Abstract Species are the unit of analysis in many global change and conservation biology studies; however, species are not uniform entities but are composed of different, sometimes locally adapted, populations differing in plasticity. We examined how intraspecific variation in thermal niches and phenotypic plasticity will affect species distributions in a warming climate. We first developed a conceptual model linking plasticity and niche breadth, providing five alternative intraspecific scenarios that are consistent with existing literature. Secondly, we used ecological niche‐modeling techniques to quantify the impact of each intraspecific scenario on the distribution of a virtual species across a geographically realistic setting. Finally, we performed an analogous modeling exercise using real data on the climatic niches of different tree provenances. We show that when population differentiation is accounted for and dispersal is restricted, forecasts of species range shifts under climate change are even more pessimistic than those using the conventional assumption of homogeneously high plasticity across a species' range. Suitable population‐level data are not available for most species so identifying general patterns of population differentiation could fill this gap. However, the literature review revealed contrasting patterns among species, urging greater levels of integration among empirical, modeling and theoretical research on intraspecific phenotypic variation.

Angiosperm leaves manifest a remarkable diversity of shapes that range from developmental sequences within a shoot and within crown response to microenvironment to variation among species within and between communities and among orders or families. It is generally assumed that because photosynthetic leaves are critical to plant growth and survival, variation in their shape reflects natural selection operating on function. Several non-mutually exclusive theories have been proposed to explain leaf shape diversity. These include: thermoregulation of leaves especially in arid and hot environments, hydraulic constraints, patterns of leaf expansion in deciduous species, biomechanical constraints, adaptations to avoid herbivory, adaptations to optimise light interception and even that leaf shape variation is a response to selection on flower form. However, the relative importance, or likelihood, of each of these factors is unclear. Here we review the evolutionary context of leaf shape diversification, discuss the proximal mechanisms that generate the diversity in extant systems, and consider the evidence for each the above hypotheses in the context of the functional significance of leaf shape. The synthesis of these broad ranging areas helps to identify points of conceptual convergence for ongoing discussion and integrated directions for future research.

Abstract Conservation managers are under increasing pressure to make decisions about the allocation of finite resources to protect biodiversity under a changing climate. However, the impacts of climate and global change drivers on species are outpacing our capacity to collect the empirical data necessary to inform these decisions. This is particularly the case in the Australian Alps which has already undergone recent changes in climate and experienced more frequent large-scale bushfires. In lieu of empirical data, we used a structured expert elicitation method (the IDEA protocol) to estimate the abundance and distribution of nine vegetation groups and 89 Australian alpine and subalpine species by the year 2050. Experts predicted that most alpine vegetation communities would decline in extent by 2050; only woodlands and heathlands were predicted to increase in extent. Predicted species-level responses for alpine plants and animals were highly variable and uncertain. In general, alpine plants spanned the range of possible responses, with some expected to increase, decrease or not change in cover. By contrast, almost all animal species were predicted to decline or not change in abundance or elevation range; more species with water-centric life-cycles were expected to decline in abundance than other species. In the face of rapid change and a paucity of data, the method and outcomes outlined here provide a pragmatic and coherent basis upon which to start informing conservation policy and management, although this approach does not diminish the importance of collecting long-term ecological data. Article Impact Statement Expert knowledge is used to quantify the adaptive capacity and thus, the risk posed by global change, to Australian mountain flora and fauna.

