TY  - THES
A1  - Stange, Maike
T1  - A study on Coronin-A and Aip1 function in motility of Dictyostelium discoideum and on Aip1 interchangeability between Dictyostelium discoideum and Arabidopsis thaliana
T1  - Studie über die Funktion von Coronin-A und Aip1 bei der Motilität von Dictyostelium discoideum und zur Aip1-Austauschbarkeit zwischen Dictyostelium discoideum und Arabidopsis thaliana
N2  - Actin is one of the most highly conserved proteins in eukaryotes and distinct actin-related proteins with filament-forming properties are even found in prokaryotes. Due to these commonalities, actin-modulating proteins of many species share similar structural properties and proposed functions. The polymerization and depolymerization of actin are critical processes for a cell as they can contribute to shape changes to adapt to its environment and to move and distribute nutrients and cellular components within the cell. However, to what extent functions of actin-binding proteins are conserved between distantly related species, has only been addressed in a few cases. In this work, functions of Coronin-A (CorA) and Actin-interacting protein 1 (Aip1), two proteins involved in actin dynamics, were characterized. In addition, the interchangeability and function of Aip1 were investigated in two phylogenetically distant model organisms. The flowering plant Arabidopsis thaliana (encoding two homologs, AIP1-1 and AIP1-2) and in the amoeba Dictyostelium discoideum (encoding one homolog, DdAip1) were chosen because the functions of their actin cytoskeletons may differ in many aspects. Functional analyses between species were conducted for AIP1 homologs as flowering plants do not harbor a CorA gene. 
In the first part of the study, the effect of four different mutation methods on the function of Coronin-A protein and the resulting phenotype in D. discoideum was revealed in two genetic knockouts, one RNAi knockdown and a sudden loss-of-function mutant created by chemical-induced dislocation (CID). The advantages and disadvantages of the different mutation methods on the motility, appearance and development of the amoebae were investigated, and the results showed that not all observed properties were affected with the same intensity. Remarkably, a new combination of Selection-Linked Integration and CID could be established. 
In the second and third parts of the thesis, the exchange of Aip1 between plant and amoeba was carried out. For A. thaliana, the two homologs (AIP1-1 and AIP1-2) were analyzed for functionality as well as in D. discoideum. In the Aip1-deficient amoeba, rescue with AIP1-1 was more effective than with AIP1-2. The main results in the plant showed that in the aip1-2 mutant background, reintroduced AIP1-2 displayed the most efficient rescue and A. thaliana AIP1-1 rescued better than DdAip1. The choice of the tagging site was important for the function of Aip1 as steric hindrance is a problem. The DdAip1 was less effective when tagged at the C-terminus, while the plant AIP1s showed mixed results depending on the tag position. In conclusion, the foreign proteins partially rescued phenotypes of mutant plants and mutant amoebae, despite the organisms only being very distantly related in evolutionary terms.
N2  - Actin ist eines der am stärksten konservierten Proteine in Eukaryoten und sogar Prokaryoten weisen Aktin-ähnliche Proteine mit filamentbildenden Eigenschaften auf. Aufgrund dieser Gemeinsamkeiten teilen Aktin-modulierte Proteine vieler Arten ähnliche strukturelle Eigenschaften und vermutlich auch Funktionen. Die Polymerisierung und Depolymerisation von Aktin sind kritische Prozesse für eine Zelle, da sie zu Zellformänderungen beitragen können, um sich an die Umgebung anzupassen und Nährstoffe sowie zelluläre Komponenten innerhalb der Zelle zu bewegen und zu verteilen. Inwieweit die Funktionen von Aktin-bindenden Proteinen zwischen entfernt verwandten Arten funktionell konserviert sind, wurde jedoch nur in wenigen Fällen untersucht. In dieser Arbeit wurden Funktionen von Coronin-A (CorA) und Actin-interagierendem Protein 1 (AIP1), zweier an der Aktindynamik beteiligter Proteine, charakterisiert. Darüber hinaus wurde die Austauschbarkeit und Funktion von AIP1 in zwei phylogenetisch entfernten Modellorganismen untersucht. Die Blütenpflanze Arabidopsis thaliana (kodiert für zwei Homologe: AIP1-1 und AIP1-2) und die Amöbe Dictyostelium discoideum (kodiert für ein Homolog: DdAip1) wurden ausgewählt, weil die Funktionen ihrer Aktin-Zytoskelette in mehreren Aspekten verschieden sein könnten. Funktionelle Analysen zwischen Arten wurden für AIP1-Homologe durchgeführt, da Blütenpflanzen kein CorA Gen tragen. 
