Avian life in a seasonally arid tropical environment : adaptations and mechanisms in breeding, molt and immune function

There is a growing appreciation of the diversity and uniqueness of tropical organisms, but evidence about the selection pressures that shape this diversity remains sketchy. In this thesis, I investigated how variation in life history traits arises from tropical environmental seasonality, starting with the exploration of the annual cycle of the Common Bulbul Pycnonotus barbatus in Nigeria. This revealed that breeding was not seasonal, but moult was timed almost entirely to the wet season with only few individuals extending moult into the dry season This confirmed that breeding and to a lesser extent moult, are decoupled from season, thus, allowing me to test how breeding and moult affect immune function independent of seasonal environmental conditions. On testing this, I found that season explained variation in immune function better than breeding or moult, but unexpectedly, immune indices were higher in the dry season and during breeding, contrary to what I would expect if infection risk is higher in the wet season, and if breeding constrains resources for immune function. Furthermore, I compared immune indices along the cool-wet to hot-dry environmental gradient in Nigeria and found that immune indices were rather similar. I then tested the effect of diet alteration on immune function, body mass and moult of Common Bulbuls in captivity and found that bulbuls fed on fruits had a more immune function, body mass and onset of moult than those fed on invertebrates. These findings together suggest that environmental conditions affect immune function more directly than via resource allocation trade-offs, but that variation in immune function does not follow simple environmental productivity pattern as previously expected. ********** Samenvatting: Het doorgronden van de evolutie van de levensloop d.w.z. hoe organismen hun beschikbare energie en nutriënten verdelen tussen overleven en reproduceren, is een fundamenteel probleem. Het merendeel van onze kennis hierover komt voort uit onderzoek in gematigde klimaten, terwijl het leven echter in de tropen is geëvolueerd. Hoewel er groeiende aandacht is voor de biologische diversiteit en het unieke karakter van levensvormen in tropische systemen, is er nog weinig bekend over de verschillende selectiedrukken en evolutionaire aanpassingen waardoor diverse levensloopstrategieën zich hebben ontwikkeld. Dit proefschrift is bedoelt om bij te dragen aan het herstellen van deze scheve balans en is daarom gericht op het beter begrijpen van hoe seizoensgebonden omgevingsfactoren en dieetvariatie in de tropen leidt tot variatie in kenmerken van de levensloop. Voor sommige tropische vogels is het broeden, op populatieniveau, niet sterk seizoensgebonden, ondanks dat er voorspelbare seizoensoptima voor omgevingsomstandigheden bestaan. Het blijft daarom onduidelijk of individuen zijn aangepast om te broeden op specifieke tijden durende een jaar, of juist flexibel zijn als gevolg van variabele omgevingsomstandigheden. In het tweede hoofdstuk (eerste data-hoofdstuk) van dit proefschrift testte ik of de broedactiviteit van de door het hele jaar broedende grauwe buulbuul Pycnonotus barbatus, is ontstaan als gevolg van individuele variabiliteit in broedperiode. Ik analyseerde de broedactiviteit en ruikenmerken van vogels gevangen gedurende een periode van twee jaar, en vond dat de broedgegevens van individuen net zo variabel kunnen zijn als in de populatie. Het voorkomen van broeden kon niet worden verklaard aan de hand van de hoeveelheid neerslag of temperatuur, hoewel vogels tijdens de rui zelden broedden. In tegenstelling tot broeden was de rui wel sterk seizoensgebonden maar was niet gecorreleerd aan neerslag of temperatuur. Ik stel daarom voor dat, gezien omgevingsomstandigheden het hele jaar door broeden in deze soort mogelijk maken en omdat voortplantingssucces onderhevig is aan