Predicting potential distribution and evaluating biotic interactions of threatened species: a case study of Discocactus ferricola (Cactaceae) / Prevendo a distribuição potencial e avaliando interações bióticas de espécies ameaçadas: um estudo de caso de Discocactus ferricola (Cactaceae)

Abstract: Information on distribution, number of populations, and biotic interactions are essential for assessing the threat status of species and to establish more effective conservation initiatives. Ecological niche modeling have been successfully applied to identify the potential distribution, even for rare species that have few recorded occurrence points. In this study, we evaluated the potential distribution and additionally generated the first data on the reproductive biology of Discocactus ferricola, due to its degree of threat and the absence of ecological data for that species. The potential distribution map highlighted areas with higher probability of occurrence of D. ferricola on the Residual Plateau of Maciço do Urucum located in Mato Grosso do Sul, Brazil. The occurrence of D. ferricola populations was limited to outcrops of flat ironstone (cangas) distributed in patches across the landscape, increasing the chances of serious threats, such as habitat loss due to mining and species extraction. We also found that D. ferricola is xenogamous. Therefore, in situ conservation actions must prioritize the maintenance of interactions with pollinators by preserving the flora and fauna of rocky outcrops and adjacent forests in areas of greater environmental suitability for D. ferricola. Our study highlights the use of ecological niche modeling and data on biotic interactions to evaluate species potential distribution, to guide new sampling efforts, and to assist conservation and management initiatives.

Resumo: Informações sobre distribuição, número de populações e interações bióticas são essenciais para avaliar o status de ameaça das espécies e estabelecer iniciativas de conservação mais eficazes. A modelagem de nicho ecológico tem sido aplicada com sucesso para identificar a distribuição potencial, mesmo para espécies raras que possuem poucos pontos de ocorrência registrados. Neste estudo, avaliamos a distribuição potencial e adicionalmente geramos os primeiros dados sobre a biologia reprodutiva de Discocactus ferricola, devido ao seu grau de ameaça e à ausência de dados ecológicos para essa espécie. O mapa de distribuição potencial destacou áreas com maior probabilidade de ocorrência de D. ferricola no Planalto Residual do Maciço do Urucum localizado em Mato Grosso do Sul, Brasil. A ocorrência de populações de D. ferricola foi limitada aos afloramentos ferruginosos planos (cangas) que são distribuídos em manchas pela paisagem, aumentando as chances de ameaças graves, como perda de habitat devido à mineração e extração da espécie. Também descobrimos que D. ferricola é xenogâmica. Portanto, ações de conservação in situ devem priorizar a manutenção das interações com os polinizadores através da preservação da flora e da fauna nos afloramentos rochosos e florestas adjacentes nas áreas de maior adequabilidade ambiental para D. ferricola. Nesse estudo, nós destacamos o uso da modelagem de nicho ecológico e de dados sobre interações bióticas para avaliar a distribuição potencial de espécies, orientar novos esforços de amostragem e auxiliar iniciativas de conservação e manejo.

The ShearStress importance on the spatial distribution pattern of the invader Limnoperna fortunei in the Upper Paraná River Basin. - An assessment based on the Spatial Distribution Models / Importância da força de cisalhamento no padrão de distribuição espacial do invasor Limnoperna fortunei na Bacia do Alto rio Paraná. - Uma avaliação com base em Modelos de Distribuição Espacial

The introduction of the golden mussel, Limnoperna fortunei(Dunker, 1857) in South America was related to the discharge of ballast water, with its first record in 1991 in the La Plata River estuary. Since then, the species is spreading throughout the continent, with several economic and ecological negative consequences. Aim: To model, in the headwaters of Parana River, the spatial distribution ofL. fortunei and to understand the determinants of the current pattern of species distribution and the risk of invasion of areas not yet colonized. Methods: The ecological niche of L. fortunei was modeled using the algorithm MAXENT (Maximum Entropy Method) combined with records of occurrence of the bivalve, limnological data and the shear force measured by the index Hack (SL). The evaluation of the performance of different models was based on AUC (Area Under the Curve).The analysis of each variable's contribution to the responses of the models was made based on the Jackknife test, available in the Maxent program. The models were validated with real absence data collected between 2006 and 2007. Based on the limnological characterization of the area and on outputs of the models, this analysis sought to understand the contributing aspects to the current and potential spatial distribution and to verify the risk of invasion of environments not yet colonized by the species. Results/Conclusion: The limnological characterization showed that the ecological requirements for the species as, pH, calcium, oxygen and chlorophyll a, were appropriate in both the connected stretches, invaded and non-invaded. Turbidity showed significant spatial differences which proved to be higher in environments with higher levels of Hack (SL), i.e. higher energy fluvial. In addition, the algorithm showed the importance of hydrodynamical aspects expressed by Hack index (SL) to the spatial distribution of species, since the models with the best performances were those that considered the Hack index (SL) as one of the environmental layers of the mussel's niche. All models indicated a high risk of invasion into the reservoir of São Simão.

