Modelling tree population dynamics at the alpine and boreal tree-line ecotones in response to climate and land-use change

Summary Ecotones are sensitive to change because they contain high numbers of species living at the margin of their environmental tolerance. This is equally true of tree-lines, which are determined by attitudinal or latitudinal temperature gradients. In the current context of climate change, they are expected to undergo modifications in position, tree biomass and possibly species composition. Attitudinal and latitudinal tree-lines differ mainly in the steepness of the underlying temperature gradient: distances are larger at latitudinal tree-lines, which could have an impact on the ability of tree species to migrate in response to climate change. Aside from temperature, tree-lines are also affected on a more local level by pressure from human activities. These are also changing as a consequence of modifications in our societies and may interact with the effects of climate change. Forest dynamics models are often used for climate change simulations because of their mechanistic processes. The spatially-explicit model TreeMig was used as a base to develop a model specifically tuned for the northern European and Alpine tree-line ecotones. For the latter, a module for land-use change processes was also added. The temperature response parameters for the species in the model were first calibrated by means of tree-ring data from various species and sites at both tree-lines. This improved the growth response function in the model, but also lead to the conclusion that regeneration is probably more important than growth for controlling tree-line position and species' distributions. The second step was to implement the module for abandonment of agricultural land in the Alps, based on an existing spatial statistical model. The sensitivity of its most important variables was tested and the model's performance compared to other modelling approaches. The probability that agricultural land would be abandoned was strongly influenced by the distance from the nearest forest and the slope, bath of which are proxies for cultivation costs. When applied to a case study area, the resulting model, named TreeMig-LAb, gave the most realistic results. These were consistent with observed consequences of land-abandonment such as the expansion of the existing forest and closing up of gaps. This new model was then applied in two case study areas, one in the Swiss Alps and one in Finnish Lapland, under a variety of climate change scenarios. These were based on forecasts of temperature change over the next century by the IPCC and the HadCM3 climate model (ΔT: +1.3, +3.5 and +5.6 °C) and included a post-change stabilisation period of 300 years. The results showed radical disruptions at both tree-lines. With the most conservative climate change scenario, species' distributions simply shifted, but it took several centuries reach a new equilibrium. With the more extreme scenarios, some species disappeared from our study areas (e.g. Pinus cembra in the Alps) or dwindled to very low numbers, as they ran out of land into which they could migrate. The most striking result was the lag in the response of most species, independently from the climate change scenario or tree-line type considered. Finally, a statistical model of the effect of reindeer (Rangifer tarandus) browsing on the growth of Pinus sylvestris was developed, as a first step towards implementing human impacts at the boreal tree-line. The expected effect was an indirect one, as reindeer deplete the ground lichen cover, thought to protect the trees against adverse climate conditions. The model showed a small but significant effect of browsing, but as the link with the underlying climate variables was unclear and the model was not spatial, it was not usable as such. Developing the TreeMig-LAb model allowed to: a) establish a method for deriving species' parameters for the growth equation from tree-rings, b) highlight the importance of regeneration in determining tree-line position and species' distributions and c) improve the integration of social sciences into landscape modelling. Applying the model at the Alpine and northern European tree-lines under different climate change scenarios showed that with most forecasted levels of temperature increase, tree-lines would suffer major disruptions, with shifts in distributions and potential extinction of some tree-line species. However, these responses showed strong lags, so these effects would not become apparent before decades and could take centuries to stabilise. Résumé Les écotones son sensibles au changement en raison du nombre élevé d'espèces qui y vivent à la limite de leur tolérance environnementale. Ceci s'applique également aux limites des arbres définies par les gradients de température altitudinaux et latitudinaux. Dans le contexte actuel de changement climatique, on s'attend à ce qu'elles subissent des modifications de leur position, de la biomasse des arbres et éventuellement des essences qui les composent. Les limites