TY - THES A1 - Canitz, Julia T1 - Genome and karyotype evolution underlying speciation and diversification of electric organ discharges in African weakly electric fish (Campylomormyrus, Mormyridae, Teleostei) N2 - The African weakly electric fish genus Campylomormyrus is a well-investigated fish group of the species-rich family Mormyridae. They are able to generate species-specific electric organ discharges (EODs) which vary in their waveform characteristics including polarity, phase umber and duration. In mormyrid species EODs are used for communication, species discrimination and mate recognition, and it is thought hat they serve as pre-zygotic isolation mechanism driving sympatric speciation by promoting assortative mating. The EOD diversification, its volutionary effects and the link to species divergence have been examined histologically, behaviorally, and genetically. Molecular analyses are a major tool to identify species and their phenotypic traits by studying the underlying genes. The genetic variability between species further provides information from which evolutionary processes, such as speciation, can be deduced. Hence, the ultimate aim of this study is the investigation of genetic variability within the African weakly electric fish genus Campylomormyrus to better understand their sympatric speciation and comprehend their evolutionary drivers. In order to extend the current knowledge and gain more insights into its species history, karyological and genomic approaches are being pursued considering species differences. Previous studies have shown that species with different EOD duration have specific gene expression patterns and single nucleotide polymorphisms (SNPs). As EODs play a crucial role during the evolution of Campylomormyrus species, the identification of its underlying genes may suggest how the EOD diversity evolved and whether this trait is based on a complex network of genetic processes or is regulated by only a few genes. The results obtained in this study suggest that genes with non-synonymous SNPs, which are exclusive to C. tshokwe with an elongated EOD, have frequent functions ssociated with tissue morphogenesis and transcriptional regulation. Therefore, it is proposed that these processes likely co-determine EOD characteristics of Campylomormyrus species. Furthermore, genome-wide analyses confirm the genetic difference among most Campylomormyrus species. In contrast, the same analyses reveal genetic similarity among individuals of the alces-complex showing different EOD waveforms. It is therefore hypothesized that the low genetic variability and high EOD diversity represents incipient sympatric speciation. The karyological description of a Campylomormyrus species provides crucial information about chromosome number and shapes. Its diploid chromosome number of 2n=48 supports the conservation of this trait within Mormyridae. Differences have been detected in the number of bi-armed chromosomes which is unusually high compared to other mormyrid species. This high amount can be due to chromosome rearrangements which could cause genetic incompatibility and reproductive isolation. Hence an alternative hypothesis regarding processes which cause sympatric speciation is that chromosome differences are involved in the speciation process of Campylomormyrus by acting as postzygotic isolation mechanism. In summary, the karyological and genomic investigations conducted in this study contributed to the increase of knowledge about Campylomormyrus species, to the solution of some existing ambiguities like phylogenetic relationships and to the raising of new hypothesis explaining the sympatric speciation of those African weakly electric fish. This study provides a basis for future genomic research to obtain a complete picture for causes and results of evolutionary processes in Campylomormyrus. Y1 - 2019 ER - TY - THES A1 - Paraskevopoulou, Sofia T1 - Adaptive genetic variation and responses to thermal stress in brachionid rotifers N2 - The importance of cryptic diversity in rotifers is well understood regarding its ecological consequences, but there remains an in depth comprehension of the underlying molecular mechanisms and forces driving speciation. Temperature has been found several times to affect species spatio-temporal distribution and organisms’ performance, but we lack information on the mechanisms that provide thermal tolerance to rotifers. High cryptic diversity was found recently in the freshwater rotifer “Brachionus calyciflorus”, showing that the complex comprises at least four species: B. calyciflorus sensu stricto (s.s.), B. fernandoi, B. dorcas, and B. elevatus. The temporal succession among species which have been observed in sympatry led to the idea that temperature might play a crucial role in species differentiation. The central aim of this study was to unravel differences in thermal tolerance between species of the former B. calyciflorus species complex by comparing phenotypic and gene expression responses. More specifically, I used the critical maximum temperature as a proxy for inter-species differences in heat-tolerance; this was modeled as a bi-dimensional phenotypic trait taking into consideration the intention and the duration of heat stress. Significant differences on heat-tolerance between species were detected, with B. calyciflorus s.s. being able to tolerate higher temperatures than B. fernandoi. Based on evidence of within species neutral genetic variation, I further examined adaptive genetic variability within two different mtDNA lineages of the heat tolerant B. calyciflorus s.s. to identify SNPs and genes under selection that might reflect their adaptive history. These analyses did not reveal adaptive genetic variation related to heat, however, they show putatively adaptive genetic variation which may reflect local adaptation. Functional enrichment of putatively positively selected genes revealed signals of