Searching for an ecological indicator based on plant functional diversity along a climatic gradient

Tese de mestrado. Biologia (Ecologia e Gestão Ambiental). Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2012Searching for early indicators of climate change is of utmost importance in drylands, since these regions are particularly sensitive to desertification, due to water scarcity and land-use impacts. Our main objective was to search for a potential ecological indicator of climate change. For that, plant community was assessed along a spatial climatic gradient in a dryland area located in southern Portugal. Plant community was assessed in 15 sites that varied in mean annual precipitation (521-634mm) and mean annual temperature (16-17°C), in Mediterranean grasslands. Plant community was studied both in a classical approach (species diversity and plant cover) and in a functional approach (through the analysis of several a priori functional groups and measured traits related to climate) and related to climatic variables. The point-line intercept method was used to assess plant community. A priori functional groups were based on life form, life cycle and families. Traits measured were biomass, height and SLA. The sampled sites were dominated by annual grasses. Species richness and plant cover decreased significantly with increasing aridity. Considering a priori functional groups, the cover of hemicryptophytes decreased with increasing aridity, as well as cover of perennial grasses and annual legumes while cover of annual grasses remained unchanged. Along the climatic gradient, a community shift was found based on relative cover (relative % in the plant community): annual grasses and Plantaginaceae species increased their relative cover with increasing aridity, while perennial grasses, annual legumes and Caryophillaceae species decreased in relative cover. A multivariate analysis grouped species in a manner consistent with the previous result. Among a priori functional groups, the most promising groups with potential to be used as ecological indicators are perennial grasses and annual legumes and the previously mentioned community shift. Biomass and height changed along the climatic gradient, although the response pattern found for dominant species did not always match the response of their respective a priori functional groups. For example while height of annual grasses increased with precipitation, height of the dominant annual grass A. pourretti did not significantly changed. Specific leaf area, which was analyzed only for the Compositae species Tolpis barbata, decreased with increasing aridity as well. Considering that the height of this species also decreased, this suggests a change in the physiological performance along the climatic gradient. Moreover it reflects the phenotypic plasticity of this species. In sum, the response of specific traits (e.g. height or SLA) measured in the same species along the gradient seems to have the potential to be used as an ecological indicator of climate change, especially in species with global distribution.As alterações climáticas podem ter consequências especialmente graves em zonas áridas, uma vez que a escassez de água aliada a pequenas alterações no clima ou na gestão do uso do solo podem gerar transformações abruptas e dificilmente reversíveis, comprometendo os serviços prestados pelos ecossistemas (MEA 2005). A produtividade nestas zonas já é limitada pela falta de água e, neste contexto, as alterações climáticas podem inclusivé induzir um processo de desertificação iminente (UNCCD 2011). Assim, a procura de indicadores ecológicos, i.e. parâmetros do ecossistema que reflictam a sua resposta a determinado factor ambiental (Turnhout et al. 2007), que permitam antecipar os efeitos das alterações climáticas é de extrema importância (MEA 2005). As previsões climáticas para Portugal apontam para um decréscimo de precipitação ao longo do próximo século, especialmente acentuado na região sudoeste do país (Costa et al. 2012). Esta região tem atualmente valores de precipitação muito baixos (Rosário 2004) pelo que está classificada como zona árida, de acordo com classificação da Convenção das Nações Unidas para o Combate à Desertificação (MEA 2005), apresentando uma elevada variabilidade interanual (Soares et al. 2012). Estas características tornam-na uma zona susceptível a processos de desertificação que poderão ser acentuados pelas referidas previsões climáticas. Atributos funcionais são características mensuráveis das plantas, relacionados com o seu funcionamento, modelando a forma como respondem a variáveis ambientais ou influenciam os processos do ecossistema (Lavorel et al. 2007a). A utilização de grupos funcionais – grupos de espécies com atributos semelhantes – é muito vantajosa pois além de fornecer informação sobre os processos dos ecossistemas, inacessível numa abordagem baseada na composição específica, foi também demonstrada a relação entre diversidade funcional e vários factores de perturbação tais como pastoreio, disponibilidade de nutrientes, fogo, etc. (Scherer-Lorenzen 2005, Lavorel et al. 2007a). Acresce que, ao contrário de uma abordagem clássica baseada apenas na diversidade específica, esta permite comparar diferentes comunidades vegetais sob o ponto de vista funcional. Neste trabalho, pretende-se encontrar um potencial indicador ecológico dos efeitos das alterações climáticas. Para isso, avaliou-se a comunidade vegetal ao longo de um gradiente climático, localizado em clima mediterrânico, usando quer uma abordagem