Large-scale DNA sequencing in taxonomy and conservation : a case study with the mayfly family Heptageniidae (Ephemeroptera) in the Alps and Madagascar

Les larves aquatiques d'éphémères (Ephemeroptera) colonisent toutes les eaux douces du monde et sont couramment utilisées comme bio-indicateurs de la qualité de l'eau. Le genre Rhithrogena (Heptageniidae) est le deuxième plus diversifié chez les éphémères, et plusieurs espèces européennes ont une distribution restreinte dans des environnements alpins sensibles. Les espèces de Rhithrogena ont été classées en "groupes d'espèces" faciles à identifier. Cependant, malgré leur importance écologique et en terme de conservation, beaucoup d'espèces présentent des différences morphologiques ambiguës, suggérant que lataxonomie actuelle ne refléterait pas correctement leur diversité évolutive. De plus, aucune information sur leurs relations, leur origine, le taux de spéciation ou les mécanismes ayant provoqué leur remarquable diversification dans les Alpes n'est disponible. Nous avons d'abord examiné le statut spécifique d'environ 50% des espèces européennes de Rhithrogena en utilisant un large échantillonnage de populations alpines incluant 22 localités typiques, ainsi qu'une analyse basée sur le modèle général mixte de Yule et de coalescence (GMYC) appliqué à un gène mitochondrial standard (coxl) et à un gène nucléaire développé spécifiquement pour cette étude. Nous avons observé un regroupement significatif des séquences coxl en 31 espèces potentielles, et nos résultats ont fortement suggéré la présence d'espèces cryptiques et de fractionnements taxonomiques excessifs chez les Rhithrogena. Nos analyses phylogénétiques ont démontré la monophylie de quatre des six groupes d'espèces reconnus présents dans notre échantillonnage. La taxonomie ADN développée dans cette étude pose les bases d'une future révision de ce genre important mais cryptique en Europe. Puis nous avons mené une étude phylogénétique multi-gènes entre les espèces européennes de Rhithrogena. Les données provenant de trois gènes nucléaires et de deux gènes mitochondriaux ont été largement concordantes, et les relations entre les espèces bien résolues au sein de la plupart des groupes d'espèces dans une analyse combinant tous les gènes. En l'absence de points de calibration extérieurs tels que des fossiles, nous avons appliqué à nos données mitochondriales une horloge moléculaire standard pour les insectes, suggérant une origine des Rhithrogena alpins à la limite Oligocène / Miocène. Nos résultats ont montré le rôle prépondérant qu'ont joué les glaciations du quaternaire dans leur diversification, favorisant la spéciation d'au moins la moitié des espèces actuelle dans les Alpes. La biodiversité et le taux d'endémisme à Madagascar, notamment au niveau de la faune des eaux douces, sont parmi les plus extraordinaires et les plus menacés au monde. On pense que beaucoup d'espèces d'éphémères sont restreintes à un seul bassin versant (microendémisme) dans les zones forestières, ce qui les rendrait particulièrement sensibles à la réduction et à la dégradation de leur habitat. Mis à part deux espèces décrites, Afronurus matitensis et Compsoneuria josettae, les Heptageniidae sont pratiquement inconnus à Madagascar. Les deux genres ont une distribution discontinue en Afrique, à Madagascar et en Asie du Sud-Est, et leur taxonomie complexe est régulièrement révisée. L'approche standard pour comprendre leur diversité, leur endémisme et leur origine requerrait un échantillonnage étendu sur plusieurs continents et des années de travaux taxonomiques. Pour accélérer le processus, nous avons utilisé des collections de musées ainsi que des individus fraîchement collectés, et appliqué une approche combinant taxonomie ADN et phylogénie. L'analyses GMYC du gène coxl a délimité 14 espèces potentielles à Madagascar, dont 70% vraisemblablement microendémiques. Une analyse phylogénique incluant des espèces africaines et asiatiques portant sur deux gènes mitochondriaux et quatre gènes nucléaires a montré que les Heptageniidae malgaches sont monophylétiques et groupe frère des Compsoneuria africains. L'existence de cette lignée unique, ainsi qu'un taux élevé de microendémisme, mettent en évidence leur importance en terme de conservation. Nos résultats soulignent également le rôle important que peuvent jouer les collections de musées dans les études moléculaires et en conservation. - Aquatic nymphs of mayflies (Ephemeroptera) colonize all types of freshwaters throughout the world and are extensively used as bio-indicators of water quality. Rhithrogena (Heptageniidae) is the second most species-rich genus of mayflies, and several European species have restricted distributions in sensitive Alpine environments and therefore are of conservation interest. The European Rhithrogena species are arranged into "species groups" that are easily identifiable. However, despite their ecological and conservation importance, ambiguous morphological differences among many species suggest that the current taxonomy may not accurately reflect their evolutionary diversity. Moreover, no information about their relationships, origin, timing of speciation and mechanisms promoting their successful diversification in the Alps is available. We first examined the species status of ca. 50% of European Rhithrogena diversity using a widespread sampling scheme of Alpine species that included 22 type localities, general mixed Yule- coalescent (GMYC) model analysis of one standard mitochondrial (coxl) and one newly developed nuclear marker. We observed significant clustering of coxl into 31 GMYC species, and our results strongly suggest the presence of both cryptic diversity and taxonomic oversplitting in Rhithrogena. Phylogenetic analyses recovered four of the six recognized species groups in our samples as monophyletic. The DNA taxonomy developed here lays the groundwork for a future revision of this important but cryptic genus in Europe. Then we conducted a species-level, multiple-gene phylogenetic study of European Rhithrogena. Data from three nuclear and two mitochondrial loci were broadly congruent, and species-level relationships were well resolved within most species groups in a combined analysis. In the absence of external calibration points like fossils, we applied a standard insect molecular clock hypothesis to our mitochondrial data, suggesting an origin of Alpine Rhithrogena in the Oligocene / Miocene boundary. Our results highlighted the preponderant role that quaternary glaciations played in their diversification, promoting speciation of at least half of the current diversity in the Alps. Madagascar's biodiversity and endemism are among the most extraordinary and endangered in the world. This includes the island's freshwater biodiversity, although detailed knowledge of the diversity, endemism, and biogeographic origin of freshwater invertebrates is lacking. Many mayfly species are thought to be restricted to single river basins (microendemic species) in forested areas, making them particularly sensitive to habitat reduction and degradation. The Heptageniidae are practically unknown in Madagascar except for two described species, Afronurus matitensis and Compsoneuria josettae. Both genera have a disjunct distribution in Africa, Madagascar and Southeast Asia, and a complex taxonomic status still in flux. The standard approach to understanding their diversity, endemism, and origin would require extensive field sampling on several continents and years of taxonomic work. Here we circumvent this using museum collections and freshly collected individuals in a combined approach of DNA taxonomy and phylogeny. The cox/-based GMYC analysis revealed 14 putative species on Madagascar, 70% of which potentially microendemics. A phylogenetic analysis that included African and Asian species and data from two mitochondrial and four nuclear loci indicated the Malagasy Heptageniidae are monophyletic and sister to African Compsoneuria. The observed monophyly and high microendemism highlight their conservation importance. Our results also underline the important role that museum collections can play in molecular studies, especially in critically endangered biodiversity hotspots like Madagascar.

