Call number:
AWI Bio-23-95302
Description / Table of Contents:
Climate change of anthropogenic origin is affecting Earth’s biodiversity and therefore ecosystems and their services. High latitude ecosystems are even more impacted than the rest of Northern Hemisphere because of the amplified polar warming. Still, it is challenging to predict the dynamics of high latitude ecosystems because of complex interaction between abiotic and biotic components. As the past is the key to the future, the interpretation of past ecological changes to better understand ongoing processes is possible. In the Quaternary, the Pleistocene experienced several glacial and interglacial stages that affected past ecosystems. During the last Glacial, the Pleistocene steppe-tundra was covering most of unglaciated northern hemisphere and disappeared in parallel to the megafauna’s extinction at the transition to the Holocene (~11,700 years ago). The origin of the steppe-tundra decline is not well understood and knowledge on the mechanisms, which caused shifts in past communities and ecosystems, is of high priority as they are likely comparable to those affecting modern ecosystems. Lake or permafrost core sediments can be retrieved to investigate past biodiversity at transitions between glacial and interglacial stages. Siberia and Beringia were the origin of dispersal of the steppe-tundra, which make investigation this area of high priority. Until recently, macrofossils and pollen were the most common approaches. They are designed to reconstruct past composition changes but have limit and biases. Since the end of the 20th century, sedimentary ancient DNA (sedaDNA) can also be investigated. My main objectives were, by using sedaDNA approaches to provide scientific evidence of compositional and diversity changes in the Northern Hemisphere ecosystems at the transition between Quaternary glacial and interglacial stages.
In this thesis, I provide snapshots of entire ancient ecosystems and describe compositional changes between Quaternary glacial and interglacial stages, and confirm the vegetation composition and the spatial and temporal boundaries of the Pleistocene steppe-tundra. I identify a general loss of plant diversity with extinction events happening in parallel of megafauna’ extinction. I demonstrate how loss of biotic resilience led to the collapse of a previously well-established system and discuss my results in regards to the ongoing climate change. With further work to constrain biases and limits, sedaDNA can be used in parallel or even replace the more established macrofossils and pollen approaches as my results support the robustness and potential of sedaDNA to answer new palaeoecological questions such as plant diversity changes, loss and provide snapshots of entire ancient biota.
Description / Table of Contents:
Der vom Menschen verursachte Klimawandel wirkt sich auf die biologische Vielfalt der Erde und damit auf die Ökosysteme und ihre Leistungen aus. Die Ökosysteme in den hohen Breitengraden sind aufgrund der verstärkten Erwärmung an den Polen noch stärker betroffen als der Rest der nördlichen Hemisphäre. Dennoch ist es schwierig, die Dynamik von Ökosystemen in den hohen Breitengraden vorherzusagen, da die Wechselwirkungen zwischen abiotischen und biotischen Komponenten sehr komplex sind. Da die Vergangenheit der Schlüssel zur Zukunft ist, ist die Interpretation vergangener ökologischer Veränderungen möglich, um laufende Prozesse besser zu verstehen. Im Quartär durchlief das Pleistozän mehrere glaziale und interglaziale Phasen, welche die Ökosysteme der Vergangenheit beeinflussten. Während des letzten Glazials bedeckte die pleistozäne Steppentundra den größten Teil der unvergletscherten nördlichen Hemisphäre und verschwand parallel zum Aussterben der Megafauna am Übergang zum Holozän (vor etwa 11 700 Jahren). Der Ursprung des Rückgangs der Steppentundra ist nicht gut erforscht, und die Kenntnis über die Mechanismen, die zu den Veränderungen in den vergangenen Lebensgemeinschaften und Ökosystemen geführt haben, ist von hoher Priorität, da sie wahrscheinlich mit denen vergleichbar sind, die sich auf moderne Ökosysteme auswirken. Durch die Entnahme von See- oder Permafrostkernsedimenten kann die vergangene Artenvielfalt an den Übergängen zwischen Eis- und Zwischeneiszeiten untersucht werden. Sibirien und Beringia waren der Ursprung der Ausbreitung der Steppentundra, weshalb die Untersuchung dieses Gebiets hohe Priorität hat. Bis vor kurzem waren Makrofossilien und Pollen die gängigsten Methoden. Sie dienen der Rekonstruktion vergangener Veränderungen in der Zusammensetzung der Bevölkerung, haben aber ihre Grenzen und Schwächen. Seit Ende des 20. Jahrhunderts kann auch sedimentäre alte DNA (sedaDNA) untersucht werden. Mein Hauptziel war es, durch den Einsatz von sedaDNA-Ansätzen wissenschaftliche Beweise für Veränderungen in der Zusammensetzung und Vielfalt der Ökosysteme der nördlichen Hemisphäre am Übergang zwischen den quartären Eiszeiten und Zwischeneiszeiten zu liefern.
