TY  - THES
A1  - Matallana-Ramírez, Lilian Paola
T1  - Unraveling the ORE1 regulon in Arabidopsis thaliana : molecular and functional characterization of up- and down-stream components
T1  - Aufklärung des ORE1-Regulationsnetzwerks in Arabidopsis thaliana : molekulare und funktionelle Charakterisierung von Über- und untergeordneten Komponenten
N2  - Leaf senescence is an active process required for plant survival, and it is flexibly controlled, allowing plant adaptation to environmental conditions. Although senescence is largely an age-dependent process, it can be triggered by environmental signals and stresses. Leaf senescence coordinates the breakdown and turnover of many cellular components, allowing a massive remobilization and recycling of nutrients from senescing tissues to other organs (e.g., young leaves, roots, and seeds), thus enhancing the fitness of the plant. Such metabolic coordination requires a tight regulation of gene expression. One important mechanism for the regulation of gene expression is at the transcriptional level via transcription factors (TFs). The NAC TF family (NAM, ATAF, CUC) includes various members that show elevated expression during senescence, including ORE1 (ANAC092/AtNAC2) among others. ORE1 was first reported in a screen for mutants with delayed senescence (oresara1, 2, 3, and 11). It was named after the Korean word “oresara,” meaning “long-living,” and abbreviated to ORE1, 2, 3, and 11, respectively. Although the pivotal role of ORE1 in controlling leaf senescence has recently been demonstrated, the underlying molecular mechanisms and the pathways it regulates are still poorly understood. To unravel the signaling cascade through which ORE1 exerts its function, we analyzed particular features of regulatory pathways up-stream and down-stream of ORE1. We identified characteristic spatial and temporal expression patterns of ORE1 that are conserved in Arabidopsis thaliana and Nicotiana tabacum and that link ORE1 expression to senescence as well as to salt stress. We proved that ORE1 positively regulates natural and dark-induced senescence. Molecular characterization of the ORE1 promoter in silico and experimentally suggested a role of the 5’UTR in mediating ORE1 expression. ORE1 is a putative substrate of a calcium-dependent protein kinase named CKOR (unpublished data). Promising data revealed a positive regulation of putative ORE1 targets by CKOR, suggesting the phosphorylation of ORE1 as a requirement for its regulation. Additionally, as part of the ORE1 up-stream regulatory pathway, we identified the NAC TF ATAF1 which was able to transactivate the ORE1 promoter in vivo. Expression studies using chemically inducible ORE1 overexpression lines and transactivation assays employing leaf mesophyll cell protoplasts provided information on target genes whose expression was rapidly induced upon ORE1 induction. First, a set of target genes was established and referred to as early responding in the ORE1 regulatory network. The consensus binding site (BS) of ORE1 was characterized. Analysis of some putative targets revealed the presence of ORE1 BSs in their promoters and the in vitro and in vivo binding of ORE1 to their promoters. Among these putative target genes, BIFUNCTIONAL NUCLEASE I (BFN1) and VND-Interacting2 (VNI2) were further characterized. The expression of BFN1 was found to be dependent on the presence of ORE1. Our results provide convincing data which support a role for BFN1 as a direct target of ORE1. Characterization of VNI2 in age-dependent and stress-induced senescence revealed ORE1 as a key up-stream regulator since it can bind and activate VNI2 expression in vivo and in vitro. Furthermore, VNI2 was able to promote or delay senescence depending on the presence of an activation domain located in its C-terminal region. The plasticity of this gene might include alternative splicing (AS) to regulate its function in different organs and at different developmental stages, particularly during senescence. A model is proposed on the molecular mechanism governing the dual role of VNI2 during senescence.
N2  - Der Alterungsprozess lebender Organismen wird seit vielen Jahren wissenschaftlich untersucht. In Pflanzen wird der Alterungsprozess Seneszenz genannt. Er ist für das Überleben der Pflanze von großer Bedeutung. Dennoch ist unser Wissen über die molekularen Mechanismen der Blattseneszenz, dessen komplexe Steuerung und die Wechselwirkungen mit Umweltsignale noch sehr limitiert. Ein wichtiges Steuerungselement besteht in der Aktivierung bestimmter Transkriptionsfaktoren (TFs) die während der Seneszenz unterschiedlich exprimiert werden. Aus der Literatur ist bekannt, dass Mitglieder der NAC TF Familie (NAM/ATAF/CUC) an der Regulation der Seneszenz bei Pflanzen beteiligt sind. ORE1 (ANAC092/AtNAC2), ein NAC TF mit erhöhter Genexpression während der Seneszenz, wurde erstmals in Mutanten mit verzögerte Seneszenz beschrieben, die molekularen Mechanismen, wie ORE1 die Seneszenz kontrolliert und die Stoffwechselwege reguliert, sind aber noch weitgehend unbekannt. Die Arbeiten im Rahmen dieser Dissertation wurden durchgeführt, um einen tieferen Einblick in die Regulationsmechanismen von ORE1 auf natürliche, dunkel induzierte sowie Salzstress-induzierte Seneszenz zu erhalten. Ergebnisse von Untersuchungen an zwei unterschiedlichen Pflanzenspezies (Arabidopsis thalinana und Nicotiana tabacum) deuten auf ein ähnliches Expressionsmuster von ORE1 während der natürlichen als auch der Salz-induzierten Seneszenz hin. In der Promotorregion von ORE1 wurde ein für natürliche Seneszenz charakteristisches Muster identifiziert. In vivo Analysen ergaben darüber hinaus. Hinweise auf zwei weitere ORE1 Regulatoren. Debei handelt es sich umeinen weiteren NAC TF (ATAF1) und (ii) CKOR, einer Calcium-abhängige Protein-Kinase (CDPK).In weiteren Studien wurden sechs Gene identifiziert, die durch ORE1 reguliert werden. In den Promotoren dieser Gene wurden entsprechende Bindestellen für ORE1 lokalisiert. Die ORE1-Bindung an die Promotoren wurde daraufhin sowohl in vitro als auch in vivo verifiziert. Zwei dieser Gene, die BIFUNCTIONAL Nuclease I (BFNI) und VND-Interacting2 (VNI2), wurden zudem auf molekularer und physiologischer Ebene untersucht.