altitudinales et latitudinales diffèrent essentiellement au niveau de la pente des gradients de température qui les sous-tendent les distance sont plus grandes pour les limites latitudinales, ce qui pourrait avoir un impact sur la capacité des espèces à migrer en réponse au changement climatique. En sus de la température, la limite des arbres est aussi influencée à un niveau plus local par les pressions dues aux activités humaines. Celles-ci sont aussi en mutation suite aux changements dans nos sociétés et peuvent interagir avec les effets du changement climatique. Les modèles de dynamique forestière sont souvent utilisés pour simuler les effets du changement climatique, car ils sont basés sur la modélisation de processus. Le modèle spatialement explicite TreeMig a été utilisé comme base pour développer un modèle spécialement adapté pour la limite des arbres en Europe du Nord et dans les Alpes. Pour cette dernière, un module servant à simuler des changements d'utilisation du sol a également été ajouté. Tout d'abord, les paramètres de la courbe de réponse à la température pour les espèces inclues dans le modèle ont été calibrées au moyen de données dendrochronologiques pour diverses espèces et divers sites des deux écotones. Ceci a permis d'améliorer la courbe de croissance du modèle, mais a également permis de conclure que la régénération est probablement plus déterminante que la croissance en ce qui concerne la position de la limite des arbres et la distribution des espèces. La seconde étape consistait à implémenter le module d'abandon du terrain agricole dans les Alpes, basé sur un modèle statistique spatial existant. La sensibilité des variables les plus importantes du modèle a été testée et la performance de ce dernier comparée à d'autres approches de modélisation. La probabilité qu'un terrain soit abandonné était fortement influencée par la distance à la forêt la plus proche et par la pente, qui sont tous deux des substituts pour les coûts liés à la mise en culture. Lors de l'application en situation réelle, le nouveau modèle, baptisé TreeMig-LAb, a donné les résultats les plus réalistes. Ceux-ci étaient comparables aux conséquences déjà observées de l'abandon de terrains agricoles, telles que l'expansion des forêts existantes et la fermeture des clairières. Ce nouveau modèle a ensuite été mis en application dans deux zones d'étude, l'une dans les Alpes suisses et l'autre en Laponie finlandaise, avec divers scénarios de changement climatique. Ces derniers étaient basés sur les prévisions de changement de température pour le siècle prochain établies par l'IPCC et le modèle climatique HadCM3 (ΔT: +1.3, +3.5 et +5.6 °C) et comprenaient une période de stabilisation post-changement climatique de 300 ans. Les résultats ont montré des perturbations majeures dans les deux types de limites de arbres. Avec le scénario de changement climatique le moins extrême, les distributions respectives des espèces ont subi un simple glissement, mais il a fallu plusieurs siècles pour qu'elles atteignent un nouvel équilibre. Avec les autres scénarios, certaines espèces ont disparu de la zone d'étude (p. ex. Pinus cembra dans les Alpes) ou ont vu leur population diminuer parce qu'il n'y avait plus assez de terrains disponibles dans lesquels elles puissent migrer. Le résultat le plus frappant a été le temps de latence dans la réponse de la plupart des espèces, indépendamment du scénario de changement climatique utilisé ou du type de limite des arbres. Finalement, un modèle statistique de l'effet de l'abroutissement par les rennes (Rangifer tarandus) sur la croissance de Pinus sylvestris a été développé, comme première étape en vue de l'implémentation des impacts humains sur la limite boréale des arbres. L'effet attendu était indirect, puisque les rennes réduisent la couverture de lichen sur le sol, dont on attend un effet protecteur contre les rigueurs climatiques. Le modèle a mis en évidence un effet modeste mais significatif, mais étant donné que le lien avec les variables climatiques sous jacentes était peu clair et que le modèle n'était pas appliqué dans l'espace, il n'était pas utilisable tel quel. Le développement du modèle TreeMig-LAb a permis : a) d'établir une méthode pour déduire les paramètres spécifiques de l'équation de croissance ä partir de données dendrochronologiques, b) de mettre en évidence l'importance de la régénération dans la position de la limite des arbres et la distribution des espèces et c) d'améliorer l'intégration des sciences sociales dans les modèles de paysage. L'application du modèle aux limites alpines et nord-européennes des arbres sous différents scénarios de changement climatique a montré qu'avec la plupart des niveaux d'augmentation de température prévus, la limite des arbres subirait des perturbations majeures, avec des glissements d'aires de répartition et l'extinction potentielle de certaines espèces. Cependant, ces réponses ont montré des temps de latence importants, si bien que ces effets ne seraient pas visibles avant des décennies et pourraient mettre plusieurs siècles à se stabiliser.

