Table 2 Overview of the established BIOTA Observatories in Africa & Appendix

The international, interdisciplinary biodiversity research project BIOTA AFRICA initiated a standardized biodiversity monitoring network along climatic gradients across the African continent. Due to an identified lack of adequate monitoring designs, BIOTA AFRICA developed and implemented the standardized BIOTA Biodiversity Observatories, that meet the following criteria (a) enable long-term monitoring of biodiversity, potential driving factors, and relevant indicators with adequate spatial and temporal resolution, (b) facilitate comparability of data generated within different ecosystems, (c) allow integration of many disciplines, (d) allow spatial up-scaling, and (e) be applicable within a network approach. A BIOTA Observatory encompasses an area of 1 km2 and is subdivided into 100 1-ha plots. For meeting the needs of sampling of different organism groups, the hectare plot is again subdivided into standardized subplots, whose sizes follow a geometric series. To allow for different sampling intensities but at the same time to characterize the whole square kilometer, the number of hectare plots to be sampled depends on the requirements of the respective discipline. A hierarchical ranking of the hectare plots ensures that all disciplines monitor as many hectare plots jointly as possible. The BIOTA Observatory design assures repeated, multidisciplinary standardized inventories of biodiversity and its environmental drivers, including options for spatial up- and downscaling and different sampling intensities. BIOTA Observatories have been installed along climatic and landscape gradients in Morocco, West Africa, and southern Africa. In regions with varying land use, several BIOTA Observatories are situated close to each other to analyze management effects.

Environmental conditions and habitats of GOS sites and bottle data of HOT-ALOHA station

The Global Ocean Sampling (GOS) expedition is currently the largest and geographically most comprehensive metagenomic dataset, including samples from the Atlantic, Pacific, and Indian Oceans. This study makes use of the wide range of environmental conditions and habitats encompassed within the GOS sites in order to investigate the ecological structuring of bacterial and archaeal taxon ranks. Community structures based on taxonomically classified 16S ribosomal RNA (rRNA) gene fragments at phylum, class, order, family, and genus rank levels were examined using multivariate statistical analysis, and the results were inspected in the context of oceanographic environmental variables and structured habitat classifications. At all taxon rank levels, community structures of neritic, oceanic, estuarine biomes, as well as other exotic biomes (salt marsh, lake, mangrove), were readily distinguishable from each other. A strong structuring of the communities with chlorophyll a concentration and a weaker yet significant structuring with temperature and salinity were observed. Furthermore, there were significant correlations between community structures and habitat classification. These results were used for further investigation of one-to-one relationships between taxa and environment and provided indications for ecological preferences shaped by primary production for both cultured and uncultured bacterial and archaeal clades.

Registry of all samples from the Tara Oceans Expedition (2009-2013)

The Tara Oceans Expedition (2009-2013) sampled the world oceans on board a 36 m long schooner, collecting environmental data and organisms from viruses to planktonic metazoans for later analyses using modern sequencing and state-of-the-art imaging technologies. Tara Oceans Data are particularly suited to study the genetic, morphological and functional diversity of plankton. Data sets in this collection provide methodological and environmental context to all samples collected during the Tara Oceans Expedition (2009-2013).

Environmental context of all samples from the Tara Oceans Expedition (2009-2013), about depth specific features

The Tara Oceans Expedition (2009-2013) sampled the world oceans on board a 36 m long schooner, collecting environmental data and organisms from viruses to planktonic metazoans for later analyses using modern sequencing and state-of-the-art imaging technologies. Tara Oceans Data are particularly suited to study the genetic, morphological and functional diversity of plankton. The present data set provides environmental context to all samples from the Tara Oceans Expedition (2009-2013), including calculated averages of mesaurements made concurrently at the sampling location and depth, and calculated averages from climatologies (AMODIS, VGPM) and satellite products.

Registry of samples and environmental context from the Ocean Sampling Day 2014

The Ocean Sampling Day (OSD) is a simultaneous sampling campaign of the world's oceans which took place (for the first time) on the summer solstice (June 21st) in the year 2014. These cumulative samples, related in time, space and environmental parameters, provide insights into fundamental rules describing microbial diversity and function and contribute to the blue economy through the identification of novel, ocean-derived biotechnologies. We see OSD data as a reference data set for generations of experiments to follow in the coming decade. The present data set includes a description of each sample collected during the Ocean Sampling Day 2014 and provides contextual environmental data measured concurrently with the collection of water samples for genomic analyses.

