Phylogeographic Structure and Karyotypic Diversity of the Brazilian Shrew Mouse (Blarinomys breviceps, Sigmodontinae) in the Atlantic Forest

Blarinomys breviceps possesses cryptic and burrowing habits with poorly documented genetics and life history traits. Due to its rarity, only a few specimens and DNA sequences have been deposited in collections worldwide. Here, we present the most comprehensive cytogenetic and molecular characterization of this rare genus. Phylogenetic analyses based on partial cytochrome b sequences were performed, attempting to establish the relationships among individuals with distinct karyotypes along the geographic distribution of the genus in the Atlantic Forest. Classical and molecular cytogenetics, using banding patterns and FISH of telomeric and whole chromosome X-specific painting probes (obtained from the Akodontini Akodon cursor) were used to characterize and compare the chromosomal complements. Molecular phylogenetic analyses recovered 2 main geographically structured clades, northeastern and southeastern with pair-wise sequence divergences among specimens varying between 4.9 and 8.4%. Eight distinct karyomorphs are described: (A) 2n = 52 (50A, XX), (B) 2n = 52 (48A, XY+2Bs), (C) 2n = 45 (42A, XY+1B), (D) 2n = 43 (37A, XX+4Bs), (E) 2n = 37 (34A, XY+1B), (F) 2n = 34 (32A, XX), (G) 2n = 31 (27A, XX+2Bs), (H) 2n = 28 (26A, XY), all with the same number of autosomal arms (FNA = 50). Variation of 0-4 supernumerary chromosomes (Bs) presenting heterogeneity in morphology and distribution of interstitial telomeric sequences (ITSs) is reported. ITSs are also found in some metacentric autosomes. The phylogeographic separation between 2 major lineages with high levels of genetic divergence, and the wide karyotypic diversity indicate that B. breviceps is a diverse group that warrants taxonomic re-evaluation. Copyright (C) 2012 S. Karger AG, Basel

Mosquitoes in degraded and preserved areas of the Atlantic Forest and potential for vector-borne disease risk in the municipality of Sao Paulo, Brazil

In order to assess the epidemiological potential of the Culicidae species in remaining areas of the Brazilian Atlantic Forest, specimens of this family were collected in wild and anthropic environments. A total of 9,403 adult mosquitoes was collected from May, 2009 to June, 2010. The most prevalent among species collected in the wild environment were Anopheles (Kerteszia) cruzii, the Melanoconion section of Culex (Melanoconion), and Aedes serratus, while the most common in the anthropic site were Coquillettidia chrysonotum/albifera, Culex (Culex) Coronator group, and An. (Ker.) cruzii. Mosquito richness was similar between environments, although the abundance of individuals from different species varied. When comparing diversity patterns between environments, anthropic sites exhibited higher richness and evenness, suggesting that environmental stress increased the number of favorable niches for culicids, promoting diversity. Increased abundance of opportunistic species in the anthropic environment enhances contact with culicids that transmit vector-borne diseases.

Vegetation mapping in an area of Ombrophilous Dense Forest at Parque Estadual da Serra do Mar, São Paulo State, Brazil, and floristic composition of the tree component of some physiognomies*

This study aimed to map phytophysiognomies of an area of Ombrophilous Dense Forest at Parque Estadual da Serra do Mar and characterize their floristic composition. Photointerpretation of aerial photographs in scale of 1:35,000 was realized in association with field work. Thirteen physiognomies were mapped and they were classified as Montane Ombrophilous Dense Forest, Alluvial Ombrophilous Dense Forest or Secondary System. Three physiognomies identified at Casa de Pedra streamlet's basin were studied with more details. Riparian forest (RF), valley forest (VF), and hill forest (HF) presented some floristic distinction, as confirmed by Detrended Correspondence Analysis (DCA) and Indicator Species Analysis (ISA) conducted here. Anthropic or natural disturbances and heterogeneity of environmental conditions may be the causes of physiognomic variation in the vegetation of the region. The results presented here may be useful to decisions related to management and conservation of Núcleo Santa Virgínia forests, in general.