DNA barcoding of Corsican mayflies (Ephemeroptera) with implications on biogeography, systematics and biodiversity

Mayflies (Ephemeroptera) are known to generally present a high degree of insular endemism: half of the 28 species known from Corsica and Sardinia are considered as endemic. We sequenced the DNA barcode (a fragment of the mitochondrial COI gene) of 349 specimens from 50 localities in Corsica, Sardinia, continental Europe and North Africa. We reconstructed gene trees of eight genera or species groups representing the main mayfly families. Alternative topologies were built to test if our reconstructions suggested a single or multiple Corsican/Sardinian colonization event(s) in each genus or species group. A molecular clock calibrated with different evolution rates was used to try to link speciation processes with geological events. Our results confirm the high degree of endemism of Corsican and Sardinian mayflies and the close relationship between these two faunas. Moreover, we have evidence that the mayfly diversity of the two islands is highly underestimated as at least six new putative species occur on the two islands. We demonstrated that the Corsican and Sardinian mayfly fauna reveals a complex history mainly related to geological events. The Messinian Salinity Crisis, which is thought to have reduced marine barriers, thus facilitating gene flow between insular and continental populations, was detected as the most important event in the speciation of most lineages. Vicariance processes related to the split and rotation of the Corso-Sardinian microplate had a minor impact as they involved only two genera with limited dispersal and ecological range. Colonization events posterior to the Messinian Salinity Crisis had only marginal effects as we had indication of recent gene flow only in two clades. With very limited recent gene flow and a high degree of endemism, mayflies from Corsica and Sardinia present all the criteria for conservation prioritization.

Distribution and population genetic variation of cryptic species of the Alpine mayfly Baetis alpinus (Ephemeroptera: Baetidae) in the Central Alps.

BACKGROUND: Many species contain evolutionarily distinct groups that are genetically highly differentiated but morphologically difficult to distinguish (i.e., cryptic species). The presence of cryptic species poses significant challenges for the accurate assessment of biodiversity and, if unrecognized, may lead to erroneous inferences in many fields of biological research and conservation. RESULTS: We tested for cryptic genetic variation within the broadly distributed alpine mayfly Baetis alpinus across several major European drainages in the central Alps. Bayesian clustering and multivariate analyses of nuclear microsatellite loci, combined with phylogenetic analyses of mitochondrial DNA, were used to assess population genetic structure and diversity. We identified two genetically highly differentiated lineages (A and B) that had no obvious differences in regional distribution patterns, and occurred in local sympatry. Furthermore, the two lineages differed in relative abundance, overall levels of genetic diversity as well as patterns of population structure: lineage A was abundant, widely distributed and had a higher level of genetic variation, whereas lineage B was less abundant, more prevalent in spring-fed tributaries than glacier-fed streams and restricted to high elevations. Subsequent morphological analyses revealed that traits previously acknowledged as intraspecific variation of B. alpinus in fact segregated these two lineages. CONCLUSIONS: Taken together, our findings indicate that even common and apparently ecologically well-studied species may consist of reproductively isolated units, with distinct evolutionary histories and likely different ecology and evolutionary potential. These findings emphasize the need to investigate hidden diversity even in well-known species to allow for appropriate assessment of biological diversity and conservation measures.