específica, quer uma baseada na diversidade funcional. A comunidade vegetal foi avaliada ao longo de um gradiente climático espacial, no qual a precipitação média anual variou entre 521 e 634mm. Os 15 locais amostrados localizados em Montado de azinho são homogéneos relativamente a uma série de parâmetros (baixa intensidade de pastoreio, tipo de solo, altitude, pH, litologia e não ocorrência de fogo recente) e foram aleatoriamente selecionados após estratificação baseada na precipitação média anual dos últimos 50 anos. A comunidade vegetal foi amostrada usando o método dos quadrados pontuais. As espécies encontradas foram classificadas em vários grupos funcionais definidos a priori, relacionados com a forma de vida, o ciclo de vida e a família taxonómica (como uma aproximação à classificação por grupos funcionais, uma vez que agrupam espécies que partilham uma série de características). Alguns atributos funcionais foram medidos: biomassa, altura vegetativa e área específica foliar. De uma forma geral, este estudo pretende responder às seguintes questões: i) a diversidade específica e a cobertura de plantas variam ao longo do gradiente?; ii) qual o padrão de resposta dos vários grupos funcionais?; iii) ocorrem mudanças ao nível da comunidade como um todo (em termos de cobertura relativa)?; iv) podem os atributos funcionais ser usados para avaliar gradientes climáticos, ao nível da espécie e ao nível da comunidade?; v) será possível identificar um limiar após o qual ocorram alterações significativas ou abruptas no ecossistema?; vi) quais são os caracteres ou grupos funcionais com maior potencial para se tornarem indicadores ecológicos de alterações climáticas? Uma vez que indicadores ecológicos devem ser parâmetros simples e de medição o mais expedita possível, de modo a potenciar uma utilização a larga-escala, a estrutura deste trabalho segue uma linha de crescente especificidade nos parâmetros avaliados começando por parâmetros relativamente simples, nomeadamente diversidade específica e cobertura, seguida por uma avaliação ao nível do grupo funcional e terminando numa avaliação ao nível específico. Considerando os 15 locais amostrados, foram identificadas ao todo 146 espécies, na qual a sua maioria pertence às famílias Graminae (37 espécies), Compositae (29) e Leguminosae (22). A cobertura de plantas foi, em média, ca. de 80%, dominada por gramíneas anuais, que ocupavam, em média, 51.8% da comunidade vegetal. A diversidade específica e cobertura de plantas aumentou significativamente com o aumento da aridez (i.e., ao longo do gradiente climático). No entanto, visto que estes parâmetros estão muito dependentes do clima e uso do solo, sugere-se que um indicador ecológico baseado na diversidade funcional será mais apropriado para uma aplicação a larga-escala. Considerando os grupos funcionais avaliados, os resultados mostraram que a cobertura de espécies hemicriptófitas diminuiu com o aumento da aridez, bem como a cobertura de gramíneas perenes e de leguminosas anuais, enquanto que a cobertura de gramíneas anuais permaneceu inalterada. Esta classificação que tem em conta conjuntamente a família e o ciclo de vida (ex. gramíneas perenes), mostrou ser mais eficaz do que os primeiros grupos funcionais avaliados, que têm em conta apenas um atributo (apenas forma de vida, por exemplo). Portanto, com base nestes resultados, os grupos que parecem ter maior potencial para se tornarem indicadores ecológicos das alterações climáticas são as gramíneas perenes e as leguminosas anuais. Estes resultados estão de acordo com vários estudos que associam gramíneas perenes e leguminosas a sítios mais húmidos. Ao analisar a cobertura relativa (%) de locais em extremos opostos deste gradiente climático, verificou-se que, além dos grupos acima referidos, também outros taxa variavam a sua cobertura relativa. Verificou-se que 2 grandes grupos variavam inversamente: à medida que os locais são cada vez mais áridos, a cobertura relativa de um grupo composto pelas gramíneas anuais e espécies Plantagináceas aumenta (de ca. 40% para 60%), enquanto que outro grupo composto pelas gramíneas perenes, leguminosas anuais e espécies Cariofiláceas diminui (de ca. de 30% para 10%). Uma vez que estes resultados são com base em grupos funcionais feitos a priori, foi também efetuada uma análise multivariada para verificar como as espécies se associavam entre si. Os resultados são consistentes com os grupos funcionais considerados. No entanto, também permitiu verificar que, dentro dos grupos funcionais, podem existir espécies que não mostram o mesmo padrão de resposta que o grupo funcional em que se esta insere, o que sugere que a comunidade vegetal deve continuar a ser analisada, de modo a refinar os grupos funcionais considerados. A biomassa e a altura vegetativa são atributos funcionais que mostraram responder ao gradiente climático, embora a resposta varie entre os vários grupos funcionais e as espécies dominantes. A área específica foliar, medida para a espécie Tolpis barbata, diminuiu significativamente com o aumento da aridez. Considerando que a altura vegetativa desta espécie também decresceu, a resposta conjunta destes dois atributos funcionais sugere que há uma reposta fisiológica por parte da planta ao gradiente climático. Os resultados sugerem que a resposta destes atributos funcionais medidos na mesma espécie ao longo do gradiente, pode constituir um potencial indicador ecológico. No entanto, para que um indicador ecológico deste tipo seja aplicável em larga-escala, deve ser utilizado numa espécie com distribuição global

