Trait divergence and convergence in aquatic plant communities  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
120775
Type PD
Principal investigator Lukács, Balázs András
Title in Hungarian Vízinövények közösségszerveződési szabályainak vizsgálata funkcionális jellegek segítségével
Title in English Trait divergence and convergence in aquatic plant communities
Keywords in Hungarian funkcionális jelleg, diverzitás, makrofita, hydrophyta, konvergencia, divergencia,
Keywords in English functional trait, diversity, macrophyte, hydrophyte
Discipline
Environmental biology, ecotoxicology (Council of Complex Environmental Sciences)50 %
Ortelius classification: Plant ecology
Hydrobiology, ecological status assessment, applied ecology (Council of Complex Environmental Sciences)50 %
Ortelius classification: Hydrobiology
Panel Ecology and evolution 1
Department or equivalent Institute for Aquatic Ecology, Centre for Ecological Research, Hungarian Academy of Sciences (Centre for Ecological Research)
Participants E. Vojtkó, Anna
Starting date 2016-10-01
Closing date 2019-09-30
Funding (in million HUF) 15.264
FTE (full time equivalent) 2.70
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A kutatás célja egy funkcionális jelleg adatbázis létrehozása vízinövényekre, amelynek segítségével lehetővé válik a vízi vegetáció és így a vizes élőhelyek működésének részletesebb megismerése. A fajok adott élőhelyen mutatott fenotipikus jellegei, a mért jellegek varianciája és intervalluma igen sok ökológiai információt hordoz magában. A létező nemzetközi jelleg adatbázisok mindegyikéből hiányoznak a vízinövények, így azok nem is kerülhetnek bele a nagyléptékű, sok növekedési formát érintő összehasonlító elemzésekbe sem. A létező egyetlen vízinövény jelleg adatbázis kizárólag ordinális skálás mért, irodalmi adatokból származó adatokat tartalmaz. Ugyanakkor elsősorban morfometriai méréseken alapuló, eltérő környezetből származó jellegadatok megadása nagyon fontos lenne, ezek a vizsgált faj élőhelyi sajátosságairól, és a környezeti tényezőkre adott fenotipikus plaszticitásáról szolgáltatnának információt.
Az állóvizek tekintetében európai léptékű adatbázis jönne létre, lefedve a teljes trofitási gradienst. Ez referencia adatbázisként szolgálna az európai hidrobiológus és növényökológus szakemberek számára. A folyóvizes adatbázis léptéke alapvetően a Pannon Ökorégió, de ennek az adatbázisnak a léptéke is kiterjeszthető Közép-európai szintre a hasonló környezeti viszonyok és a közös fajkészlet miatt. Az adatbázis segítségével a fajoknak a környezeti viszonyokra adott fenotipikus válaszát, illetve a biotikus és abiotikus közösség szerveződési folyamatok szerepét tervezzem vizsgálni. A kapott eredmények ismeretében megfelelőbb javaslatokat lehet majd tenni a vizes élőhelyeket érő negatív hatások mérséklésére és az élőhely kezelések megalapozására.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Alapkérdésként fogalmazható meg, hogy a funkcionális jellegeket tartalmazó adatbázis segítségével jobban megismerhető-e a vízinövény közösségek működésének szabályrendszere, illetve a funkcionális diverzitási értékelések jobban felhasználhatóak-e a közösségeket érő degradációs hatások kimutatására. Degradációs hatásként a vizek eutrofizálódását és hidromorfológiai változásait kell érteni, ezek azok a legfőbb stresszorok amelyek a felszíni vizek ökológiai állapotát leginkább befolyásolják. A jellegek méréséhez a szakirodalomban jól használható standardizált protokollok állnak rendelkezésünkre, azt nem kell kifejlesztenünk. Néhány szakirodalmi adatból azt is tudjuk, hogy a vízi növények funkcionális jellegei párhuzamba állíthatóak a terresztris növények funkcionális jellegeivel, azokkal együtt is elemezhetőek. Ugyanakkor a szakirodalomban elenyésző számú mért jelleg adat található a vízi növényekre, a fajok jellegeinek varianciája és a fenotipikus plaszticitás mértéke nem ismert. Kevés információ áll rendelkezésünkre az élőhelyeket érő degradációs folyamatoknak a közösségszerveződésre (fajösszetételre) gyakorolt hatásairól, illetve hogy ezek a hatások hogyan manifesztálódnak a fajok morfológiai bélyegeiben (funkcionális jellegeiben).