Spatial variation in the temporal change of male and female melanic ornamentation in the barn owl.

Because the magnitude of selection can vary between sexes and in space and time, sexually antagonistic selection is difficult to demonstrate. In a Swiss population of barn owls (Tyto alba), a heritable eumelanic colour trait (size of black spots on ventral feathers) was positively selected with respect to yearling survival only in females. It remains unclear whether the absence of negative selection in males is typical in this species. To tackle this issue indirectly, we measured the size of black spots in 1733 skin specimens collected by museums from 1816 to 2001 in seven European countries and in the Middle-East. The temporal change in spot size was sex- and country-specific. In males, spots became smaller particularly in three countries (Middle-East, Italy and Switzerland). In females, the size of spots increased significantly in two countries (UK and Spain) and decreased in two others (Germany and Switzerland). Because migration and phenotypic plasticity cannot explain these results, selection is the most likely cause. The weaker temporal change in spot size in females than males may be because of the combined effect of strong genetic correlation between the sexes and stronger negative selection in males than positive selection in females. We thus suggest that in the barn owl, spot size (or genetically correlated traits) is sexually antagonistically selected and that its pattern of selection may account for the maintenance of its variation and sexual dimorphism.

The application of agricultural land rating and crop models to CO2 and climate change issues in Northern regions : the Mackenzie Basin case study

Selostus: Viljelyvyöhykkeiden ja kasvumallien soveltaminen ilmastonmuutoksen tutkimisessa: Mackenzien jokialue, Kanada

One billion years of bZIP transcription factor evolution: conservation and change in dimerization and DNA-binding site specificity.

The genomic era has revealed that the large repertoire of observed animal phenotypes is dependent on changes in the expression patterns of a finite number of genes, which are mediated by a plethora of transcription factors (TFs) with distinct specificities. The dimerization of TFs can also increase the complexity of a genetic regulatory network manifold, by combining a small number of monomers into dimers with distinct functions. Therefore, studying the evolution of these dimerizing TFs is vital for understanding how complexity increased during animal evolution. We focus on the second largest family of dimerizing TFs, the basic-region leucine zipper (bZIP), and infer when it expanded and how bZIP DNA-binding and dimerization functions evolved during the major phases of animal evolution. Specifically, we classify the metazoan bZIPs into 19 families and confirm the ancient nature of at least 13 of these families, predating the split of the cnidaria. We observe fixation of a core dimerization network in the last common ancestor of protostomes-deuterostomes. This was followed by an expansion of the number of proteins in the network, but no major dimerization changes in interaction partners, during the emergence of vertebrates. In conclusion, the bZIPs are an excellent model with which to understand how DNA binding and protein interactions of TFs evolved during animal evolution.

Major environmental change and bonebed genesis prior to the Triassic-Jurassic mass extinction

We present new geochemical and sedimentological data from marginal marine strata of Penarth Bay, south Wales (UK) to elucidate the origin of widespread but enigmatic concentrations of vertebrate hard parts (bonebeds) in marine successions of Rhaetian age (late Triassic). Sedimentological evidence shows that the phosphatic constituents of the bonebeds were subjected to intense phosphatization in shallow current-dominated settings and subsequently reworked and transported basinward by storms. Interbedded organic-rich strata deposited under quiescent and poorly oxygenated conditions record enhanced phosphorus regeneration from sedimentary organic matter into the water column and probably provided the main source of phosphate required for heavy bonebed clast phosphatization. The stratigraphically limited interval showing evidence for oxygen depletion and accelerated P-cycling coincides with a negative 4% organic carbon isotope excursion, which possibly reflects supra-regional changes in carbon cycling and clearly predates the 'initial isotope excursion' characterizing many Triassic-Jurassic boundary strata. our data indicate that Rhaetian bonebeds are the lithological signature of profound, climatically driven changes in carbon cycling and redox conditions and support the idea of a multi-pulsed environmental crisis at the end of the Triassic, possibly linked to successive episodes of igneous activity in the central Atlantic Magmatic Province.

Northern agriculture : constraints and responses to global climate change

Selostus: Maatalous pohjoisilla äärialueilla: ilmastolliset rajoitukset ja ilmaston muutosten vaikutukset viljelyyn