In dieser Arbeit liefere ich Momentaufnahmen ganzer alter Ökosysteme und beschreibe die Veränderungen in der Zusammensetzung zwischen Quartärglazialen und Interglazialen und bestätige die Vegetationszusammensetzung sowie die räumlichen und zeitlichen Grenzen der pleistozänen Steppentundra. Ich stelle einen allgemeinen Verlust der Pflanzenvielfalt fest, wobei das Aussterben der Pflanzen parallel zum Aussterben der Megafauna verlief. Ich zeige auf, wie der Verlust der biotischen Widerstandsfähigkeit zum Zusammenbruch eines zuvor gut etablierten Systems führte, und diskutiere meine Ergebnisse im Hinblick auf den laufenden Klimawandel. Mit weiteren Arbeiten zur Eingrenzung von Verzerrungen und Grenzen kann sedaDNA parallel zu den etablierteren Makrofossilien- und Pollenansätzen verwendet werden oder diese sogar ersetzen, da meine Ergebnisse die Robustheit und das Potenzial von sedaDNA zur Beantwortung neuer paläoökologischer Fragen wie Veränderungen der Pflanzenvielfalt und -verluste belegen und Momentaufnahmen ganzer alter Biota liefern.
Type of Medium:
Dissertations
Pages:
vi, 217 Seiten
,
Illustrationen, Diagramme, Karten
URL:
https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-595847
URL:
https://doi.org/10.25932/publishup-59584
URN:
urn:nbn:de:kobv:517-opus4-595847
DOI:
10.25932/publishup-59584
Language:
English
Note:
Dissertation, Universität Potsdam, 2023
,
TABLE OF CONTENTS
Acknowledgements
Summary
Zusammenfassung
1 General introduction
1.1 A changing world
1.1.1 Global changes of anthropogenic origin
1.1.2 Amplified crisis in the high latitudes
1.2 The past is the key to the future
1.2.1 The Quaternary glacial and interglacial stages
1.2.2 The Beringia study case
1.3 Investigating past biodiversity
1.3.1 Traditional tools
1.3.2 Newest sedaDNA proxies
1.4 Motivation and aims of the thesis
1.5 Structure of the thesis
1.6 Author’s contributions
2 Manuscript I
2.1 Abstract
2.2 Introduction
2.3 Materials and Methods
2.3.1 Geographical settings
2.3.2 Fieldwork and subsampling
2.3.3 Core splicing and dating
2.3.4 Sediment-geochemical analyses
2.3.5 Pollen analysis
2.3.6 Molecular genetic preparation
2.3.7 Processing of sedaDNA data
2.3.8 Statistical analysis and visualization
2.4 Results
2.4.1 Age model
2.4.2 Sediment-geochemical core composition
2.4.3 Pollen stratigraphy
2.4.4 sedaDNA composition
2.4.5 Comparison between pollen and sedaDNA
2.4.6 Taxa richness investigation
2.5 Discussion
2.5.1 Proxy validation
2.5.2 Vegetation compositional changes in response to climate inferred from pollen and sedaDNA records
2.5.3 The steppe-tundra of the Late Pleistocene
2.5.4 The disrupted Pleistocene-Holocene transition
2.5.5 The boreal forest of the Holocene
2.5.6 Changes in vegetation richness through the Pleistocene/Holocene transition inferred from the sedaDNA record
2.6 Conclusion
Data availability statement
Funding
References
3 Manuscript II
3.1 Abstract
3.2 Introduction
3.3 Material and Method
3.3.1 Site description and timeframe
3.3.2 Sampling, DNA extraction and PCR
3.3.3 Filtering and cleaning dataset
3.3.4 Identification of taxa – species signal
3.3.5 Resampling
3.3.6 Assessment of the species pool stability
3.3.7 Quantification of extinct and extirpated taxa
3.3.8 Characterisation of species and candidate species
3.4 Results
3.4.1 Changes in the composition and species pool at the Pleistocene - Holocene transition
3.4.2 Decrease in the regional plant species richness between the Pleistocene and the Holocene
3.4.3 Identification of loss taxa events
3.4.4 Characterisation of lost taxa
3.5 Discussion
3.5.1 Biotic and abiotic changes in the ecosystem - a cocktail for extinction
3.5.2 Identification and quantification of potential plant taxa loss
3.5.3 Characterisation of potential taxa loss
3.5.4 Limits of the method
3.5.5 Conclusions and perspectives
Funding
References
4 Manuscript III
4.1 Abstract
4.2 Introduction
4.3 Material & Methods
4.3.1 Fieldwork and subsampling
4.3.2 Chronology
4.3.3 Pollen analysis
4.3.4 Isolation of sedimentary ancient DNA
4.3.5 Metabarcoding approach
4.3.6 Shotgun approach
4.3.7 Bioinformatic processing
4.4 Results
4.4.1 General results of the three approaches: pollen, metabarcoding and shotgun sequencing
4.4.2 Plants (Viridiplantae)
4.4.3 Fungi
4.4.4 Mammals (Mammalia)
4.4.5 Birds (Aves)
4.4.6 Insects (Insecta)
4.4.7 Prokaryotes (Bacteria, Archaea) and Viruses
4.5 Discussion
4.5.1 Interglacial communities
4.5.2 Glacial communities
4.5.3 Potential and limitations of the sedaDNA shotgun approach applied to ancient permafrost sediments
4.6 Conclusions
Data availability statement
Funding
References
5 Synthesis
5.1 Ecological changes between glacial and interglacial stages
5.1.1 Changes in the compositional structure
5.1.2 Loss of plant diversity
5.1.3 Potential drivers of change
5.2 High potential of sedaDNA for past biodiversity reconstruction
5.3 Conclusions and future perspectives
Bibliography
Appendices
Appendix 1: Supplementary material for Manuscript I
Appendix 2: Supplementary material for Manuscript II
Appendix 3: Supplementary material for Manuscript III
Appendix 4: Manuscript IV
Eidesstattliche Erklärung
Location:
AWI Reading room
Branch Library:
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