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Trophic niche differentiation, sex ratio and phylogeography of European Collembola

Chahartaghi Abnieh, Masoumeh :
Trophic niche differentiation, sex ratio and phylogeography of European Collembola.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2007)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Trophic niche differentiation, sex ratio and phylogeography of European Collembola
Language: English
Abstract:

Collembola are important soil-dwelling animals reaching high diversity and density. For understanding driving factors for Collembola density and diversity this study investigated (1) trophic niche differentiation of Collembola species using stable isotope analysis, (2) mode of reproduction and sex ratios in the field, (3) colonization of new habitats by parthenogenetic and sexual species and (4) the genetic variation in parthenogenetic and sexual species in Europe. To evaluate trophic niche differentiation the natural variation in nitrogen isotopes was assessed in 20 Collembola taxa from three deciduous forests stands. The 15N gradient spanned over 9  units, which implies a wide range in food sources used. Assuming a shift in 15N of about 3 ‰ per trophic level, the results indicate a range of three trophic levels. The 15N signature formed a continuum from phycophages/herbivores to primary and secondary decomposers, reflecting a gradual shift from more detrital to more microbial diets. These results suggest that trophic niche differentiation is an important mechanism for the maintenance of the high number of Collembola species in forst ecosystems. The sex ratios of Collembola species were assessed in a temperate oak-beech forest in two months intervals during one year. A total of 6 species, including the abundant Mesaphorura machrochaeta, Parisotoma notabilis, Neanura muscorum and Isotomiella minor formed pure female populations suggesting that they reproduced by parthenogenesis. A total of 22 species including the common species Folsomia quadrioculata, Protaphorura fimata and Lepidocyrtus lignorum formed bisexual populations, suggesting that sexual reproduction predominates in Collembola of the studied forest. In agreement with earlier studies parthenogenetic species predominated deeper in the soil (euedaphic species), but some parthenogenetic species were hemiedaphic. The sex ratio of bisexual Collembola species in the litter layer generally was more female biased than that in the mineral soil. Presumably, females concentrate at sites with high density of resources whereas males are relatively more abundant at sites more favourable for spermatophore placement. Sexual and parthenogenetic species may respond differently to environmental changes, e.g. to the availability of resources. We hypothesized that parthenogenetic species are more sensitive to resource depletion than sexual species, and that they will colonize available habitats faster due to their faster mode of reproduction. In contrast to our hypotheses, parthenogenetic and sexual Collembola species were similarly affected by resource depletion. In agreement with our hypothesis, the proportion of parthenogenetic species increased with time when free habitats and plenty of resources were available, indicating that parthenogenetic species are faster colonizers. Intraspecefic genetic variation was investigated using molecular markers, mtDNA (COI) in two sexual species, Folsomia quadrioculata and Ceratophysella denticulata, and two parthenogenetic species, Parisotoma notabilis and Isotomiella minor. The variation of mtDNA (COI) showed Collembola species comprises of ancient lineages which colonized Europe in particular southern and central Europe in the pre-Pleistocene irrespective of the mode of reproduction. In each of the species studied lineages were separated by deep splits, especially in central and southern regions, suggesting that the colonization of Europe by these species predates the Pleistocene, potentially dating back to the lower Tertiary. Recent colonization by Collembola species of some locations especially in the north including Scandinavia, Marion Island, Ringnes Island and Siberia was inferred. The hypothesis that central European Collembola populations originated from southern refugia after the last glaciation was rejected. The deep splits in each of the four Collembola species studied indicate that Collembola species in general constitute of a number of cryptic species with complex phylogeographic history.