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Kutatásunk alapkutatás, számos alkalmazott vonatkozású kimeneti lehetőséggel. A hagyományos, taxonómiai alapú diverzitási kutatások az egyes közösségek faji sokféleségéről, különbségeiről, illetve a társulásokban előforduló fajok részarányáról adnak információt. Ezek az értékelések kevéssé indikálják az egyes fajok szerepét a közösségek szerveződésben, illetve a közösségek működésének ok-okozati viszonyai is csak felületesen értékelhetőek. Ennek oka, hogy taxon nevekkel dolgozik, ami nem tükrözi egyértelműen a fajok ökológiai igényeit. A funkcionális jelleg alapú modellek ugyanakkor a fajok tényleges adaptációs képességeit tükrözik. Ezek a fenotípusos jellegek képesek direkt vagy indirekt módon befolyásolni az egyed fitneszét; segítségükkel közvetlenül növényi stratégiákra lehet következtetni. A stratégiák segítségével modellezni tudjuk, hogy bizonyos tulajdonságokkal bíró fajok hogyan viselkednek az adott élőhelyen történt változások során. Az adatbázis társadalmi hasznosítása a vizes élőhelyek működésének jobb megértésében és a vízminőség monitorozás fejlesztésében nyílhat meg. A vízi makrofitonok alapvető biológiai minősítési elemként szerepelnek az ökológiai vízminősítésben. A növényi jellegek környezeti viszonyoktól függő plaszticitása pedig megfelelő indikátor lehet a felszíni vizek minősítése során.
A vízi növények funkcionális jellege tekintetében elenyésző számú nemzetközi publikáció van. Nigel Willby és mtsai 2000-ben publikáltak egy vízinövényekre vonatkozó jelleg adatbázist, ordinális adatokkal és irodalmi forrásokra támaszkodva. Folytonos skálán mért értékekkel kizárólag a kínai Hui Fu és mtsait dolgoznak. Ők csak lokális léptékben vizsgálták a közösségszerveződési folyamatokat vízmélységi gradiens mentén. Meg kell említeni Simon Pierce kutatócsoportját, akik funkcionális jellegek segítségével vizsgálták a vízinövények C-S-R rendszerben való helyzetét, észak-itáliai tavak adatai alapján. A hazai növényökológus kutatók közül rajtunk kívül senki nem foglalkozik a vízi növények funkcionális diverzitás vizsgálatával. Terresztris környezetben Botta-Dukát Zoltán (MTA ÖK) és Tóthmérész Béla (DE) kutatócsoportjai végeznek ’trait’ alapú növényökológiai vizsgálatokat.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A felszíni vizek (tavak, folyók) élőhelyi képét alapvetően a rajtuk élő növények határozzák meg. Azt, hogy adott helyen, milyen fajok, milyen kombinációban és mikor jelennek meg a közösségi ökológia feladata vizsgálni. A hagyományos közösségi ökológiai kutatások az adott helyen előforduló fajok neveiből, a fajszámból, és a fajok részarányából következtettek egy élőhely állapotára. Az újabb kori kutatások azonban már a fajnevek helyett inkább a fajok mérhető jelleg adataival igyekszik a közösségek szerveződését vizsgálni. Ez a típusú (funkcionális alapú) diverzitásértékelés a gyakorlatban is használhatóbb információt ad a hagyományos faj-alapú diverzitás érékelésnél, így szélesebb körű gyakorlati alkalmazása is lehet pl. élőhely-rekonstrukciós beavatkozások tervezésénél vagy a felszíni vizek állapotértékelése során. A pályázatunk célja, hogy létrehozzunk egy referencia adatbázist a hazai álló- és folyóvizekben előforduló növények funkcionális sajátságaira vonatkozóan, amely a későbbiekben az alkalmazott vizes kutatásokban és értékelésekben mások által is használható lesz. Az adatbázis létrehozásán túl vizsgáljuk, hogy a fajok milyen morfológiai jellemzői (biotikus tényezők) és milyen környezeti faktorok (abiotikus tényezők) befolyásolják a felszíni vizekben található növényközösségek összetételét. Ezeknek az ismereteknek a vizes élőhelyek rehabilitációjában, kezelésében és az ökológiai vízminősítésben lehet szerepe.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The aim of my study is to set up a plant functional trait (PFT) database of aquatic plants. The database will be used to study assembly rules of aquatic plant communities in more details. The range and variance of species traits holds various ecological information. The large international trait databases contains only a few data of aquatic plants. Therefore, aquatic plants couldn’t got into the large scale analyses of plant traits performed to various growth-forms. The only trait database of aquatic plants contains only trait attributes, ordinal data of plant characteristics, based on literature data. On the other hand data of measured morphological characteristics from various environments would be necessary.