Antimicrobial capacity of plasma from anurans of the Atlantic Forest

The viability and interpretation of techniques for the evaluation of immunocompetence of animals in their natural environment has been largely debated. One of these methods is based on testing the antimicrobial capacity of the blood and/or plasma in vitro, which could rapidly and effectively assess the immunological conditions of natural populations. We tested the applicability of the antimicrobial capacity of plasma (ACP) assay in anuran amphibians from the Atlantic Forest. The assay was performed by measuring both the turbidity (in a spectrophotometer) and the colony forming units (CFU) of the remaining bacteria (Escherichia coli) following exposure to amphibian plasma. Although both assays were correlated, the ACP assay by spectrophotometry showed 10 times lower intra-assay variation. We also found interspecific variation in ACP, as well as the maintenance of ACP values in males from the same population, collected in different breeding seasons. Thus, the estimation of ACP by spectrophotometry provides a convenient and accurate method for evaluating innate immunocompetence in comparative and ecophysiological studies of anuran amphibians.

Modelling the effects of nitrogen deposition and carbon dioxide enrichment on forest carbon balance

Atmospheric CO2 concentration ([CO2]) has increased over the last 250 years, mainly due to human activities. Of total anthropogenic emissions, almost 31% has been sequestered by the terrestrial biosphere. A considerable contribution to this sink comes from temperate and boreal forest ecosystems of the northern hemisphere, which contain a large amount of carbon (C) stored as biomass and soil organic matter. Several potential drivers for this forest C sequestration have been proposed, including increasing atmospheric [CO2], temperature, nitrogen (N) deposition and changes in management practices. However, it is not known which of these drivers are most important. The overall aim of this thesis project was to develop a simple ecosystem model which explicitly incorporates our best understanding of the mechanisms by which these drivers affect forest C storage, and to use this model to investigate the sensitivity of the forest ecosystem to these drivers. I firstly developed a version of the Generic Decomposition and Yield (G’DAY) model to explicitly investigate the mechanisms leading to forest C sequestration following N deposition. Specifically, I modified the G’DAY model to include advances in understanding of C allocation, canopy N uptake, and leaf trait relationships. I also incorporated a simple forest management practice subroutine. Secondly, I investigated the effect of CO2 fertilization on forest productivity with relation to the soil N availability feedback. I modified the model to allow it to simulate short-term responses of deciduous forests to environmental drivers, and applied it to data from a large-scale forest Free-Air CO2 Enrichment (FACE) experiment. Finally, I used the model to investigate the combined effects of recent observed changes in atmospheric [CO2], N deposition, and climate on a European forest stand. The model developed in my thesis project was an effective tool for analysis of effects of environmental drivers on forest ecosystem C storage. Key results from model simulations include: (i) N availability has a major role in forest ecosystem C sequestration; (ii) atmospheric N deposition is an important driver of N availability on short and long time-scales; (iii) rising temperature increases C storage by enhancing soil N availability and (iv) increasing [CO2] significantly affects forest growth and C storage only when N availability is not limiting.

Impact of forest fragmentation and disturbance on the endangered tropical tree Prunus africana (Rosaceae)