KW  - Blattalterung
KW  - Transkriptionsfaktor
KW  - Regulationsweg
KW  - Leaf senescence
KW  - transcription factor
KW  - regulatory pathway
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-62646
ER  - 
TY  - THES
A1  - Hammer, Paul
T1  - Transkriptomweite Untersuchungen von Prostata-Krebszelllinien im Kontext medizinischer Strahlentherapie
T1  - Transcriptome-wide studies of prostate cancer cell lines in the context of medical radiation
N2  - Die Strahlentherapie ist neben der Chemotherapie und einer operativen Entfernung die stärkste Waffe für die Bekämpfung bösartiger Tumore in der Krebsmedizin. Nach Herz-Kreislauf-Erkrankungen ist Krebs die zweithäufigste Todesursache in der westlichen Welt, wobei Prostatakrebs heutzutage die häufigste, männliche Krebserkrankung darstellt. Trotz technologischer Fortschritte der radiologischen Verfahren kann es noch viele Jahre nach einer Radiotherapie zu einem Rezidiv kommen, was zum Teil auf die hohe Resistenzfähigkeit einzelner, entarteter Zellen des lokal vorkommenden Tumors zurückgeführt werden kann. Obwohl die moderne Strahlenbiologie viele Aspekte der Resistenzmechanismen näher beleuchtet hat, bleiben Fragestellungen, speziell über das zeitliche Ansprechen eines Tumors auf ionisierende Strahlung, größtenteils unbeantwortet, da systemweite Untersuchungen nur begrenzt vorliegen. Als Zellmodelle wurden vier Prostata-Krebszelllinien (PC3, DuCaP, DU-145, RWPE-1) mit unterschiedlichen Strahlungsempfindlichkeiten kultiviert und auf ihre Überlebensfähigkeit nach ionisierender Bestrahlung durch einen Trypanblau- und MTT-Vitalitätstest geprüft. Die proliferative Kapazität wurde mit einem Koloniebildungstest bestimmt. Die PC3 Zelllinie, als Strahlungsresistente, und die DuCaP Zelllinie, als Strahlungssensitive, zeigten dabei die größten Differenzen bezüglich der Strahlungsempfindlichkeit. Auf Grundlage dieser Ergebnisse wurden die beiden Zelllinien ausgewählt, um anhand ihrer transkriptomweiten Genexpressionen, eine Identifizierung potentieller Marker für die Prognose der Effizienz einer Strahlentherapie zu ermöglichen. Weiterhin wurde mit der PC3 Zelllinie ein Zeitreihenexperiment durchgeführt, wobei zu 8 verschiedenen Zeitpunkten nach Bestrahlung mit 1 Gy die mRNA mittels einer Hochdurchsatz-Sequenzierung quantifiziert wurde, um das dynamisch zeitversetzte Genexpressionsverhalten auf Resistenzmechanismen untersuchen zu können. Durch das Setzen eines Fold Change Grenzwertes in Verbindung mit einem P-Wert < 0,01 konnten aus 10.966 aktiven Genen 730 signifikant differentiell exprimierte Gene bestimmt werden, von denen 305 stärker in der PC3 und 425 stärker in der DuCaP Zelllinie exprimiert werden. Innerhalb dieser 730 Gene sind viele stressassoziierte Gene wiederzufinden, wie bspw. die beiden Transmembranproteingene CA9 und CA12. Durch Berechnung eines Netzwerk-Scores konnten aus den GO- und KEGG-Datenbanken interessante Kategorien und Netzwerke abgeleitet werden, wobei insbesondere die GO-Kategorien Aldehyd-Dehydrogenase [NAD(P)+] Aktivität (GO:0004030) und der KEGG-Stoffwechselweg der O-Glykan Biosynthese (hsa00512) als relevante Netzwerke auffällig wurden. Durch eine weitere Interaktionsanalyse konnten zwei vielversprechende Netzwerke mit den Transkriptionsfaktoren JUN und FOS als zentrale Elemente identifiziert werden. Zum besseren Verständnis des dynamisch zeitversetzten Ansprechens der strahlungsresistenten PC3 Zelllinie auf ionisierende Strahlung, konnten anhand der 10.840 exprimierten Gene und ihrer Expressionsprofile über 8 Zeitpunkte interessante Einblicke erzielt werden. Während es innerhalb von 30 min (00:00 - 00:30) nach Bestrahlung zu einer schnellen Runterregulierung der globalen Genexpression kommt, folgen in den drei darauffolgenden Zeitabschnitten (00:30 - 01:03; 01:03 - 02:12; 02:12 - 04:38) spezifische Expressionserhöhungen, die eine Aktivierung schützender Netzwerke, wie die Hochregulierung der DNA-Reparatursysteme oder die Arretierung des Zellzyklus, auslösen. In den abschließenden drei Zeitbereichen (04:38 - 09:43; 09:43 - 20:25; 20:25 - 42:35) liegt wiederum eine Ausgewogenheit zwischen Induzierung und Supprimierung vor, wobei die absoluten Genexpressionsveränderungen ansteigen. Beim Vergleich der Genexpressionen kurz vor der Bestrahlung mit dem letzten Zeitpunkt (00:00 - 42:53) liegen mit 2.670 die meisten verändert exprimierten Gene vor, was einer massiven, systemweiten Genexpressionsänderung entspricht. Signalwege wie die ATM-Regulierung des Zellzyklus und der Apoptose, des NRF2-Signalwegs nach oxidativer Stresseinwirkung und die DNA-Reparaturmechanismen der homologen Rekombination, des nicht-homologen End Joinings, der MisMatch-, der Basen-Exzision- und der Strang-Exzision-Reparatur spielen bei der zellulären Antwort eine tragende Rolle. Äußerst interessant sind weiterhin die hohen Aktivitäten RNA-gesteuerter Ereignisse, insbesondere von small nucleolar RNAs und Pseudouridin-Prozessen. Demnach scheinen diese RNA-modifizierenden Netzwerke einen bisher unbekannten funktionalen und schützenden Einfluss auf das Zellüberleben nach ionisierender Bestrahlung zu haben. All diese schützenden Netzwerke mit ihren zeitspezifischen Interaktionen sind essentiell für das Zellüberleben nach Einwirkung von oxidativem Stress und zeigen ein komplexes aber im Einklang befindliches Zusammenspiel vieler Einzelkomponenten zu einem systemweit ablaufenden Programm.
N2  - The use of radiotherapy in addition to chemotherapy and surgical removal is the most powerful instrument in the fight against malignant tumors in cancer medicine. After cardiovascular diseases, cancer is the second leading cause of death in the western world, in which prostate cancer is the most frequent male cancer. Despite continuous technological improvements in radiological instruments and prognosis, it may occur a recurrence up to many years after radiotherapy due to a high resistance capability of individual malignant cells of the locally occurring tumor. Although modern radiation biology has studied many aspects of the resistance mechanisms, questions are largely unanswered especially in regards to prognostic terms and time response of tumor cells to ionizing radiation. As cellular models four prostate cancer cell lines with different radiation sensitivities (PC3, DuCaP, DU-145, RWPE-1) were cultured and tested for their ability to survive after exposure to ionizing radiation by a trypane blue and MTT viability assay. The proliferative capacity of the four cell lines was determined using a colony formation assay. The PC3 cell line (radiation-resistant) and the DuCaP cell line (radiation-sensitive) showed the maximal differences in terms of radiation sensitivity. Based on these results the two cell lines were selected to allow identification of potential prognostic marker for predicting the effectiveness of radiation therapy via their transcriptome-wide gene expression. Furthermore, a time series experiment with the radiation-resistant PC3 cell line was performed. At 8 different time points, during the period from 00:00 - 42:53 (hh:mm) after exposure with 1 Gy, the mRNA was quantified by next generation sequencing to investigate the dynamic behavior of time-delayed gene expression and to discover resistance mechanisms. Of 10,966 expressed genes 730 were significant differentially expressed, determined by setting a fold change threshold in conjunction with a P-value < 0.01. Of those 305 were more strongly expressed in PC3 cell line and 425 were more strongly expressed in the DuCaP cell line. Within these 730 genes many known stress-associated genes could be found, such as the two trans-membrane protein genes CA9 and CA12, which are associated with increased radiation resistance. By calculating a network score interesting networks were derived by the GO and KEGG databases. In particular the GO categories aldehyde dehydrogenase [NAD(P)+] activity (GO:0004030) as well as the KEGG pathway of O-glycan biosynthesis (hsa00512) seems to be remarkably relevant. An interaction analysis revealed two promising networks with the transcription factors JUN and FOS as central elements. High expression of the JUN network would be stand as indicator for radiation resistance whereas a high expression of the FOS network is equated with radiation sensitivity. Interesting insights could be achieved by analyzing the 10,840 expressed genes of the PC3 cell line and its expression profile over the 8 time points. Shortly after irradiation (00:00 - 00:30) a transcriptome-wide down-regulation occurred, within the next three, short time periods (00:30 - 01:03; 01:03 - 02:12; 02:12 - 04:38) a predominant increase of gene expression and the activation of protective networks followed, such as the up-regulation of DNA repair systems or the arresting of cell cycle. In the ensuing three time periods (4:38 - 09:43; 09:43 - 20:25; 20:25 - 42:35) a balance between gene induction and suppression was present and the absolute gene expression change was increased. When comparing the gene expression prior to irradiation with the last time point (00:00 - 42:53) 2,670 genes were differentially expressed, suggesting a massive and system-wide change of gene expression. Signaling pathways such as the ATM-regulated cell cycle and apoptosis, the Nrf2 pathway after oxidative stress exposure, the DNA repair mechanisms of homologous recombination, the non-homologous end joining, the mismatch repair, base-excision repair and strand-excision repair play a major role. Very interesting are the high activity of RNA-driven events, especially activities of small nucleolar RNAs and pseudouridine processes. This suggests that these RNA-modifying networks could have a hitherto unknown functional and protective effect on cell survival after exposure to ionizing radiation. All these protective networks and their time-specific interactions are essential for the survival of cells after exposure to oxidative stress and show a complex but consistent interaction of many individual components to a system-wide running program.