A introdução do mexilhão dourado, Limnoperna fortunei(Dunker, 1857) na América do Sul esteve relacionada ès descargas de água de lastro, com seu primeiro registro em 1991, no estuário do rio da Prata. Desde então a espécie vai adentrando o continente - com várias consequências negativas em âmbitos econômicos e ecológicos. Objetivo: modelar em escala local a distribuição espacial de L. fortunei buscando melhor entender os fatores determinantes do padrão atual de distribuição da espécie e estimar o risco de invasão de áreas ainda não colonizadas. Métodos: A modelagem do nicho de L. fortunei foi realizada por meio do algoritmo MAXENT (Maximum Entropy Method) aliado a registros de ocorrência do bivalve, è dados limnológicos e è força de cisalhamento medida pelo índice de Hack (SL). A avaliação do desempenho dos diferentes modelos foi feita com base na AUC (Área sob a Curva). A análise da contribuição isolada das diferentes variáveis para as respostas dos modelos foi feita com base no teste Jackknife disponível no programa Maxent. Os modelos gerados foram validados com dados reais de ausência coletados entre 2006 e 2007. Com base na caracterização limnológica da área e nas respostas geradas pelos modelos de distribuição potencial, buscou-se entender quais aspectos estariam contribuindo para a distribuição espacial atual e potencial e verificar o risco de invasão de ambientes ainda não colonizados pela espécie. Resultados/Conclusão: A caracterização limnológica mostrou que os requerimentos ecológicos para a espécie como pH, cálcio, oxigênio e clorofila a foram igualmente adequados entre trechos invadidos e não invadidos conectados. Diferenças espaciais significativas foram encontradas em relação è turbidez, que se mostrou mais elevada nos ambientes com maiores índices de Hack (SL), ou seja, com maior energia fluvial. O algoritmo utilizado mostrou a importância de aspectos hidrodinâmicos, expressos pelo índice de Hack (SL) na distribuição espacial da espécie, uma vez que, os modelos com melhor desempenho foram aqueles que consideraram o índice de Hack (SL) como uma das camadas ambientais na composição do nicho da espécie. Todos os modelos indicaram também o alto risco de invasão para o reservatório de São Simão.

Climate change effects on the geographic distribution of specialist tree species of the Brazilian tropical dry forests / Efeitos das mudanças climáticas sobre a distribuição geográfica de espécies arbóreas especialistas de florestas secas tropicais brasileiras

AbstractThe aim of this study was to evaluate the ecological niche models (ENMs) for three specialist trees (Anadenantheracolubrina, Aspidosperma pyrifolium and Myracrodruon urundeuva) in seasonally dry tropical forests (SDTFs) in Brazil, considering present and future pessimist scenarios (2080) of climate change. These three species exhibit typical deciduousness and are widely distributed by SDTF in South America, being important in studies of the historical and evolutionary processes experienced by this ecosystem. The modeling of the potential geographic distribution of species was done by the method of maximum entropy (Maxent).We verified a general expansion of suitable areas for occurrence of the three species in future (c.a., 18%), although there was reduction of areas with high environmental suitability in Caatinga region. Precipitation of wettest quarter and temperature seasonality were the predictor variables that most contributed to our models. Climatic changes can provide more severe and longer dry season with increasing temperature and tree mortality in tropics. On this scenario, areas currently occupied by rainforest and savannas could become more suitable for occurrence of the SDTF specialist trees, whereas regions occupied by Caatinga could not support the future level of unsustainable (e.g., aridity). Long-term multidisciplinary studies are necessary to make reliable predictions of the plant’s adaptation strategies and responses to climate changes in dry forest at community level. Based on the high deforestation rate, endemism and threat, public policies to minimize the effects of climate change on the biodiversity found within SDTFs must be undertaken rapidly.