Anthropogene Fragmentierung und Störung von Wäldern beeinflussen ökologische Prozesse. Darüber hinaus werden genetische Drift und Inzucht verstärkt und die Fitness von Populationen beeinträchtigt. Um die Einflüsse von Fragmentierung und Störung auf die Biodiversität und Prozesse in tropischen Wäldern zu ermitteln, habe ich im „Kakamega Forest“, West-Kenia, die Baumart Prunus africana genauer untersucht. Dabei lag der Fokus auf (i) der Frugivorengemeinschaft und Samenausbreitung, (ii) der Kleinsäugergemeinschaft im Kontext der Samenprädation und (iii) der genetische Populationsstruktur von Keimlingen und adulten Bäumen. Der Vergleich von Keimlingen mit adulten Bäumen ermöglicht es, Veränderungen im Genfluss zwischen Generationen festzustellen. Die Ergebnisse zeigten, dass im untersuchten Waldgebiet insgesamt 49 frugivore Arten (Affen und Vögel) vorkommen. Dabei lag die Gesamtartenzahl im zusammenhängenden Wald höher als in den isoliert liegenden Fragmenten. An den Früchten von P. africana konnten insgesamt 36 Arten fressend beobachtet werden. Hier jedoch wurden in Fragmenten eine leicht erhöhte Frugivorenzahl sowie marginal signifikant erhöhte Samenausbreitungsraten nachgewiesen. Der Vergleich von stark gestörten mit weniger gestörten Flächen zeigte eine höhere Gesamtartenzahl sowie eine signifikant höhere Frugivorenzahl in P. africana in stark gestörten Flächen. Entsprechend war die Samenausbreitungsrate in stark gestörten Flächen marginal signifikant erhöht. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die quantitative Samenausbreitung in fragmentierten und gestörten Flächen etwas erhöht ist und somit eine gewisse Artenredundanz besteht, die den Verlust einzelner Arten ausgleichen könnte. Prunus africana Samen, die auf dem Boden lagen, wurden hauptsächlich von einer Nagerart (Praomys cf. jacksonii) erbeutet. Dabei war in gestörten Waldbereichen eine tendenziell höhere Prädatoraktivität zu beobachten als in weniger gestörten. Zudem waren einzelne Samen im Gegensatz zu Samengruppen in gestörten Flächen signifikant höherem Prädationsdruck ausgesetzt. Diese Ergebnisse zeigen, dass Fragmentierung sowie anthropogene Störungen auf unterschiedliche Prozesse im Lebenszyklus eines tropischen Baumes gegensätzliche Effekte haben können. Eine Extrapolation von einem auf einen anderen Prozess kann somit nicht erfolgen. Die genetische Differenzierung der adulten Baumpopulationen war gering (FST = 0.026). Der Großteil ihrer Variation (~ 97 %) lag innerhalb der Populationen, was intensiven Genfluss in der Vergangenheit widerspiegelt. Die genetische Differenzierung der Keimlinge war etwas erhöht (FST = 0.086) und ~ 91 % ihrer Variation lag innerhalb der Populationen. Im Gegensatz zu den adulten Bäumen konnte ich für Keimlinge ein „Isolation-by-distance“-Muster feststellen. Somit sind erste Hinweise auf begrenzten Genfluss im Keimlingsstadium infolge von Fragmentierung gegeben. Obwohl die Momentaufnahmen im Freiland keine Abnahme in der Frugivorenzahl und Samenausbreitung von P. africana als Folge von Fragmentierung beobachten ließen, weisen die Ergebnisse der genetischen Studie auf einen bereits reduzierten Genaustausch zwischen den Populationen hin. Somit lässt sich feststellen, dass die Faktoren Fragmentierung und Störung genetische Diversität, ökologische Prozesse und Artendiversität in Wäldern jeweils auf unterschiedliche Weise beeinflussen. Um Konsequenzen derartiger Einflüsse folgerichtig abschätzen zu können, sind Studien auf unterschiedlichen Diversitätsebenen unabdingbar.

The oxidation capacity of the atmosphere - OH and HO 2 radical measurements in a boreal forest environment using laser induced fluorescence spectroscopy