Genetic diversity and species richness patterns in Baetidae (Ephemeroptera) in the Montseny Mountain range (North-East Iberian Peninsula)

This study aimed to describe patterns of diversity of Baetidae (Ephemeroptera) at the ommunity and population levels within the Montseny Mountain range (North-East Iberian Peninsula). We studied both the distribution of 4 species of baetids in 20 sites among three catchments along the altitudinal gradient (350-1700 masl); and the genetic diversity of the mtDNA cytochrome c oxidase subunit I (cox1) gene of the two common species Baetis alpinus and Baetis rhodani. We found a gradual replacement of the dominant species along the altitudinal gradient. Baetis alpinus inhabited sites at high-altitudes, and this species was replaced by B. rhodani when the altitude decreased. Baetis melanonyx and Alainites muticus attained low abundance at all river sections, and no clear altitudinal trend appeared. Our hypothesis at the population level was that genetic structuring is associated with geographic distance and limited by drainage boundaries among the three studied catchments because of the short-time dispersion of adults. Unexpectedly, analyses of molecular variance (AMOVA) and isolation-bydistance (IBD) showed genetic diversity was unstructured by distance for both species, which may be explained by the relatively short spatial scale studied and small topographic barriers among the three catchments. The Generalized Mixed Yule-Coalescent (GMYC) model showed that B. rhodani had two differentiated genetic lineages that co-occurred in all sites. Overall, diversity of baetids was structured at the community level along the altitudinal gradient, whereas it was unstructured at the population level within the Montseny Mountain range.

Genetic diversity and species richness patterns in Baetidae (Ephemeroptera) in the Montseny Mountain range (North-East Iberian Peninsula)

This study aimed to describe patterns of diversity of Baetidae (Ephemeroptera) at the ommunity and population levels within the Montseny Mountain range (North-East Iberian Peninsula). We studied both the distribution of 4 species of baetids in 20 sites among three catchments along the altitudinal gradient (350-1700 masl); and the genetic diversity of the mtDNA cytochrome c oxidase subunit I (cox1) gene of the two common species Baetis alpinus and Baetis rhodani. We found a gradual replacement of the dominant species along the altitudinal gradient. Baetis alpinus inhabited sites at high-altitudes, and this species was replaced by B. rhodani when the altitude decreased. Baetis melanonyx and Alainites muticus attained low abundance at all river sections, and no clear altitudinal trend appeared. Our hypothesis at the population level was that genetic structuring is associated with geographic distance and limited by drainage boundaries among the three studied catchments because of the short-time dispersion of adults. Unexpectedly, analyses of molecular variance (AMOVA) and isolation-bydistance (IBD) showed genetic diversity was unstructured by distance for both species, which may be explained by the relatively short spatial scale studied and small topographic barriers among the three catchments. The Generalized Mixed Yule-Coalescent (GMYC) model showed that B. rhodani had two differentiated genetic lineages that co-occurred in all sites. Overall, diversity of baetids was structured at the community level along the altitudinal gradient, whereas it was unstructured at the population level within the Montseny Mountain range.

Einfluß der Gewässerversauerung auf Hyporheos und Bryorheos: Untersuchungen an zwei Waldbächen im Westharz