adaptation in genes related to “lipid metabolism”, “xenobiotics biodegradation and metabolism” and “sensory system”, comprising candidate genes which can be utilized in studies on local adaptation. An absence of genetically-based differences in thermal adaptation between the two mtDNA lineages, together with our knowledge that B. calyciflorus s.s. can withstand a broad range of temperatures, led to the idea to further investigate shared transcriptomic responses to long-term exposure to high and low temperatures regimes. With this, I identified candidate genes that are involved in the response to temperature imposed stress. Lastly, I used comparative transcriptomics to examine responses to imposed heat-stress in heat-tolerant and heat-sensitive Brachionus species. I found considerably different patterns of gene expression in the two species. Most striking are patterns of expression regarding the heat shock proteins (hsps) between the two species. In the heat-tolerant, B. calyciflorus s.s., significant up-regulation of hsps at low temperatures was indicative of a stress response at the cooler end of the temperature regimes tested here. In contrast, in the heat-sensitive B. fernandoi, hsps generally exhibited up-regulation of these genes along with rising temperatures. Overall, identification of differences in expression of genes suggests suppression of protein biosynthesis to be a mechanism to increase thermal tolerance. Observed patterns in population growth are correlated with the hsp gene expression differences, indicating that this physiological stress response is indeed related to phenotypic life history performance. N2 - Obwohl die kryptische Diversität von Rotatorien (Rädertierchen) und die daraus resultierenden ökologischen Konsequenzen inzwischen sehr gut verstanden sind, sind die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen und die Artbildungsprozesse bisher weitgehend unbekannt. Bekannt ist, dass die Temperatur eine bedeutende Rolle in den raum-zeitlichen Verbreitungsmustern der Arten sowie der Leistungsfähigkeit der Organismen, spielt. Es fehlen jedoch konkrete Informationen über die der Thermotoleranz zugrundeliegenden Mechanismen bei Rotatorien. Vor kurzem wurde hohe kryptische Diversität in der unter anderem in Süßwasser vorkommenden Art „Brachionus calyciflorus“ gefunden, so dass diese nun in mindestens vier Arten (B. calyciflorus sensu stricto (s.s.), B. fernandoi, B. dorcas und B. elevatus) unterteilt wurde. Beobachtungen von in Sympatrie vorkommenden Arten haben gezeigt, dass eine zeitliche Suksession innerhalb dieser Arten existiert, was vermuten lässt, dass Temperatur eine entscheidende Rolle bei der Artbildung gespielt haben könnte. Ziel dieser Arbeit ist es, Thermotoleranzunterschiede zwischen Arten des früheren B. calyciflorus-Artenkomplexes durch den Vergleich von phänotypischen und molekularen (Genexpression) Reaktionen auf Temperatur festzustellen. Die in dieser Untersuchung ermittelte kritische Maximaltemperatur wurde als Schätzer für zwischenartliche Hitzetoleranz verwendet. Mit Hilfe eines zweidimensionalen Verfahrens, welches sowohl die Dauer als auch die Stärke des Hitzestresses detektiert, konnte festgestellt werden, dass B. calyciflorus s.s. im Vergleich zu B. fernandoi hitzetoleranter ist. Auf Basis der innerartlichen genetischen Variation erfolgte eine tiefergehende Untersuchung zweier unterschiedlicher maternaler (mtDNA) Evolutionslinien der hitzetoleranteren Art B. calyciflorus s.s mit dem Ziel, unter divergenter Selektion stehende SNPs und Gene zu identifizieren, welche die Anpassung an verschiedene Temperaturen widerspiegeln könnten. Mit Hilfe dieses Experimentes war es möglich, potentiell positiv selektiere Kandidatengene zu identifizieren, welche im Zusammenhang mit dem „Lipidmetabolismus“, dem „Metabolismus und Abbau von Xenobiotika“ sowie dem „Sensorischen System“ stehen. Diese Kandidatengene lassen Rückschlüsse auf lokale Anpassungen zu. Es konnten keine genetischen Unterschiede gefunden werden, die im Zusammenhang mit der Temperaturanpassung der beiden untersuchten Evolutionslinien stehen. Um molekulare Grundlagen für die Toleranz von B. calyciflorus s.s für einen großen Temperaturbereich zu identifizieren, wurde das Transkriptom untersucht. Mit Hilfe der erhobenen Daten konnten Kandidatengene identifiziert werden, die für die Temperaturtoleranz von Bedeutung sind. Der letzte Teil dieser Arbeit konzentrierte sich auf die Untersuchung der Hitzestressantwort in einer hitzetoleranten und einer hitzesensitiven Brachionus Art. Diese Untersuchung konnte erhebliche Unterschiede in den Genexpre-ssionsmustern der beiden Arten aufzeigen. Die deutlichsten Unterschiede der Genexpression wurden hierbei in der Expression von Genen detektiert, die für die sogenannten Hitze-Schock-Proteinen (Heat-shock-proteins: hsp) codieren. In der hitzetoleranten Art B. calyciflorus s.s wurde ein signifikanter Anstieg der hsp-Genexpression bei geringen Temperaturen festgestellt, während bei der hitzesensitiven Art B. fernandoi ein signifikanter Anstieg bei hohen Temperaturen detektiert wurde. Die in dieser Arbeit gefundenen Unterschiede in der Genexpression zeigen, dass Temperaturstress eine Hemmung der Proteinbiosynthese bewirken kann, was zu einer erhöhten Thermotoleranz führt. Darüber hinaus ist Populationswachstum mit der Expression von Hitze-Schock-Proteingenen korreliert. Dies deutet darauf hin, dass die hier beschriebene physiologische Temperaturstressantwort tatsächlich mit den beobachteten phänotypischen Fitnessparametern im Zusammenhang steht. KW - Brachionus KW - zooplankton KW - temperature KW - RNA-seq KW - transcriptome KW - adaptation Y1 - 2019 ER - TY - THES A1 - Romero Mujalli, Daniel T1 - Ecological modeling of adaptive evolutionary responses to rapid climate change T1 - Ökologische Modellierung anpassungsfähiger evolutionärer Reaktionen auf schnellen Klimawandel N2 - A contemporary challenge in Ecology and Evolutionary