Molecular players shaping the arbuscular mycorrhizal symbiosis of rice

SUMMARY : The arbuscular mycorrhizal (AM) symbiosis is an evolutionarily ancient association between most land plants and Glomeromycotan fungi that is based on the mutual exchange of nutrients between the two partners. Its structural and physiological establishment is a multi-step process involving a tightly regulated signal exchange leading to intracellular colonization of roots by the fungi. Most research on the molecular biology and genetics of symbiosis development has been performed in dicotyledonous model legumes. In these, a plant signaling pathway, the common SYM pathway, has been found to be required for accommodation of both root symbionts rhizobia and AM fungi. Rice, a monocotyledon model and the world's most important staple crop also forms AM symbioses, has been largely ignored for studies of the AM symbiosis. Therefore in this PhD work functional conservation of the common SYM pathway in rice was addressed and demonstrated. Mycorrhiza-specific marker genes were established that are expressed at different stages of AM development and therefore represent readouts for various AM-specific signaling events. These tools were successfully used to obtain evidence for a yet unknown signaling network comprising common SYM-dependent and -independent events. In legumes AM colonization induces common SYM signaling dependent changes in root system architecture. It was demonstrated that also in rice, root system architecture changes in response to AM colonization but these alterations occur independently of common SYM signaling. The rice root system is complex and contains three different root types. It was shown that root type identity influences the quantity of AM colonization, indicating root type specific symbiotic properties. Interestingly, the root types differed in their transcriptional responses to AM colonization and the less colonized root type responded more dramatically than the more strongly colonized root type. Finally, in an independent project a novel mutant, inhospitable (iho), was discovered. It is perturbed at the most early step of AM colonization, namely differentiation of the AM fungal hyphae into a hyphopodium at the root surface. As plant factors required for this early step are not known, identification of the IHO gene will greatly contribute to the advance of mycorrhiza RÉSUMÉ : La symbiose mycorhizienne arbusculaire (AM) est une association évolutionnairement ancienne entre la majorité des plantes terrestres et les champignons du type Glomeromycota, basée sur l'échange mutuel d'éléments nutritifs entre les deux partenaires. Son établissement structural et physiologique est un processus en plusieurs étapes, impliquant des échanges de signaux étroitement contrôlés, aboutissant à la colonisation intracellulaire des racines par le champignon. La plupart des recherches sur la biologie moléculaire et la génétique du développement de la symbiose ont été effectuées sur des légumineuses dicotylédones modèles. Dans ces dernières, une voie de signalisation, la voie SYM, s'est avérée nécessaire pour permettre la mise en place de la symbiose mycorhizienne. Chez les plantes monocotylédones, comme le riz, une des céréales les plus importantes, nourrissant la moitié de la population mondiale, peu de recherches ont été effectuées sur les bases de la cette symbiose. Dans ce travail de thèse, la conservation fonctionnelle de la voie commune SYM chez le riz a été étudiée et démontrée. De plus, des gènes marqueurs spécifiques des différentes étapes du développement de l'AM ont été identifiés, permettant ainsi d'avoir des traceurs de la colonisation. Ces outils ont été utilisés avec succès pour démontrer l'existence d'un nouveau réseau de signalisation, comprenant des éléments SYM dépendant et indépendant. Chez les légumineuses, la colonisation par les AM induit des changements dans l'architecture du système racinaire, via la signalisation SYM dépendantes. Cependant chez le riz, il a été démontré que l'architecture de système racinaire changeait suite à la colonisation de l'AM, mais ceux, de façon SYM indépendante. Le système racinaire du riz est complexe et contient trois types différents de racines. Il a été démontré que le type de racine pouvait influencer l'efficacité de la colonisation par l'AM, indiquant que les racines ont des propriétés symbiotiques spécifiques différentes. De façon surprenante, les divers types de racines répondent de différemment suite à colonisation par l'AM avec des changements de la expression des gènes. Le type de racine le moins colonisé, répondant le plus fortement a la colonisation, et inversement. En parallèle, dans un projet indépendant, un nouveau mutant, inhospitable (iho), a été identifié. Ce mutant est perturbé lors de l'étape la plus précoce de la colonisation par l'AM, à savoir la différentiation des hyphes fongiques de l'AM en hyphopodium, à la surface des racines. Les facteurs d'origine végétale requis pour cette étape étant encore inconnus, l'identification du gène IHO contribuera considérablement a accroître nos connaissance sur les bases de la mise en place de cette symbiose.

Potential economic effects of climate change on Finnish agriculture

Selostus: Ilmastonmuutoksen taloudelliset vaikutukset suomalaiseen maatalouteen

Intracellular ubiquitylation of the epithelial Na+ channel controls extracellular proteolytic channel activation via conformational change.

The epithelial Na(+) channel ENaC is a key player in the maintenance of whole body Na(+) balance, and consequently of blood pressure. It is tightly regulated by numerous signaling pathways including ubiquitylation via the ubiquitin-protein ligase Nedd4-2. This mechanism is itself under the control of several kinases, which phosphorylate Nedd4-2, thereby interfering with ENaC/Nedd4-2 interaction, or by Usp2-45, which binds to and deubiquitylates ENaC. Another, different regulatory mechanism concerns the proteolytic activation of ENaC, during which the channel is cleaved on its luminal side by intracellular convertases such as furin, and further activated by extracellular proteases such as CAP-1. This process is regulated as well but the underlying mechanisms are not understood. Previously, evidence was provided that the ubiquitylation status of ENaC may affect the cleavage of the channel. When ubiquitylation of ENaC was reduced, either by co-expressing Usp2-45, or mutating either the ENaC PY-motifs (i.e. the binding sites for Nedd4-2) or intracellular lysines (i.e. ubiquitylation sites), the level of channel cleavage was increased. Here we demonstrate that lysine-mutated ENaC channels are not ubiquitylated at the cell surface, are preferentially cleaved, and Usp2-45 does not affect their cleavage efficiency. We further show by limited proteolysis that the intracellular ubiquitylation status of ENaC affects the extracellular conformation of αENaC, by demonstrating that non-ubiquitylated channels are more efficiently cleaved when treated with extracellularly added trypsin or chymotrypsin. These results present a new paradigm in which an intracellular, post-translational modification (e.g. ubiquitylation) of a transmembrane protein can affect its extracellular conformation.