KW  - Strahlenbiologie
KW  - Sequenzierung
KW  - Resistenzmechanismen
KW  - Genexpression
KW  - Prostatakrebs
KW  - radiation biology
KW  - next generation sequencing
KW  - prostate cancer
KW  - resistance mechanisms
KW  - gene expression
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-63190
ER  - 
TY  - THES
A1  - Lohmann, Dirk
T1  - Sustainable management of semi-arid African savannas under environmental and political change
T1  - Nachhaltige Nutzung semiarider Savannen in Afrika unter dem Einfluss von klimatischem und politischem Wandel
N2  - Drylands cover about 40% of the earth’s land surface and provide the basis for the livelihoods of 38% of the global human population. Worldwide, these ecosystems are prone to heavy degradation. Increasing levels of dryland degradation result a strong decline of ecosystem services. In addition, in highly variable semi-arid environments changing future environmental conditions will potentially have severe consequences for productivity and ecosystem dynamics. Hence, global efforts have to be made to understand the particular causes and consequences of dryland degradation and to promote sustainable management options for semi-arid and arid ecosystems in a changing world. Here I particularly address the problem of semi-arid savanna degradation, which mostly occurs in form of woody plant encroachment. At this, I aim at finding viable sustainable management strategies and improving the general understanding of semi-arid savanna vegetation dynamics under conditions of extensive livestock production. Moreover, the influence of external forces, i.e. environmental change and land reform, on the use of savanna vegetation and on the ecosystem response to this land use is assessed. Based on this I identify conditions and strategies that facilitate a sustainable use of semi-arid savanna rangelands in a changing world. I extended an eco-hydrological model to simulate rangeland vegetation dynamics for a typical semi-arid savanna in eastern Namibia. In particular, I identified the response of semi-arid savanna vegetation to different land use strategies (including fire management) also with regard to different predicted precipitation, temperature and CO2 regimes. Not only environmental but also economic and political constraints like e.g. land reform programmes are shaping rangeland management strategies. Hence, I aimed at understanding the effects of the ongoing process of land reform in southern Africa on land use and the semi-arid savanna vegetation. Therefore, I developed and implemented an agent-based ecological-economic modelling tool for interactive role plays with land users. This tool was applied in an interdisciplinary empirical study to identify general patterns of management decisions and the between-farm cooperation of land reform beneficiaries in eastern Namibia. The eco-hydrological simulations revealed that the future dynamics of semi-arid savanna vegetation strongly depend on the respective climate change scenario. In particular, I found that the capacity of the system to sustain domestic livestock production will strongly depend on changes in the amount and temporal distribution of precipitation. In addition, my simulations revealed that shrub encroachment will become less likely under future climatic conditions although positive effects of CO2 on woody plant growth and transpiration have been considered. While earlier studies predicted a further increase in shrub encroachment due to increased levels of atmospheric CO2, my contrary finding is based on the negative impacts of temperature increase on the drought sensitive seedling germination and establishment of woody plant species. Further simulation experiments revealed that prescribed fires are an efficient tool for semi-arid rangeland management, since they suppress woody plant seedling establishment. The strategies tested have increased the long term productivity of the savanna in terms of livestock production and decreased the risk for shrub encroachment (i.e. savanna degradation). This finding refutes the views promoted by existing studies, which state that fires are of minor importance for the vegetation dynamics of semi-arid and arid savannas. Again, the difference in predictions is related to the bottleneck at the seedling establishment stage of woody plants, which has not been sufficiently considered in earlier studies. The ecological-economic role plays with Namibian land reform beneficiaries showed that the farmers made their decisions with regard to herd size adjustments according to economic but not according to environmental variables. Hence, they do not manage opportunistically by tracking grass biomass availability but rather apply conservative management strategies with low stocking rates. This implies that under the given circumstances the management of these farmers will not per se cause (or further worsen) the problem of savanna degradation and shrub encroachment due to overgrazing. However, as my results indicate that this management strategy is rather based on high financial pressure, it is not an indicator for successful rangeland management. Rather, farmers struggle hard to make any positive revenue from their farming business and the success of the Namibian land reform is currently disputable. The role-plays also revealed that cooperation between farmers is difficult even though obligatory due to the often small farm sizes. I thus propose that cooperation needs to be facilitated to improve the success of land reform beneficiaries.
N2  - Semiaride (halbtrockene) Savannen bedecken große Teile der Erdoberfläche und sichern die Lebensgrundlage von vielen Millionen Menschen. Die häufigste Form der Landnutzung in diesen Trockengebieten ist die Produktion von Vieh in extensiver Weidelandbewirtschaftung. In Folge klimatischer Veränderungen und als Konsequenz aus der teils intensiven Beweidung dieser Trockengebiete kommt es häufig zur Degradierung derselben in Form einer Zunahme von ‚unerwünschter‘ holziger Vegetation auf Kosten von futterverwertbaren Gräsern. Dieser als Verbuschung bezeichnete Prozess hat schwere negative Auswirkungen auf die betroffenen Ökosysteme und ist die Ursache für einen zunehmenden Rückgang der ökonomischen Leistungsfähigkeit der betroffenen Betriebe. In meiner Dissertation befasse ich mich mit den Auswirkungen von Klimawandel und politischen Veränderungen auf die Savannenvegetation im südlichen Afrika und auf die Möglichkeiten für die Nutzung dieser Ökosysteme in Form von Viehwirtschaft. Hierbei möchte ich sowohl das allgemeine Verständnis der ökologischen Zusammenhänge verbessern, als auch Strategien für die nachhaltige Nutzung der Savannen identifizieren und bewerten. Da nicht nur ökologische, sondern auch ökonomische und politische Einflussfaktoren, wie zum Beispiel die umfangreichen Landumverteilungen im Rahmen der Bodenreform im südlichen Afrika auf die tatsächliche Landnutzung wirken, habe ich im Rahmen der Dissertation zudem untersucht, nach welchen Umwelt und Kapitalvariablen sich die Farmer, welche Ihr Land im Rahmen der Bodenreform zugeteilt bekommen haben, bei Ihren Entscheidungen richten. Methodisch verwende ich verschiedene Simulationsmodelle, welche zur Untersuchung der langfristigen Veränderungen von verschiedensten Szenarien (Klimawandel, Landnutzung) geeignet sind. Hierbei habe ich teilweise bestehende Modelle angepasst, aber auch ein neues Modell, welches zur Befragung von Farmern in Namibia verwendet wurde, entwickelt. Meine Dissertation führt im Wesentlichen zu vier Erkenntnissen: Erstens, zeigen meine Ergebnisse, welche große Bedeutung die spezifischen ökologischen Eigenschaften der Bäume und Sträucher in semiariden Savannen für die Vorhersage der Entwicklung dieser Systeme unter Klimawandel hat. Hierbei zeigte sich, dass insbesondere die Sensitivität der Keimlinge gegenüber Trockenheit und Feuer eine entscheidende Rolle spielt. Daraus folgt die zweite wesentliche Erkenntnis: Feuer eignet sich in herausragender Weise, um halbtrockene Savannen vor der Verbuschung zu bewahren. Drittens haben die Rollenspiele mit Farmern in Namibia gezeigt, dass deren Entscheidungen im Wesentlichen von finanziellen Schwierigkeiten und nicht von Umwelteinflüssen getrieben werden. Dennoch zeigten meine Ergebnisse, dass diese Farmer mit Ihrem derzeitigen Verhalten wahrscheinlich nicht zur weiteren Degradierung der Savannenvegetation beitragen. Die vierte, und mit am bedeutendste Erkenntnis aus meiner Arbeit ist, dass konservative Beweidungsstrategien mit geringen und konstanten Viehdichten notwendig sind um semiaride Savannen dauerhaft in ökologisch und ökonomisch nachhaltiger Weise zu Nutzen.