Biology is to anticipate the fate of populations of organisms in the context of a changing world. Climate change and landscape changes due to anthropic activities have been of major concern in the contemporary history. Organisms facing these threats are expected to respond by local adaptation (i.e., genetic changes or phenotypic plasticity) or by shifting their distributional range (migration). However, there are limits to their responses. For example, isolated populations will have more difficulties in developing adaptive innovations by means of genetic changes than interconnected metapopulations. Similarly, the topography of the environment can limit dispersal opportunities for crawling organisms as compared to those that rely on wind. Thus, populations of species with different life history strategy may differ in their ability to cope with changing environmental conditions. However, depending on the taxon, empirical studies investigating organisms’ responses to environmental change may become too complex, long and expensive; plus, complications arising from dealing with endangered species. In consequence, eco-evolutionary modeling offers an opportunity to overcome these limitations and complement empirical studies, understand the action and limitations of underlying mechanisms, and project into possible future scenarios. In this work I take a modeling approach and investigate the effect and relative importance of evolutionary mechanisms (including phenotypic plasticity) on the ability for local adaptation of populations with different life strategy experiencing climate change scenarios. For this, I performed a review on the state of the art of eco-evolutionary Individual-Based Models (IBMs) and identify gaps for future research. Then, I used the results from the review to develop an eco-evolutionary individual-based modeling tool to study the role of genetic and plastic mechanisms in promoting local adaption of populations of organisms with different life strategies experiencing scenarios of climate change and environmental stochasticity. The environment was simulated through a climate variable (e.g., temperature) defining a phenotypic optimum moving at a given rate of change. The rate of change was changed to simulate different scenarios of climate change (no change, slow, medium, rapid climate change). Several scenarios of stochastic noise color resembling different climatic conditions were explored. Results show that populations of sexual species will rely mainly on standing genetic variation and phenotypic plasticity for local adaptation. Population of species with relatively slow growth rate (e.g., large mammals) – especially those of small size – are the most vulnerable, particularly if their plasticity is limited (i.e., specialist species). In addition, whenever organisms from these populations are capable of adaptive plasticity, they can buffer fitness losses in reddish climatic conditions. Likewise, whenever they can adjust their plastic response (e.g., bed-hedging strategy) they will cope with bluish environmental conditions as well. In contrast, life strategies of high fecundity can rely on non-adaptive plasticity for their local adaptation to novel environmental conditions, unless the rate of change is too rapid. A recommended management measure is to guarantee interconnection of isolated populations into metapopulations, such that the supply of useful genetic variation can be increased, and, at the same time, provide them with movement opportunities to follow their preferred niche, when local adaptation becomes problematic. This is particularly important for bluish and reddish climatic conditions, when the rate of change is slow, or for any climatic condition when the level of stress (rate of change) is relatively high. N2 - Eine aktuelle Herausforderung in der Ökologie und Evolutionsbiologie besteht darin, das Schicksal von Populationen verschiedener Lebewesen im Kontext einer sich verändernden Welt zu antizipieren. Der Klimawandel und die durch anthropologische Aktivitäten verursachten Landschaftsveränderungen sind im Laufe der Geschichte von großer Bedeutung geworden. Von den Organismen, die sich diesen Veränderungen stellen, wird erwartet, dass sie durch lokale Anpassung (d.h. genetische Veränderungen oder phänotypische Plastizität) oder durch Verschiebung ihres Verbreitungsgebietes (Migration) darauf reagieren. Allerdings sind diese Reaktionen begrenzt. So werden beispielsweise isolierte Populationen mehr Schwierigkeiten bei der Entwicklung adaptiver Neuheiten mittels genetischer Variation haben als vernetzte Metapopulationen. Ebenso kann die Topographie der Umgebung die Ausbreitungsmöglichkeiten für zum Beispiel kriechende Organismen im Vergleich zu denen, die auf Wind angewiesen sind, einschränken. So können Populationen von Arten mit unterschiedlichen Lebensstrategien verschiedene Fähigkeiten haben, mit den sich ändernden Umweltbedingungen umzugehen. Empirische Studien, die die Reaktionen von Organismen auf Umweltveränderungen untersuchen, können jedoch, je nach Taxon, zu komplex, langwierig und teuer werden. Ebenso sollten Komplikationen im Umgang mit gefährdeten Arten nicht außer Acht gelassen werden. Die ökoevolutionäre Modellierung bietet jedoch die Möglichkeit, diese Einschränkungen zu überwinden und empirische Studien zu ergänzen, die Wirkung und Grenzen der zugrunde liegenden Mechanismen zu verstehen und mögliche Zukunftsszenarien zu erstellen. In dieser Arbeit untersuche ich mittels einer Modellierungsmethode die Wirkung und relative Bedeutung evolutionärer Mechanismen (einschließlich phänotypischer Plastizität) auf die Fähigkeit zur lokalen Anpassung von Populationen mit unterschiedlichen Lebensstrategien, die Szenarien des Klimawandels durchleben. Dazu habe ich in einem Review den Stand der Technik ökoevolutionärer individuenbasierender Modelle (Individual-Based Models; IBMs) zusammengefasst und Ansätze für eine