Im Rahmen der Fallstudie Harz sollte an der Schnittstelle zwischen Grundlagenforschung und angewandter Forschung ein Beitrag zur Klärung der Frage geleistet werden, inwieweit zwei Zuläufe der Sösetalsperre im Westharz versauert bzw. versauerungsgefährdet sind; aus diesem Stausee wird Trinkwasser für mehrere Gemeinden in Norddeutschland gewonnen. Die Belastung des fast vollständig bewaldeten Einzugsgebiets der Sösetalsperre mit luftbürtigen Schadstoffen (Saurer Regen) zählte zu den höchsten in Mitteleuropa. An jeweils drei Untersuchungsstellen der beiden Bäche Alte Riefensbeek (R1 bis R3) und Große Söse (S1 bis S3) wurden zwischen März 1987 und November 1988 Proben aus Moospolstern und dem hyporheischen Interstitial entnommen und physikalisch, chemisch und biologisch untersucht. Ergänzend wurden Wasserproben zwischen März 1986 und Oktober 1991 sowie vom April 1998 ebenso wie qualitative Fänge von Makroinvertebraten zwischen November 1986 und Juli 1990 sowie vom April 1998 ausgewertet. Die Analyse der tierischen Besiedlung der Moos- und Interstitialproben beschränkte sich auf die taxonomischen Gruppen Turbellaria (Strudelwürmer), Mollusca (Weichtiere), Amphipoda (Flohkrebse), Ephemeroptera (Eintagsfliegen), Plecoptera (Steinfliegen), Heteroptera (Wanzen), Megaloptera (Schlammfliegen), Coleoptera (Käfer), Trichoptera (Köcherfliegen) und Diptera (Zweiflügler). Der Grundsatz, daß normalverteilte und nicht normalverteilte Daten statistisch unterschiedlich behandelt werden müssen, wurde konsequent angewandt. Am Beispiel der Choriotopstruktur wurde gezeigt, daß die Auswahl des Analyseverfahrens das Ergebnis der ökologischen Interpretation multivariater statistischer Auswertung beeinflußt. Die Daten der Korngrößen-Verteilung wurden vergleichend einer univariaten und einer multivariaten statistischen Analyse unterworfen. Mit dem univariaten Verfahren wurden die Gradienten der ökologisch relevanten Korngrößen-Parameter eher erkannt als mit dem multivariaten Verfahren. Die Auswirkungen von Gewässerversauerung sowie anderer Umweltfaktoren (insgesamt 42 Faktoren) auf die Lebensgemeinschaften wurden anhand der Parameter Artenzahl, Besiedlungsdichte, Körpergröße und Biomasse untersucht. Abundanz, Biomasse und Körpergröße sowie die Umweltfaktoren wurden auf einem horizontalen Gradienten, d.h. im Längslauf der Bäche, und auf einem vertikalen Gradienten, d.h. fließende Welle / Bryorheon / Benthon versus Hyporheon, untersucht. Es wurde ein terminologisches System für die Kompartimente in der Fließgewässer-Aue vorgeschlagen, das in sich einheitlich ist. Es wurde ein neuer Moos-Vitalitätsindex für die Moospolster vorgestellt. Es wurden Bestimmungsschlüssel für die Larven der Chloroperlidae (Steinfliegen-Familie) und der Empididae (Tanzfliegen) in den beiden Harzbächen entwickelt. Die untersuchten Bachstrecken waren frei von Abwasserbelastung. An zwei Stellen wurde Wasser für einen Forellenteich ausgeleitet. Abgesehen von zwei meterhohen Abstürzen in der Großen Söse waren wasserbauliche Veränderungen ohne große Bedeutung. Das Abfluß-Regime war insofern nicht mehr natürlich, als beide Bäche in das System der bergbaulichen Bewässerungsgräben des Oberharzes eingebunden sind. Die Söse hatte ein F-nivopluviales Abfluß-Regime, der abflußreichste Doppelmonat war der März / April, die Unregelmäßigkeit des Abfluß-Regimes war sehr hoch, die Vorhersagbarkeit sehr niedrig, die monatlichen Abfluß-Maxima wiesen eine sehr geringe Konstanz auf. Der Zeitraum der biologischen Probenahme wurde von überdurchschnittlich vielen Tagen mit mäßig erhöhten Abflüssen geprägt, sehr große Hochwasser-Wellen fehlten aber. Die Abfluß-Dynamik wurde statistisch beschrieben. Das hydraulische Regime wurde anhand der Meßgrößen Fließgeschwindigkeit, Fließkraft und FROUDE-Zahl dargestellt. Der Zusammenhang zwischen Abfluß und Fließgeschwindigkeit auf der einen Seite und der Korngrößen-Verteilung auf der anderen Seite wurde statistisch untersucht, ebenfalls zwischen dem Abfluß und dem Kohlenstoff- und Stickstoff-Gehalt der Feinstpartikel sowie dem Wasserchemismus. In den Phasen ohne Hochwasser hatte das Hyporheal die Funktion einer Senke für Feinstkörner. Das Bachbett der Alten Riefensbeek war stabiler als das der Großen Söse. Insgesamt gesehen war das hyporheische Sediment in den quellnahen Abschnitten grobkörniger und auf den quellfernen Strecken feinkörniger. Der prozentuale Anteil der Feinstkörner im Hyporheal und Benthal nahm aber im Längslauf der Bäche ab. Dies ist ungewöhnlich, konnte aber nicht plausibel mit geologischen und hydrologischen Meßgrößen erklärt werden. Beide Bäche waren sommerkalt. Der Einfluß der Wassertemperatur auf die Larvalentwicklung wurde beispielhaft an den Taxa Baetis spp. und Leuctra gr. inermis untersucht. Es gab eine Tendenz, daß der Kohlenstoff- und Stickstoff-Gehalt der Feinstpartikel vom Benthal in das Hyporheal anstieg. Dies war ein weiterer Hinweis darauf, daß das Hyporheal die Funktion einer Senke und Vorratskammer für Nährstoffe hat. Der Zusammenhang zwischen partikulärer und gelöster Kohlenstoff-Fraktion wurde diskutiert. Im Hyporheon war die Nitrifikation nicht stärker als in der fließenden Welle. Es gab Hinweise, daß die sauren pH-Werte in der Großen Söse die Nitrifikation hemmten. Die Valenzen der Moos- und Tier-Taxa bezüglich Fließgeschwindigkeit, pH-Wert, Alkalinität sowie der Gehalte von Sauerstoff, Calcium, Magnesium, Kalium und Natrium wurden zusammengestellt. Das hyporheische Sediment war sehr grob und hatte eine hohe Porosität. Der Austausch zwischen fließender Welle und hyporheischem Wasser konnte deshalb sehr schnell erfolgen, es gab keine intergranulare Sprungschicht, die physikalischen und chemischen Tiefengradienten waren in den meisten Fällen gar nicht ausgeprägt oder nur sehr flach. Die Wassertemperatur des Freiwassers unterschied sich nicht signifikant von derjenigen im hyporheischen Wasser. Es gab -- von wenigen Ausnahmen bei pH-Wert, Leitfähigkeit und Sauerstoffgehalt abgesehen -- keine signifikanten Unterschiede zwischen dem Wasserchemismus der fließenden Welle und dem des Hyporheals. Die physikalischen und chemischen Voraussetzungen für die Refugialfunktion des Hyporheons waren deshalb für