Im ersten Teil der Arbeit wurde die Wirkung von vier verschiedenen Mutationsmethoden auf die Funktion des CorA-Proteins und des resultierenden Phänotyps in D. discoideum in zwei genetischen Knockouts, einem RNAi Knockdown und einem durch chemisch induzierte Delokalisierung (CID) erzeugten Mutanten geprüft. Die Vor- und Nachteile der Methoden zur Motilität, des Aussehens und der Entwicklung der Amöben wurden untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass nicht alle beobachteten Eigenschaften mit der gleichen Intensität beeinflusst wurden. Hierbei wurde eine neue Methodenkombination aus selektionsgebundener Integration und CID etabliert. 
Im zweiten und im dritten Teil der Arbeit wurde der Austausch von AIP1 zwischen Pflanze und Amöben durchgeführt. Die zwei A. thaliana-Homologe AIP1-1 und AIP1-2 wurden auf Funktionalität in D. discoideum geprüft. In Aip1-defizienten Amöben war die Rettung mit AIP1-1 effektiver als bei AIP1-2. Die Hauptergebnisse der Arbeit wiesen darauf hin, dass AIP1-2 im aip1.2-1 act7 Mutantenhintergrund die effizienteste Rettung zeigte, während A. thaliana AIP1-1 effizienter rettete als DdAip1. Die Auswahl der Tagging-Site war für die AIP1-Funktion bedeutend, da sterische Hinderung eine Rolle spielen könnte. DdAip1 war weniger effektiv, wenn es am C-Terminus fusioniert war, während die Proteinfusionen der A. thaliana AIP1s je nach Position der „tags“ unterschiedliche Ergebnisse zeigten. Zusammenfassend retteten die fremden Proteine teilweise Phänotypen von mutierten Pflanzen und mutierten Amöben, obwohl die Organismen evolutionär weit entfernt verwandt sind.
KW  - actin
KW  - cell motility
KW  - plant growth
KW  - selection-linked integration
KW  - chemically induced dislocation
KW  - interspecies interchange
KW  - Aktin
KW  - Zellmotilität
KW  - Pflanzenwachstum
KW  - Selection-Linked Integration
KW  - chemisch-induzierte Dislokation
KW  - Austausch zwischen zwei Spezies
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-628569
ER  - 
TY  - THES
A1  - Waha, Katharina
T1  - Climate change impacts on agricultural vegetation in sub-Saharan Africa
T1  - Auswirkungen von Klimaänderungen auf die landwirtschaftliche Vegetation in Afrika südlich der Sahara
N2  - Agriculture is one of the most important human activities providing food and more agricultural goods for seven billion people around the world and is of special importance in sub-Saharan Africa. The majority of people depends on the agricultural sector for their livelihoods and will suffer from negative climate change impacts on agriculture until the middle and end of the 21st century, even more if weak governments, economic crises or violent conflicts endanger the countries’ food security. The impact of temperature increases and changing precipitation patterns on agricultural vegetation motivated this thesis in the first place. Analyzing the potentials of reducing negative climate change impacts by adapting crop management to changing climate is a second objective of the thesis. As a precondition for simulating climate change impacts on agricultural crops with a global crop model first the timing of sowing in the tropics was improved and validated as this is an important factor determining the length and timing of the crops´ development phases, the occurrence of water stress and final crop yield. Crop yields are projected to decline in most regions which is evident from the results of this thesis, but the uncertainties that exist in climate projections and in the efficiency of adaptation options because of political, economical or institutional obstacles have to be considered. The effect of temperature increases and changing precipitation patterns on crop yields can be analyzed separately and varies in space across the continent. Southern Africa is clearly the region most susceptible to climate change, especially to precipitation changes. The Sahel north of 13° N and parts of Eastern Africa with short growing seasons below 120 days and limited wet season precipitation of less than 500 mm are also vulnerable to precipitation changes while in most other part of East and Central Africa, in contrast, the effect of temperature increase on crops overbalances the precipitation effect and is most pronounced in a band stretching from Angola to Ethiopia in the 2060s. The results of this thesis confirm the findings from previous studies on the magnitude of climate change impact on crops in sub-Saharan Africa but beyond that helps to understand the drivers of these changes and the potential of certain management strategies for adaptation in more detail. Crop yield changes depend on the initial growing conditions, on the magnitude of climate change, and on the crop, cropping system and adaptive capacity of African farmers which is only now evident from this comprehensive study for sub-Saharan Africa. Furthermore this study improves the representation of tropical cropping systems in a global crop model and considers the major food crops cultivated in sub-Saharan Africa and climate change impacts throughout the continent.