zukünftige Forschung identifiziert. Die Erkenntnisse des Reviews nutzte ich, um ein ökoevolutionäres, individuelles Modellierungsprogramm zu entwickeln. Dieses analysiert die Rolle genetischer und plastischer Mechanismen zur Förderung der lokalen Anpassung organismischer Populationen mit unterschiedlichen Lebensstrategien, welche Szenarien des Klimawandels und der ökologischen Stochastik erfahren. Die Umweltbedingungen wurden durch eine klimatische Variable (z.B. Temperatur) simuliert, die ein phänotypisches Optimum definiert, das sich mit einer bestimmten Änderungsrate bewegt. Verschiedene Änderungsraten wurden angewandt, um unterschiedliche Szenarien des Klimawandels darzustellen (keine Veränderung, langsamer, mittlerer, schneller Klimawandel). Es wurden mehrere Szenarien stochastischen Farbrauschens untersucht, die verschiedene klimatische Bedingungen widerspiegeln. Die Ergebnisse zeigen, dass Populationen sexueller Arten hauptsächlich auf genetische Variation und phänotypische Plastizität hinsichtlich lokalen Anpassung angewiesen sind. Populationen von Arten mit relativ langsamer Wachstumsrate (z.B. große Säugetiere), und insbesondere die mit kleiner Populationsgröße, sind am anfälligsten, vor allem wenn ihre Plastizität begrenzt ist (d.h. spezialisierte Arten). Wenn Individuen dieser Populationen zu adaptiver Plastizität fähig sind, können sie Fitnessverluste unter „rötlichen“ Klimabedingungen ausgleichen. Zugleich können diese Populationen durch Anpassung der Plastizität auch unter bläulichen Umweltbedingungen zurecht kommen (z.B. Bed-Hedging-Strategie). Im Gegensatz dazu können sich Lebensstrategen mit hoher Reproduktionszahl auf nicht-adaptive Plastizität zur lokalen Anpassung an neue Umweltbedingungen verlassen, es sei denn, die Änderungsrate ist zu schnell. Eine empfohlene Handlungsmaßnahme ist es, die Eingliederung von isolierten Populationen in Metapopulationen zu gewährleisten, so dass die genetische Variation erhöht werden kann. Wenn eine lokale Anpassung problematisch wird, sollte ihnen gleichzeitig Migrationsfreiraum gegeben werden, um ihrer bevorzugten Nische zu folgen. Dies ist besonders wichtig für „bläuliche“ und „rötliche“ Klimabedingungen, bei denen die Änderungsrate langsam ist, oder für jede klimatische Bedingung, wenn die Belastung (Änderungsrate) relativ hoch ist. KW - climate change KW - local adaptation KW - plasticity KW - evolution KW - individual-based model KW - Klimawandel KW - lokale Anpassung KW - Plastizität KW - Evolution KW - Individuen-basierende Modelle Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-430627 ER - TY - THES A1 - Petrovic, Nevena T1 - Analysis of the role of Forgetter2 in thermotolerance responses in Arabidopsis thaliana Y1 - 2019 ER - TY - THES A1 - Guislain, Alexis T1 - Eco-physiological consequences of fluctuating light on phytoplankton T1 - Ökophysiologische Konsequenzen von fluktuierendem Licht auf das Phytoplankton N2 - Phytoplankton growth depends not only on the mean intensity but also on the dynamics of the light supply. The nonlinear light-dependency of growth is characterized by a small number of basic parameters: the compensation light intensity PARcompμ, where production and losses are balanced, the growth efficiency at sub-saturating light αµ, and the maximum growth rate at saturating light µmax. In surface mixed layers, phytoplankton may rapidly move between high light intensities and almost darkness. Because of the different frequency distribution of light and/or acclimation processes, the light-dependency of growth may differ between constant and fluctuating light. Very few studies measured growth under fluctuating light at a sufficient number of mean light intensities to estimate the parameters of the growth-irradiance relationship. Hence, the influence of light dynamics on µmax, αµ and PARcompμ are still largely unknown. By extension, accurate modelling predictions of phytoplankton development under fluctuating light exposure remain difficult to make. This PhD thesis does not intend to directly extrapolate few experimental results to aquatic systems – but rather improving the mechanistic understanding of the variation of the light-dependency of growth under light fluctuations and effects on phytoplankton development. In Lake TaiHu and at the Three Gorges Reservoir (China), we incubated phytoplankton communities in bottles placed either at fixed depths or moved vertically through the water column to mimic vertical mixing. Phytoplankton at fixed depths received only the diurnal changes in light (defined as constant light regime), while phytoplankton received rapidly fluctuating light by superimposing the vertical light gradient on the natural sinusoidal diurnal sunlight. The vertically moved samples followed a circular movement with 20 min per revolution, replicating to some extent the full overturn of typical Langmuir cells. Growth, photosynthesis, oxygen production and respiration of communities (at Lake TaiHu) were measured. To complete these investigations, a physiological experiment was performed in the laboratory on a toxic strain of Microcystis aeruginosa (FACBH 1322) incubated under 20 min period fluctuating light. Here, we measured electron transport rates and net oxygen production at a much higher time resolution (single minute timescale). The present PhD thesis provides evidence for substantial effects of fluctuating light on the eco-physiology of phytoplankton. Both experiments performed under semi-natural conditions in Lake TaiHu and at the Three Gorges Reservoir gave similar results. The significant decline in community growth efficiencies αµ under fluctuating light was caused for a great share by different frequency distribution of light intensities that shortened the effective daylength for production. The remaining gap in community αµ was attributed to species-specific photoacclimation mechanisms and to light-dependent respiratory losses. In contrast, community