The database will include trait data of species from rivers and lakes. The trait database of standing waters will regarded to European scale due to it is the only way to cover the whole trophic gradient. It would be a reference database for aquatic plant PFTs all over Europe. The river database of PFTs will be regarded to the Pannon Ecoregion, however the scale can be extended to Central Europe due to similar species pool, climatic and environmental conditions. I will use the database to study the phenotypic response of aquatic plants to various environmental factors; and the trait convergence and divergence of aquatic plant communities along various environmental gradients. The obtained results will help us to better understand aquatic plant community assembly rules. With better knowledge of assembly rules we can give proposals of how we can reduce the effects of stressors on aquatic plant communities, and how can we use the results on habitat management?

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The fundamental questions of my work: How can the functional trait database be appropriate to understand the assembly rules of aquatic plant communities? Is functional diversity analyses are better to reveal habitat degradation processes than the traditional taxon based diversity calculations? Under degradation we means habitat’s eutrophication and hydro-morphological alterations. These are the main stressors that alter the ecological quality of surface waters in Europe. We have standardized protocols for trait measurements, therefore I don’t have to develop one. According to some literature examples we know that the traits of aquatic plants can be placed side-by-side with terrestrial plants, we can analyse them together. On the other hand literature contains only a few data of continuous traits measured on aquatic plants, we don’t know traits range and variance, and don’t know the phenotypic response of traits to environmental stressors. We have a little information about the effect of habitat degradation on community assembly; and how these effects manifested on species morphological characteristics.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Our project is a basic research with important applied implication possibilities. It is supposed, that the trait-based analyses of community diversity will provide much information than the traditional, taxonomic based diversity indices. Traditional diversity analyses, based on taxonomic identity give less information about species roles in community assembly; therefore we can assess the causality of ecosystem operation in lower details. Functional diversity analyses can indicate the adaptation ability of species, due to species phenotypic characteristics can alter their fitness. Functional diversity therefore can be used to assess plant strategies, which can help us to investigate how species (having certain traits) will act on a changing environment. Results derived from functional diversity analyses using trait database can improve our work in water quality monitoring, which certainly have a social application. Aquatic plants belongs to the main biological elements that used to monitor the ecological quality of surface waters. Information of environmental induced phenotypic plasticity of aquatic plants can be used in monitoring tasks.
