TY  - THES
A1  - Dethloff, Frederik
T1  - In vivo 13C stable isotope tracing of single leaf development in the cold
T1  - Stabile 13C Isotopenmarkierung zur in vivo Untersuchung der Einzelblattentwicklung in der Kälte
N2  - Measuring the metabolite profile of plants can be a strong phenotyping tool, but the changes of metabolite pool sizes are often difficult to interpret, not least because metabolite pool sizes may stay constant while carbon flows are altered and vice versa. Hence, measuring the carbon allocation of metabolites enables a better understanding of the metabolic phenotype. The main challenge of such measurements is the in vivo integration of a stable or radioactive label into a plant without perturbation of the system. To follow the carbon flow of a precursor metabolite, a method is developed in this work that is based on metabolite profiling of primary metabolites measured with a mass spectrometer preceded by a gas chromatograph (Wagner et al. 2003; Erban et al. 2007; Dethloff et al. submitted). This method generates stable isotope profiling data, besides conventional metabolite profiling data. In order to allow the feeding of a 13C sucrose solution into the plant, a petiole and a hypocotyl feeding assay are developed. To enable the processing of large numbers of single leaf samples, their preparation and extraction are simplified and optimised. The metabolite profiles of primary metabolites are measured, and a simple relative calculation is done to gain information on carbon allocation from 13C sucrose. This method is tested examining single leaves of one rosette in different developmental stages, both metabolically and regarding carbon allocation from 13C sucrose. It is revealed that some metabolite pool sizes and 13C pools are tightly associated to relative leaf growth, i.e. to the developmental stage of the leaf. Fumaric acid turns out to be the most interesting candidate for further studies because pool size and 13C pool diverge considerably. In addition, the analyses are also performed on plants grown in the cold, and the initial results show a different metabolite pool size pattern across single leaves of one Arabidopsis rosette, compared to the plants grown under normal temperatures. Lastly, in situ expression of REIL genes in the cold is examined using promotor-GUS plants. Initial results suggest that single leaf metabolite profiles of reil2 differ from those of the WT.
N2  - Messungen des pflanzlichen Metaboloms können ein hilfreiches Werkzeug sein, um Pflanzen zu phänotypisieren. Jedoch sind die Änderungen der Poolgrößen teilweise schwer zu interpretieren, weil sich nicht nur die Poolgrößen sondern auch die Kohlenstoffflüsse unabhängig voneinander ändern können. Werden nun zusätzlich Informationen über die Flüsse ermittelt, kann der pflanzliche Phänotyp deutlich genauer beschrieben werden. Die größte Herausforderung für diese Messungen ist die In-vivo-Integration einer stabilen oder radioaktiven Markierung in einer Pflanze, ohne das System dabei zu stören. In dieser Arbeit wird ein Verfahren entwickelt, um die Verteilung von Kohlenstoffen aus einer gefütterten Vorstufe zu messen. Die Messung basiert dabei auf einem Primärmetabolitenprofil, das mit Hilfe eines Massenspektrometers mit vorgeschaltetem Gaschromatographen erstellt wird (Wagner et al. 2003; Erban et al. 2007; Dethloff et al. eingereicht). Mit dieser Methode ist es einfach möglich, stabile Isotopenprofildaten neben herkömmlichen Metabolitprofildaten zu erzeugen. Die Vorstufe, in diesem Fall 13C Saccharose, wird dazu mit Hilfe eines neuen Petiolen- und Hypokotyl-Fütterungs-Assay in die Pflanze gefüttert. Um die große Menge an Einzelblattproben aufzuarbeiten, die dabei anfallen, wird eine vereinfachte und optimierte Extraktion angewendet. Mit Hilfe einer einfachen Berechnung kann aus den Messdaten eine relative Verteilung des Kohlenstoffs aus 13C Saccharose bestimmt werden. Die Funktionalität dieses Verfahrens wird an Einzelblättern von Arabidopsis-Rosetten gezeigt, wobei sowohl Primärmetabolitenprofile als auch stabile Isotopenprofile erzeugt und untersucht werden. Es kann hierbei gezeigt werden, dass konventionelle Poolgrößen und 13C Poolgrößen einiger Metaboliten eng mit dem relativen Wachstum einzelner Blattpositionen bzw. mit dem jeweiligen Entwicklungsstadium der Blätter zusammenhängen. Anders als bei den meisten anderen Metaboliten zeigen die konventionellen Poolgrößen und 13C Poolgrößen von Fumarsäure ein unterschiedliches Verhalten in den einzelnen Blättern, was Fumarsäure zum interessantesten Kandidaten für weitere Studien macht. Die beschriebenen Untersuchungen werden weiterhin an in Kälte gewachsenen Pflanzen durchgeführt, wobei erste Ergebnisse ein verändertes Metabolitenprofil in den einzelnen Blättern zeigen. Des Weiteren wird die In-situ-Expression von REIL-Genen mit Hilfe von Promotor-GUS-Reportern untersucht. Erste Ergebnisse von Einzelblatt-Metabolitenprofilen der reil2 zeigen einen deutlichen Unterschied zum WT.