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Springschwänze (Collembola) sind wichtige bodenlebende Tiere, die eine hohe Diversität und Dichte erreichen. Um die Faktoren, die für Dichte und Diversität verantwortlich sind zu verstehen, wurden im Rahmen dieser Arbeit folgende Untersuchungen vorgenommen (1) trophische Nischendifferenzierung, (2) Art und Weise der Reproduktion und Geschlechterverhältnisse im Feld, (3) Kolonisierung von neuen Habitaten durch parthenogenetische und sexuelle Arten und (4) die genetische Variation in parthenogenetischen und sexuellen Arten in Europa. Zur Untersuchung der trophischen Nischendifferenzierung wurde die natürliche Variation von Stickstoffisotopen in 20 Springschwanztaxa von drei Laubwäldern gemessen. Der δ15N Gradient schloss 9 δ-Einheiten ein, was auf die Nutzung einer großen Auswahl von Nahrungsquellen hindeutet. Unter der Annahme, dass pro trophischer Ebene eine 15N Anreicherung von 3 ‰ stattfindet, zeigen unsere Ergebnisse, dass Springschwänze drei trophische Ebenen einnehmen. Die δ15N Signatur zeigte ein Kontinuum von Phycophagie/Herbivorie zu primären und sekundären Zersetzern, und spiegelt einen abgestuften Wechsel von einer Ernährungsweise als Zersetzer zu einer mikrobiellen Ernährung wider. Diese Ergebnisse zeigen, dass trophische Nischendifferenzierung ein wichtiger Mechanismus für den Erhalt der hohen Diversität von Springschwanzarten in Waldökosystemen ist. Die Geschlechterverhältnisse von Springschwanzarten wurden über ein Jahr in einem temperierten Eichen-Buchen-Wald im Intervall von zwei Monaten aufgenommen. Insgesamt sechs Arten, darunter die abundanten Arten Mesaphorura macrochaeta, Parisotoma notabilis, Neanura muscorum und Isotomiella minor bildeten reine Weibchenpopulationen, was auf parthenogenetische Reproduktion hinweist. Insgesamt 22 Arten, darunter die häufigen Arten Folsomia quadrioculata, Protaphorura fimata und Lepidocyrtus lignorum bildeten zweigeschlechtliche Populationen, was auf darauf hinweist, dass sexuelle Reproduktion bei Springschwänzen im untersuchten Wald vorherrscht. In Übereinstimmung mit früheren Untersuchungen dominierten parthenogenetische Arten in tieferen Bodenschichten (euedaphische Arten), aber einige parthenogenetische Arten waren hemiedaphisch. Bei zweigeschlechtlichen Springschwanzarten war das Geschlechterverhältnis in der Streuschicht im Vergleich zu tieferen Bodenschichten allgemein zu mehr Weibchen verschoben. Vermutlich sammeln sich Weibchen an Orten mit hoher Ressourcendichte, während Männchen eher an Orten häufig sind, die für die Ablage von Spermatophoren geeignet sind. Wir hypothetisierten, dass parthenogenetische Arten sensibler auf die Erschöpfung von Ressourcen reagieren als sexuelle Arten und dass parthenogenetische Arten aufgrund ihrer schnelleren Reproduktion zugängliche Habitate schneller kolonisieren als sexuelle Arten. Im Gegensatz zu unserer Hypothese waren parthenogenetische und sexuelle Springschwanzarten durch Erschöpfung von Ressourcen ähnlich beeinflusst. In Übereinstimmung mit unserer Hypothese stieg der Anteil parthenogenetischer Arten an wenn freie Habitate und viele Ressourcen zur Verfügung standen, was auf das schnellere Kolonisierungspotenzial von parthenogenetischen Arten hinweist. Intraspezifische genetische Variation wurde mit molekularen Markern, mtDNA (COI), in zwei sexuellen Arten, Folsomia quadrioculata und Ceratophysella denticulata, und zwei parthenogenetischen Arten, Parisotoma notabilis und Isotomiella minor, untersucht. Die Variation von mtDNA (COI) zeigte, dass Springschwanzarten aus alten Linien bestehen, die insbesondere Süd- und Mitteleuropa vor dem Pleistozän besiedelten; dies erfolgte unabhängig von ihrem Reproduktionstyp. In jeder der untersuchten Arten wurden Linien durch tiefe Splits getrennt, besonders in Individuen aus Zentral- und Südeuropa. Dies deutet darauf hin, dass die Kolonisierung Europas durch diese Arten vor dem Pleistozän geschah, möglicherweise bereits im unteren Tertiär. Regionen im Norden, darunter Skandinavien, Ringness Island und Sibirien, wurden dagegen erst in jüngerer Zeit besiedelt. Die Hypothese, dass die Springschwanzpopulationen Mitteleuropas aus südlichen Refugien stammen, die nach der letzten Eiszeit eingewandert sind, wurde verworfen. Die tiefen Splits in jeder der vier untersuchten Springschwanzarten zeigten, dass diese Arten aus einer Anzahl von kryptischen Arten mit komplexer phylogeographischen Geschichte bestehen.German
Uncontrolled Keywords: Springschwänze, Bodentiere, Jungfernzeugung
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Springschwänze, Bodentiere, JungfernzeugungGerman
Collembola, soil fauna, Ecology, Biogeography, parthenogenesis, food resources, LimitationEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Divisions: Biology
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:53
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000850
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-8503
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Scheu, Prof.Dr. Stefan and Ruess, Dr. -habil Liliane
Advisors: Scheu, Prof.Dr. Stefan
Refereed: 19 June 2007
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/850
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