There is only a few studies about the trait based analyses of aquatic plants. The only database of aquatic plant traits published by Willby et al (2000). It contains only trait attributes, ordinal scale data based on literature sources. On-site measured traits in continuous-scale used only by Hui Fu (China), who study the assembly rules of aquatic plants along a depth gradient but only in a lake scale. Pierce et al. (2008) published a paper where they proved the applicability of Grime’s C-S-R strategy to aquatic plants using data obtained from Northern Italian lakes; they also used continuous plant traits. Among the Hungarian plant ecologist no one have conducted trait based studies on aquatic plants yet. Research groups lead by Botta-Dukát Zoltán and Tóthmérész Béla conduct trait-based studies, but using terrestrial plants.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
The landscape view of surface waters (rivers and lakes) are mainly determined by the vegetation. Questions like which species appears in a site and where and when they are appears is examined by community ecology. The traditional community ecology methods applies the rate of species numbers in a site to investigate community assembly rules. New methods however use measurable morphological characteristic of species (i.e. trait) to study community assembly because these traits reflect the real adaptive ability of species. The trait-based (i.e. functional) analyses of species diversity give us a more applicable tool for habitat management planning or water quality monitoring.
The aim of our project is to set up a trait database of aquatic plants, which can be a reference database for scientist all over Europe. The planned database will applied in a study of trait divergence and trait convergence of aquatic plant communities in a trophic (lakes) and a topological (rivers) gradient. The better knowledge of aquatic plant community assembly in degraded and natural habitats may help us to explore the mechanisms of degradation effects on species communities. Thus by using functional trait diversity, we can make better conservation and restoration decisions in the future.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A PD OTKA ösztöndíjam alatt funkcionális ökológiai kutatásokat végeztem vizes élőhelyeken. A kutatás megkezdése előtt igen kevés növényi jelleg adat ált rendelkezésemre, amit a funkcionális diverzitási értékek számolásához használhattam volna. A kutatás során ezért elsődleges volt az adatgyűjtés. Mintegy 50 hínárnövény fajról, a hazai vízinövény flóra kétharmadáról sikerült mag- és levél-jelleg adatokat gyűjtenünk a terepen. Ezen kívül mikrokozmosz rendszerekben is végeztünk funkcionális ökológiai vizsgálatokat. A keletkezett növényi jelleg adatokat hozzáférhetővé is tesszük majd egy adatközlő cikkben. A funkcionális ökológiai vizsgálatok során azt a kérdést igyekeztem megválaszolni, hogy a vizekben a környezeti változók milyen hatással vannak a növényi jellegekre, milyen fenotípusos alkalmazkodási stratégiák léteznek a növények között, illetve a környezet milyen módon befolyásolja a fajok versenyképességét. Közösségi ökológiai szempontból ez azért fontos, mert így képesek vagyunk meghatározni, esetleg előre jelezni, hogy adott helyen, adott körülmények között milyen fajok élhetnek együtt. A kutatás során kiemelt figyelmet szenteltünk az inváziós fajokra, meghatároztuk, hogy milyen jellegeikben térnek el az őshonos fajoktól, mitől tudnak sikeresebbek lenni adott környezetben. Meghatároztuk azokat a fő fenotípusos alkalmazkodási stratégiákat, amellyel a növények a folyóvízben található szélsőséges fény és tápanyag viszonyok mellett is képesek a vesenyképességüket megőrizni.