Tumor-Infiltrating T Cells Correlate with NY-ESO-1-Specific Autoantibodies in Ovarian Cancer

BACKGROUND: Tumor-infiltrating CD8+ T cells are correlated with prolonged progression-free and overall survival in epithelial ovarian cancer (EOC). A significant fraction of EOC patients mount autoantibody responses to various tumor antigens, however the relationship between autoantibodies and tumor-infiltrating T cells has not been investigated in EOC or any other human cancer. We hypothesized that autoantibody and T cell responses may be correlated in EOC and directed toward the same antigens. METHODOLOGY AND PRINCIPAL FINDINGS: We obtained matched serum and tumor tissue from 35 patients with high-grade serous ovarian cancer. Serum samples were assessed by ELISA for autoantibodies to the common tumor antigen NY-ESO-1. Tumor tissue was examined by immunohistochemistry for expression of NY-ESO-1, various T cell markers (CD3, CD4, CD8, CD25, FoxP3, TIA-1 and Granzyme B) and other immunological markers (CD20, MHC class I and MHC class II). Lymphocytic infiltrates varied widely among tumors and included cells positive for CD3, CD8, TIA-1, CD25, FoxP3 and CD4. Twenty-six percent (9/35) of patients demonstrated serum IgG autoantibodies to NY-ESO-1, which were positively correlated with expression of NY-ESO-1 antigen by tumor cells (r = 0.57, p = 0.0004). Autoantibodies to NY-ESO-1 were associated with increased tumor-infiltrating CD8+, CD4+ and FoxP3+ cells. In an individual HLA-A2+ patient with autoantibodies to NY-ESO-1, CD8+ T cells isolated from solid tumor and ascites were reactive to NY-ESO-1 by IFN-gamma ELISPOT and MHC class I pentamer staining. CONCLUSION AND SIGNIFICANCE: We demonstrate that tumor-specific autoantibodies and tumor-infiltrating T cells are correlated in human cancer and can be directed against the same target antigen. This implies that autoantibodies may collaborate with tumor-infiltrating T cells to influence clinical outcomes in EOC. Furthermore, serological screening methods may prove useful for identifying clinically relevant T cell antigens for immunotherapy