KW  - stable isotope tracing
KW  - metabolism
KW  - sucrose
KW  - carbon flow
KW  - qualitative pathway interpretation
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-70486
ER  - 
TY  - THES
A1  - Brothers, Soren M.
T1  - Carbon gains, losses, and feedbacks in shallow, eutrophic lakes of phytoplankton and macrophyte dominance
T1  - Kohlenstoff-Gewinne, Verluste und Rückkopplungen in flachen, nährstoffreichen Seen mit Dominanz von Phytoplankton und Makrophyten
N2  - Lakes are increasingly being recognized as an important component of the global carbon cycle, yet anthropogenic activities that alter their community structure may change the way they transport and process carbon. This research focuses on the relationship between carbon cycling and community structure of primary producers in small, shallow lakes, which are the most abundant lake type in the world, and furthermore subject to intense terrestrial-aquatic coupling due to their high perimeter:area ratio. Shifts between macrophyte and phytoplankton dominance are widespread and common in shallow lakes, with potentially large consequences to regional carbon cycling. I thus compared a lake with clear-water conditions and a submerged macrophyte community to a turbid, phytoplankton-dominated lake, describing differences in the availability, processing, and export of organic and inorganic carbon. I furthermore examined the effects of increasing terrestrial carbon inputs on internal carbon cycling processes. Pelagic diel (24-hour) oxygen curves and independent fluorometric approaches of individual primary producers together indicated that the presence of a submerged macrophyte community facilitated higher annual rates of gross primary production than could be supported in a phytoplankton-dominated lake at similar nutrient concentrations. A simple model constructed from the empirical data suggested that this difference between regime types could be common in moderately eutrophic lakes with mean depths under three to four meters, where benthic primary production is a potentially major contributor to the whole-lake primary production. It thus appears likely that a regime shift from macrophyte to phytoplankton dominance in shallow lakes would typically decrease the quantity of autochthonous organic carbon available to lake food webs. Sediment core analyses indicated that a regime shift from macrophyte to phytoplankton dominance was associated with a four-fold increase in carbon burial rates, signalling a major change in lake carbon cycling dynamics. Carbon mass balances suggested that increasing carbon burial rates were not due to an increase in primary production or allochthonous loading, but instead were due to a higher carbon burial efficiency (carbon burial / carbon deposition). This, in turn, was associated with diminished benthic mineralization rates and an increase in calcite precipitation, together resulting in lower surface carbon dioxide emissions. Finally, a period of unusually high precipitation led to rising water levels, resulting in a feedback loop linking increasing concentrations of dissolved organic carbon (DOC) to severely anoxic conditions in the phytoplankton-dominated system. High water levels and DOC concentrations diminished benthic primary production (via shading) and boosted pelagic respiration rates, diminishing the hypolimnetic oxygen supply. The resulting anoxia created redox conditions which led to a major release of nutrients, DOC, and iron from the sediments. This further transformed the lake metabolism, providing a prolonged summertime anoxia below a water depth of 1 m, and leading to the near-complete loss of fish and macroinvertebrates. Pelagic pH levels also decreased significantly, increasing surface carbon dioxide emissions by an order of magnitude compared to previous years. Altogether, this thesis adds an important body of knowledge to our understanding of the significance of the benthic zone to carbon cycling in shallow lakes. The contribution of the benthic zone towards whole-lake primary production was quantified, and was identified as an important but vulnerable site for primary production. Benthic mineralization rates were furthermore found to influence carbon burial and surface emission rates, and benthic primary productivity played an important role in determining hypolimnetic oxygen availability, thus controlling the internal sediment loading of nutrients and carbon. This thesis also uniquely demonstrates that the ecological community structure (i.e. stable regime) of a eutrophic, shallow lake can significantly influence carbon availability and processing. By changing carbon cycling pathways, regime shifts in shallow lakes may significantly alter the role of these ecosystems with respect to the global carbon cycle.