Abstract Plant thermal tolerance is a crucial research area as the climate warms and extreme weather events become more frequent. Leaves exposed to temperature extremes have inhibited photosynthesis and will accumulate damage to photosystem II (PSII) if tolerance thresholds are exceeded. Temperature-dependent changes in basal chlorophyll fluorescence ( T-F 0 ) can be used to identify the critical temperature at which PSII is inhibited. We developed and tested a high-throughput method for measuring the critical temperatures for PSII at low ( CT MIN ) and high ( CT MAX ) temperatures using a Maxi-Imaging fluorimeter and a thermoelectric Peltier plate heating/cooling system. We examined how experimental conditions: wet vs dry surfaces for leaves and heating/cooling rate, affect CT MIN and CT MAX across four species. CT MAX estimates were not different whether measured on wet or dry surfaces, but leaves were apparently less cold tolerant when on wet surfaces. Heating/cooling rate had a strong effect on both CT MAX and CT MIN that was species-specific. We discuss potential mechanisms for these results and recommend settings for researchers to use when measuring T-F 0 . The approach that we demonstrated here allows the high-throughput measurement of a valuable ecophysiological parameter that estimates the critical temperature thresholds of leaf photosynthetic performance in response to thermal extremes.

Abstract Phenotypic plasticity and rapid evolution are fundamental processes by which organisms can maintain their function and fitness in the face of environmental changes. Here we quantified the plasticity and evolutionary potential of an alpine herb Wahlenbergia ceracea . Utilising its mixed-mating system, we generated outcrossed and self-pollinated families that were grown in either cool or warm environments, and that had parents that had also been grown in either cool or warm environments. We then analysed the contribution of a range of environmental and genetic factors to variation in nine phenotypic traits including phenology, leaf mass per area, photosynthetic function, thermal tolerance, and reproductive fitness. The strongest effect was that of current growth temperature, indicating strong phenotypic plasticity. All traits except thermal tolerance were plastic, whereby warm-grown plants flowered earlier, grew larger, produced more reproductive stems compared to cool-grown plants. Flowering onset and biomass were heritable and under selection, with early flowering and larger plants having higher relative fitness. There was little evidence for transgenerational plasticity, maternal effects, or genotype-by-environment interactions. Inbreeding delayed flowering and reduced reproductive fitness and biomass. Overall, we found that W. ceracea has capacity to respond rapidly to climate warming via plasticity, and the potential for evolutionary change. Highlight We found strong plasticity to growth environment in many phenotypic traits, but little effect of parental environment, revealing capacity to respond rapidly to climate warming, and potential for evolutionary change.

Understanding the molecular basis of plant heat tolerance helps to predict the consequences of a warming climate on plant performance, particularly in vulnerable environments. Our current understanding comes primarily from studies in Arabidopsis thaliana and selected crops exposed to short and intense heat stress. In this study we sought to characterise the molecular responses of an Australian alpine herb (Wahlenbergia ceracea) to growth under sustained moderate warming. We compared responses of pre-defined tolerant and sensitive lines, based on measures of photosynthetic stability, to growth under cool or warm temperatures to identify the pathways involved in thermal tolerance and acclimation. Under warmer growth temperatures, W. ceracea up-regulated genes involved in RNA metabolism, while down-regulating those involved in photosynthesis and pigment metabolism. In tolerant lines, genes related to photosystem II, light-dependent photosynthetic reactions, and chlorophyll metabolism were more strongly down-regulated. This suggests that the regulation of electron transport and its components may be involved in thermal acclimation. Our results also highlight the importance of hormonal gene networks, particularly ethylene, during longer-term moderate warming. In conclusion, our results point to post-transcriptional processes and the stabilisation of the electron transport chain as candidate mechanisms for thermal acclimation in W. ceracea. The study also revealed many non-orthologous temperature-responsive genes, whose characterization may enhance our understanding of physiological acclimation and have relevance for the biotechnological improvement of threatened species and crops.