N2  - Landwirtschaft ist eine der wichtigsten menschlichen Aktivitäten, sie stellt Nahrungsmittel und andere landwirtschaftliche Produkte für weltweit 7 Milliarden Menschen zur Verfügung und ist in den Ländern Afrikas südlich der Sahara von besonderer Bedeutung. Die Mehrheit der afrikanischen Bevölkerung bestreitet ihren Lebensunterhalt in der Landwirtschaft und wird von Klimaänderungen stark betroffen sein. Die Doktorarbeit ist durch die Frage motiviert, wie sich von Klimamodellen vorhergesagte Temperaturerhöhungen und sich verändernde Niederschlagsverteilungen auf die landwirtschaftliche Vegetation auswirken werden. Die Forschungsfragen in diesem Kontext beschäftigen sich mit regionalen Unterschieden von Klimaänderungen und ihren Auswirkungen auf die Landwirtschaft und mit möglichen Anpassungsstrategien die mit geringem technischem Aufwand genutzt werden können. In diesem Zusammenhang wird schnell deutlich, dass Daten über die komplexen landwirtschaftlichen Systeme in Afrika südlich der Sahara häufig nur selten vorhanden sind, aus fragwürdigen Quellen stammen oder von schlechter Qualität sind. Die Methoden und Modelle zur Untersuchung der Auswirkungen von Klimaänderungen auf die Landwirtschaft werden zudem ausschließlich in Europa oder Nordamerika entwickelt and häufig in den temperierten Breiten aber seltener in tropischen Gebieten angewendet. Vor allem werden globale, dynamische Vegetationsmodelle in Kombination mit Klimamodellen eingesetzt um Änderungen in der landwirtschaftlichen Produktion auf Grund von Klimaänderungen in der zweiten Hälfte des 21.Jahrhunderts abzuschätzen. Die Ergebnisse der Arbeit zeigen einen mittleren Ertragsrückgang für die wichtigsten landwirtschaftlichen Pflanzen um 6% bis 24% bis 2090 je nach Region, Klimamodell und Anpassungsstrategie. Dieses Ergebnis macht deutlich, dass Landwirte die negativen Folgen von Klimaänderungen abschwächen können, wenn sie die Wahl der Feldfrucht, die Wahl des Anbausystems und den Aussaattermin an geänderte Klimabedingungen anpassen. Die Arbeit stellt methodische Ansätze zur Berechung des Aussaattermins in temperierten und tropischen Gebieten (Kapitel 2) sowie zur Simulation von Mehrfachanbausystemen in den Tropen vor (Kapitel 3). Dabei werden wichtige Parameter für das globale, dynamische Vegetationsmodell LPJmL überprüft und neu berechnet. Es zeigt sich, dass das südliche Afrika und die Sahelregion die am stärksten betroffenen Regionen sind, vor allem aufgrund von Niederschlagsänderungen, weniger aufgrund von Temperaturerhöhungen. In den meisten anderen Teilen, vor allem Zentral- und Ostafrikas bedingen Temperaturerhöhungen Rückgänge der Erträge (Kapitel 4). Diese Arbeit leistet einen wichtigen und umfassenden Beitrag zum Verständnis der Auswirkung von Klimaänderung auf die landwirtschaftliche Vegetation und damit zu einem großen Teil auf die Lebensgrundlage von afrikanischen Landwirten.
KW  - Klimawandel
KW  - Anpassung
KW  - Afrika
KW  - Pflanzenwachstum
KW  - Landwirtschaft
KW  - climate change
KW  - Africa
KW  - crop modeling
KW  - adapation
KW  - agriculture
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-64717
ER  - 
TY  - THES
A1  - Moreno Curtidor, Catalina
T1  - Elucidating the molecular basis of enhanced growth in the Arabidopsis thaliana accession Bur-0
N2  - The life cycle of flowering plants is a dynamic process that involves successful passing through several developmental phases and tremendous progress has been made to reveal cellular and molecular regulatory mechanisms underlying these phases, morphogenesis, and growth. Although several key regulators of plant growth or developmental phase transitions have been identified in Arabidopsis, little is known about factors that become active during embryogenesis, seed development and also during further postembryonic growth. Much less is known about accession-specific factors that determine plant architecture and organ size. Bur-0 has been reported as a natural Arabidopsis thaliana accession with exceptionally big seeds and a large rosette; its phenotype makes it an interesting candidate to study growth and developmental aspects in plants, however, the molecular basis underlying this big phenotype remains to be elucidated. Thus, the general aim of this PhD project was to investigate and unravel the molecular mechanisms underlying the big phenotype in Bur-0. 