maximal growth rates µmax were similar between incubations at constant and fluctuating light. At daily growth saturating light supply, differences in losses for biosynthesis between the two light regimes were observed. Phytoplankton experiencing constant light suffered photo-inhibition - leading to photosynthesis foregone and additional respiratory costs for photosystems repair. On the contrary, intermittent exposure to low and high light intensities prevented photo-inhibition of mixed algae but forced them to develop alternative light strategy. They better harvested and exploited surface irradiance by enhancing their photosynthesis. In the laboratory, we showed that Microcystis aeruginosa increased its oxygen consumption by dark respiration in the light few minutes only after exposure to increasing light intensities. More, we proved that within a simulated Langmuir cell, the net production at saturating light and the compensation light intensity for production at limiting light are positively related. These results are best explained by an accumulation of photosynthetic products at increasing irradiance and mobilization of these fresh resources by rapid enhancement of dark respiration for maintenance and biosynthesis at decreasing irradiance. At the daily timescale, we showed that the enhancement of photosynthesis at high irradiance for biosynthesis of species increased their maintenance respiratory costs at limiting light. Species-specific growth at saturating light µmax and compensation light intensity for growth PARcompμ of species incubated in Lake TaiHu were positively related. Because of this species-specific physiological tradeoff, species displayed different light affinities to limiting and saturating light - thereby exhibiting a gleaner-opportunist tradeoff. In Lake TaiHu, we showed that inter-specific differences in light acquisition traits (µmax and PARcompμ) allowed coexis¬tence of species on a gradient of constant light while avoiding competitive exclusion. More interestingly we demonstrated for the first time that vertical mixing (inducing fluctuating light supply for phytoplankton) may alter or even reverse the light utilization strategies of species within couple of days. The intra-specific variation in traits under fluctuating light increased the niche space for acclimated species, precluding competitive exclusion. Overall, this PhD thesis contributes to a better understanding of phytoplankton eco-physiology under fluctuating light supply. This work could enhance the quality of predictions of phytoplankton development under certain weather conditions or climate change scenarios. N2 - Das Wachstum von Phytoplankton hängt ab nicht nur von der mittleren Intensität, sondern auch von der Dynamik des verfügbaren Lichts. Die nicht-lineare Lichtabhängigkeit des Wachstums kann durch drei Parameter beschrieben werden: die Kompensationslichtintensität PARcompµ, bei der Bruttoproduktion und Verluste gleich sind, die Wachstumseffizienz bei Lichtlimitation αµ und die maximale Wachstumsrate bei sättigendem Licht µmax. In durchmischten Schichten nahe der Gewässeroberfläche kann das Phytoplankton innerhalb weniger Minuten zwischen Starklicht und nahezu völliger Dunkelheit bewegt werden. Durch die unterschiedliche Häufigkeitsverteilung der Lichtintensitäten und/oder unterschiedliche Anpassungen kann die Lichtabhängigkeit des Wachstums sich bei fluktuierendem Licht von dem bei konstantem Licht unterscheiden. Bislang wurde die Lichtabhängigkeit des Wachstums bei fluktuierendem Licht nur in sehr wenigen Studien für genügend viele Lichtintensitäten gemessen, um die genannten Parameter bestimmen zu können. Entsprechend ist der Einfluss der Lichtdynamik auf die Parameter der Wachstums-Licht-Beziehung noch weitgehend unbekannt. Dies beeinträchtigt auch die Zuverlässigkeit von Modellaussagen zur Phytoplanktondynamik unter Durchmischungsbedingungen. In dieser Dissertation sollen die experimentell gewonnenen Ergebnisse nicht auf ganze Ökosysteme extrapoliert werden; Ziel ist vielmehr ein verbessertes Verständnis der Prozesse, die die Lichtabhängigkeit des Phytoplanktonwachstums unter dynamischen Lichtbedingungen steuern. Hierzu wurden im Tai-See und im Dreischluchten-Stausee (China) Experimente mit Phytoplanktongemeinschaften durchgeführt. Es wurden Proben entweder in konstanten Tiefen exponiert oder mit Liften vertikal zwischen Wasseroberfläche und verschiedenen Tiefen bewegt. Während das Lichtangebot in konstanten Tiefen nur dem Tagesgang der Globalstrahlung folgte (hier als konstantes Licht bezeichnet), war das Phytoplankton in den bewegten Proben zusätzlich raschen Lichtfluktuationen ausgesetzt. Mit der Liftbewegung wurden mittlere Bedingungen in den Außenbahnen von Langmuir-Zellen simuliert, wobei eine Umlaufzeit von 20 Minuten gewählt wurde. Es wurden Wachstum, Photosynthese und (im Tai-See) Respiration gemessen. Zusätzlich wurde in Laborversuchen mit einem toxischen Stamm des Cyanobakteriums Microcystis aeruginosa (FACBH 1322) unter fluktuierendem und konstantem Licht Elektronentransportraten sowie Produktion und Verbrauch von Sauerstoff mit höherer zeitlicher Auflösung (1 min) gemessen. Die Ergebnisse der vorliegenden Dissertation demonstrieren bedeutsame Effekte von Lichtfluktuationen auf die Ökophysiologie von Phytoplankton. Die Experimente unter halb-natürlichen Bedingungen im Tai-See und im Dreischluchten-Stausee zeigten ähnliche Muster. Die Wachstumseffizienz der Gemeinschaften nahm durch fluktuierendes Licht deutlich ab, überwiegend durch die veränderte Häufigkeitsverteilung der Lichtintensitäten, die zu verkürzten effektiven Taglängen führte. Zudem verringerten artspezifische Anpassungsmechanismen und lichtabhängige Verluste durch Respiration die Wachstumseffizienz bei fluktuierendem Licht. Die maximalen Wachstumsraten der Gemeinschaft unterschieden sich hingegen nicht zwischen den Ansätzen mit konstantem und fluktuierendem Licht. Bei Lichtsättigung des