TY - THES A1 - Raatz, Michael T1 - Strategies within predator-prey interactions – from individuals to ecosystems T1 - Strategien in Räuber-Beute Interaktionen – vom Individuum bis zum Ökosystem N2 - Predator-prey interactions provide central links in food webs. These interaction are directly or indirectly impacted by a number of factors. These factors range from physiological characteristics of individual organisms, over specifics of their interaction to impacts of the environment. They may generate the potential for the application of different strategies by predators and prey. Within this thesis, I modelled predator-prey interactions and investigated a broad range of different factors driving the application of certain strategies, that affect the individuals or their populations. In doing so, I focused on phytoplankton-zooplankton systems as established model systems of predator-prey interactions. At the level of predator physiology I proposed, and partly confirmed, adaptations to fluctuating availability of co-limiting nutrients as beneficial strategies. These may allow to store ingested nutrients or to regulate the effort put into nutrient assimilation. We found that these two strategies are beneficial at different fluctuation frequencies of the nutrients, but may positively interact at intermediate frequencies. The corresponding experiments supported our model results. We found that the temporal structure of nutrient fluctuations indeed has strong effects on the juvenile somatic growth rate of {\itshape Daphnia}. Predator colimitation by energy and essential biochemical nutrients gave rise to another physiological strategy. High-quality prey species may render themselves indispensable in a scenario of predator-mediated coexistence by being the only source of essential biochemical nutrients, such as cholesterol. Thereby, the high-quality prey may even compensate for a lacking defense and ensure its persistence in competition with other more defended prey species. We found a similar effect in a model where algae and bacteria compete for nutrients. Now, being the only source of a compound that is required by the competitor (bacteria) prevented the competitive exclusion of the algae. In this case, the essential compounds were the organic carbon provided by the algae. Here again, being indispensable served as a prey strategy that ensured its coexistence. The latter scenario also gave rise to the application of the two metabolic strategies of autotrophy and heterotrophy by algae and bacteria, respectively. We found that their coexistence allowed the recycling of resources in a microbial loop that would otherwise be lost. Instead, these resources were made available to higher trophic levels, increasing the trophic transfer efficiency in food webs. The predation process comprises the next higher level of factors shaping the predator-prey interaction, besides these factors that originated from the functioning or composition of individuals. Here, I focused on defensive mechanisms and investigated multiple scenarios of static or adaptive combinations of prey defense and predator offense. I confirmed and extended earlier reports on the coexistence-promoting effects of partially lower palatability of the prey community. When bacteria and algae are coexisting, a higher palatability of bacteria may increase the average predator biomass, with the side effect of making the population dynamics more regular. This may facilitate experimental investigations and interpretations. If defense and offense are adaptive, this allows organisms to maximize their growth rate. Besides this fitness-enhancing effect, I found that co-adaptation may provide the predator-prey system with the flexibility to buffer external perturbations. On top of these rather internal factors, environmental drivers also affect predator-prey interactions. I showed that environmental nutrient fluctuations may create a spatio-temporal resource heterogeneity that selects for different predator strategies. I hypothesized that this might favour either storage or acclimation specialists, depending on the frequency of the environmental fluctuations. We found that many of these factors promote the coexistence of different strategies and may therefore support and sustain biodiversity. Thus, they might be relevant for the maintenance of crucial ecosystem functions that also affect us humans. Besides this, the richness of factors that impact predator-prey interactions might explain why so many species, especially