een hoog predatierisico, er waarschijnlijk een zwakke selectie is voor individuen om het broeden samen te laten vallen met pieken in variabele omgevingsomstandigheden. In tegenstelling daarvan is het waarschijnlijk dat rui, een jaarlijks voorkomend fenomeen, onder sterke selectie staat om gelijktijdig plaats te vinden met de pieken in variabele omgevingsomstandigheden, waarbij een verhoogde overlevingskans het voortplantingssucces bevordert. Het hele jaar door broeden kan het voortplantingssucces bevorderen, maar het individu moet in staat zijn zich aan te passen aan een variërende mate van voedselbeschikbaarheid tussen de seizoenen. Aannemelijk is dat vogels mogelijk lichaamsreserves opslaan als er een verhonger risico ontstaat vanwege beperkte beschikbare foerageertijd. Als het foerageren echter onbeperkt is, zou het lichaamsgewicht laag moeten blijven om het predatierisico te beperken dat het verkrijgen en meedragen van lichaamsreserves met zich meebrengt. In mijn tweede data-hoofdstuk testte ik aan de hand van 15 jaar aan gegevens over lichaamsmassa's van grauwe buulbuul vrouwtjes of lichaamsgewichtsvariatie kan worden verklaard door beperkte foerageertijd tijdens het broeden,. Ik vond dat de broedfase het lichaamsgewicht van vrouwtjes voorspelde: het lichaamsgewicht piekte abrupt tijdens de incubatietijd en daalde tijdens de broedzorg. Broedende vrouwtjes waren zwaarder in het droge seizoen dan in het natte seizoen. In het droge seizoen was het waarschijnlijker dat zwaardere vogels aan het broeden of incuberen waren, wat suggereert dat verhoogde lichaamsreserves nodig kunnen zijn als buffer voor de beperkte foerageertijd of verarmde foerageeromstandigheden, die het meest uitgesproken kunnen zijn tijdens respectievelijk de incubatie en in het droge seizoen. Naast het vinden van voedsel moeten dieren zichzelf beschermen tegen infecties die per seizoen kunnen verschillen. De hoeveelheid beschikbare middelen voor verdediging kan echter afhankelijk zijn van hoeveel al is verbruikt in andere processen. Seizoensvariatie in immuniteit kan dus ofwel worden toegeschreven aan veranderingen in omgevingsomstandigheden als aan compromissen die optreden wanneer middelen worden toegewezen aan andere processen. Het loskoppelen van deze factoren is lastig in het wild. In mijn derde data-hoofdstuk heb ik, door gebruik te maken van niet-seizoensgebonden broeden en ruien in de grauwe buulbuul, het effect van seizoensgebonden omgevingscondities effectief losgekoppeld van dat van het jaarlijkse cyclusstadium, en getest hoe beide factoren de immuunfunctie beïnvloeden. Ik voorspelde dat indien de kans op infecties toeneemt met regenval het immuunsysteem sterker zou zijn in het natte seizoen, maar indien broeden of rui beperkingen oplegt aan vogels, dat dan de immuun parameters lager zijn tijdens het broeden of ruien. Door het kwantificeren van vijf aangeboren immuun parameters gedurende twee jaar vond ik dat seizoen en niet stadia van de jaarcyclus de variatie in alle immuun parameters verklaarde, behalve één: NOx, waarvan de concentratie verschilde tussen de jaarlijkse cyclusstadia maar niet tussen seizoenen. Tegen mijn verwachting in waren de meeste immuun parameters hoger in het droge seizoen en tijdens het broeden, terwijl ik verwacht dat regen de infectiekans verhoogde en het broeden immuunfunctie verminderde. Ondanks dat, kon ik concluderen dat omgevingsfactoren de aangeboren immuniteit rechtstreeks beïnvloeden in plaats van via compromissen in het toewijzen van middelen tussen verschillende levensloopprocessen. Zoals voorspeld door de regel van Bergmann kan lichaamsgrootte variëren als reactie op omgevingsomstandigheden. Deze regel is een biofysische generalisatie dat endotherme dieren de neiging hebben groter te zijn in koudere klimaten. In mijn vierde data-hoofdstuk testte ik of de lichaamsgrootte van grauwe buulbuul varieert in overeenstemming met de regel van Bergmann. Ik mat vogels op 22 locaties tussen 6 en 13°N en schatte