Wachstums unterschieden sich die Aufwendungen für die Biosynthese zwischen den beiden Lichtregimen. Unter konstantem Starklicht wurden die Photosynthese gehemmt und die Respiration zur Reparatur der Photosysteme erhöht. Fluktuierendes Licht hingegen vermied Lichthemmung, zwang die vertikal bewegten Algen aber zu alternativen Strategien der Lichtnutzung. Durch eine erhöhte Photosynthesekapazität konnten sie Starklicht nahe der Wasseroberfläche besser nutzen. Microcystis aeruginosa verbrauchte im Labor mehr Sauerstoff durch Respiration bei abnehmenden Lichtintensitäten kurz nach Starklicht. Innerhalb eines Lichtzyklus von 20 min stieg die Kompensationslichtintensität mit steigender Nettoproduktion bei Lichtsättigung. Diese Beobachtungen sind am besten durch eine Anreicherung von Photosyntheseprodukten bei ansteigender Lichtintensität und deren sofortige verstärkte Respiration für Erhaltungsumsatz und Biosynthese bei abnehmender Lichtintensität erklärbar. Im Tagesmittel führte eine verstärkte Photosynthese bei Lichtsättigung zu erhöhter Respiration bei Schwachlicht. Die Kompensationslichtintensitäten dominanter Arten im Tai-See stiegen mit deren artspezifischen maximalen Wachstumsraten. Durch diesen artspezifischen physiologischen Kompromiss unterschieden sich die dominanten Arten im See bezüglich ihrer Lichtoptima. Unterschiedliche Strategien der Lichtnutzung (höhere maximale Wachstumsraten oder niedrigere Lichtansprüche) ermöglichten die Koexistenz verschiedener Arten entlang eines Gradienten der Intensität konstanten Lichts im Tai-See. Durch vertikale Durchmischung änderten sich die Strategien der Lichtnutzung innerhalb weniger Tage komplett. Die unterschiedlichen Anpassungsstrategien an fluktuierendes Licht vergrößerten die ökologischen Nischen der dominanten Arten und verhinderten ihre gegenseitige Verdrängung. Insgesamt trägt diese Dissertation zum besseren Verständnis der Ökophysiologie von Phytoplankton unter Durchmischungsbedingungen bei. Dadurch werden verlässlichere Prognosen der Phytoplanktonentwicklung möglich, kurzzeitig in Kombination mit Wettervorhersagen und über lange Zeiträume durch Kopplung mit Klimaszenarien. KW - Lake TaiHu KW - Three Gorges reservoir KW - functional traits KW - tradeoff KW - fluctuating light KW - pPhytoplankton photoacclimation KW - effective daylength KW - photosynthesis KW - respiration KW - niche partitioning KW - non-equilibrium coexistence KW - TaiHu KW - Dreischluchten-Stausee KW - funktionelle Eigenschaften KW - Zielkonflikte KW - fluktuierendes Licht KW - Lichtanpassung KW - Photosynthese KW - Respiration KW - Nischen-Aufteilung KW - Koexistenz unter wechselnden Bedingungen Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-469272 ER - TY - THES A1 - He, Hai T1 - Exploring and engineering formaldehyde assimilation N2 - Increasing concerns regarding the environmental impact of our chemical production have shifted attention towards possibilities for sustainable biotechnology. One-carbon (C1) compounds, including methane, methanol, formate and CO, are promising feedstocks for future bioindustry. CO2 is another interesting feedstock, as it can also be transformed using renewable energy to other C1 feedstocks for use. While formaldehyde is not suitable as a feedstock due to its high toxicity, it is a central intermediate in the process of C1 assimilation. This thesis explores formaldehyde metabolism and aims to engineer formaldehyde assimilation in the model organism Escherichia coli for the future C1-based bioindustry. The first chapter of the thesis aims to establish growth of E. coli on formaldehyde via the most efficient naturally occurring route, the ribulose monophosphate pathway. Linear variants of the pathway were constructed in multiple-gene knockouts strains, coupling E. coli growth to the activities of the key enzymes of the pathway. Formaldehyde-dependent growth was achieved in rationally designed strains. In the final strain, the synthetic pathway provides the cell with almost all biomass and energy requirements. In the second chapter, taking advantage of the unique feature of its reactivity, formaldehyde assimilation via condensation with glycine and pyruvate by two promiscuous aldolases was explored. Facilitated by these two reactions, the newly designed homoserine cycle is expected to support higher yields of a wide array of products than its counterparts. By dividing the pathway into segments and coupling them to the growth of dedicated strains, all pathway reactions were demonstrated to be sufficiently active. The work paves a way for future implementation of a highly efficient route for C1 feedstocks into commodity chemicals. In the third chapter, the in vivo rate of the spontaneous formaldehyde tetrahydrofolate condensation to methylene-tetrahydrofolate was assessed in order to evaluate its applicability as a biotechnological process. Tested within an E. coli strain deleted in essential genes for native methylene-tetrahydrofolate biosynthesis, the reaction was shown to support the production of this essential intermediate. However, only low growth rates were observed and only at high formaldehyde concentrations. Computational analysis dependent on in vivo evidence from this strain deduced the slow rate of this spontaneous reaction, thus ruling out its substantial contribution to growth on C1 feedstocks. The reactivity of formaldehyde makes it highly toxic. In the last chapter, the formation of thioproline, the condensation product of cysteine and formaldehyde, was confirmed to contribute this toxicity effect. Xaa-Pro aminopeptidase (PepP), which genetically links with folate metabolism, was shown to hydrolyze thioproline-containing peptides. Deleting pepP increased strain sensitivity to formaldehyde, pointing towards the toxicity of thioproline-containing peptides and the importance of their removal. The characterization in this study could be useful in handling this toxic intermediate. Overall, this