Das wichtigste Oxidationsmittel für den Abbau flüchtiger Kohlenwasserstoffverbindungen (VOC, engl.: volatile organic compounds) in der Atmosphäre ist das Hydroxylradikal (OH), welches sich in einem schnellen chemischen Gleichgewicht mit dem Hydroperoxylradical (HO2) befindet. Bisherige Messungen und Modellvergleiche dieser Radikalspezies in Waldgebieten haben signifikante Lücken im Verständnis der zugrundeliegenden Prozesse aufgezeigt.rnIm Rahmen dieser Doktorarbeit wurden Messungen von OH- und HO2-Radikalen mittelsrnlaserinduzierten Fluoreszensmesstechnik (LIF, engl.: laser-induced fluorescence) in einem Nadelwald in Süd-Finnland während der Messkampagne HUMPPA–COPEC–2010 (Hyytiälä United Measurements of Photochemistry and Particles in Air – Comprehensive Organic Precursor Emission and Concentration study) im Sommer 2010 durchgeführt. Unterschiedliche Komponenten des LIF-Instruments wurden verbessert. Eine modifizierte Methode zur Bestimmung des Hintergrundsignals (engl.: InletPreInjector technique) wurde in den Messaufbaurnintegriert und erstmals zur Messung von atmosphärischem OH verwendet. Vergleichsmessungen zweier Instrumente basierend auf unterschiedlichen Methoden zur Messung von OH-Radikalen, chemische Ionisationsmassenspektrometrie (CIMS - engl.: chemical ionization mass spectrometry) und LIF-Technik, zeigten eine gute Übereinstimmung. Die Vergleichsmessungen belegen das Vermögen und die Leistungsfähigkeit des modifizierten LIF-Instruments atmosphärische OH Konzentrationen akkurat zu messen. Nachfolgend wurde das LIF-Instrument auf der obersten Plattform eines 20m hohen Turmes positioniert, um knapp oberhalb der Baumkronen die Radikal-Chemie an der Schnittstelle zwischen Ökosystem und Atmosphäre zu untersuchen. Umfangreiche Messungen - dies beinhaltet Messungen der totalen OH-Reaktivität - wurden durchgeführt und unter Verwendung von Gleichgewichtszustandsberechnungen und einem Boxmodell, in welches die gemessenen Daten als Randbedingungen eingehen, analysiert. Wenn moderate OH-Reaktivitäten(k′(OH)≤ 15 s−1) vorlagen, sind OH-Produktionsraten, die aus gemessenen Konzentrationen von OH-Vorläuferspezies berechnet wurden, konsistent mit Produktionsraten, die unter der Gleichgewichtsannahme von Messungen des totalen OH Verlustes abgeleitet wurden. Die primären photolytischen OH-Quellen tragen mit einem Anteil von bis zu einem Drittel zur Gesamt-OH-Produktion bei. Es wurde gezeigt, dass OH-Rezyklierung unter Bedingungen moderater OH-Reaktivität hauptsächlich durch die Reaktionen von HO2 mit NO oder O3 bestimmt ist. Während Zeiten hoher OH-Reaktivität (k′(OH) > 15 s−1) wurden zusätzliche Rezyklierungspfade, die nicht über die Reaktionen von HO2 mit NO oder O3, sondern direkt OH bilden, aufgezeigt.rnFür Hydroxylradikale stimmen Boxmodell-Simulationen und Messungen gut übereinrn(OHmod/OHobs=1.04±0.16), während HO2-Mischungsverhältnisse in der Simulation signifikant unterschätzt werden (HO2mod/HO2obs=0.3±0.2) und die simulierte OH-Reaktivität nicht mit der gemessenen OH-Reaktivität übereinstimmt. Die gleichzeitige Unterschätzung der HO2-Mischungsverhältnisse und der OH-Reaktivität, während OH-Konzentrationen von der Simulation gut beschrieben werden, legt nahe, dass die fehlende OH-Reaktivität in der Simulation eine noch unberücksichtigte HO2-Quelle darstellt. Zusätzliche, OH-unabhängigernRO2/HO2-Quellen, wie z.B. der thermische Zerfall von herantransportiertem peroxyacetylnitrat (PAN) und die Photolyse von Glyoxal sind indiziert.