Results in English
I made functional ecology researches on freshwaters macrophytes in my PD OTKA project. Prior to my project, only a few trait data were available for macrophytes, that can be used to functional diversity calculations. Therefore, one of the main aims of my study was to reduce this deficit and collect as much trait data as possible for macrophytes. We collect data from near 50 macrophyte species that represent two-thirds of the Hungarian macrophyte flora. Moreover, we made microcosm experiments, where we investigated the environmentally induced phenotypic (trait) plasticity of native and alien species. The gathered trait data will be available for other researchers; we plan to publish it in a data-paper soon. In the functional diversity studies, I tried to investigate how environmental gradients affect trait distribution within the communities; what kind of phenotypic adaptation mechanisms exist within macrophytes, and how the environment affects the competitive ability of the species through its traits. The results have applied importance within community ecology. The results can be used to model or even forecast community composition in future environmental scenarios. In the project, we determined which traits made alien species to a better competitor against native species. In a trait-based community assembly study, we determined macrophytes main adaptation strategies that make possible to survive and coexist under extreme light and nutrient environment in flowing waters.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=120775
Decision
Yes





 

List of publications

  
Lukács, B.A.*, E.-Vojtkó, A*., Erős, T., Molnár, V.A., Szabó, S. & Götzenberger, L.: Carbon forms, nutrients and water velocity filter hydrophyte and river-bank species differently: A trait-based study, JOURNAL OF VEGETATION SCIENCE 30(3): 471–484., 2019
E-Vojtkó, A.*, Takács, A., Nagy, T., Molnár, V.A., Lovas-Kiss, Á.*, Löki, V.*, Süveges, K., Vojtkó, A., Tóth, E., Balogh, N., Sonkoly, J., Kis, Sz., Kelemen, A., Valkó, O., Deák, B., Tóth, K., Kiss, R., Lukács, K., Tóthmérész, B., Török P. & Lukács B.A.*: New leaf trait records of vascular plant species in the Pannonian flora with special focus on endemics and rarities., FOLIA GEOBOTANICA In Press, 2019
Kattge, J., Bonisch, G., Díaz, S., Lavoler, S., Prentice, I., … Lukács, B.A. et al.: Twelve years of TRY – towards a third generation of plant trait data assimilation and sharing, GLOBAL CHANGE BIOLOGY In Press, 2019
Szabó, S., Peters, E., Várbíró, G., Borics, G. & Lukács, B.A*.: Phenotypic plasticity as a clue for the invasion success of the submerged aquatic plant Elodea nuttallii, PLANT BIOLOGY 21: 54-63., 2019
Lukács, B.A., Vojtkó, A.E., Mesterházy, A., Molnár, V.A., Süveges, K., Végvári, Zs., Brusa, G. & Cerabolini, B.E.L.: Growth-form and spatiality driving the functional difference of native and alien aquatic plants in Europe, Ecology and Evolution, 2017
Vojtkó, E.A., Mesterházy, A., Süveges, K. & Lukács, B.A.: Changes in sediment seed‐bank composition of invaded macrophyte communities in a thermal river, Freshwater Biology, 2017
Takács, A., Molnár, V.A., Horváth, O., Sramkó, G., Popiela, A., Mesterházy, A., Lovas-Kiss, Á., Green, A.J., Löki, V., Nagy, T. & Lukács, B.A: The rare aquatic angiosperm Elatine gussonei (Elatinaceae) is more widely distributed than previously thought, Aquatic Botany, 2017
Bolgovics, Á., Várbíró, G., Ács, É., Trábert, Z., Kiss, K.T., Pozderka, V., Görgényi, J., Boda, P., Lukács, B.A.*, Nagy-László, Z., Abonyi, A., & Borics, G: Phytoplankton of rhithral rivers: Its origin, diversity and possible use for quality-assessment, Ecological Indicators, 2017
Mesterházy, A., Vidéki, R., Lukács, B.A.*, Mészáros, A. & Molnár V., A.: Adatok a színes békaszőlő (Potamogeton coloratus) hazai előfordulásához / Contributions, Kitaibelia, 2017
Takács A., Nagy T., Sramkó G., Lovas-Kiss Á., Süveges K., Lukács B.A.*, Fekete R., Löki V., Malatinszky Á., E. Vojtkó A., Koscsó J., Pfliegler W.P., Nótári K. & Molnár V.A.: Pótlások a Magyarország edényes növényfajainak elterjedési atlaszához I., Kitabelia, 2017
Lukács, B.A.*, Erős, T., Molnár, V.A., E.-Vojtkó, A.* & Götzenberger, L.: Chemical and physical properties act as filters on aquatic river plant communities: A trait-based study., 1st International Conference on Community Ecology, 2017
Szabó, S., Peters, E., Várbíró, G., Borics, G. & Lukács, B.A*.: Phenotypic plasticity as a clue for the invasion success of the submerged aquatic plant Elodea nuttallii, PLANT BIOLOGY, 2018
[6] Krasznai-K., E., Boda, P., Borics, G., Lukács, B.A.*, Várbíró, G.: Dynamics in the effects of the species–area relationship versus local environmental factors in bomb crater ponds, HYDROBIOLOGIA, 2018



Back »