Results of n-alkane biomarker analyses and paleoclimate reconstruction

The current study presents quantitative reconstructions of tree cover, annual precipitation and mean July temperature derived from the pollen record from Lake Billyakh (65°17'N, 126°47'E, 340 m above sea level) spanning the last ca. 50 kyr. The reconstruction of tree cover suggests presence of woody plants through the entire analyzed time interval, although trees played only a minor role in the vegetation around Lake Billyakh prior to 14 kyr BP (<5%). This result corroborates low percentages of tree pollen and low scores of the cold deciduous forest biome in the PG1755 record from Lake Billyakh. The reconstructed values of the mean temperature of the warmest month ~8-10 °C do not support larch forest or woodland around Lake Billyakh during the coldest phase of the last glacial between ~32 and ~15 kyr BP. However, modern cases from northern Siberia, ca. 750 km north of Lake Billyakh, demonstrate that individual larch plants can grow within shrub and grass tundra landscape in very low mean July temperatures of about 8 °C. This makes plausible our hypothesis that the western and southern foreland of the Verkhoyansk Mountains could provide enough moist and warm microhabitats and allow individual larch specimens to survive climatic extremes of the last glacial. Reconstructed mean values of precipitation are about 270 mm/yr during the last glacial interval. This value is almost 100 mm higher than modern averages reported for the extreme-continental north-eastern Siberia east of Lake Billyakh, where larch-dominated cold deciduous forest grows at present. This suggests that last glacial environments around Lake Billyakh were never too dry for larch to grow and that the summer warmth was the main factor, which limited tree growth during the last glacial interval. The n-alkane analysis of the Siberian plants presented in this study demonstrates rather complex alkane distribution patterns, which challenge the interpretation of the fossil records. In particular, extremely low n-alkane concentrations in the leaves of local coniferous trees and shrubs suggest that their contribution to the litter and therefore to the fossil lake sediments might be not high enough for tracing the Quaternary history of the needleleaved taxa using the n-alkane biomarker method.

Environmental context of all samples from the Tara Oceans Expedition (2009-2013), about mesoscale features

The Tara Oceans Expedition (2009-2013) sampled the world oceans on board a 36 m long schooner, collecting environmental data and organisms from viruses to planktonic metazoans for later analyses using modern sequencing and state-of-the-art imaging technologies. Tara Oceans Data are particularly suited to study the genetic, morphological and functional diversity of plankton. The present data set provides environmental context to all samples from the Tara Oceans Expedition (2009-2013), about mesoscale features related to the sampling date, time and location. Includes calculated averages of mesaurements made concurrently at the sampling location and depth, and calculated averages from climatologies (AMODIS, VGPM) and satellite products.

Mosquitos da Caatinga: biodiversidade, aspectos ecológicos e importância epidemiológica da fauna Culicidae do semiárido brasileiro

Em relação à fauna Culicidae, a Caatinga é um dos biomas mais desconhecidos do Brasil. Há carência de registro de ocorrência de culicídeos, bem como de estudos sobre as interações deles com o ambiente silvestre. Assim, o objetivo deste estudo foi investigar biodiversidade e aspectos ecológicos e epidemiológicos da fauna Culicidae em áreas de conservação do bioma Caatinga. Para isso foram consideradas duas unidades de conservação da Caatinga e realizados 19 levantamentos entomológicos mensais e consecutivos. Foram realizadas coletas de formas imaturas de mosquitos em bromélias, ocos de árvore e criadouros de solo, além da coleta de mosquitos adultos de hábitos diurno, crepuscular e noturno. Ao todo, entre mosquitos adultos e imaturos associados a habitats fitotelmatas, foram coletados 11.456 culicídeos distribuídos em 28 espécies, das quais 11 eram desconhecidas para a ciência. A fauna de imaturos coletados em bromélias e ocos de árvore interferiu na composição da fauna de mosquitos adultos e houve variações na abundância e nos padrões de diversidade de acordo com fitofisionomia do ambiente. Temperatura e umidade foram os parâmetros ambientais mais fortemente associados à abundância de culicídeos. Foram registradas novas ocorrências de anofelinos, coletados em criadouros de solo, ampliando a distribuição das espécies para o semiárido brasileiro. Este é um estudo pioneiro acerca da biodiversidade da fauna Culicidae em áreas de conservação da Caatinga que apresenta uma rica e desconhecida fauna de culicídeos, inédita para a ciência.