thesis identified challenges related to formaldehyde metabolism and provided novel solutions towards a future bioindustry based on sustainable C1 feedstocks in which formaldehyde serves as a key intermediate. N2 - Die zunehmende Besorgnis über die Auswirkungen der chemischen Produktion auf die Umwelt hat den Fokus auf die Vorzüge der nachhaltigen Biotechnologie gelenkt. Ein-Kohlenstoff-Verbindungen (C1), wie Methan, Methanol, Formiat und CO, sind vielversprechende Ausgangsstoffe für eine künftige biobasierte Industrie. Darüber hinaus ist CO2 ein weiterer interessanter Rohstoff, da es ebenfalls mit erneuerbarer Energie in andere C1-Verbindungen umgewandelt werden kann. Formaldehyd ist zwar aufgrund seiner Toxizität und Reaktivität nicht als Kohlestoffquelle geeignet, stellt aber ein zentrales Intermediat der C1-Assimilation dar. In dieser Arbeit wurde der Formaldehyd-Stoffwechsel untersucht, um Formaldehyd-Assimilations-Wege im Modellorganismus Escherichia coli für die zukünftige C1-basierte Bioindustrie zu entwickeln. Das erste Kapitel dieser Arbeit zielt darauf ab, das Wachstum von E. coli auf Formaldehyd über den energetisch effizientesten natürlich vorkommenden Weg, den Ribulose-Monophosphat-Weg (RuMP-Weg), zu etablieren. Durch Gendeletionen wurden lineare Varianten des RuMPWeges in E. coli Stämmen konstruiert, um das Wachstum mit der Aktivität der Schlüsselenzyme der Formaldehyd-Assimiliation zu verbinden. So konnte auf Formaldehydabhängiges Wachstum in diesen Stämmen getestet werden. Im finalen Stamm wurde nahezu die gesamte Biomasse und der Energiebedarf der E. coli Zellen über den RuMP-Weg bereitgestellt. Im zweiten Kapitel wurde unter Ausnutzung der einzigartigen Reaktivität des Formaldehyds die Aktivitäten zweier promiskuitiver Aldolasen für die Kondensation von Formaldehyd mit Glycin oder Pyruvat in vivo untersucht. Diese beiden Reaktionen dienen als Schlüsselreaktionen des neu gestalteten Homoserin-Zyklus, der verglichen mit anderen bekannten Assimilierungswegen höhere Ausbeuten einer breiten Palette von Produkten ermöglichen kann. Durch die Unterteilung des Stoffwechselweges in Segmente und deren Selektion in auxotrophen E. coli Stämmen wurde gezeigt, dass alle Reaktionen des Pfades ausreichend aktiv sind. Diese Arbeit ebnet den Weg für die zukünftige Nutzung des Homoserin-Zyklus als hocheffiziente Route für die Umwandlung von C1-Rohstoffen in grundlegende Chemikalien. Im dritten Kapitel wurde die in vivo-Rate der spontanen Kondensation von Formaldehyd mit Tetrahydrofolat zu Methylen-Tetrahydrofolat untersucht, um ihr Potential als Formaldehyd Assimilierungs-Reaktion in einem biotechnologischen Prozess zu bewerten. Die Reaktion wurde in einem E. coli-Stamm getestet, in welchem essentielle Gene für die native Methylen-Tetrahydrofolat-Biosynthese entfernt wurden. Es konnte gezeigt werden, dass die spontane Reaktion die Produktion dieses wesentlichen Zwischenprodukts ermöglicht. Die erreichten Wachstumsraten waren jedoch gering und nur bei hohen Formaldehydkonzentrationen zu beobachten. Eine Computer-gestützte Analyse basierend auf in vivo-Erkenntnissen über diesen Stamm ergab eine langsame Reaktionsgeschwindigkeit dieser spontanen Reaktion und schloss somit ihren wesentlichen Beitrag zum Wachstum auf C1-Einsatzmaterial aus. Seine Reaktivität macht Formaldehyd hochtoxisch. Im letzten Kapitel wurde bestätigt, dass die Bildung von Thioprolin, dem Kondensationsprodukt von Cystein und Formaldehyd, zu dieser Toxizitätswirkung beiträgt. Es wurde gezeigt, dass die Xaa-Pro-Aminopeptidase (PepP), die genetisch mit dem Folat-Stoffwechsel verbunden ist, thioprolinhaltige Peptide hydrolysiert. Die Deletion von PepP erhöhte die Empfindlichkeit des Stammes gegenüber Formaldehyd, was auf die Toxizität der Thioprolin-haltigen Peptide und die Bedeutung ihrer Entfernung hinweist. Diese Studie kann für den Umgang mit der Toxizität von Formaldehyd nützlich sein. Insgesamt identifizierte diese Arbeit Herausforderungen im Zusammenhang mit dem Formaldehyd-Stoffwechsel und lieferte neue Lösungen für eine C1-basierte Bioindustrie, in der Formaldehyd als wichtiges Zwischenprodukt dient. T2 - Erforschung und Entwicklung der Formaldehyd-Assimilierung KW - formaldehyde assimilation KW - ribulose monophosphate pathway KW - metabolic engineering KW - serine cycle KW - auxotrophy KW - methylotrophy KW - Auxotrophie KW - Serin-Zyklus KW - Ribulose-Monophosphat-Weg KW - Methylotrophie KW - metabolisches Engineering KW - Formaldehyd-Assimilierung Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-473867 ER - TY - THES A1 - Neukranz, Yannika T1 - MOCS3 and its role in molybdenum cofactor biosynthesis, tRNA thiolation and other cellular pathways in humans Y1 - 2019 ER - TY - THES A1 - Hoang, Yen T1 - De novo binning strategy to analyze and visualize multi-dimensional cytometric data T1 - De novo Binning-Ansatz zur Untersuchung und Visualisierung von multidimensionalen Zytrometriedaten BT - engineering of combinatorial variables for supervised learning approaches N2 - Since half a century, cytometry has been a major scientific discipline in the field of cytomics - the study of system’s biology at single cell level. It enables the investigation of physiological processes, functional characteristics and rare events with proteins by analysing multiple parameters on an individual cell basis. In the last decade, mass cytometry has been established which increased the parallel measurement to up to 50 proteins. This has shifted the analysis strategy from conventional consecutive manual gates towards multi-dimensional data processing. Novel algorithms have been developed to tackle these high-dimensional protein combinations in the data. They are mainly based on clustering or non-linear dimension reduction techniques, or both, often combined with an upstream downsampling procedure. However, these tools have obstacles either in comprehensible interpretability, reproducibility, computational