Several natural Arabidopsis accessions and late flowering mutant lines were analysed in this study, including Bur-0. Phenotypes were characterized by determining rosette size, seed size, flowering time, SAM size and growth in different photoperiods, during embryonic and postembryonic development. Our results demonstrate that Bur-0 stands out as an interesting accession with simultaneously larger rosettes, larger SAM, later flowering phenotype and larger seeds, but also larger embryos. Interestingly, inter-accession crosses (F1) resulted in bigger seeds than the parental self-crossed accessions, particularly when Bur-0 was used as the female parental genotype, suggesting parental effects on seed size that might be maternally controlled. Furthermore, developmental stage-based comparisons revealed that the large embryo size of Bur-0 is achieved during late embryogenesis and the large rosette size is achieved during late postembryonic growth. Interestingly, developmental phase progression analyses revealed that from germination onwards, the length of developmental phases during postembryonic growth is delayed in Bur-0, suggesting that in general, the mechanisms that regulate developmental phase progression are shared across developmental phases. 

On the other hand, a detailed physiological characterization in different tissues at different developmental stages revealed accession-specific physiological and metabolic traits that underlie accession-specific phenotypes and in particular, more carbon resources during embryonic and postembryonic development were found in Bur-0, suggesting an important role of carbohydrates in determination of the bigger Bur-0 phenotype. Additionally, differences in the cellular organization, nuclei DNA content, as well as ploidy level were analyzed in different tissues/cell types and we found that the large organ size in Bur-0 can be mainly attributed to its larger cells and also to higher cell proliferation in the SAM, but not to a different ploidy level.

Furthermore, RNA-seq analysis of embryos at torpedo and mature stage, as well as SAMs at vegetative and floral transition stage from Bur-0 and Col-0 was conducted to identify accession-specific genetic determinants of plant phenotypes, shared across tissues and developmental stages during embryonic and postembryonic growth. Potential candidate genes were identified and further validation of transcriptome data by expression analyses of candidate genes as well as known key regulators of organ size and growth during embryonic and postembryonic development confirmed that the high confidence transcriptome datasets generated in this study are reliable for elucidation of molecular mechanisms regulating plant growth and accession-specific phenotypes in Arabidopsis. 

Taken together, this PhD project contributes to the plant development research field providing a detailed analysis of mechanisms underlying plant growth and development at different levels of biological organization, focusing on Arabidopsis accessions with remarkable phenotypical differences. For this, the natural accession Bur-0 was an ideal outlier candidate and different mechanisms at organ and tissue level, cell level, metabolism, transcript and gene expression level were identified, providing a better understanding of different factors involved in plant growth regulation and mechanisms underlying different growth patterns in nature.
N2  - Der Lebenszyklus blühender Pflanzen ist ein dynamischer Prozess, der das erfolgreiche Durchlaufen mehrerer Entwicklungsphasen impliziert. Es wurden enorme Fortschritte gemacht, um zelluläre und molekulare Regulationsmechanismen zu entschlüsseln, die diesen Phasen, der Morphogenese und dem Wachstum zu Grunde liegen. Obwohl mehrere Schlüsselregulatoren des Pflanzenwachstums oder der Entwicklungsphasenübergänge in Arabidopsis identifiziert wurden, ist nur wenig über Faktoren bekannt, die sowohl während der Embryogenese als auch während der Samenentwicklung und dem weiteren Wachstum aktiv werden. Noch viel weniger ist über akzessionspezifische Faktoren bekannt, die die Pflanzenarchitektur und Organgröße bestimmen. Bur-0 wurde als eine natürliche Arabidopsis-Akzession mit außergewöhnlich großen Samen und großer Blattrosette beschrieben. Ihr Phänotyp macht sie zu einem interessanten Kandidaten für die Untersuchung von Wachstums- und Entwicklungsaspekten in Pflanzen, jedoch muss die molekulare Basis, die diesem großen Phänotyp unterliegt, noch entschlüsselt werden. Daher war das allgemeine Ziel dieser Doktorarbeit, die molekularen Mechanismen, die dem großen Phänotyp in Bur-0 zu Grunde liegen, zu entschlüsseln und zu verstehen.