vervolgens de gemiddelde verhouding tussen lichaamsoppervlak en -gewicht per locatie. In overeenstemming met de regel van Bergmann ontdekte ik dat vogels een grotere verhouding tussen lichaamsoppervlak en -gewicht hadden in warmere omgevingen, onafhankelijk van de breedtegraad en hoogte (ten opzichte van zeeniveau). Neerslag is een belangrijke bepalende factor voor de omgevingstoestand in de tropen, maar omdat regenval vaak seizoensgebonden is, is het moeilijk om het effect ervan te onderscheiden van dat van andere seizoensgebonden factoren en co-variërende levensloopkenmerken. Bijvoorbeeld, grauwe buulbuuls ruien in het natte seizoen in centraal Nigeria, maar het is niet bekend of de rui op hetzelfde tijdstip op alle locaties plaatsvindt of op een tijdstip dat samenvalt met de lokale regenval. In het vijfde data-hoofdstuk van dit proefschrift modelleerde ik de mate van rui als een functie van de timing van neerslag op 15 locaties tussen 6° N en 13° N. Ik vond dat vogels eerder ruiden op plekken waar het natte seizoen eerder begon, wat suggereert dat de rui in grauwe buulbuuls is gekoppeld aan timing van de regenval. Variatie in regenval en temperatuur zou ook het infectierisico kunnen bepalen langs een gradiënt van omgevingscondities. Zo voorspelde ik dat als het infectierisico afneemt met toenemende droogte, maar gepaard gaat met immuun functie, de aangeboren immuunfunctie zou moeten afnemen met toenemende droogte van het koud-natte bos tot de hete-droge Sahelzone in Nigeria. Ik testte deze voorspelling in het zesde data-hoofdstuk van dit proefschrift door het meten van aangeboren immuun parameters in grauwe buulbuuls op 15 locaties tussen 6° N en 13° N. Tegen mijn verwachting in daalden de immuun parameters niet met toenemende droogte, maar in plaats daarvan waren ze op verschillende locaties vergelijkbaar, wat suggereert dat in dit systeem de aangeboren immuunfunctie niet varieert met verschillende mate van droogte. Dit resultaat onderstreept de behoefte aan voorzichtigheid bij het voorspellen van de effecten van klimaatvariabiliteit op ziekterisico. Dieet is een cruciaal onderdeel van de omgeving en wordt sterk beïnvloed door omgevingsveranderingen, met soms grote gevolgen. In mijn laatste data-hoofdstuk, testte ik hoe de samenstelling van het dieet van invloed is op de aangeboren immuunfunctie, lichaamsgewicht en rui. Gedurende 24 weken voedde ik 40 in het wild gevangen grauwe buulbuuls ad libitum vruchten of ongewervelde dieren in buitenvolières in Nigeria. Ik beoordeelde aangeboren immuunindexen, lichaamsgewicht en primaire rui tweewekelijks en vond dat fruit-gevoede buulbuuls een robuustere aangeboren immuunfunctie, hoger lichaamsgewicht en eerdere handpenrui hadden in vergelijking met vogels gevoed met ongewervelde dieren. Deze resultaten zijn uniek omdat ze een effect aantonen van een dieetaanpassing bij wilde vogels - wat korte termijn gevolgen van omgevingsverandering aantoont. Door klassieke natuurstudie en fysiologie te integreren in de context van de directe omgeving waarin een soort leeft, biedt dit proefschrift nieuw inzicht in hoe variatie in broed- en ruipatronen en immuunfunctie verschillende aspecten van de levensloop van een tropische vogel met elkaar verbindt. Mijn bevindingen in dit proefschrift suggereren met name dat het al lang bestaande paradigma dat de kostbare aard van immuunfunctie benadrukt, het belang van het overlevingsvoordeel ondermijnt en grotendeels voorbijgaat aan de uiteindelijke rol van het immuunsysteem, overleving. De voor- en nadelen van de immuunfunctie kunnen alleen worden bepaald als rekening wordt gehouden met de omgevingsomstandigheden én levensloop waaronder variaties optreden."My studentship was supported by the Leventis Conservation Foundation through the University of St. Andrews, an Ubbo Emmius grant from the University of Groningen, a Royal Netherlands Academy of Arts and Science (KNAW) Academy Ecology Fund and an A. G. Leventis Foundation grant." -- Acknowledgement