The sensitivity of the photostationary state of NOx and its implication for the oxidation capacity in a semi-rural and boreal forest region

Für das Vermögen der Atmosphäre sich selbst zu reinigen spielen Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2) eine bedeutende Rolle. Diese Spurengase bestimmen die photochemische Produktion von Ozon (O3) und beeinflussen das Vorkommen von Hydroxyl- (OH) und Nitrat-Radikalen (NO3). Wenn tagsüber ausreichend Solarstrahlung und Ozon vorherrschen, stehen NO und NO2 in einem schnellen photochemischen Gleichgewicht, dem „Photostationären Gleichgewichtszustand“ (engl.: photostationary state). Die Summe von NO und NO2 wird deshalb als NOx zusammengefasst. Vorhergehende Studien zum photostationären Gleichgewichtszustand von NOx umfassen Messungen an unterschiedlichsten Orten, angefangen bei Städten (geprägt von starken Luftverschmutzungen), bis hin zu abgeschiedenen Regionen (geprägt von geringeren Luftverschmutzungen). Während der photochemische Kreislauf von NO und NO2 unter Bedingungen erhöhter NOx-Konzentrationen grundlegend verstanden ist, gibt es in ländlicheren und entlegenen Regionen, welche geprägt sind von niedrigeren NOx-Konzetrationen, signifikante Lücken im Verständnis der zugrundeliegenden Zyklierungsprozesse. Diese Lücken könnten durch messtechnische NO2-Interferenzen bedingt sein - insbesondere bei indirekten Nachweismethoden, welche von Artefakten beeinflusst sein können. Bei sehr niedrigen NOx-Konzentrationen und wenn messtechnische NO2-Interferenzen ausgeschlossen werden können, wird häufig geschlussfolgert, dass diese Verständnislücken mit der Existenz eines „unbekannten Oxidationsmittels“ (engl.: unknown oxidant) verknüpft ist. Im Rahmen dieser Arbeit wird der photostationäre Gleichgewichtszustand von NOx analysiert, mit dem Ziel die potenzielle Existenz bislang unbekannter Prozesse zu untersuchen. Ein Gasanalysator für die direkte Messung von atmosphärischem NO¬2 mittels laserinduzierter Fluoreszenzmesstechnik (engl. LIF – laser induced fluorescence), GANDALF, wurde neu entwickelt und während der Messkampagne PARADE 2011 erstmals für Feldmessungen eingesetzt. Die Messungen im Rahmen von PARADE wurden im Sommer 2011 in einem ländlich geprägten Gebiet in Deutschland durchgeführt. Umfangreiche NO2-Messungen unter Verwendung unterschiedlicher Messtechniken (DOAS, CLD und CRD) ermöglichten einen ausführlichen und erfolgreichen Vergleich von GANDALF mit den übrigen NO2-Messtechniken. Weitere relevante Spurengase und meteorologische Parameter wurden gemessen, um den photostationären Zustand von NOx, basierend auf den NO2-Messungen mit GANDALF in dieser Umgebung zu untersuchen. Während PARADE wurden moderate NOx Mischungsverhältnisse an der Messstelle beobachtet (10^2 - 10^4 pptv). Mischungsverhältnisse biogener flüchtige Kohlenwasserstoffverbindungen (BVOC, engl.: biogenic volatile organic compounds) aus dem umgebenden Wald (hauptsächlich Nadelwald) lagen in der Größenordnung 10^2 pptv vor. Die Charakteristiken des photostationären Gleichgewichtszustandes von NOx bei niedrigen NOx-Mischungsverhältnissen (10 - 10^3 pptv) wurde für eine weitere Messstelle in einem borealen Waldgebiet während der Messkampagne HUMPPA-COPEC 2010 untersucht. HUMPPA–COPEC–2010 wurde im Sommer 2010 in der SMEARII-Station in Hyytiälä, Süd-Finnland, durchgeführt. Die charakteristischen Eigenschaften des photostationären Gleichgewichtszustandes von NOx in den beiden Waldgebieten werden in dieser Arbeit verglichen. Des Weiteren ermöglicht der umfangreiche Datensatz - dieser beinhaltet Messungen von relevanten Spurengasen für die Radikalchemie (OH, HO2), sowie der totalen OH-Reaktivität – das aktuelle Verständnis bezüglich der NOx-Photochemie unter Verwendung von einem Boxmodell, in welches die gemessenen Daten als Randbedingungen eingehen, zu überprüfen und zu verbessern. Während NOx-Konzentrationen in HUMPPA-COPEC 2010 niedriger sind, im Vergleich zu PARADE 2011 und BVOC-Konzentrationen höher, sind die Zyklierungsprozesse von NO und NO2 in beiden Fällen grundlegend verstanden. Die Analyse des photostationären Gleichgewichtszustandes von NOx für die beiden stark unterschiedlichen Messstandorte zeigt auf, dass potenziell unbekannte Prozesse in keinem der beiden Fälle vorhanden sind. Die aktuelle Darstellung der NOx-Chemie wurde für HUMPPA-COPEC 2010 unter Verwendung des chemischen Mechanismus MIM3* simuliert. Die Ergebnisse der Simulation sind konsistent mit den Berechnungen basierend auf dem photostationären Gleichgewichtszustand von NOx.