KW  - Savanne
KW  - nachhaltige Landnutzung
KW  - ökohydrologische Modellierung
KW  - Land Reform
KW  - Klimawandel
KW  - Savanna
KW  - sustainable land use
KW  - eco-hydrological modelling
KW  - land reform
KW  - climate change
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-65069
ER  - 
TY  - THES
A1  - Branscheid, Anja
T1  - Phosphate homeostasis and posttranscriptional gene regulation during arbuscular mycorrhizal symbiosis in Medicago truncatula
T1  - Phosphat-Homoeostase und posttranskriptionelle Genregulation waehrend der arbuskulaeren Mykorrhiza-Symbiose in Medicago truncatula
N2  - Since available phosphate (Pi) resources in soil are limited, symbiotic interactions between plant roots and arbuscular mycorrhizal (AM) fungi are a widespread strategy to improve plant phosphate nutrition. The repression of AM symbiosis by a high plant Pi-status indicates a link between Pi homeostasis signalling and AM symbiosis development. This assumption is supported by the systemic induction of several microRNA399 (miR399) primary transcripts in shoots and a simultaneous accumulation of mature miR399 in roots of mycorrhizal plants. However, the physiological role of this miR399 expression pattern is still elusive and offers the question whether other miRNAs are also involved in AM symbiosis. Therefore, a deep sequencing approach was applied to investigate miRNA-mediated posttranscriptional gene regulation in M. truncatula mycorrhizal roots. Degradome analysis revealed that 185 transcripts were cleaved by miRNAs, of which the majority encoded transcription factors and disease resistance genes, suggesting a tight control of transcriptional reprogramming and a downregulation of defence responses by several miRNAs in mycorrhizal roots. Interestingly, 45 of the miRNA-cleaved transcripts showed a significant differentially regulated between mycorrhizal and non-mycorrhizal roots. In addition, key components of the Pi homeostasis signalling pathway were analyzed concerning their expression during AM symbiosis development. MtPhr1 overexpression and time course expression data suggested a strong interrelation between the components of the PHR1-miR399-PHO2 signalling pathway and AM symbiosis, predominantly during later stages of symbiosis. In situ hybridizations confirmed accumulation of mature miR399 in the phloem and in arbuscule-containing cortex cells of mycorrhizal roots. Moreover, a novel target of the miR399 family, named as MtPt8, was identified by the above mentioned degradome analysis. MtPt8 encodes a Pi-transporter exclusively transcribed in mycorrhizal roots and its promoter activity was restricted to arbuscule-containing cells. At a low Pi-status, MtPt8 transcript abundance inversely correlated with a mature miR399 expression pattern. Increased MtPt8 transcript levels were accompanied by elevated symbiotic Pi-uptake efficiency, indicating its impact on balancing plant and fungal Pi-acquisition. In conclusion, this study provides evidence for a direct link of the regulatory mechanisms of plant Pi-homeostasis and AM symbiosis at a cell-specific level. The results of this study, especially the interaction of miR399 and MtPt8 provide a fundamental step for future studies of plant-microbe-interactions with regard to agricultural and ecological aspects.
N2  - Phosphat ist ein essentieller Bestandteil der pflanzlichen Ernährung und ein Mangel führt zu schwerwiegenden Folgen für Wachstum, Entwicklung und Reproduktion der Pflanze. Eine der wichtigsten Strategien, um einen Mangel an löslichem Phosphat im Boden auszugleichen, ist die arbuskuläre Mykorrhiza, einer Wurzelsymbiose zwischen Pflanzen und im Boden lebenden Mykorrhizapilzen. Die Symbiose dient dem gegenseitigen Nährstoffaustausch, der über bäumchenartige Strukturen in Wurzelzellen, den Arbuskeln, realisiert wird. Über ein weit reichendes Netzwerk im Boden verbessert der Pilz die Phosphatversorgung der Pflanzen, wohingegen die Pflanze photosynthetisch erzeugte Zucker zur Verfügung stellt. Ein erhöhter Phosphatgehalt in der Pflanze führt zur Unterdrückung der Symbiose. Da weitestgehend unbekannt ist, wie genau Pflanzen diese Einschränkung der Symbiose regulieren, kann die Erforschung dieses Zusammenhangs einen wichtigen Beitrag für Agrarwirtschaft und Umweltschutz leisten. Im Rahmen dieser Arbeit konnte durch die Entdeckung eines neuen, bisher unbekannten Zielgens aufgezeigt werden, dass die für den Ausgleich des pflanzlichen Phosphathaushalts wichtige Mikro-RNA (miR) 399 auch in der Regulation der arbuskulären Mykorrhizasymbiose von besonderer Bedeutung ist. MiRNAs regulieren die Aktivität von Zielgenen indem sie die jeweiligen Transkripte durch Bindung für den Abbau markieren. In kolonisierten Wurzeln, insbesondere in arbuskelhaltigen Wurzelzellen, konnte eine erhöhte Anhäufung der miR399 beobachtet werden. Durch das Verfahren der Hochdurchsatz-Sequenzierung des Wurzeldegradoms, bei dem alle abgebauten Transkripte analysiert werden, konnte das neue Zielgen der miR399 Familie, MtPT8, identifiziert werden. Dieses codiert für einen Phosphat-Transporter, der diesen Studien zufolge ausschließlich in mykorrhizierten Wurzeln vorkommt und dessen Transkription auf arbuskelhaltige Zellen beschränkt ist. Mit der Identifizierung dieses neuen Zielgens konnte erstmals der Beweis für die direkte Verbindung der pflanzlichen Phosphathomöostase durch miR399 und der arbuskulären Mykorrhizasymbiose gezeigt werden. Die Untersuchung der physiologischen Funktion dieses mykorrhizaspezifischen Phosphat-Transporters bietet die Möglichkeit, die Zusammenhänge der phosphatabhängigen Regulation der Symbiose aufzuklären und weit reichende Einblicke in die Regulationsmechanismen während der Pflanze-Pilz-Interaktion zu erhalten.