in the planktonic regime, are able to coexist. N2 - Organismen interagieren miteinander und mit ihrer Umwelt. Innerhalb dieses Netzwerks von Interaktionen sind Fraßbeziehungen zwischen Räubern und ihrer Beute von zentraler Bedeutung. Sie werden auf verschiedenen Ebenen von unterschiedlichen Faktoren beeinflusst, was zur Ausprägung von diversen Strategien von Räuber oder Beute führen kann. Diese Faktoren und die Strategien die sie hervor bringen sind Gegenstand dieser Doktorarbeit. In mehreren Modellierungsstudien habe ich vielseitige Faktoren untersucht, die sich dem Aufbau einzelner Organismen, Verteidigungs- und Angriffsmechanismen sowie Umwelteinflüssen zuordnen lassen. Dabei konzentrierte ich mich auf ein etabliertes Modellsystem zur Erforschung von Räuber-Beute-Dynamiken und untersuchte die Fraßbeziehung zwischen Phytoplankton als Beute und Zooplankton als Räuber. Ich fand heraus, dass die Bereitstellung von essentiellen Ressourcen für Konkurrenten oder Räuber eine Strategie sein kann, mit der Beutearten sich vor dem Aussterben schützen können. Auch die direkte Verteidigung gegen den Räuber ist eine häufige Strategie zur Verringerung des Fraßdrucks und kann ebenfalls Koexistenz fördern. Für anpassungsfähige Verteidigung der Beute und Angriffsstärke des Räubers konnte ich zeigen, dass dies sowohl die Fitness erhöhen, als auch die Robustheit der Räuber-Beute-Dynamiken gegen äußere Störungen erhöhen kann. Weiterhin fand ich heraus, dass physiologische Anpassungsmechanismen wie Speicherung oder anpassungsfähige Aufnahme von Nährstoffen die Wachstumsrate des Räubers verbessern können, wenn die Qualität der verfügbaren Beute in der Umwelt des Räubers fluktuiert. Viele der Strategien, die ich in dieser Arbeit herausgestellt habe, können die Koexistenz von verschiedenen Arten fördern und damit zu erhöhter Biodiversität beitragen, welche wiederum entscheidend ist für die Stabilität von Ökosystemen und deren Nutzbarkeit. KW - predator-prey KW - biodiversity KW - modelling KW - Räuber-Beute KW - Biodiversität KW - Modellierung Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-426587 ER - TY - THES A1 - Jadhav Sudam, Sagar T1 - Metabolic regulation and key genes of tomato secondary metabolism T1 - Stoffwechselregulation und Schlüsselgene des Sekundärstoffwechsels in Tomaten N2 - Domestication syndrome has resulted in the large loss of genetic variation of crop plants. Because of such genetic loss, productivity of various beneficial secondary (specialized) metabolites that protect against abiotic/biotic stresses, has been narrowed in many domesticated crops. Many key regulators or structural genes of secondary metabolic pathways in the domesticated as well as wild tomatoes are still largely unknown. In recent studies, metabolic quantitative trait loci (mQTL) analysis using the population of introgression lines (ILs), each containing a single introgression from Solanum pennellii (wild tomato) in the genetic background of domesticated tomato (M82, Solanum lycopersicum), has been used for investigation of metabolic regulation and key genes involved in both primary and secondary metabolism. In this thesis, three research projects, i) understanding of metabolic linkage between branched chain amino acids (BCAAs) and secondary metabolism using antisense lines of BCAAs metabolic genes, ii) investigation of novel key genes involved in tomato secondary metabolism and fruit ripening, iii) mapping of drought stress responsive mQTLs in tomato, are presented and discussed. In the first part, metabolic linkage between leucine and secondary metabolism is investigated by analyzing antisense lines of four key genes (ketol-acid reductoisomerase, KARI; dihydroxy-acid dehydratase, DHAD; isopropylmalate dehydratase, IPMD and branched chain aminotransferases1, BCAT1) found previously in mQTL of leucine contents. Obtained results indicate that KARI might be a rate limiting enzyme for iC5 acyl-sucrose synthesis in young leaf but not in red ripe fruits. By integrating obtained results with previous reports, inductive metabolic linkage between BCAAs and other secondary metabolic pathways at DHAD transcriptional levels in fruit is proposed. In the second part, candidate genes that are involved in secondary metabolism and fruit ripening in tomato were found by the approach of expression quantitative trait loci (eQTL) analysis. To predict functions of those candidate genes, functional validation by virus induced gene silencing and transient overexpression were performed. Results