie scheinen ihre genetische Integrität zu verlieren. Eine Fang-Wiederfang-Studie über fünf Jahre bestätigte, dass vor allem eine Kombination aus drei reproduktiven Barrieren (Phänologie, Habitat, Partnerwahl) die genetische Verdrängung des Sumpfgrashüpfers in den untersuchten Populationen verhindert hat. Diese Barrieren können allerdings durch extreme Wetter-ereignisse verändert oder sogar aufgelöst werden, indem sie zu starken Populationseinbrüchen und einem Ungleichgewicht der syntopen Populationen führen. Ein weiteres Experiment zeigte, dass Umweltfaktoren auch den Lebenszyklus der Art beeinflussen. In Über-einstimmung mit der Nischendimorphismus-Hypothese konnte der erste Nachweis einer geschlechtsspezifischen phänotypischen Plastizität für diese Art erbracht werden. Diese könnte sich allerdings als nachteilig für Ch. montanus herausstellen, da eine höhere Dichte eine innerartliche Phänologie-Verschiebung bewirken kann, die den Reproduktionserfolg dieser Art reduzieren und das Hybridisierungsriko mit der Schwesterart erhöhen könnte. Besonders für seltene Arten mit kleinen Populationen stellt Hybridisierung eine Gefahr dar. Das letzte Kapitel der vorliegenden Arbeit beschäftigt sich daher mit der Rolle von Hybriden und Hybridisierung im Umweltrecht. Die rechtliche Bewertung stellt aufgrund von Rechtsun-sicherheiten und der Komplexität des Themas eine Herausforderung dar. Obwohl die Analyse generell eher für artspezifische Lösungen spricht, sollte Hybridisierung einen eigenständigen Status im Naturschutzrecht erhalten. Bereits existierende Rechtsnormen oder Ansätze liefern dabei eine gute Grundlage, die im Einzelnen aber konkretisiert werden müssen.

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Metadaten
Author:Katja Rohde
URN:urn:nbn:de:hbz:385-9513
Advisor:Axel Hochkirch
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of completion:2015/09/28
Publishing institution:Universität Trier
Granting institution:Universität Trier, Fachbereich 6
Date of final exam:2015/07/16
Release Date:2015/09/28
Tag:Hybridisierung; Mikrosatelliten; Orthoptera; Partnerwahl; Sexualdimorphismus
Orthoptera; hybridization; mate choice; mircrosatellite; sexual size dimorphism
GND Keyword:Genetik; Heuschrecken; Zoologie; Ökologie
Institutes:Fachbereich 6 / Geographie und Geowissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie

$Rev: 13581 $