KW  - Mykorrhizasymbiose
KW  - Phosphat
KW  - mikroRNA399
KW  - Degradom
KW  - symbiose-relevante mikroRNA-Targets
KW  - Mycorrhizal symbiosis
KW  - phosphate
KW  - microRNA399
KW  - degradome
KW  - symbiosis-relevant microRNA targets
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-62106
ER  - 
TY  - THES
A1  - Breitenstein, Michael
T1  - Ortsaufgelöster Aufbau von DNA-Nanostrukturen auf Glasoberflächen
T1  - Assembly of DNA nanostructures on glass surfaces
N2  - Im Fokus dieser Arbeit stand der Aufbau einer auf DNA basierenden Nanostruktur. Der universelle Vier-Buchstaben-Code der DNA ermöglicht es, Bindungen auf molekularer Ebene zu adressieren. Die chemischen und physikalischen Eigenschaften der DNA prädestinieren dieses Makromolekül für den Einsatz und die Verwendung als Konstruktionselement zum Aufbau von Nanostrukturen. Das Ziel dieser Arbeit war das Aufspannen eines DNA-Stranges zwischen zwei Fixpunkten. Hierfür war es notwendig, eine Methode zu entwickeln, welche es ermöglicht, Funktionsmoleküle als Ankerelemente ortsaufgelöst auf eine Oberfläche zu deponieren. Das Deponieren dieser Moleküle sollte dabei im unteren Mikrometermaßstab erfolgen, um den Abmaßen der DNA und der angestrebten Nanostruktur gerecht zu werden. Das eigens für diese Aufgabe entwickelte Verfahren zum ortsaufgelösten Deponieren von Funktionsmolekülen nutzt das Bindungspaar Biotin-Neutravidin. Mit Hilfe eines Rasterkraftmikroskops (AFM) wurde eine zu einem „Stift“ umfunktionierte Rasterkraftmikroskopspitze so mit der zu deponierenden „Tinte“ beladen, dass das Absetzen von Neutravidin im unteren Mikrometermaßstab möglich war. Dieses Neutravidinmolekül übernahm die Funktion als Bindeglied zwischen der biotinylierten Glasoberfläche und dem eigentlichen Adressmolekül. Das somit generierte Neutravidin-Feld konnte dann mit einem biotinylierten Adressmolekül durch Inkubation funktionalisiert werden. Namensgebend für dieses Verfahren war die Möglichkeit, Neutravidin mehrmals zu deponieren und zu adressieren. Somit ließ sich sequenziell ein Mehrkomponenten-Feld aufbauen. Die Einschränkung, mit einem AFM nur eine Substanz deponieren zu können, wurde so umgangen. Ferner mußten Ankerelemente geschaffen werden, um die DNA an definierten Punkten immobilisieren zu können. Die Bearbeitung der DNA erfolgte mit molekularbiologischen Methoden und zielte darauf ab, einen DNA-Strang zu generieren, welcher an seinen beiden Enden komplementäre Adressequenzen enthält, um gezielt mit den oberflächenständigen Ankerelementen binden zu können. Entsprechend der Geometrie der mit dem AFM erzeugten Fixpunkte und den oligonukleotidvermittelten Adressen kommt es zur Ausbildung einer definierten DNA-Struktur. Mit Hilfe von fluoreszenzmikroskopischen Methoden wurde die aufgebaute DNA-Nanostruktur nachgewiesen. Der Nachweis der nanoskaligen Interaktion von DNA-bindenden Molekülen mit der generierten DNA-Struktur wurde durch die Bindung von PNA (peptide nucleic acid) an den DNA-Doppelstrang erbracht. Diese PNA-Bindung stellt ihrerseits ein funktionales Strukturelement im Nanometermaßstab dar und wird als Nanostrukturbaustein verstanden.
N2  - The main aim of this work was the development of a DNA-based nanostructure. The universal four-letter code of DNA allows addressing bonds at the molecular level. The chemical and physical property of DNA makes this macromolecule an ideal candidate as a construction element for nanostructures. The aim of this work was to span a DNA strand between two fixed points. For this purpose it was necessary to develop a method which makes it possible to deposit functional molecules as anchoring elements with highly spatial resolution on a surface. These molecules should be immobilized on the lower micrometer scale to meet the requirements of the desired nanostructure. The method that has been developed for this task, which enables to deposit functional molecules, uses the binding pair biotin-neutravidin. Using the tip of an atomic force microscope (AFM), which can be uses like a pen, it was possible to deposit neutravidin on the lower micrometer scale. This neutravidin molecule is the linking element between the biotinylated glass surface and the actual address molecule. The thus generated neutravidin field could then be functionalized with a biotinylated molecule by incubation. The method has been published as sequential spotting method because it enables a sequential functionalization of neutravidin after it has been deposited. It was so possible to build up a multi-component array. The limitation of being able to deposit only one single substance with an AFM has been circumvented. It also was necessary to create anchor elements in order to immobilize the DNA at defined positions. The processing of the DNA was carried out using molecular biological methods and aimed at generating a DNA strand, which at both ends has a complementary sequence for binding to the surface bound anchor elements. The defined structure is a result of the geometry of the fixed points, generated by the AFM. Using fluorescence microscopy, the constructed DNA nanostructure was detected. The proof of the interaction of DNA-binding molecules with the DNA structure was carried out by the binding of PNA (peptide nucleic acid), which is capable of binding to double stranded DNA. The PNA and its DNA-interaction is a functional building block in the nanometer scale and can be regarded as a promising nanostructure.
KW  - Nanostruktur
KW  - DNA
KW  - Rasterkraftmikroskop
KW  - Fluoreszenzmikroskopie
KW  - Oberflächenfunktionalisierung
KW  - nanostructure
KW  - DNA
KW  - atomic force microscope
KW  - fluorescence microscopy
KW  - surface chemistry
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-61857
ER  - 
TY  - THES
A1  - Buchmann, Carsten M.
T1  - Modelling the structuring of animal communities in heterogeneous landscapes : the role of individual home range formation, foraging movement, competition and habitat configuration
T1  - Modellierung zur Strukturierung von Tiergemeinschaften in heterogenen Landschaften : die Bedeutung von individuellen Aktionsräumen, Bewegung, Konkurrenz und Habitatkonfiguration
N2  - This thesis aims at a better mechanistic understanding of animal communities. Therefore, an allometry- and individual-based model has been developed which was used to simulate mammal and bird communities in heterogeneous landscapes, and to to better understand their response to landscape changes (habitat loss and fragmentation).
N2  - Diese Doktorarbeit strebt ein besseres mechanistisches Verständnis von Tiergemeinschaften an. Dafür wurde ein allometrie- und individuen-basiertes Modell entwickelt und dazu benutzt, Säugetier- und Vogelgemeinschaften in heterogenen Landschaften zu simulieren, und ihre Reaktion auf Landschaftsveränderungen (Habitatverlust und -fragmentierung) besser zu verstehen.
KW  - Allometrie
KW  - Aktionsraum
KW  - Artengemeinschaft
KW  - Bewegung
KW  - Modell
KW  - home range
KW  - allometry
KW  - individual-based model
KW  - allometry
KW  - community
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-59031
ER  - 
TY  - THES
A1  - Lerm, Stephanie
T1  - Mikroorganismen in geothermischen Aquiferen : Einfluss mikrobieller Prozesse auf den Anlagenbetrieb
T1  - Microorganisms in geothermal plants : influence of microbial processes on plant operation
N2  - In Fluid-, Filter- und Sedimentproben von vier geothermischen Anlagen des Norddeutschen Beckens wurden mit molekulargenetischen Verfahren unterschiedliche mikrobielle Gemeinschaften nachgewiesen. Die mikrobielle Zusammensetzung in den Prozesswässern wurde dabei durch die Aquiferteufe, die Salinität, die Temperatur und den verfügbaren Elektronendonatoren und -akzeptoren beeinflusst. Die in den anoxischen Prozesswässern identifizierten Organismen zeichneten sich durch einen chemoheterotrophen oder chemoautotrophen Stoffwechsel aus, wobei Nitrat, Sulfat, Eisen (III) oder Bikarbonat als terminale Elektronenakzeptoren fungierten. Mikroorganismen beeinflussten den Betrieb von zwei Anlagen negativ. So reduzierten im Prozesswasser des Kältespeichers am Berliner Reichstag vorhandene Eisenoxidierer, nahe verwandt zu der Gattung Gallionella, die Injektivität der Bohrungen durch Eisenhydroxidausfällungen in den Filterschlitzen. Biofilme, die von schwefeloxidierenden Bakterien der Gattung Thiothrix in den Filtern der obertägigen Anlage gebildet wurden, führten ebenfalls zu Betriebsstörungen, indem sie die Injektion des Fluids in den Aquifer behinderten. Beim Wärmespeicher in Neubrandenburg waren Sulfatreduzierer vermutlich an der Bildung von Eisensulfidausfällungen in den obertägigen Filtern und im bohrlochnahen Bereich beteiligt und verstärkten Korrosionsprozesse an der Pumpe im Bohrloch der kalten Aquiferseite. Organische Säuren in den Fluiden sowie mineralische Ausfällungen in den Filtern der obertägigen Anlagen waren Belege für die Aktivität der in den verschiedenen Anlagen vorhandenen Mikroorganismen. Es wurde zudem deutlich, dass Mikroorganismen auf Grund der hohen Durchflussraten in den Anlagen chemische Veränderungen in den Prozesswässern deutlich sensitiver anzeigen als chemische Analyseverfahren. So deuteten Änderungen in der Zusammensetzung der mikrobiellen Biozönosen und speziell die Identifikation von Indikatororganismen wie Eisen- und Schwefeloxidierern, fermentativen Bakterien und Sulfatreduzierern auf eine erhöhte Verfügbarkeit von Elektronendonatoren oder akzeptoren in den Prozesswässern hin. Die Ursachen für die an den Geothermieanlagen auftretenden Betriebsstörungen konnten dadurch erkannt werden.