Uso de modelagem de nicho fundamental na avaliação do padrão de distribuição geográfica de espécies vegetais

Atualmente vêm sendo desenvolvidas e utilizadas várias técnicas de modelagem de distribuição geográfica de espécies com os mais variados objetivos. Algumas dessas técnicas envolvem modelagem baseada em análise ambiental, nas quais os algoritmos procuram por condições ambientais semelhantes àquelas onde as espécies foram encontradas, resultando em áreas potenciais onde as condições ambientais seriam propícias ao desenvolvimento dessas espécies. O presente estudo trata do uso da modelagem preditiva de distribuição geográfica, através da utilização de algoritmo genético e algoritmo de distância, de espécies como ferramenta para a conservação de espécies vegetais, em três situações distintas: modelagem da distribuição do bioma cerrado no estado de São Paulo; previsão da ocorrência de espécies arbóreas visando à restauração da cobertura vegetal na bacia do Médio Paranapanema e modelagem da distribuição de espécies ameaçadas de extinção (Byrsonima subterranea). A metodologia empregada e os resultados obtidos foram considerados satisfatórios para a geração de modelos de distribuição geográfica de espécies vegetais, baseados em dados abióticos, para as regiões de estudo. A eficácia do modelo em predizer a ocorrência de espécies do cerrado é maior se forem utilizados apenas pontos de amostragem com fisionomias de cerrado, excluindo-se áreas de transição. Para minimizar problemas decorrentes da falta de convergência do algoritmo utilizado GARP (Genetic Algorithm for Rule Set Production), foram gerados 100 modelos para cada espécie modelada. O uso de modelagem pode auxiliar no entendimento dos padrões de distribuição de um bioma ou ecossistema em uma análise regional e local.

Rizobactérias nativas da Caatinga com potencial para redução dos efeitos da seca em soja (Glycine max L.)

No semiárido brasileiro, a vegetação predominante é a Caatinga, bioma ainda pouco explorado, que apresenta plantas e micro-organismos com alta resistência aos períodos de seca imposto pelo clima. Os micro-organismos associados às plantas deste bioma, são capazes de desenvolver mecanismos de proteção celular contra o estresse hídrico, assim como proteção vegetal contra a dessecação. O presente estudo buscou compreender as rizobactérias associadas a Mimosa artemisiana a fim de selecionar bactérias tolerantes à seca com características de promover o crescimento de plantas sob condições de estresse hídrico, diminuindo assim, os efeitos adversos impostos pela seca. As amostras de solo rizosférico foram coletadas ao longo da Caatinga, englobando os estados da BA e PE, totalizando quatro pontos de coleta. Com o uso de metodologias dependentes de cultivo, foi isolado bactérias com algumas características de promoção de crescimento de plantas diretos e/ou indiretos, como produção de AIA e fixação de nitrogênio. Além disso, linhagens capazes de crescer em meio com reduzida atividade de água e com mecanismos de proteção contra a dessecação, como, produção de EPS, biofilme, produção da ACC deaminase e indução de resistência sistêmica através das enzimas peroxidase e polifenoloxidase. Uma linhagem de Paenibacillus sp. e outra de Bacillus sp. foram capazes de promover o crescimento de soja sob condições de estresse hídrico, aumentando alguns parâmetros vegetais como, parte aérea e sistema radicular analisados.

Adequabilidade ambiental dos biomas brasileiros à ocorrência do lobo-guará (Chrysocyon brachyurus) e efeitos da composição da paisagem em sua ecologia espacial, atividade e movimentação

O lobo-guará é uma espécie de ampla distribuição na América do Sul, tendo no Brasil sua maior área de ocorrência. No entanto, as modificações das áreas naturais principalmente destinadas à agropecuária tornam a espécie vulnerável à extinção. A investigação objetivou conhecer em larga escala a área de distribuição potencial gerada por atributos ambientais favoráveis e áreas adequadas à sua ocorrência nos biomas brasileiros e investigar como a espécie responde à estrutura da paisagem, avaliando os efeitos de ambientes modificados pelo homem na sua ecologia espacial, nos padrões de atividade e na movimentação. Modelos de distribuição de espécie foram gerados pelo Maxent, utilizando uma base de pontos de localização de presença a partir de 2000 para o Cerrado (Ce), Pantanal (Pa), Mata Atlântica (MA) e Pampas (Pp) e um conjunto de onze variáveis ambientais não correlacionadas (topográficas, climáticas e paisagísticas). Para análises de ecologia espacial, das atividades e de movimentação, utilizou-se localizações de telemetria (GPS) de animais habitantes de áreas protegidas (AP), e indivíduos em paisagens modificados (AM). Análises de áreas de vida (AV) foram realizadas utilizando o estimador AKDE e associadas com classificação da paisagem local. Os modelos de distribuição do lobo-guará apresentaram uma área de distribuição potencial de 78% do total dos biomas. Apesar de possuírem grandes proporções de áreas adequadas (Ce, 90%; Pa, 93%; MA, 65% e Pp, 6%), somente um pequeno percentual (4,4% do Ce e 4,7% da MA) possui adequabilidade ambiental acima de 50%. Dos atributos que favorecem sua presença, a altitude (para todos os biomas), a precipitação (Ce e Pa), diferenças de temperatura e uso e cobertura do solo (Ma e Pp) foram os mais importantes. Em nível local, animais apresentaram média de AV de 90Km2 em AP e 41Km2 em AM, uma diferença significativa (p<0,01) com áreas diretamente proporcionais ao percentual de áreas naturais na paisagem. Ainda, apesar dos padrões regulares de atividade não mostrarem grandes mudanças, o período de repouso foi significativamente maior (p<0,01) entre os animais AM (46% do dia) que em animais AP (25% do dia). Lobos-guarás de AP e AM não apresentaram grandes diferenças no deslocamento diário com média geral de 14km caminhados por dia, com comprimentos de passos de 1Km. Diferenças no comprimento de passo foram relacionadas à composição da diversidade de contato de classes da paisagem com a proporção de ambientes naturais no passo (quanto maior as variáveis, maior o passo). Passos menores refletem menor persistência de movimento interferindo no deslocamento diário. Com os resultados desse estudo identificou-se a MA e Pa muito importantes, mas o Ce como bioma mais adequado à espécie. Foram encontrados indícios de que a estrutura de suas AV, o uso da paisagem, as atividades e movimentação são afetados pela paisagem modificada. Isso pode comprometer a viabilidade populacional, interferindo na presença em uma área e refletindo no seu potencial de distribuição. As estratégias de manejo de uso do solo, e a recuperação e conexão de áreas adequadas são urgentes e necessárias para que o lobo-guará permaneça presente e funcional nas paisagens dos biomas brasileiros.