Mehrere natürliche Arabidopsis-Akzessionen und spät blühende Mutantenlinien wurden in dieser Studie analysiert, so auch Bur-0. Die Phänotypen wurden durch eine detaillierte Analyse der Rosettengröße, der Samengröße, der Blütezeit, der Sprossapikalmeristemgröße und des Wachstums in verschiedenen Photoperioden, während der embryonalen und postembryonalen Entwicklung charakterisiert. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Bur-0 als interessanter Akzession mit gleichzeitig größeren Blattrosetten, größerem Sprossapikalmeristem (SAM), späterem Blühphänotyp und größeren Samen, aber auch größeren Embryonen auffällt. Interessanterweise führten Kreuzungen zwischen den Akzessionen (F1) zu größeren Samen als die elterlichen selbstgekreuzten Akzessionen, insbesondere wenn Bur-0 als weiblicher elterlicher Genotyp verwendet wurde, was auf elterliche Effekte auf die Samengröße hindeutet, die möglicherweise mütterlicherseits kontrolliert werden. Darüber hinaus ergaben Vergleiche auf Basis von Entwicklungsstadien, dass die große Embryogröße von Bur-0 während der späten Embryogenese erreicht wird und die große Blattrosette während des späten postembryonalen Wachstums. Interessanterweise ergaben Analysen der Entwicklungsphasenprogression, dass ab der Keimung die Länge der Entwicklungsphasen während des postembryonalen Wachstums bei Bur-0 verzögert ist, was darauf hindeutet, dass im Allgemeinen die Mechanismen, die die Entwicklungsphasenprogression regulieren, über die Entwicklungsphasen hinweg geteilt werden.

Andererseits ergab eine detaillierte physiologische Charakterisierung in verschiedenen Geweben in unterschiedlichen Entwicklungsstadien akzession-spezifische physiologische und metabolische Merkmale, die den akzession-spezifischen Phänotypen zu Grunde liegen. Insbesondere wurden mehr Kohlenstoff-Ressourcen, während der embryonalen und postembryonalen Entwicklung in Bur-0 gefunden, was auf eine wichtige Rolle von Kohlenhydraten bei der Bestimmung des größeren Bur-0-Phänotyps hindeutet. Zusätzlich wurden Unterschiede in der zellulären Organisation, dem DNA-Gehalt der Nuklei sowie dem Ploidiegrad in verschiedenen Geweben/Zelltypen analysiert und wir fanden heraus, dass die größere Organgröße in Bur-0 hauptsächlich auf die größeren Zellen und auch auf eine höhere Zellproliferation im SAM zurückzuführen ist, aber nicht auf einen anderen Ploidiegrad.

Darüber hinaus wurden RNA-seq-Analysen von Embryonen im Torpedo- und Reifestadium sowie SAMs im vegetativen und Florenübergangsstadium von Bur-0 und Col-0 durchgeführt, um akzession-spezifische genetische Faktoren für Pflanzenphänotypen zu identifizieren, die in allen Geweben und Entwicklungsstadien während des embryonalen und postembryonalen Wachstums auftreten. Potenzielle Kandidatengene wurden identifiziert und eine weitere Validierung der Transkriptomdaten durch Expressionsanalysen neuartiger Kandidatengene sowie bekannter Schlüsselregulatoren für Organgröße und -wachstum während der embryonalen und postembryonalen Entwicklung bestätigte, dass die in dieser Studie generierten Transkriptomdatensätze mit hoher Zuverlässigkeit für die Aufklärung molekularer Mechanismen zur Regulierung des Pflanzenwachstums und akzessionspezifischer Phänotypen in Arabidopsis geeignet sind. 

Insgesamt trägt diese Doktorarbeit zur Forschung im Bereich der Pflanzenentwicklung bei, indem sie eine detaillierte Analyse der Mechanismen liefert, die dem Wachstum und der Entwicklung auf verschiedenen Ebenen der biologischen Organisation zu Grunde liegen, wobei der Schwerpunkt auf Arabidopsis-Akzessionen mit bemerkenswerten phänotypischen Unterschieden liegt. Dafür war die natürliche Akzession Bur-0 ein idealer Ausreißerkandidat und es wurden verschiedene Mechanismen auf Organ- und Gewebeebene, Zellebene, Stoffwechsel, Transkript- und Genexpressionsniveau identifiziert, was ein besseres Verständnis der verschiedenen Faktoren, die an der Regulierung des Pflanzenwachstums beteiligt sind, und der Mechanismen, die den verschiedenen Wachstumsmustern in der Natur zu Grunde liegen, ermöglicht.
KW  - Plant development
KW  - Plant growth
KW  - Arabidopsis thaliana
KW  - Phenotype
KW  - Transcriptome
KW  - Pflanzenentwicklung
KW  - Pflanzenwachstum
KW  - Arabidopsis thaliana
KW  - Phänotyp
KW  - Transkriptom
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-526814
ER  -