versauerungsempfindliche Taxa nicht gegeben. In der Tiefenverteilung der untersuchten Tiergruppen im Hyporheal lag das Maximum der Abundanz bzw. Biomasse häufiger in 10 cm als in 30 cm Tiefe. Daraus läßt sich aber keine allgemeine Gesetzmäßigkeit ableiten. Es wurde durchgehend die Definition angewendet, daß die Gewässerversauerung durch den Verlust an Pufferkapazität charakterisiert ist. Saure Gewässer können, müssen aber nicht versauert sein; versauerte Gewässer können, müssen aber nicht saures Wasser haben. Maßstab für das Pufferungsvermögen eines Gewässers ist nicht der pH-Wert, sondern sind die Alkalinität und andere chemische Versauerungsparameter. Der pH-Wert war auch operativ nicht als Indikator für Gewässerversauerung anwendbar. Die chemische Qualität des Bachwassers der Großen Söse entsprach aufgrund der Versauerung nicht den umweltrechtlichen Vorgaben bezüglich der Parameter pH-Wert, Aluminium, Eisen und Mangan, bzgl. Zink galt dies nur an S1. In der Alten Riefensbeek genügte das Hyporheal-Wasser in 30 cm Tiefe an R2 bzgl. des Sauerstoff-Gehalts nicht den umweltrechtlichen Anforderungen. Nur im Freiwasser an R1 genügten die Ammonium-Werte den Vorgaben der EG-Fischgewässer-Richtlinie, der Grenzwert wurde an allen anderen Meßstellen und Entnahmetiefen überschritten. Das BSB-Regime in allen Entnahmetiefen an R2, im Freiwasser an R3 und S1, im Hyporheal an R1 sowie in 30 cm Tiefe an R3 genügte nicht den Anforderungen der Fischgewässer-Richtlinie. Der Grenzwert für Gesamt-Phosphor wurde an S3 überschritten. In der Großen Söse war der Aluminium-Gehalt so hoch, daß anorganisches und organisches Aluminium unterschieden werden konnten. Besonders hohe Gehalte an toxischem anorganischen Aluminium wurden an Tagen mit Spitzen-Abflüssen und Versauerungsschüben gemessen. Erst die Ermittlung verschiedener chemischer Versauerungsparameter zeigte, daß auch die alkalischen Probestellen R2 und R3 mindestens versauerungsempfindlich waren. Die Messung bzw. Berechnung von chemischen Versauerungsparametern sollte deshalb zum Routineprogramm bei der Untersuchung von Gewässerversauerung gehören. Zu Beginn des Untersuchungsprogramms war angenommen worden, daß die mittleren und unteren Abschnitte der Alten Riefensbeek unversauert sind. Dieser Ansatz des Untersuchungsprogramms, einen unversauerten Referenzbach (Alte Riefensbeek) mit einem versauerten Bach (Große Söse) zu vergleichen, mußte nach der Berechnung von chemischen Versauerungsindikatoren sowie der Analyse der Abundanz- und Biomasse-Werte modifiziert werden. Es gab einen Versauerungsgradienten entlang der Probestellen: R1 (unversauert) R2 und R3 (versauerungsempfindlich bis episodisch leicht versauert) S2 und S3 (dauerhaft versauert) S1 (dauerhaft stark versauert). An S1 war das Hydrogencarbonat-Puffersystem vollständig, an S2 und S3 zeitweise ausgefallen. Die Versauerungslage an R2 und R3 war also schlechter als vorausgesehen. Unterschiede im Versauerungsgrad zwischen den Meßstellen waren nicht so sehr in unterschiedlichen Eintragsraten von versauernden Stoffen aus der Luft begründet, sondern in unterschiedlichen Grundgesteinen mit unterschiedlichem Puffervermögen. Der Anteil der verschiedenen sauren Anionen an der Versauerung wurde untersucht, die chemischen Versauerungsmechanismen wurden mit Hilfe von Ionenbilanzen und verschiedenen Versauerungsquotienten analysiert. Die beiden untersuchten Bäche waren von anthropogener Versauerung betroffen. Dabei spielte die Schwefel-Deposition (Sulfat) eine größere Rolle als die Stickstoff-Deposition (Nitrat). Die Probestelle S1 war immer schon in unbekanntem Maß natürlich sauer. Dieser natürlich saure Zustand wurde von der hinzugekommenen anthropogenen Versauerung bei weitem überragt. Die wenigen gewässerökologischen Daten, die im Wassereinzugsgebiet der Söse vor 1986 gewonnen wurden, deuten darauf hin, daß die Versauerung in den 70er und in der ersten Hälfte der 80er Jahre vom Boden und Gestein in die Bäche durchgeschlagen war. Dieser Versauerungsprozeß begann vermutlich vor 1973 in den Quellen auf dem Acker-Bruchberg und bewegte sich im Laufe der Jahre immer weiter talwärts in Richtung Trinkwasser-Talsperre. Der Mangel an (historischen) freilandökologischen Grundlagendaten war nicht nur im Untersuchungsgebiet, sondern ist allgemein in der Versauerungsforschung ein Problem. Wenn sich das Vorkommen von nah verwandten Arten (weitgehend) ausschließt, kann dies an der Versauerung liegen, z.B. war die Alte Riefensbeek ein Gammarus-Bach, die Große Söse ein Niphargus-Bach; dieses muß aber nicht an der Versauerung liegen, z.B. fehlte Habroleptoides confusa im Hyporheos an R3, Habrophlebia lauta hatte dagegen ihr Abundanz- und Biomasse-Maximum an R3. Zugleich lag das Maximum des prozentualen Anteils von Grobsand an R3, eine mögliche Ursache für diese interspezifische Konkurrenz. Die biologische Indikation von Gewässerversauerung mit Hilfe der Säurezustandsklassen funktionierte nicht in den beiden Harzbächen. Es wurde deshalb ein biologischer Versauerungsindex vorgeschlagen; dieser wurde nicht am pH-Wert kalibriert, sondern an der chemischen Versauerungslage, gekennzeichnet durch die Alkalinität und andere chemische Meßgrößen der Versauerung. Dafür wurden aufgrund der qualitativen und quantitativen Daten die häufigeren Taxa in die vier Klassen deutlich versauerungsempfindlich, mäßig versauerungsempfindlich, mäßig versauerungstolerant und deutlich versauerungstolerant eingeteilt. Es reicht nicht aus, die biologischen Folgen von Gewässerversauerung sowie Veränderungen in der Nährstoff-Verfügbarkeit und im sonstigen Wasserchemismus nur anhand der Artenzahl oder des Artenspektrums abzuschätzen. Vielmehr müssen quantitative Methoden wie die Ermittlung der Abundanzen angewandt werden, um anthropogene und natürliche Störungen des Ökosystems zu erfassen. Es wurde eine Strategie für die behördliche Gewässergüteüberwachung von Bachoberläufen vorgeschlagen, die flächendeckend die Versauerungsgefährdung erfassen kann. Die Auswirkungen der zeitlichen Dynamik des Versauerungschemismus wurden am Beispiel des versauerungsempfindlichen Taxons Baetis spp. (Eintagsfliegen) dargestellt. An S2 und S3 kam es zu starken Versauerungsschüben. Baetis konnte