N2  - Distinct microbial communities were found in fluid, filter, and sediment samples taken from four geothermal plants in the North German Basin by using molecular genetic techniques. The microbial composition in process fluids was influenced by aquifer depth, salinity, temperature, and available electron donors and acceptors. The organisms identified in the anoxic process fluids were closely related to chemoheterotrophs and chemoautotrophs that use nitrate, sulfate, ferric iron, and bicarbonate as the terminal electron acceptor. Microorganisms adversely affected operation of two geothermal plants. For example, Gallionella-related iron oxidizing bacteria, abundant in process fluids of the cold store at the Berliner Reichstag caused operation failures due to the formation of iron hydroxide scale that clogged the filter slots in the wells and led to a reduction of injectivity. In addition, biofilms formed by sulfur oxidizing Thiothrix sp. in filters of the topside facility drastically reduced injectivity. At the heat store in Neubrandenburg, sulfate reducing bacteria were probably involved in the formation of iron sulfides in filters of the topside facility and in the near wellbore area, and may have increased corrosion processes on the well pump at the cold side of the aquifer. Volatile fatty acids in process fluids and mineral scales in filters of the topside facility indicated the activity of microorganisms present in the different geothermal plants. In addition, it was shown that microorganisms react more sensitive than chemical analyses because of the high fluid flow in the plants, and thus indicate chemical changes in process fluids. Changes in the microbial community composition, and particularly the identification of indicator organisms, such as iron and sulfur oxidizer, fermentative, and sulfate reducing bacteria were suitable for the detection of increased availability of electron donors and acceptors. Thus, reasons for operation failures occurring at geothermal plants could be identified.
KW  - Mikroorganismen
KW  - Aquifer
KW  - Biofilme
KW  - Korrosion
KW  - genetisches Fingerprinting
KW  - Microorganisms
KW  - geothermal aquifer
KW  - biofilm
KW  - corrosion
KW  - genetic fingerprinting
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-63705
ER  - 
TY  - THES
A1  - Basler, Georg
T1  - Mass-balanced randomization : a significance measure for metabolic networks
T1  - Massebalancierte Randomisierung : ein Maß für Signifikanz in metabolischen Netzwerken
N2  - Complex networks have been successfully employed to represent different levels of biological systems, ranging from gene regulation to protein-protein interactions and metabolism. Network-based research has mainly focused on identifying unifying structural properties, including small average path length, large clustering coefficient, heavy-tail degree distribution, and hierarchical organization, viewed as requirements for efficient and robust system architectures. Existing studies estimate the significance of network properties using a generic randomization scheme - a Markov-chain switching algorithm - which generates unrealistic reactions in metabolic networks, as it does not account for the physical principles underlying metabolism. Therefore, it is unclear whether the properties identified with this generic approach are related to the functions of metabolic networks. Within this doctoral thesis, I have developed an algorithm for mass-balanced randomization of metabolic networks, which runs in polynomial time and samples networks almost uniformly at random. The properties of biological systems result from two fundamental origins: ubiquitous physical principles and a complex history of evolutionary pressure. The latter determines the cellular functions and abilities required for an organism’s survival. Consequently, the functionally important properties of biological systems result from evolutionary pressure. By employing randomization under physical constraints, the salient structural properties, i.e., the smallworld property, degree distributions, and biosynthetic capabilities of six metabolic networks from all kingdoms of life are shown to be independent of physical constraints, and thus likely to be related to evolution and functional organization of metabolism. This stands in stark contrast to the results obtained from the commonly applied switching algorithm. In addition, a novel network property is devised to quantify the importance of reactions by simulating the impact of their knockout. The relevance of the identified reactions is verified by the findings of existing experimental studies demonstrating the severity of the respective knockouts. The results suggest that the novel property may be used to determine the reactions important for viability of organisms. Next, the algorithm is employed to analyze the dependence between mass balance and thermodynamic properties of Escherichia coli metabolism. The thermodynamic landscape in the vicinity of the metabolic network reveals two regimes of randomized networks: those with thermodynamically favorable reactions, similar to the original network, and those with less favorable reactions. The results suggest that there is an intrinsic dependency between thermodynamic favorability and evolutionary optimization. The method is further extended to optimizing metabolic pathways by introducing novel chemically feasibly reactions. The results suggest that, in three organisms of biotechnological importance, introduction of the identified reactions may allow for optimizing their growth. The approach is general and allows identifying chemical reactions which modulate the performance with respect to any given objective function, such as the production of valuable compounds or the targeted suppression of pathway activity. These theoretical developments can find applications in metabolic engineering or disease treatment. The developed randomization method proposes a novel approach to measuring the significance of biological network properties, and establishes a connection between large-scale approaches and biological function. The results may provide important insights into the functional principles of metabolic networks, and open up new possibilities for their engineering.
N2  - In der Systembiologie und Bioinformatik wurden in den letzten Jahren immer komplexere Netzwerke zur Beschreibung verschiedener biologischer Prozesse, wie Genregulation, Protein-Interaktionen und Stoffwechsel (Metabolismus) rekonstruiert. Ein Hauptziel der Forschung besteht darin, die strukturellen Eigenschaften von Netzwerken für Vorhersagen über deren Funktion nutzbar zu machen, also eine Verbindung zwischen Netzwerkeigenschaften und Funktion herzustellen. Die netzwerkbasierte Forschung zielte bisher vor allem darauf ab, gemeinsame Eigenschaften von Netzwerken unterschiedlichen Ursprungs zu entdecken. Dazu zählen die durchschnittliche Länge von Verbindungen im Netzwerk, die Häufigkeit redundanter Verbindungen, oder die hierarchische Organisation der Netzwerke, welche als Voraussetzungen für effiziente Kommunikationswege und Robustheit angesehen werden. Dabei muss zunächst bestimmt werden, welche Eigenschaften für die Funktion eines Netzwerks von besonderer Bedeutung (Signifikanz) sind. Die bisherigen Studien verwenden dafür eine Methode zur Erzeugung von Zufallsnetzwerken, welche bei der Anwendung auf Stoffwechselnetzwerke unrealistische chemische Reaktionen erzeugt, da sie physikalische Prinzipien missachtet. Es ist daher fraglich, ob die Eigenschaften von Stoffwechselnetzwerken, welche mit dieser generischen Methode identifiziert werden, von Bedeutung für dessen biologische Funktion sind, und somit für aussagekräftige Vorhersagen in der Biologie verwendet werden können. In meiner Dissertation habe ich eine Methode zur Erzeugung von Zufallsnetzwerken entwickelt, welche physikalische Grundprinzipien berücksichtigt, und somit eine realistische Bewertung der Signifikanz von Netzwerkeigenschaften ermöglicht. Die Ergebnisse zeigen anhand der Stoffwechselnetzwerke von sechs Organismen, dass viele der meistuntersuchten Netzwerkeigenschaften, wie das Kleine-Welt-Phänomen und die Vorhersage der Biosynthese von Stoffwechselprodukten, von herausragender Bedeutung für deren biologische Funktion sind, und somit für Vorhersagen und Modellierung verwendet werden können. Die Methode ermöglicht die Identifikation von chemischen Reaktionen, welche wahrscheinlich von lebenswichtiger Bedeutung für den Organismus sind. Weiterhin erlaubt die Methode die Vorhersage von bisher unbekannten, aber physikalisch möglichen Reaktionen, welche spezifische Zellfunktionen, wie erhöhtes Wachstum in Mikroorganismen, ermöglichen könnten. Die Methode bietet einen neuartigen Ansatz zur Bestimmung der funktional relevanten Eigenschaften biologischer Netzwerke, und eröffnet neue Möglichkeiten für deren Manipulation.