N2  - Seen werden zunehmend als wichtige Komponente im globalen Kohlenstoffkreislauf anerkannt. Natürliche Veränderungen und anthropogene Aktivitäten beeinflussen die Struktur der Artengemeinschaft von Seen, was Auswirkungen auf den Transport und Umsatz von Kohlenstoff hat. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Beziehung zwischen Kohlenstoffkreislauf und der Gemeinschaftsstruktur der Primärproduzenten in kleinen Flachseen. Diese sind der weltweit häufigste Seentyp und weisen durch ihren im Vergleich zur Fläche großen Umfang eine intensive aquatisch-terrestrische Kopplung auf. In Flachseen treten oft Regimewechsel zwischen Makrophyten- und Phytoplankton-Dominanz auf. Diese können potenziell große Konsequenzen für den regionalen Kohlenstoffkreislauf haben. In dieser Dissertation vergleiche ich einen Klarwassersee mit submersen Makrophyten und einen trüben, Phytoplankton-dominierten See hinsichtlich Verfügbarkeit, Umsatz und Export von organischem und anorganischem Kohlenstoff. Des Weiteren habe ich den Effekt der erhöhten Zufuhr von terrestrischem Kohlenstoff auf den internen Kohlenstoffumsatz untersucht. Sowohl die Tagesgänge der pelagischen Sauerstoff-Konzentrationen als auch Fluoreszenz-basierte Messungen der Primärproduktion bewiesen, dass die Präsenz von submersen Makrophyten eine höhere jährliche Brutto-Primärproduktion im Vergleich zu einem Phytoplankton-dominierten See mit ähnlichen Nährstoffkonzentrationen ermöglicht. Ein einfaches, auf den empirischen Daten basierendes Model zeigt, dass diese Unterschiede in der Brutto-Primärproduktion typisch sind für moderat eutrophe Seen mit einer mittleren Tiefe von unter 3 bis vier Metern. In diesen Seen leistet die benthische Primärproduktion den Hauptbeitrag zur Primärproduktion des ganzen Sees. Daraus wird ersichtlich, dass Regimewechsel von Makrophyten- zur Phytoplankton-Dominanz in Flachseen die Verfügbarkeit von autochthonem organischem Kohlenstoff für das Nahrungsnetz reduzieren. Paläolimnologische Analysen in Sedimentkernen beider Seen wiesen darauf hin, dass der Verlust der Makrophyten mit einer vierfachen Zunahme der Kohlenstoff-Speicherraten einhergeht, und somit zu einer großen Veränderung der Dynamik des Kohlenstoffkreislaufs im See führt. Unsere Kohlenstoff-Massenbilanzen zeigen, dass die Erhöhung der Kohlenstoff-Speicherung im Sediment nicht durch die Erhöhung der Primärproduktion oder durch externe Quellen, sondern durch erhöhte der Effizienz der Speicherung begründet war. Dies geht mit einer reduzierten benthischen Mineralisierungsrate und einer erhöhten Calcitfällung einher und führt zu reduzierten Kohlendioxid-Emissionen. Eine Periode ungewöhnlich hoher Niederschläge mit erhöhten Wasserständen führte im Phytoplankton-dominierten See zu zu einem starken Anstieg der Konzentrationen an gelöstem organischem Kohlenstoff (DOC) und zu anoxischen Bedingungen. Es wurde postuliert, dass zwischen diesen Prozessen eine positive Rückkopplung besteht. Die hohen Wasserstände und DOC-Konzentrationen reduzierten die Lichtversorgung und damit die Primärproduktion im Benthal und erhöhten die pelagischen Respirationsraten. Dadurch verringerte sich die Sauerstoffverfügbarkeit im Hypolimnion. Die dadurch erzeugten Redox-Verhältnisse führten zu einer Freisetzung großer Mengen an Nährstoffen, DOC und Eisen aus dem Sediment. Die während des gesamten Sommers andauernden anoxischen Verhältnisse in Wassertiefen unter 1 m führten zu einem fast vollständigen Verlust von Fischen und Makroinvertebraten. Zusätzlich wurde der pH-Wert im Pelagial signifikant erniedrigt und die Kohlenstoffdioxid-Emissionen im Vergleich zu früheren Jahren