Environmental Gene Regulatory Influence Networks (EGRINs) coordinate the timing and rate of gene expression in response to environmental and developmental signals. EGRINs encompass many layers of regulation, which culminate in changes in the level of accumulated transcripts. Here we infer EGRINs for the response of five tropical Asian rice cultivars to high temperatures, water deficit, and agricultural field conditions, by systematically integrating time series transcriptome data (720 RNA-seq libraries), patterns of nucleosome-free chromatin (18 ATAC-seq libraries), and the occurrence of known cis-regulatory elements. First, we identify 5,447 putative target genes for 445 transcription factors (TFs) by connecting TFs with genes with known cis-regulatory motifs in nucleosome-free chromatin regions proximal to transcriptional start sites (TSS) of genes. We then use network component analysis to estimate the regulatory activity for these TFs from the expression of these putative target genes. Finally, we inferred an EGRIN using the estimated TFA as the regulator. The EGRIN included regulatory interactions between 4,052 target genes regulated by 113 TFs. We resolved distinct regulatory roles for members of a large TF family, including a putative regulatory connection between abiotic stress and the circadian clock, as well as specific regulatory functions for TFs in the drought response. TFA estimation using network component analysis is an effective way of incorporating multiple genome-scale measurements into network inference and that supplementing data from controlled experimental conditions with data from outdoor field conditions increases the resolution for EGRIN inference.

Abstract This paper reports on the design and evaluation of Field Studies in Functional Ecology (FSFE), a two-week intensive residential field course that enables students to master core content in functional ecology alongside skills that facilitate their transition from ‘student’ to ‘scientist’. This paper provides an overview of the course structure, showing how the constituent elements have been designed and refined over successive iterations of the course. We detail how FSFE students: 1. Work closely with discipline specialists to develop a small group project that tests an hypothesis to answer a genuine scientific question in the field; 2. Learn critical skills of data management and communication; and 3. Analyse, interpret and present their results in the format of a scientific symposium. This process is repeated in an iterative ‘cognitive apprenticeship’ model, supported by a series of workshops that name and explicitly instruct the students in ‘hard’ and ‘soft’ skills critical relevant for research and other careers. FSFE students develop a coherent and nuanced understanding of how to approach and execute ecological studies. The sophisticated knowledge and ecological research skills that they develop during the course is demonstrated through high quality presentations and peer-reviewed publications in an open-access, student-led journal. We outline our course structure and evaluate its efficacy to show how this novel combination of field course elements allows students to gain maximum value from their educational journey, and to develop cognitive, affective and reflective tools to help apply their skills as scientists.

Abstract Subalpine forests worldwide face the synergistic threats of global warming and increased biotic attack, and the collapse or transition of subalpine forests is predicted in south-eastern Australia under future climates. The recent widespread dieback of subalpine snow gum forests due to increased activity of a native wood-boring longicorn beetle suggests this process may already be underway. We investigated how variation in tree tissue traits and environmental conditions correlated with elevation-dependent spatial patterns of forest mortality. We hypothesised that increased vulnerability of subalpine snow gums to wood-borer-mediated dieback at intermediate elevations was associated with poorly-resolved differences in traits between montane ( Eucalyptus pauciflora subsp. pauciflora) and subalpine ( E. pauciflora subsp. niphophila) snow-gum subspecies. We first sought to characterise variation and elevation-dependent transitions in 20 structural and drought-related functional traits among 120 healthy trees distributed along a 1000m elevation transect which spanned the subspecies transition zone. Secondly, we surveyed 774 trees across 53 sites between 1280-1980m asl. to explore associations between borer-damage severity, elevation, subspecies, and a subset of traits that differed between subspecies. These snow-gum subspecies exhibited mean differences and/or divergent elevation responses in 25% of traits surveyed, indicating contrasting suites of traits between montane and subalpine subspecies. Increased borer-damage severity across the montane-to-subalpine subspecies transition was correlated with lower bark thickness, whereas reduced borer damage at the highest elevations was associated with greater precipitation and lower temperatures. Our results suggest that due to possessing distinct traits associated with increased borer susceptibility, subalpine snow-gum forests will be subject to increased risk of severe borer-mediated forest dieback under warmer and drier future climates. Identifying traits contributing to species’ distribution limits and biotic-agent vulnerability remains critical for predicting, monitoring, and possibly mitigating forest and vegetation declines under future climates.