Tropical climate and vegetation simulations during the Heinrich event 1 using an Earth System Model of Intermediate Complexity (EMIC) - the University of Victoria Earth System-Climate Model (UVic ESCM)

Abrupt climate changes from 18 to 15 thousand years before present (kyr BP) associated with Heinrich Event 1 (HE1) had a strong impact on vegetation patterns not only at high latitudes of the Northern Hemisphere, but also in the tropical regions around the Atlantic Ocean. To gain a better understanding of the linkage between high and low latitudes, we used the University of Victoria (UVic) Earth System-Climate Model (ESCM) with dynamical vegetation and land surface components to simulate four scenarios of climate-vegetation interaction: the pre-industrial era, the Last Glacial Maximum (LGM), and a Heinrich-like event with two different climate backgrounds (interglacial and glacial). We calculated mega-biomes from the plant-functional types (PFTs) generated by the model to allow for a direct comparison between model results and palynological vegetation reconstructions. Our calculated mega-biomes for the pre-industrial period and the LGM corresponded well with biome reconstructions of the modern and LGM time slices, respectively, except that our pre-industrial simulation predicted the dominance of grassland in southern Europe and our LGM simulation resulted in more forest cover in tropical and sub-tropical South America. The HE1-like simulation with a glacial climate background produced sea-surface temperature patterns and enhanced inter-hemispheric thermal gradients in accordance with the "bipolar seesaw" hypothesis. We found that the cooling of the Northern Hemisphere caused a southward shift of those PFTs that are indicative of an increased desertification and a retreat of broadleaf forests in West Africa and northern South America. The mega-biomes from our HE1 simulation agreed well with paleovegetation data from tropical Africa and northern South America. Thus, according to our model-data comparison, the reconstructed vegetation changes for the tropical regions around the Atlantic Ocean were physically consistent with the remote effects of a Heinrich event under a glacial climate background.

Results of Heinrich event 1 simulation from the University of Victoria Earth System-Climate Model (UVic ESCM) and the Community Climate System Model (CCSM3)

We investigated changes in tropical climate and vegetation cover associated with abrupt climate change during Heinrich Event 1 (HE1, ca. 17.5 ka BP) using two different global climate models: the University of Victoria Earth System-Climate Model (UVic ESCM) and the Community Climate System Model version 3 (CCSM3). Tropical South American and African pollen records suggest that the cooling of the North Atlantic Ocean during HE1 influenced the tropics through a southward shift of the rain belt. In this study, we simulated the HE1 by applying a freshwater perturbation to the North Atlantic Ocean. The resulting slowdown of the Atlantic Meridional Overturning Circulation was followed by a temperature seesaw between the Northern and Southern Hemispheres, as well as a southward shift of the tropical rain belt. The shift and the response pattern of the tropical vegetation around the Atlantic Ocean were more pronounced in the CCSM3 than in the UVic ESCM simulation. For tropical South America, opposite changes in tree and grass cover were modeled around 10° S in the CCSM3 but not in the UVic ESCM. In tropical Africa, the grass cover increased and the tree cover decreased around 15° N in the UVic ESCM and around 10° N in the CCSM3. In the CCSM3 model, the tree and grass cover in tropical Southeast Asia responded to the abrupt climate change during the HE1, which could not be found in the UVic ESCM. The biome distributions derived from both models corroborate findings from pollen records in southwestern and equatorial western Africa as well as northeastern Brazil.