KW  - Bioinformatik
KW  - Metabolische Netzwerke
KW  - Signifikanz
KW  - Randomisierung
KW  - Nullmodell
KW  - computational biology
KW  - metabolic networks
KW  - significance
KW  - randomization
KW  - null model
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-62037
ER  - 
TY  - THES
A1  - Axtner, Jan
T1  - Immune gene expression and diversity in relation to gastrointestinal parasite burden in small mammals
T1  - Immungenexpression und –diversität in Relation zur gastrointestinalen Parasitenbelastung bei Kleinsäugern
N2  - MHC genes encode proteins that are responsible for the recognition of foreign antigens and the triggering of a subsequent, adequate immune response of the organism. Thus they hold a key position in the immune system of vertebrates. It is believed that the extraordinary genetic diversity of MHC genes is shaped by adaptive selectional processes in response to the reoccurring adaptations of parasites and pathogens. A large number of MHC studies were performed in a wide range of wildlife species aiming to understand the role of immune gene diversity in parasite resistance under natural selection conditions. Methodically, most of this work with very few exceptions has focussed only upon the structural, i.e. sequence diversity of regions responsible for antigen binding and presentation. Most of these studies found evidence that MHC gene variation did indeed underlie adaptive processes and that an individual’s allelic diversity explains parasite and pathogen resistance to a large extent. Nevertheless, our understanding of the effective mechanisms is incomplete. A neglected, but potentially highly relevant component concerns the transcriptional differences of MHC alleles. Indeed, differences in the expression levels MHC alleles and their potential functional importance have remained unstudied. The idea that also transcriptional differences might play an important role relies on the fact that lower MHC gene expression is tantamount with reduced induction of CD4+ T helper cells and thus with a reduced immune response. Hence, I studied the expression of MHC genes and of immune regulative cytokines as additional factors to reveal the functional importance of MHC diversity in two free-ranging rodent species (Delomys sublineatus, Apodemus flavicollis) in association with their gastrointestinal helminths under natural selection conditions. I established the method of relative quantification of mRNA on liver and spleen samples of both species in our laboratory. As there was no available information on nucleic sequences of potential reference genes in both species, PCR primer systems that were established in laboratory mice have to be tested and adapted for both non-model organisms. In the due course, sets of stable reference genes for both species were found and thus the preconditions for reliable measurements of mRNA levels established. For D. sublineatus it could be demonstrated that helminth infection elicits aspects of a typical Th2 immune response. Whereas mRNA levels of the cytokine interleukin Il4 increased with infection intensity by strongyle nematodes neither MHC nor cytokine expression played a significant role in D. sublineatus. For A. flavicollis I found a negative association between the parasitic nematode Heligmosomoides polygyrus and hepatic MHC mRNA levels. As a lower MHC expression entails a lower immune response, this could be evidence for an immune evasive strategy of the nematode, as it has been suggested for many micro-parasites. This implies that H. polygyrus is capable to interfere actively with the MHC transcription. Indeed, this parasite species has long been suspected to be immunosuppressive, e.g. by induction of regulatory T-helper cells that respond with a higher interleukin Il10 and tumor necrosis factor Tgfb production. Both cytokines in turn cause an abated MHC expression. By disabling recognition by the MHC molecule H. polygyrus might be able to prevent an activation of the immune system. Indeed, I found a strong tendency in animals carrying the allele Apfl-DRB*23 to have an increased infection intensity with H. polygyrus. Furthermore, I found positive and negative associations between specific MHC alleles and other helminth species, as well as typical signs of positive selection acting on the nucleic sequences of the MHC. The latter was evident by an elevated rate of non-synonymous to synonymous substitutions in the MHC sequences of exon 2 encoding the functionally important antigen binding sites whereas the first and third exons of the MHC DRB gene were highly conserved. In conclusion, the studies in this thesis demonstrate that valid procedures to quantify expression of immune relevant genes are also feasible in non-model wildlife organisms. In addition to structural MHC diversity, also MHC gene expression should be considered to obtain a more complete picture on host-pathogen coevolutionary selection processes. This is especially true if parasites are able to interfere with systemic MHC expression. In this case advantageous or disadvantageous effects of allelic binding motifs are abated. The studies could not define the role of MHC gene expression in antagonistic coevolution as such but the results suggest that it depends strongly on the specific parasite species that is involved.
N2  - Die Hauptaufgabe von MHC-kodierten Proteinen ist die Erkennung von körperfremden Molekülen sowie das Einleiten einer adäquaten Immunantwort, womit sie eine Schlüsselrolle im Immunsystem der Wirbeltiere einnehmen. Man nimmt an, dass ihre außergewöhnliche Vielfalt eine Antwort auf die sich ständig anpassenden Parasiten und Krankheitserreger ist, durch adaptive Selektion erhalten wird und dass die individuelle Allelausstattung einen Großteil der Parasitenbelastung erklärt, wofür bereits zahlreiche MHC-Studien Hinweise gefunden haben. Trotzdem ist unser Verständnis über die wirkenden Mechanismen teilweise noch lückenhaft. Ein stark vernachlässigter Aspekt hierbei sind z.B. eventuelle Unterschiede in der Genexpression der MHC-Allele und eine geringere Expression wäre gleichbedeutend mit einer geringeren Aktivierung des Immunsystems. Ich habe hierzu zwei frei lebende Kleinsäugerarten (Delomys sublineatus, Apodemus flavicollis) unter natürlichen Selektionsbedingungen untersucht. Dabei habe ich neben der genotypischen Diversität von MHC-Genen auch deren Expression, sowie die Genexpression immunregulativer Zytokine mit in Betracht gezogen und in Relation zur individuellen Belastung mit gastrointestinalen Helminthen gesetzt. Anhand von Leber und Milzproben beider Arten habe ich die Methode der ‚real-time PCR‘ zur relativen Quantifizierung von mRNA im Labor etabliert. Bereits für die Labormaus etablierte PCR-Primersysteme wurden an beiden Arten getestet und so konnten stabile Referenzgene gefunden werden, die Grundvoraussetzung für zuverlässige Genexpressionsmessungen. Für D. sublineatus konnte gezeigt werden, dass Helminthenbefall eine typische Th2 Immunantwort induziert, und dass der Zytokin Il4 Gehalt mit Befallsintensität strongyler Nematoden zunimmt. Es wurde für D. sublineatus kein signifikanter Zusammenhang zwischen MHC Expression oder anderen Zytokinen mit Helminthenbefall gefunden. In A. flavicollis wurde ein negativer Zusammenhang zwischen haptischer MHC-Expression und dem parasitären Nematoden Heligmosomoides polygyrus festgestellt, was auf eine Immunvermeidungsstrategie des Nematoden hindeutet. Ich fand typische positive und negative Assoziationen zwischen MHC-Allelen und anderen Helminthenarten, sowie Zeichen eines positiven Selektionsdruckes auf den MHC-Sequenzen, was sich durch eine erhöhte Rate aminosäureverändernder Mutationen zeigte. Diese nicht-synonymen Veränderungen waren auf Positionen innerhalb des zweiten Exons des DRB-Genes beschränkt, wohingegen die untersuchten Bereiche des ersten und dritten Exons stark konserviert vorlagen. Diese variablen Positionen kodieren Schlüsselstellen im Bereich der Antigenbindungsstelle im MHC Molekül. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, dass Genexpressionsstudien auch an Wildtieren durchgeführt und verlässliche Daten erzeugt werden können. Zusätzlich zur strukturellen Vielfalt sollten zukünftig auch mögliche Genexpressionsunterschiede bei MHC-Studien berücksichtigt werden, um ein kompletteres Bild der koevolutiven Wirt-Parasiten-Beziehungen zeichnen zu können. Dies ist vor allem dann von evolutiver Bedeutung, wenn die Parasiten in der Lage sind die MHC Expression aktiv zu beeinflussen. Die Studien konnten nicht die exakte Bedeutung von MHC-Genexpression in der antagonistischen Koevolution definieren, aber sie konnten zeigen dass diese Bedeutung stark von den jeweils beteiligten Partnern abzuhängen vermag.