Phylogenetic structure of plant communities in a dryland

Aridity is a critical driver of the diversity and composition of plant communities. However, how aridity influences the phylogenetic structure of functional groups (i.e. annual and perennial species) is far less understood than its effects on species richness. As perennials have to endure stressful conditions during the summer drought, as opposed to annuals that avoid it, they may be subjected to stronger environmental filtering. In contrast, annuals may be more susceptible to interannual climatic variability. Here we studied the phylogenetic structure of the annual and perennial components of understorey plant communities, along a regional aridity gradient in Mediterranean drylands. Specifically, we asked: (1) How do species richness (S) and phylogenetic structure (PS) of annuals and perennials in plant communities respond to aridity? (2) What is the contribution of other climatic and topo-edaphic variables in predicting S and PS for both components? (3) How does the taxonomic and phylogenetic turnover of annuals and perennials vary with spatial and environmental distances? We assessed annuals' and perennials' species richness, the phylogenetic structure at deep and shallow phylogenetic levels, and taxonomic and phylogenetic turnover along spatial and environmental distances. We found no relationship between annuals' richness and aridity, whereas perennials' richness showed a unimodal pattern. The phylogenetic structure of annuals and perennials showed contrasting responses to aridity and negatively correlated with topo-edaphic variables. We found phylogenetic clustering at intermediate-to-higher aridity levels for annuals, and at lower aridity levels for perennials. Both taxonomic and phylogenetic turnover in annuals and perennials correlated with the environmental distance rather than with spatial distance between communities, suggesting adaptation to local factors. Overall, our results show a decoupling in the response of the phylogenetic structure of annual and perennial components of plant communities to aridity in Mediterranean drylands. Our findings have significant implications for land management strategies under climate change.FCT -Fundação para a Ciência e a Tecnologia in the frame of the project PTDC/AAG-GLO/0045/2014 and UIDB/00329/2020info:eu-repo/semantics/acceptedVersio

Ant functional structure and diversity changes along a post-grazing succession in Mediterranean oak woodlands

Grazing exclusion may be used to promote the recovery of disturbed ecosystems. A promising way for the evaluation of its effectiveness is through the monitoring of key biological groups, particularly those more responsive to disturbance and playing key roles in ecosystem functioning. Ants have been used as ecological indicators as they are abundant, diverse and sensitive to environmental changes. Here, we aimed to evaluate changes in ant taxonomic and functional structure and diversity, using functional groups, along a post-grazing succession in a Mediterranean oak woodland and to understand which environmental variables drive them. The post-grazing succession comprised a chronosequence of grazing excluded sites for 8, 12 and 18 years and a grazed control site. We found that ant species richness, functional structure and diversity increased with years since grazing exclusion: Generalist/Opportunist and the Hot Climate specialists increased in the 18 years grazing excluded site, while the Cryptic Species group increased in the 12 years grazing excluded site. Yet, their responses were not linear over time. Time since grazing exclusion and vegetation structure explained differences in ant taxonomic and functional structure and diversity. The Invasive/Exotic group dominated in all sites, except in the longest excluded site, where it occurred in the lowest proportion. The invasive Argentine ant dominated the grazed site, where it may have led to ant taxonomic and functional homogenization. Our results suggest that the time and changes in habitat structure may favour the recovery of ant biodiversity, although the presence of the invasive Argentine ant species may have slowed it down.This study was supported by Fundac¸a˜o para a Cieˆncia e a Tecnologia within the Fellowship PD/BD/114364/2016 and the project FCT-PTDC/AAG-GLO/0045/2014.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Data and R code from "Grazing and ecosystem service delivery in global drylands"

There are two zip files with the data and R scripts used in the article "Grazing and ecosystem service delivery in global drylands". The file "Main_Data_code.zip" contains the data and R code used in the main analyses of the paper. These data also include the location and major environmental characteristics of the plots surveyed. The file "Livestock_data_code.zip" contains the data and R code used in the characterization and validation of grazing pressure levels (see Methods). Readme and metadata files including a description of the files, variables and units are provided. All the methodological details can be found in the article. Additional authors from the BIODESERT consortium not included in the author list (we reached the maximum number of authors allowed by figshare) include:  Víctor Rolo, Juan G. Rubalcaba, Jan C. Ruppert, Ayman Salah, Max A. Schuchardt, Sedona Spann, Ilan Stavi, Colton R. A.Stephens, Anthony M. Swemmer, Alberto L. Teixido, Andrew D. Thomas, Heather L. Throop, Katja Tielbörger, Samantha Travers, James Val, Orsolya Valkó, Liesbeth van den Brink, Sergio Velasco Ayuso, Frederike Velbert, Wanyoike Wamiti, Deli Wang, Lixin Wang, Glenda M. Wardle, Laura Yahdjian, Eli Zaady, Yuanming Zhang and Xiaobing Zhou </p