obtained by analyzing T0 overexpression and artificial miRNA lines for some of those candidates confirm their predicted functions, for example involved in fruit ripening (WD40, Solyc04g005020) and iC5 acyl-sucrose synthesis (P450, Solyc03g111940). In the third part, mapping of drought stress responsive mQTLs was performed using 57 S. pennellii ILs population. Evaluation of genetic architecture of mQTL analysis resulted in identifying drought responsive ILs (11-2, 8-3-1, 10-1-1 and 3-1). Location of well characterized regulators in these ILs helped to filter potential new key genes involved in drought stress tolerance. Obtained results suggests us our approaches could be viable for narrowing down potential candidates involved in creating interspecific variation in secondary metabolite content and at the level of fruit ripening. N2 - Das Domestikationssyndrom hat zu einem großen Verlust an genetischer Variation von Kulturpflanzen geführt. Aufgrund dieses genetischen Verlustes ist die Produktivität verschiedener nützlicher, sekundärer (spezialisierter) Metabolite, die gegen abiotische/biotische Belastungen schützen, in vielen domestizierten Nutzpflanzen eingeschränkt worden. Viele Schlüsselregulatoren oder Strukturgene des Sekundärstoffwechsels sind sowohl in den domestizierten als auch in den wilden Tomaten noch weitgehend unbekannt. In neueren Studien wurde die mQTL-Analyse (metabolic quantitative trait loci) durchgeführt, unter Verwendung der Solanum pennellii Introgressionslinienpopulation (ILs), um Stoffwechselregulation und Schlüsselgene zu untersuchen, die sowohl am Primär- als auch am Sekundärstoffwechsel beteiligt sind. In dieser Doktorarbeit werden drei Forschungsprojekte vorgestellt und diskutiert, i) Verständnis der metabolischen Verbindung zwischen verzweigtkettigen Aminosäuren (BCAAs branched-chain amino acids) und dem Sekundärstoffwechsel unter Verwendung von Antisense-Linien von metabolischen Genen der BCAAs, ii) Untersuchung neuer Schlüsselgene im Tomaten-Sekundärstoffwechsel und Fruchtreifung, iii ) Kartierung mQTLs in Tomaten, die auf Trockenstress ansprechen. Im ersten Teil wird die metabolische Verknüpfung zwischen Leucin und dem Sekundärmetabolismus untersucht, indem Antisense-Linien von vier Schlüsselgenen (Ketol-Säure-Reduktoisomerase, KARI; Dihydroxysäuredehydratase, DHAD; Isopropylmalatdehydratase, IPMD und verzweigtkettige Aminotransferasen1, BCAT1) untersucht werden, die in mQTLs für den Leucingehalt gefunden wurden. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass KARI ein geschwindigkeitslimitierendes Enzym für die iC5-Acyl-Saccharosesynthese in jungen Blättern, aber nicht in roten reifen Früchten sein könnte. Durch Integration der erhaltenen Ergebnisse mit früheren Berichten wird eine induktive metabolische Verbindung zwischen BCAAs und anderen sekundären Stoffwechselwegen auf DHAD-Transkriptionsebene in Früchten vorgeschlagen. Im zweiten Teil wurden Kandidatengene gefunden, die am sekundären Metabolismus und der Fruchtreife von Tomaten beteiligt sind, durch den Ansatz der eQTL-Analyse (expression QTL). Um die Funktionen dieser Kandidatengene vorherzusagen, wurde eine funktionelle Validierung durch virusinduziertes Gen-Silencing und transiente Überexpression durchgeführt. Ergebnisse, die durch Analyse von T0-Überexpressions- und künstlichen miRNA-Linien für einige dieser Kandidatengene erhalten wurden, bestätigen ihre vorhergesagten Funktionen, z. B. Beteiligt an Fruchtreifung (WD40, Solyc04g005020) und iC5-Acylsaccharosesynthese (P450, Solyc03g111940). Im dritten Teil wurde die Kartierung von auf Trockenstress ansprechenden mQTLs unter Verwendung von 57 S. pennellii-IL-Populationen durchgeführt. Die Evaluierung der genetischen Architektur der mQTL-Analyse führte zur Identifizierung von ILs, die auf Trockenheit ansprechen (11-2, 8-3-1, 10-1-1 und 3-1). Die Position gut charakterisierter Regulatoren in diesen ILs half dabei, potenzielle neue Schlüsselregulatoren, die an der Toleranz gegenüber Trockenstress beteiligt sind, heraus zu filtern. Die erhaltenen Ergebnisse legen nahe, dass unsere Ansätze geeignet sein könnten, potentielle Kandidatengene einzugrenzen, die interspezifische Unterschiede im Sekundärmetabolitengehalt verursachen. KW - metabolic regulation KW - expression Quantitative Trait Loci KW - metabolic Quantitative Trait Loci KW - branched chain amino acids KW - Introgression Lines KW - Stoffwechselregulation KW - verzweigtkettige Aminosäuren Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-424478 ER -