verzehnfacht. Insgesamt trägt diese Dissertation wesentliche Aspekte zum besseren Verständnis der Bedeutung des Benthals für den Kohlenstoffkreislauf in Flachseen bei. Der Anteil der benthischen Zone an der Primärproduktion in kleinen Flachseen wurde in Relation zur Gesamtproduktion des Systems quantifiziert. Letztlich zeigt diese Arbeit, dass die Gemeinschaftsstruktur der Primärproduzenten eines eutrophen Flachsees die Verfügbarkeit und den Umsatz von Kohlenstoff signifikant beeinflusst. Regimewechsel in Flachseen können durch Änderungen im internen Kohlenstoffkreislauf deren Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf verändern.
KW  - Carbon Cycling
KW  - Primärproduktion
KW  - Anoxie
KW  - Brownification
KW  - Carbon cycling
KW  - primary production
KW  - anoxia
KW  - brownification
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-68200
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bortfeld, Silvia
T1  - Analysis of Medicago truncatula transcription factors involved in the arbuscular mycorrhizal symbiosis
T1  - Analyse von Medicago truncatula Transkriptionsfaktoren, die während der arbuskulären Mykorrhiz-Symbiose eine Rolle spielen
N2  - For the first time the transcriptional reprogramming of distinct root cortex cells during the arbuscular mycorrhizal (AM) symbiosis was investigated by combining Laser Capture Mirodissection and Affymetrix GeneChip® Medicago genome array hybridization. The establishment of cryosections facilitated the isolation of high quality RNA in sufficient amounts from three different cortical cell types. The transcript profiles of arbuscule-containing cells (arb cells), non-arbuscule-containing cells (nac cells) of Rhizophagus irregularis inoculated Medicago truncatula roots and cortex cells of non-inoculated roots (cor) were successfully explored. The data gave new insights in the symbiosis-related cellular reorganization processes and indicated that already nac cells seem to be prepared for the upcoming fungal colonization. The mycorrhizal- and phosphate-dependent transcription of a GRAS TF family member (MtGras8) was detected in arb cells and mycorrhizal roots. MtGRAS shares a high sequence similarity to a GRAS TF suggested to be involved in the fungal colonization processes (MtRAM1). The function of MtGras8 was unraveled upon RNA interference- (RNAi-) mediated gene silencing. An AM symbiosis-dependent expression of a RNAi construct (MtPt4pro::gras8-RNAi) revealed a successful gene silencing of MtGras8 leading to a reduced arbuscule abundance and a higher proportion of deformed arbuscules in root with reduced transcript levels. Accordingly, MtGras8 might control the arbuscule development and life-time. The targeting of MtGras8 by the phosphate-dependent regulated miRNA5204* was discovered previously (Devers et al., 2011). Since miRNA5204* is known to be affected by phosphate, the posttranscriptional regulation might represent a link between phosphate signaling and arbuscule development. In this work, the posttranscriptional regulation was confirmed by mis-expression of miRNA5204* in M. truncatula roots. The miRNA-mediated gene silencing affects the MtGras8 transcript abundance only in the first two weeks of the AM symbiosis and the mis-expression lines seem to mimic the phenotype of MtGras8-RNAi lines. Additionally, MtGRAS8 seems to form heterodimers with NSP2 and RAM1, which are known to be key regulators of the fungal colonization process (Hirsch et al., 2009; Gobbato et al., 2012). These data indicate that MtGras8 and miRNA5204* are linked to the sym pathway and regulate the arbuscule development in phosphate-dependent manner.