Body reserves in intra-African migrants

Avian migration has been shown to be a life history strategy for surviving environmental resource variability, but it requires increased body reserves for long distance flight. Fat reserves make excellent energy stores for barrier crossing, whereas proteins generate less energy for the same mass of fat but provide water during breakdown which may become especially useful when birds become water stressed. Intra-African migrants are probably unlikely to have to cross barriers equivalent to the Sahara and the Mediterranean and so may have different patterns of mass reserves reflecting the utility of metabolizing fat versus protein in hot, tropical environments. We examined differences in proportions of body mass gain, pectoral muscle score and fat score between intra African migrants, Palearctic migrants and resident African species. We tested whether intra-African migrants show a distinct seasonal peak in mass gain corresponding to expected peak migration period in a manner similar to Palearctic migrants, but maintain larger muscle tissues, because Palearctic migrants are more constrained by a need to heavily up regulate fat in addition to fat free reserves before migration due to the energy requirements of crossing the barrier of the Sahara. We found that intra-African migrants had a peak seasonal mass gain similar to Palearctics whereas African residents did not, and that Palearctics increased fat reserves with pectoral muscle reserves, so that they had much higher fat scores for any given level of pectoral muscle compared to intra-African migrants or resident species. Our results suggest that barrier crossing leads to a distinct increase in fat reserves rather than migration per se, and suggests that intra-African migrants are more similar in their reserve management to African residents. Mass gain devoid of visible fat accumulation in intra-African migrants may therefore suggest absence of barriers during migrationPublisher PDFPeer reviewe

Local timing of rainfall predicts the timing of moult within a single locality and the progress of moult among localities that vary in the onset of the wet season in a year-round breeding tropical songbird

Funding: C.J.N. was supported by a studentship funded by the Leventis Conservation Foundation through the University of St. Andrews, UK and an Ubbo Emmius grant of the University of Groningen.Rainfall seasonality is likely an important cue for timing key annual cycle events like moult in birds living in seasonally arid environments, but its precise effect is difficult to establish because seasonal rainfall may affect other covarying annual events such as breeding in the same way. In central Nigeria, however, Common Bulbuls Pycnonotus barbatus moult in the wet season but only show weak breeding seasonality. This suggests that moult is more sensitive to rainfall than breeding, but a similar outcome is possible if moult is simply periodic. We tested the relationship between rainfall and moult in Common Bulbuls at a single location over 18 years: on average moult started 5th May (± 41 days: 25th March–15th June), being on average later than the onset of the rains which is usually mid-April. The likelihood of finding a moulting Common bulbul was best predicted by rainfall 9–15 weeks before moult was scored. We then tested the generality of this across populations: the progress of moult should, therefore, correlate with the average timing of the wet season along a spatial environmental gradient where the rains start at different times each year south-to-north of Nigeria. To test this, we modelled moult progress just before the rains across 15 localities 6°–13° N as a function of the onset of the wet season among localities. As predicted, moult progressed further in localities with earlier wet seasons, confirming that the onset of moult is timed to the onset of the wet season in each locality despite weak breeding seasonality in the Common Bulbul. This strategy may evolve to maintain optimal annual cycle routine in seasonal environments where breeding is prone to unpredictable local perturbations like nest predation. It may, however, be less obvious in temperate systems where all annual cycle stages are seasonally constrained, but it may help with explaining the high frequency of breeding–moult overlaps in tropical birds.Publisher PDFPeer reviewe

Geographic variation in baseline innate immune function does not follow variation in aridity along a tropical environmental gradient

C.J.N. was supported by a studentship funded by the Leventis Conservation Foundation through the University of St. Andrews, UK and an Ubbo Emmius grant of the University of Groningen. B.I.T. was supported by the Netherlands Organisation for Scientific Research (NWO-Vidi 864.10.012). This is publication number 141 of the A.P. Leventis Ornithological Research Institute, Nigeria and chapter 7 of the thesis ‘Avian life in a seasonally arid tropical environment: adaptations and mechanisms in breeding, molt and immune function’91, submitted for the award of a doctorate degree by the University of Groningen, the Netherlands and University of St. Andrews, UK.Geographic variation in aridity determines environmental productivity patterns, including large-scale variability in pathogens, vectors and associated diseases. If disease risk decreases with increasing aridity and is matched by immune defense, we predict a decrease in innate immune function along a gradient of increasing aridity from the cool-wet forest to the hot-dry Sahel, from south to north in Nigeria. We sampled blood and measured five innate immune indices from 286 Common Bulbuls Pycnonotus barbatus between 6 and 13°N. We sampled in the dry season; we resampled the first location (Jos) also as the last sample location to test temporal change in immune function. Immune indices did not decrease with aridity. One immune index, nitric oxide concentration showed a weak quadratic pattern. In Jos, ovotransferrin concentration, haemagglutination and haemolysis titres increased 12 weeks into the dry season, contrary to expectations that immune indices should decrease with increased dryness. In this tropical system, innate immune function does not decrease with increasing aridity but temporal factors within a location may influence immune function more strongly than spatial variation in aridity, suggesting that immune variation does not follow a simple environmental productivity pattern. Consequently, caution should probably be exercised in predicting effects of climate variability on immune function or disease risk.Publisher PDFPeer reviewe