ResumoEste estudo tem como objetivo avaliar a modelagem de nicho ecológico (ENMs) para três espécies especialistas (Anadenantheracolubrina, Aspidosperma pyrifolium e Myracrodruon urundeuva) de florestas tropicais secas (FTSs) no Brasil, considerando o cenário de mudanças climáticas: presente e futuro pessimistas (2080). Estas três espécies são decíduas e amplamente distribuídas pelas FTSs na América do Sul, sendo importante em estudos sobre os processos históricos e evolutivos experimentados por este ecossistema. A modelagem da distribuição geográfica potencial das espécies foi construída através do método de máxima entropia (Maxent). Foi observada uma expansão geral de áreas adequadas para a ocorrência das três espécies no futuro (cerca de 18%), embora tenha existido uma redução das áreas com alta adequabilidade ambiental na região da Caatinga. A precipitação do trimestre mais úmido e a sazonalidade da temperatura foram os fatores que mais contribuíram para os nossos modelos. As mudanças climáticas podem gerar períodos secos mais severos e longos, com aumento da temperatura e mortalidade de árvores em regiões tropicais. Neste cenário, as áreas atualmente ocupadas por florestas úmidas e savanas poderiam tornar-se mais adequadas para a ocorrência das árvores especialistas em FTSs, enquanto que as regiões ocupadas por Caatinga não poderiam suportar o nível futuro da não adequabilidade (por exemplo, aridez). Estudos multidisciplinares de longa duração são necessários para fazer previsões confiáveis de estratégias adaptativas das plantas e respostas às variações climáticas em FTS em nível de comunidade. Com base na elevada taxa de desmatamento, endemismo e ameaça, políticas públicas para minimizar os efeitos das mudanças climáticas sobre a biodiversidade encontradas dentro FTSs devem ser realizadas rapidamente.

Modeling the potential distribution of the invasive golden mussel Limnoperna fortunei in the Upper Paraguay River system using limnological variables

The invasive golden mussel, Limnoperna fortunei (Dunker, 1857), was introduced into the La Plata River estuary and quickly expanded upstream to the North, into the Paraguay and Paraná rivers. An ecological niche modeling approach, based on limnological variables, was used to predict the expansion of the golden mussel in the Paraguay River and its tributaries. We used three approaches to predict the geographic distribution: 1) the spatial distribution of calcium concentration and the saturation index for calcium carbonate (calcite); 2) the Genetic Algorithm for Rule-Set Production (GARP) model; and the 3) Maximum Entropy Method (Maxent) model. Other limnological variables such as temperature, dissolved oxygen, pH, and Total Suspended Solids (TSS) were used in the latter two cases. Important tributaries of the Paraguay River such as the Cuiabá and Miranda/Aquidauana rivers exhibit high risk of invasion, while lower risk was observed in the chemically dilute waters of the middle basin where shell calcification may be limited by low calcium concentrations and carbonate mineral undersaturation.

A espécie invasora mexilhão dourado, Limnoperna fortunei (Dunker, 1857), foi introduzida na bacia do Rio da Prata e rapidamente se expandiu em direção ao norte, nos rios Paraguai e Paraná. A modelagem de nicho ecológico com base em variáveis limnológicas foi utilizada para prever a expansão do mexilhão dourado na bacia do Alto Paraguai. Foram usados três métodos para prever a distribuição espacial do mexilhão dourado: 1) a distribuição espacial da concentração de cálcio e o índice de saturação do carbonato de cálcio (calcita); 2) a modelagem utilizando o algoritmo Genetic Algorithm for Rule-Set Production (GARP); e 3) a modelagem usando o Maximum Entropy Method (Maxent). Outras variáveis como temperatura da água, oxigênio dissolvido, pH e sólidos totais suspensos também foram utilizadas na modelagem. Importantes tributários do Rio Paraguai como Cuiabá e Miranda exibem alto risco de invasão, e menores riscos foram observados para águas mais diluídas na parte média da bacia, onde a calcificação das conchas pode ser limitada pela baixa concentração do cálcio e dos carbonatos minerais abaixo do nível de saturação.