complexity or in comparability between samples and groups. To address this bottleneck, a reproducible, semi-automated cytometric data mining workflow PRI (pattern recognition of immune cells) is proposed which combines three main steps: i) data preparation and storage; ii) bin-based combinatorial variable engineering of three protein markers, the so called triploTs, and subsequent sectioning of these triploTs in four parts; and iii) deployment of a data-driven supervised learning algorithm, the cross-validated elastic-net regularized logistic regression, with these triploT sections as input variables. As a result, the selected variables from the models are ranked by their prevalence, which potentially have discriminative value. The purpose is to significantly facilitate the identification of meaningful subpopulations, which are most distinguish between two groups. The proposed workflow PRI is exemplified by a recently published public mass cytometry data set. The authors found a T cell subpopulation which is discriminative between effective and ineffective treatment of breast carcinomas in mice. With PRI, that subpopulation was not only validated, but was further narrowed down as a particular Th1 cell population. Moreover, additional insights of combinatorial protein expressions are revealed in a traceable manner. An essential element in the workflow is the reproducible variable engineering. These variables serve as basis for a clearly interpretable visualization, for a structured variable exploration and as input layers in neural network constructs. PRI facilitates the determination of marker levels in a semi-continuous manner. Jointly with the combinatorial display, it allows a straightforward observation of correlating patterns, and thus, the dominant expressed markers and cell hierarchies. Furthermore, it enables the identification and complex characterization of discriminating subpopulations due to its reproducible and pseudo-multi-parametric pattern presentation. This endorses its applicability as a tool for unbiased investigations on cell subsets within multi-dimensional cytometric data sets. N2 - Massen- und Durchflusszytometrie-Messungen ermöglichen die detaillierte Einteilung von Zellgruppen nach Eigenschaften vor allem in der Diagnostik und in der Grundlagenforschung anhand der Erfassung von biologischen Informationen auf Einzelzellebene. Sie unterstützen die detaillierte Analyse von komplexen, zellulären Zusammenhängen, um physiologische und pathophysiologische Prozesse zu erkennen, und funktionelle oder krankheitsspezifische Characteristika und rare Zellgruppen genauer zu spezifizieren und zu extrahieren. In den letzten Jahren haben zytometrische Technologien einen enormen Innovationssprung erfahren, sodass heutzutage bis zu 50 Proteine pro Zelle parallel gemessen werden können. Und das mit einem Durchsatz von Hunderttausenden bis mehreren Millionen von Zellen aus einer Probe. Bei der Zunahme der Messparameter steigen jedoch die Dimensionen der kombinierten Parameter exponentiell, sodass eine komplexe Kombinatorik entsteht, die mit konventionellen, manuellen Untersuchungen von bi-axialen Diagrammen nicht mehr durchführbar sind. Derzeit gibt es schon viele neue Datenanalyse-Ansätze, die vorranging auf Cluster- bzw. Dimensionsreduktionstechniken basieren und meist mit einem vorgeschalteten Downsampling in Kombination eingesetzt werden. Diese Tools produzieren aber komplexe Ergebnisse, die größtenteils nicht reproduzierbar sind oder Proben- und Gruppenvergleiche erschweren. Um dieses Problem anzugehen wurde in dieser Dissertation ein reproduzierbarer, halbautomatisierter Datenanalyse-Workflow namens PRI entwickelt, was für pattern recognition of immune cells (Mustererkennung von Immunzellen) steht. Dieser Workflow ist in drei Hauptteile untergliedert: die Datenvorbereitung und -Ablage; die Entwicklung innovativer, bin-basierter Merkmale von drei kombinierten Parametern namens TriploTs und dessen weiterführende Einteilung in vier gleich große TriploT-Areale; und die Anwendung von einem maschinellen Lernansatz basierend auf der Information von diesen Arealen. Als Ergebnis bekommt man eine Selektion der Areale, die am häufigsten von den überwachten Modellen ausgewählt wurden. Dies soll dem Wissenschaftler entscheidend dabei helfen, Zellpopulationen zu identifizieren, die am besten zwischen zwei Gruppen unterscheiden. Der vorgestellte Workflow PRI ist exemplarisch an einem kürzlich veröffentlichten Massenzytometrie-Datensatz validiert worden. Die von den Originalautoren hervorgehobene Zellpopulation konnte nicht nur identifiziert werden, sondern sogar wesentlich weiter spezifiziert werden. Außerdem wurden weitere Erkenntnisse von relevanten, kombinatorischen Proteinexpressionen festgestellt. Die Entwicklung der reproduzierbaren TriploTs führt dazu, dass sie als Basis für verständliche und leicht interpretierbare Visualisierungen, für eine strukturierte Erforschung der Daten mithilfe der Selektion der Areale, und für neuronale Netzwerkkonstrukte genutzt werden können. PRI ermöglicht eine optimierte, semi-kontinuierliche Bestimmung der Expressionsstufen, die die Identifizierung von dominant vorherrschenden und diskriminierenden Proteinen in Zellsubpopulationen wesentlich erleichtert. Darüberhinaus erlaubt es die intuitive Erfassung von korrelierenden Mustern durch die innovative, reproduzierbare Darstellung der Proteinkombinationen und hilft bei der Erforschung von Zellsubpopulationen. KW - machine learning KW - feature engineering KW - machinelles Lernen KW - Feature Engineering Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-443078 ER - TY - THES A1 - Ferrari, Camilla T1 - Comparative transcriptomic studies to predict gene function and investigate the evolution of diurnal regulation Y1 - 2019 ER - TY - THES A1 - Gonzalez de la Cruz, Jorge T1 - Metabolic engineering of Saccharomyces cerevisiae for formatotrophic growth Y1 - 2019 ER -