Temperature and aridity determine body size conformity to Bergmann’s rule independent of latitudinal differences in a tropical environment

C.J.N. was supported by a studentship funded by the Leventis Conservation Foundation through the University of St. Andrews, UK.Bergmann’s rule, defined as the tendency for endotherms to be larger in colder environments, is a biophysical generalization of body size variation that is frequently tested along latitudinal gradients, even though latitude is only a proxy for temperature variation. We test whether variation in temperature and aridity determine avian body size conformity to Bergmann’s rule independent of latitude differences, using the ubiquitous Common Bulbul Pycnonotus barbatus, along a West African environmental gradient. We trapped 538 birds in 22 locations between latitudes 6 and 13°N in Nigeria, and estimated average body surface area to mass ratio per location. We then modelled body surface to mass ratio using general linear models, with latitude, altitude and one of 19 bioclimatic variables extracted from http://www.worldclim.org/bioclim as predictors. We sequentially dropped latitude and altitude from each model to obtain the R2 of the resultant models. Finally, we compared the R2 of univariate models, where bioclimatic variables predicted body surface area to mass ratio significantly (14 out of 19), to multivariate models including latitude, altitude and a bioclimatic variable, using the Wilcoxon matched pairs test. We found that multivariate models did not perform better than univariate models with only bioclimatic variables. Six temperature and eight precipitation variables significantly predicted variation in body surface area to mass ratio between locations; in fact, 50% (seven out of 14) of these better explained variation in body surface area to mass ratio than the multivariate models. Birds showed a larger body surface area relative to body mass ratio in hotter environments independent of latitude or altitude, which conforms to Bergmann’s rule. Yet, a combination of morphometric analyses and controlled temperature-exposure experiments is required to prove the proposed relationship between relative body surface area and thermoregulation in endotherms.Publisher PDFPeer reviewe

Innate immune function and antioxidant capacity of nestlings of an African raptor covary with the level of urbanisation around breeding territories

Urban areas provide breeding habitats for many species. However, animals raised in urban environments face challenges such as altered food availability and quality, pollution and pathogen assemblages. These challenges can affect physiological processes such as immune function and antioxidant defences which are important for fitness. Here, we explore how levels of urbanisation influence innate immune function, immune response to a mimicked bacterial infection and antioxidant capacity of nestling Black Sparrowhawks Accipiter melanoleucus in South Africa. We also explore the effect of timing of breeding and rainfall on physiology since both can influence the environmental condition under which nestlings are raised. Finally, because urbanisation can influence immune function indirectly, we use path analyses to explore direct and indirect associations between urbanisation, immune function and oxidative stress. We obtained measures of innate immunity (haptoglobin, lysis, agglutination, bactericidal capacity), indices of antioxidant capacity (total non-enzymatic antioxidant capacity (tAOX) and total glutathione from nestlings from 2015 to 2019. In addition, in 2018 and 2019, we mimicked a bacterial infection by injecting nestlings with lipopolysaccharide and quantified their immune response. Increased urban cover was associated with an increase in lysis and a decrease in tAOX, but not with any of the other physiological parameters. Furthermore, except for agglutination, no physiological parameters were associated with the timing of breeding. Lysis and bactericidal capacity, however, varied consistently with the annual rainfall pattern. Immune response to a mimicked a bacterial infection decreased with urban cover but not with the timing of breeding nor rainfall. Our path analyses suggested indirect associations between urban cover and some immune indices via tAOX but not via the timing of breeding. Our results show that early-life development in an urban environment is associated with variation in immune and antioxidant functions. The direct association between urbanisation and antioxidant capacity and their impact on immune function is likely an important factor mediating the impact of urbanisation on urban-dwelling animals. Future studies should explore how these results are linked to fitness and whether the responses are adaptive for urban-dwelling species