sich nicht ganzjährig halten, sondern nur in versauerungsarmen Phasen im Sommer und im Herbst; es gab einen Besiedlungskreislauf aus Ausrottungs- und Wiederbesiedlungsphasen. Die temporäre Population von Baetis an S2 und S3 bestand nur aus ersten Larvenstadien. Die Probestellen wurden auf horizontalen Gradienten der Umweltfaktoren angeordnet. Bei einigen Parametern gab es keinen Gradienten (z.B. Sauerstoff-Gehalt), bei anderen Parametern waren die Meßstellen auf sehr flachen Gradienten angeordnet (z.B. C:N-Quotient der Feinstkörner), bei den restlichen Meßgrößen waren die Gradienten sehr deutlich (z.B. Alkalinität). Bei den Längsgradienten von Abundanz und Biomasse waren alle Möglichkeiten vertreten: Zunahme (z.B. Leuctra pseudosignifera), Abnahme (z.B. Gammarus pulex), Maximum an der mittleren Probestelle (z.B. Leuctra pseudocingulata) und kein signifikanter Trend (z.B. Nemoura spp.). Abundanz und Biomasse zahlreicher taxonomischer Einheiten hatten ihr Maximum im Längslauf an den quellnächsten Probestellen R1 und S1, z.B. Protonemura spp. und Plectrocnemia spp. Die Lebensgemeinschaften an R1 und S1 waren allerdings völlig unterschiedlich zusammengesetzt. Die häufig vertretene Annahme, versauerte Gewässer seien biologisch tot, ist falsch. Unter Anwendung des 3. biozönotischen Grundprinzips wurde das Maximum von Abundanz und Biomasse in den quellnahen Abschnitten mit dem eustatistischen (stabilen) Regime von Wassertemperatur, Abfluß und Protonen-Gehalt, in der Alten Riefensbeek auch von Alkalinität und ALMER-Relation erklärt. Aufgrund der natürlichen und anthropogenen Störungen war im Längslauf der untersuchten Bäche keine natürliche biozönotische Gliederung des Artenbestands erkennbar. Die Korrelationsberechnungen zwischen den Umweltfaktoren und der Taxazahl ergaben, daß in erster Linie versauerungsrelevante Parameter -- Gehalte saurer Anionen, basischer Kationen und von Metallen, Alkalinität usw. -- die höchsten Korrelationskoeffizienten mit der Taxa-Zahl hatten; unter den natürlichen Meßgrößen zählten nur die Gehalte von DOC und TIC sowie der Anteil der Sande zu der Gruppe mit den höchsten Korrelationskoeffizienten. Die Korrelationsberechnungen zwischen den Umweltfaktoren und den Abundanzen ergab dagegen, daß die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft nicht nur durch die anthropogene Gewässerversauerung, sondern mindestens genauso durch einige natürliche Meßgrößen beeinflußt wurde. Es gab in den Harzbächen keinen ökologischen Superfaktor, der die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft überwiegend bestimmte. Auch die Meßgrößen der anthropogenen Gewässerversauerung waren nicht solch ein Superfaktor. Einen ähnlich hohen Einfluß auf die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft hatten die geologisch bestimmten Umweltfaktoren Leitfähigkeit und TIC-Gehalt, der von der Landnutzung bestimmte DOC-Gehalt sowie der Chlorid-Gehalt, der geologisch, möglicherweise aber auch durch den Eintrag von Straßensalz bestimmt wird. Die Mischung von anthropogenen und natürlichen Faktoren wurde in einem Modell der Wirkung von abiotischen Faktoren auf Bryorheos und Hyporheos dargestellt. Als Beispiel für die zeitliche Nutzung ökologischer Nischen wurde die Verteilung der Larven und Adulten der Dryopidae (Hakenkäfer) im Hyporheos und Bryorheos untersucht. Die Larven wurden vorzugsweise im Hyporheon, die Adulten im Bryorheon angetroffen. Die untersuchten Taxa wurden in die Varianten bryorheobiont, bryorheophil, bryorheotolerant, bryorheoxen und bryorheophob bzw. hyporheobiont, hyporheophil, hyporheotolerant, hyporheoxen und hyporheophob eingeteilt, um ihre räumliche Nutzung ökologischer Nischen zu beschreiben. Die gängige Lehrmeinung, daß das Hyporheon die Kinderstube benthaler Makroinvertebraten ist, konnte für zahlreiche Taxa bestätigt werden (z.B. Habrophlebia lauta). Für die bryorheophilen Taxa (z.B. Gammarus pulex und Baetis spp.) trifft diese Lehrmeinung in den beiden Harzbächen nicht zu. Vielmehr übernimmt das Bryorheon die Funktion einer Kinderstube. Die Larven von Plectrocnemia conspersa / geniculata sowie von Baetis spp. und Amphinemura spp. / Protonemura spp. neben Gammarus pulex zeigten eine Habitatbindung, die erstgenannte Gattung an das Hyporheal, die letztgenannten 3 Taxa an untergetauchte Moospolster (Bryorheal). Die Idee von der Funktion des Hyporheals als Kinderstube der Larven und Jungtiere, als Schutzraum gegen die Verdriftung durch Strömung und vor Fraßdruck durch Räuber sowie als Ort hohen Nahrungsangebots mußte für die letztgenannten 3 Taxa abgelehnt werden. Für sie übernahm das Bryorheal diese Aufgaben. Zwar waren die beiden Bäche oligotroph und die Nahrungsqualität der Feinstkörner im Hyporheal war niedrig. Die Abundanz- und Biomasse-Werte im Bryorheos und Hyporheos gehörten aber zu den weltweit höchsten. Es wurde das Paradoxon diskutiert, daß im Hyporheon der beiden Bäche Diatomeen-Rasen gefunden wurden, obwohl das Hyporheon lichtlos sein soll. Das Hyporheon wurde als ein Ökoton zwischen Benthon / Rheon und Stygon angesehen. Es wurden vier Haupttypen des Hyporheons beschrieben. Wegen des sehr unterschiedlichen Charakters des Hyporheons in verschiedenen Fließgewässern gibt es keinen einheitlichen Satz von abiotischen und biotischen Faktoren, mit denen das Hyporheon vom Benthon und Stygon abgegrenzt werden kann. In den beiden Harzbächen ähnelte das Hyporheon mehr dem Benthon als dem Stygon. Es konnte nicht anhand der chemischen Meßgrößen vom Benthon abgegrenzt werden, sondern anhand der physikalischen Meßgrößen Trübung und der Anteile von Feinsand und Schluffe/Tone sowie anhand der biologischen Parameter Summen-Abundanz und Summen-Biomasse. Aus der Typologie des Hyporheons folgt, daß ein bestimmtes Hyporheon nicht alle in der Literatur beschriebenen Funktionen innerhalb der Fließgewässer-Aue übernehmen kann. Es wurde ein Schema entwickelt, mit dem sich die optimale Liste der Parameter für die Untersuchung eines bestimmten Hyporheons auswählen läßt. Der Tendenz in der Fließgewässer-Ökologie, immer neue Konzepte zu entwickeln, die allgemeingültig sein sollen, wurde das Konzept vom individuellen Charakter von Fließgewässer-Ökosystemen entgegengestellt.