KW  - Parasit
KW  - Co-Evolution
KW  - MHC
KW  - Apodemus
KW  - Delomys
KW  - Parasite
KW  - Co-Evolution
KW  - MHC
KW  - Apodemus
KW  - Delomys
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-65639
ER  - 
TY  - THES
A1  - Reinert, Armin
T1  - Identifizierung und funktionelle Charakterisierung von für die arbuskuläre Mykorrhizasymbiose spezifischen Genen in Medicago truncatula
T1  - Identification and functional characterization of genes specific for the arbuscular mycorrhizal symbiosis in Medicago truncatula
N2  - Die Mykorrhiza (griechisch: mýkēs für „Pilz”; rhiza für „Wurzel”) stellt eine Symbiose zwischen Pilzen und einem Großteil der Landpflanzen dar. Der Pilz verbessert durch die Symbiose die Versorgung der Pflanze mit Nährstoffen, während die Pflanze den Pilz mit Kohlenhydraten versorgt. Die arbuskuläre Mykorrhiza (AM) stellt dabei einen beson-dere Form der Mykorrhiza dar. Der AM-Pilz bildet dabei während der Symbiose die namensgebenden Arbuskeln innerhalb der Wurzelzellen als Ort des primären Nährstoff- austausches aus. Die AM-Symbiose (AMS) ist der Forschungsschwerpunkt dieser Arbeit. Als Modellorganismen wurden Medicago truncatula und Glomus intraradices verwendet. Es wurden Transkriptionsanalysen durchgeführt um u.a. AMS regulierte Transkriptions- faktoren (TFs) zu identifizieren. Die Aktivität der Promotoren von drei der so identifizier-ten AMS-regulierten TFs (MtOFTN, MtNTS, MtDES) wurde mit Hilfe eine Reportergens visualisiert. Der Bereich der größten Promotoraktivität waren in einem Fall nur die ar- buskelhaltigen Zellen (MtOFTN). Im zweiten Fall war der Promotor auch aktiv in nicht arbuskelhaltigen Zellen, jedoch am stärksten aktiv in den arbuskelhaltigen Zellen (MtNTS). Ein weiterer Promotor war in arbuskelhaltigen Zellen und den diesen benach-barten Zellen gleich aktiv (MtDES). Zusätzlich wurden weitere Gene als AMS-reguliert identifiziert und es wurde für drei dieser Gene (MtPPK, MtAmT, MtMDRL) ebenfalls eine Promotor::Reporter-Aktivitäts- studie durchgeführt. Die Promotoren der Kinase (MtPPK) und des Ammoniumtrans-porters (MtAmt) waren dabei ausschließlich in arbuskelhaltigen Zellen aktiv, während die Aktivität des ABC-Transporters (MtMDRL) keinem bestimmten Zelltyp zuzuordnen war. Für zwei weitere identifizierte Gene, ein Kupfertransporter (MtCoT) und ein Zucker- bzw. Inositoltransporter (MtSuT), wurden RNA-Interferenz (RNAi)-Untersuchungen durchgeführt. Dabei stellte sich in beiden Fällen heraus, dass, sobald ein RNAi-Effekt in den transformierten Wurzeln vorlag, diese in einem deutlich geringerem Ausmaß wie in der Wurzelkontrolle von G. intraradices kolonisiert worden sind. Im Falle von MtCoT könnte das aus dem selben Grund geschehen, wie im Falle von MtPt4. Welche Rolle MtSuT genau in der Ausbildung der AMS spielt und welche Rolle Inositol in der Aus- bildung der AMS spielt müsste durch weitere Untersuchungen am Protein untersucht werden. Weitere Untersuchen an den in dieser Arbeit als spezifisch für arbuskelhaltige Zellen gezeigten Genen MtAmT, MtPPK und MtOFTN könnten ebenfalls aufschlussreich für das weitere Verständnis der AMS sein. Dies trifft auch auf die TFs MtNTS und MtDES zu, die zwar nicht ausschließlich arbuskelspezifisch transkribiert werden, aber auch eine Rolle in der Regulation der AMS innerhalb von M. truncatula Wurzeln zu spielen scheinen.
N2  - The mycorrhiza (Greek: mýkēs for "mushroom"; rhiza for "root") is a symbiosis between fungi and the vast majority of land plants. The fungus improves the nutrient supply of the plant, while the plant provides the fungus with carbohydrates. The arbuscular my-corrhiza (AM) represents a special type of mycorrhiza. The AM forms during the sym-biosis eponymous arbuscules within the root cells as the supposed site of the major nu-trient exchange. The AM symbiosis (AMS) is the research focus of this work. Medicago truncatula and Glomus intraradices were used as model organisms. During the project several transcription analysis were performed to identify AMS re-gulated transcription factors (TFs). The activity of the promoters of three of the identified AMS regulated TFs (MtOFTN, MtNTS, MtDES) were visualised using a reporter gene. Cells with promoter activity were in one case the arbuscle containing cells (MtOFTN). In the another case, the promoter was also weakly active in non arbuscle containing cells, however the major site of activity were the arbuscle containing cells (MtNTS). Another promoter was active in arbuscle containing and adjacent cells (MtDES). In addition, other genes were identified as AMS regulated and for three of these genes (MtPPK, MtAmT, MtMDRL) a promoter::reporter activity study was conducted, too. The promoters of the kinase (MtPPK) and the ammonium transporter (MtAmT) were active exclusively in arbuscle containing cells, whereas the activity of the ABC-transporter (MtMDRL) could not be assigned to a specific cell type. For two other identified genes (a copper transporter (MtCoT) and a sugar/ inositol transporter (MtSuT)) RNA-interference (RNAi) studies were carried out. The studies revealed in both cases that, once an RNAi effect was present in the transformed roots, the roots were colonised by G. intraradices in a much lesser extent as in the vector-control. In the case of MtCoT it maybe has the same basic principle as in the case of the phosphate transporter MtPt4. Which role MtSuT and inositol plays during the fo-rmation of the AMS has to be reviewed. Further examinations on the genes MtAmT, MtPPK and MtOFTN could also be reveal-ing for the understanding of the AMS, as their promotors, as shown in this thesis, are exclusively active in arbuscle containing cells The same can be said for the TFs MtNFTS and MtDES. They are not exclusively transcripted in arbuscle containing cells, but nevertheless seem to play a role in the formation of the AMS within M. truncatula roots.
KW  - Mykorrhiza
KW  - Medicago truncatula
KW  - Transkriptom
KW  - RNAi
KW  - Promotor
KW  - Mycorrhiza
KW  - Medicago truncatula
KW  - transcriptomics
KW  - RNAi
KW  - Promotor
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-63805
ER  -