Recruitment dynamics of the grove-dominant tree Microberlinia bisulcata in African rain forest: extending the light response versus adult longevity trade-off concept

In groves of ectomycorrhizal caesalpiniaceous species in the Atlantic coastal forest of Central Africa the dominant tree Microberlinia bisulcata, which is shade-intolerant as a seedling but highly light-responding as a sapling, shows very limited regeneration. M. bisulcata saplings were mapped in an 82.5-ha plot at Korup and found to be located significantly far (>40 m) away from adults, a result confirmed by direct testing in a second 56-ha plot. Sapling growth over 6 years, the distribution of newly emerging seedlings around adults, recruitment of saplings in a large opening and the outward extent of seedlings at the grove edge were also investigated. Two processes appear to have been operating: (1) a very strong and consistent restriction of the very numerous seedlings establishing after masting close to adults, and (2) a strong but highly spatially variable promotion of distant survivors by increased light from the deaths of large trees of species other than M. bisulcata (which itself has very low mortality rate). This leads to an apparent escape-from-adults effect. To maintain saplings in the shade between multiple short periods of release ectomycorrhizal connections to other co-occurring caesalp species may enable a rachet-type mechanism. The recorded sapling dynamics currently contribute an essential part of the long-term cycling of the groves. M. bisulcata is an interesting example of an important group of tropical trees, particularly in Africa, which are both highly light-demanding when young yet capable also of forming very large forest emergents. To more comprehensively explain tropical tree responses, the case is made for adding a new dimension to the trade-off concept of early tree light-response versus adult longevity.

On seeing the trees and the forest: Single-signal and multisignal analysis of periictal intracranial EEG

Epileptic seizures are associated with a dysregulation of electrical brain activity on many different spatial scales. To better understand the dynamics of epileptic seizures, that is, how the seizures initiate, propagate, and terminate, it is important to consider changes of electrical brain activity on different spatial scales. Herein we set out to analyze periictal electrical brain activity on comparatively small and large spatial scales by assessing changes in single intracranial electroencephalography (EEG) signals and of averaged interdependences of pairs of EEG signals.

The Ecological Significance of the Herbaceous Layer in Temperate Forest Ecosystems

Despite a growing awareness that the herbaceous layer serves a special role in maintaining the structure and function of forests, this stratum remainsan underappreciated aspect of forest ecosystems. In this article I review and synthesize information concerning the herb layer’s structure,composition, and dynamics to emphasize its role as an integral component of forest ecosystems. Because species diversity is highest in the herb layeramong all forest strata, forest biodiversity is largely a function of the herb-layer community. Competitive interactions within the herb layer candetermine the initial success of plants occupying higher strata, including the regeneration of dominant overstory tree species. Furthermore, the herblayer and the overstory can become linked through parallel responses to similar environmental gradients. These relationships between strata varyboth spatially and temporally. Because the herb layer responds sensitively to disturbance across broad spatial and temporal scales, its dynamics canprovide important information regarding the site characteristics of forests, including patterns of past land-use practices. Thus, the herb layer has asignificance that belies its diminutive stature.