Detecting recombination in 4-taxa DNA sequence alignments with Bayesian hidden Markov models and Markov chain Monte Carlo

This article presents a statistical method for detecting recombination in DNA sequence alignments, which is based on combining two probabilistic graphical models: (1) a taxon graph (phylogenetic tree) representing the relationship between the taxa, and (2) a site graph (hidden Markov model) representing interactions between different sites in the DNA sequence alignments. We adopt a Bayesian approach and sample the parameters of the model from the posterior distribution with Markov chain Monte Carlo, using a Metropolis-Hastings and Gibbs-within-Gibbs scheme. The proposed method is tested on various synthetic and real-world DNA sequence alignments, and we compare its performance with the established detection methods RECPARS, PLATO, and TOPAL, as well as with two alternative parameter estimation schemes.

The challenge of maintaining Atlantic forest biodiversity: A multi-taxa conservation assessment of specialist and generalist species in an agro-forestry mosaic in southern Bahia

Recent developments have highlighted the importance of forest amount at large spatial scales and of matrix quality for ecological processes in remnants. These developments, in turn, suggest the potential for reducing biodiversity loss through the maintenance of a high percentage of forest combined with sensitive management of anthropogenic areas. We conducted a multi-taxa survey to evaluate the potential for biodiversity maintenance in an Atlantic forest landscape that presented a favorable context from a theoretical perspective (high proportion of mature forest partly surrounded by structurally complex matrices). We sampled ferns, butterflies, frogs, lizards, bats, small mammals and birds in interiors and edges of large and small mature forest remnants and two matrices (second-growth forests and shade cacao plantations), as well as trees in interiors of small and large remnants. By considering richness, abundance and composition of forest specialists and generalists, we investigated the biodiversity value of matrix habitats (comparing them with interiors of large remnants for all groups except tree), and evaluated area (for all groups) and edge effects (for all groups except trees) in mature forest remnants. our results suggest that in landscapes comprising high amounts of mature forest and low contrasting matrices: (1) shade cacao plantations and second-growth forests harbor an appreciable number of forest specialists; (2) most forest specialist assemblages are not affected by area or edge effects, while most generalist assemblages proliferate at edges of small remnants. Nevertheless, differences in tree assemblages, especially among smaller trees, Suggest that observed patterns are unlikely to be stable over time. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Untangling associations between chironomid taxa in Neotropical streams using local and landscape filters