N2  - Die Leguminose Medicago truncatula (gehört zur Gattung des Schneckenklees) ist in der Lage sowohl eine Symbiose mit stickstofffixierenden Bakterien (Rhizobien), als auch mit Mykorrhiza-Pilzen einzugehen. Der Mykorrhiza-Pilz Rhizophagus irregularis dringt in die Wurzelrindenzellen ein und bildet Strukturen aus, die als Arbuskeln bezeichnet werden. Diese ermöglichen den Transfer von Nährstoffen, wie Phosphat in die Wurzelzellen. Die Pflanze liefert hingegen bis zu 20 % ihrer Photosyntheseprodukte an den Pilz. Da die Lebenszeit der Arbuskeln nur wenige Tage beträgt, können Wurzelrindenzellen mehrere Arbuskeln nacheinander beherbergen. Somit können neben arbuskelhaltigen, auch nicht-arbuskelhaltige Zellen in kolonisierten Wurzeln auftreten. Die nicht-arbuskelhaltigen Zellen beeinträchtigen die Sensitivität von Genregulationsanalysen, wenn die Genregulation während der Mykorrhiza-Symbiose anhand von ganzen kolonisierten Wurzeln untersucht wird. In dieser Arbeit konnte eine Zelltyp-spezifische Analyse der Genregulation von arbuskelhaltigen und nicht-arbuskelhaltigen Zellen durchgeführt, und eine Erhöhung der Sensitivität erreicht werden. Mittels Laser Capture Microdissection wurden Zellen aus Gefrierschnitten von Wurzeln isoliert. Aus den so gewonnen Zellen konnte RNA von ausreichender Qualität und Quantität extrahiert werden, um das Transkriptom der beiden Zelltypen mittels Mikroarrayhybridisierung zu untersuchen. Transkriptionsfaktoren (TFs) spielen wahrscheinlich eine Schlüsselrolle in der Umprogrammierung von Wurzelzellen während der Mykorrhiza-Symbiose. Daher wurde die Genregulation von TF-Genen in den zwei Zelltypen gezielt untersucht. Anhand von quantitativer RT-PCR und Promoter-Reporter-Fusionen wurde die differentielle Expression von mehreren TF-Transkripten in den verschiedenen Zelltypen bestätigt. Die Charakterisierung eines potentiellen GRAS TF (MtGRAS8) konnte eine stark Symbiose- und Phosphat-abhängige Induktion von Transkripten bestätigt werden. Mutanten mit verringerter MtGras8 Transkriptmenge wiesen eine verringerte Arbuskelzahl und deformierte Arbuskeln auf. MtGras8 scheint daher an der Arbuskelentwicklung beteiligt zu sein. Vorherige Experimente zeigten, dass MtGras8 Transkripte, von der Phosphat-regulierten MikroRNA5204* geschnitten werden (Devers et al., 2011). Dies konnte durch Überexpression der MikroRNA5204* in vivo bestätigt werden. Weiterhin konnten Protein-Protein-Interaktionen von MtGras8 mit bekannten GRAS TFs (NSP1, NSP2, RAM1) nachgewiesen und daraus eine Verbindung zu bekannten Symbiose-induzierten Signalkaskaden geschlossen werden. In dieser Arbeit wurde erstmals die Umprogrammierung von nicht-arbuskelhaltigen Zellen untersucht und neue Regulationselemente für die Kontrolle der Arbuskelentwicklung, wie MtGRAS8 und MikroRNA5204*, charakterisiert.
KW  - arbuskuläre Mykorrhiza-Symbiose
KW  - Transkriptionsfaktoren
KW  - Zelltyp-spezifisch
KW  - Transkriptomanalyse
KW  - arbuscular mycorrhizal symbiosis
KW  - transcription factors
KW  - cell type-specific
KW  - transcriptome analysis
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-70664
ER  -