1. Analyses of species association have major implications for selecting indicators for freshwater biomonitoring and conservation, because they allow for the elimination of redundant information and focus on taxa that can be easily handled and identified. These analyses are particularly relevant in the debate about using speciose groups (such as the Chironomidae) as indicators in the tropics, because they require difficult and time-consuming analysis, and their responses to environmental gradients, including anthropogenic stressors, are poorly known. 2. Our objective was to show whether chironomid assemblages in Neotropical streams include clear associations of taxa and, if so, how well these associations could be explained by a set of models containing information from different spatial scales. For this, we formulated a priori models that allowed for the influence of local, landscape and spatial factors on chironomid taxon associations (CTA). These models represented biological hypotheses capable of explaining associations between chironomid taxa. For instance, CTA could be best explained by local variables (e.g. pH, conductivity and water temperature) or by processes acting at wider landscape scales (e.g. percentage of forest cover). 3. Biological data were taken from 61 streams in Southeastern Brazil, 47 of which were in well-preserved regions, and 14 of which drained areas severely affected by anthropogenic activities. We adopted a model selection procedure using Akaike`s information criterion to determine the most parsimonious models for explaining CTA. 4. Applying Kendall`s coefficient of concordance, seven genera (Tanytarsus/Caladomyia, Ablabesmyia, Parametriocnemus, Pentaneura, Nanocladius, Polypedilum and Rheotanytarsus) were identified as associated taxa. The best-supported model explained 42.6% of the total variance in the abundance of associated taxa. This model combined local and landscape environmental filters and spatial variables (which were derived from eigenfunction analysis). However, the model with local filters and spatial variables also had a good chance of being selected as the best model. 5. Standardised partial regression coefficients of local and landscape filters, including spatial variables, derived from model averaging allowed an estimation of which variables were best correlated with the abundance of associated taxa. In general, the abundance of the associated genera tended to be lower in streams characterised by a high percentage of forest cover (landscape scale), lower proportion of muddy substrata and high values of pH and conductivity (local scale). 6. Overall, our main result adds to the increasing number of studies that have indicated the importance of local and landscape variables, as well as the spatial relationships among sampling sites, for explaining aquatic insect community patterns in streams. Furthermore, our findings open new possibilities for the elimination of redundant data in the assessment of anthropogenic impacts on tropical streams.

A description of the nymph of Anacroneuria ofaye Froehlich (Plecoptera: Perlidae) and a apparatus for rearing Neotropical stonefly species

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Stoneflies (Plecoptera) from northern Goias State, central Brazil: new record of Kempnyia oliveirai (Perlidae) and a new species of Tupiperla (Gripopterygidae)

A new species of Tupiperla, T. jumirim, is described from Chapada dos Veadeiros, northern Goias State, Brazil. Kempnyia oliveirai is recorded from the same locality.

Description of the larva and redescription of the adult of Kempnyia neotropica Jacobsen and Bianchi (Plecoptera : Perlidae) with biological notes

Kempnyia neotropica is the species with the widest distribution in this genus. In this work, samples collected in the states of Gois, Minas Gerais and So Paulo were analysed, confirming that all belong to a single species. The larva is described, the adult is redescribed and biological notes are presented.

Feeding and condition factor of characidiin fish in Ribeirão Grande system, Southeastern Brazil

Feeding, seasonal changes in visceral fat and condition factor were compared in two species of characidiin fishes, Characidium lauroi and C. alipioi from Ribeirão Grande system, southeastern Brazil. Five streams of Ribeirão Grande system were sampled (22° 47' 08 S, 45° 28' 17W). The samples were taken four times per site, from July, 2001 to April, 2002: winter (July 2001), spring (October 2001), summer (February 2002) and autumn (April 2002). Quantitative collections were made with an electro-fishing device powered by a generator with maximum capacity of 1,500 V and 8.7 A of 60 Hz alternating current. Ephemeroptera nymphs, Diptera larvae (Chironomidae, Simuliidae), Plecoptera nymphs, Trichoptera larvae (Hydroptilidae, Psychoyiidae), terrestrial insects (Coleoptera, Isoptera, Hemiptera [Heteroptera, Homoptera]), Megaloptera larvae (Corydalidae), Arachnida, Ostracoda and vegetal debris were found in both species' diets. Visceral fat declined in February, coinciding with the decline of the condition factor in both species. The increased feeding from summer to fall provides fat accumulation. During subsequent seasons, fish may utilize visceral fat reserves for maintenance and reproduction.

Molecular phylogeny of advanced snakes (Serpentes, Caenophidia) with an emphasis on South American xenodontines: A revised classification and descriptions of new taxa

We present a molecular phylogenetic analysis of caenophidian (advanced) snakes using sequences from two mitochondrial genes (12S and 16S rRNA) and one nuclear (c-mos) gene (1681 total base pairs), and with 131 terminal taxa sampled from throughout all major caenophidian lineages but focussing on Neotropical xenodontines. Direct optimization parsimony analysis resulted in a well-resolved phylogenetic tree, which corroborates some clades identified in previous analyses and suggests new hypotheses for the composition and relationships of others. The major salient points of our analysis are: (1) placement of Acrochordus, Xenodermatids, and Pareatids as successive outgroups to all remaining caenophidians (including viperids, elapids, atractaspidids, and all other colubrid groups); (2) within the latter group, viperids and homalopsids are sucessive sister clades to all remaining snakes; (3) the following monophyletic clades within crown group caenophidians: Afro-Asian psammophiids (including Mimophis from Madagascar), Elapidae (including hydrophiines but excluding Homoroselaps), Pseudoxyrhophiinae, Colubrinae, Natricinae, Dipsadinae, and Xenodontinae. Homoroselaps is associated with atractaspidids. Our analysis suggests some taxonomic changes within xenodontines, including new taxonomy for Alsophis elegans, Liophis amarali, and further taxonomic changes within Xenodontini and the West Indian radiation of xenodontines. Based on our molecular analysis, we present a revised classification for caenophidians and provide morphological diagnoses for many of the included clades; we also highlight groups where much more work is needed. We name as new two higher taxonomic clades within Caenophidia, one new subfamily within Dipsadidae, and, within Xenodontinae five new tribes, six new genera and two resurrected genera. We synonymize Xenoxybelis and Pseudablabes with Philodryas; Erythrolamprus with Liophis; and Lystrophis and Waglerophis with Xenodon.