TY - THES A1 - Jantzen, Friederike T1 - Genetic basis and adaptive significance of repeated scent loss in selfing Capsella species T1 - Genetische Grundlage und Adaptive Signifikanz von wiederholtem Duftverlust bei selbstenden Capsella Arten N2 - Floral scent is an important way for plants to communicate with insects, but scent emission has been lost or strongly reduced during the transition from pollinator-mediated outbreeding to selfing. The shift from outcrossing to selfing is not only accompanied by scent loss, but also by a reduction in other pollinator-attracting traits like petal size and can be observed multiple times among angiosperms. These changes are summarized by the term selfing syndrome and represent one of the most prominent examples of convergent evolution within the plant kingdom. In this work the genus Capsella was used as a model to study convergent evolution in two closely related selfers with separate transitions to self-fertilization. Compared to their outbreeding ancestor C. grandiflora, the emission of benzaldehyde as main compound of floral scent is lacking or strongly reduced in the selfing species C. rubella and C. orientalis. In C. rubella the loss of benzaldehyde was caused by mutations to cinnamate:CoA ligase CNL1, but the biochemical basis and evolutionary history of this loss remained unknown, together with the genetic basis of scent loss in C. orientalis. Here, a combination of plant transformations, in vitro enzyme assays, population genetics and quantitative genetics has been used to address these questions. The results indicate that CNL1 has been inactivated twice independently by point mutations in C. rubella, leading to a loss of benzaldehyde emission. Both inactivated haplotypes can be found around the Mediterranean Sea, indicating that they arose before the species´ geographical spread. This study confirmed CNL1 as a hotspot for mutations to eliminate benzaldehyde emission, as it has been suggested by previous studies. In contrast to these findings, CNL1 in C. orientalis remains active. To test whether similar mechanisms underlie the convergent evolution of scent loss in C. orientalis a QTL mapping approach was used and the results suggest that this closely related species followed a different evolutionary route to reduce floral scent, possibly reflecting that the convergent evolution of floral scent is driven by ecological rather than genetic factors. In parallel with studying the genetic basis of repeated scent loss a method for testing the adaptive value of individual selfing syndrome traits was established. The established method allows estimating outcrossing rates with a high throughput of samples and detects successfully insect-mediated outcrossing events, providing major advantages regarding time and effort compared to other approaches. It can be applied to correlate outcrossing rates with differences in individual traits by using quasi-isogenic lines as demonstrated here or with environmental or morphological parameters. Convergent evolution can not only be observed for scent loss in Capsella but also for the morphological evolution of petal size. Previous studies detected several QTLs underlying the petal size reduction in C. orientalis and C. rubella, some of them shared among both species. One shared QTL is PAQTL1 which might map to NUBBIN, a growth factor. To better understand the morphological evolution and genetic basis of petal size reduction, this QTL was studied. Mapping this QTL to a gene might identify another example for a hotspot gene, in this case for the convergent evolution of petal size. N2 - Blütenduft stellt einen wichtigen Kommunikationsweg für Pflanzen mit ihrer Außenwelt dar, jedoch ging die Emission von Duftstoffen während des Übergangs von Bestäuber-vermittelter Auskreuzung zur Selbstung verloren oder wurde stark reduziert. Dieser Wandel des Fortpflanzungssystems wurde nicht nur vom Duftverlust begleitet, sondern auch von einer Reduktion anderer Merkmale, die Bestäuber anlocken, so zum Beispiel auch einer verringerten Blütenblattgröße. Diese veränderten Merkmale werden unter dem Begriff Selbstungssyndrom zusammengefasst und können mehrfach in der Evolution von Angiospermen beobachtet werden. Der Übergang von Auskreuzung zu Selbstung und die damit einhergehende Veränderung von Blüten stellt eines der bekanntesten Beispiele für konvergente Evolution im Pflanzenreich dar. In dieser Arbeit wurde die Gattung Capsella als Modell für die Untersuchung konvergenter Evolution genutzt, da sie zwei eng verwandte selbstbestäubende Arten enthält, die unabhängig voneinander den Übergang zur Selbstbefruchtung vollzogen. Verglichen mit dem auskreuzendem Vorfahr C. grandiflora, ist die Emission von Benzaldehyd als Hauptbestandteil des Blütenduftes in den selbstbestäubenden Arten C. rubella und C. orientalis verloren gegangen oder stark reduziert. Der Verlust von Benzaldehyd wurde in C. rubella durch Mutationen in der Cinnamat:CoA Ligase CNL1 verursacht, die biochemische Grundlage und evolutionäre Geschichte dieses Verlustes waren jedoch unbekannt, ebenso wie die genetische Grundlage für den Duftverlust von C. orientalis. In der vorliegenden Arbeit wurde eine Kombination aus transformierten Pflanzen, in vitro Enzymassays, Populationsgenetik und quantitativer Genetik genutzt, um diese Fragen zu beantworten. Die Ergebnisse sprechen dafür, dass in C. rubella CNL1 zweimal unabhängig voneinander durch Punktmutationen inaktiviert wurde und diese zu einem Verlust der Benzaldehydemission führten. Beide inaktive Haplotypen können in Populationen rund um das Mittelmeer detektiert werden, was dafür spricht, dass die Mutationen auftraten, bevor sich die Art geografisch ausbreiten konnte. Diese Arbeit bestätigt, dass CNL1 ein sogenannter Hotspot für die Eliminierung der Benzaldehydemission ist, wie es schon von vorhergehenden Arbeiten angedeutet wurde. Im Gegensatz dazu verbleibt CNL1 in C. orientalis funktionsfähig. Um herauszufinden, ob bei dieser Art ähnliche Mechanismen der konvergenten Evolution zum Duftverlust führten, wurde ein QTL-Kartierungsansatz gewählt. Die Ergebnisse sprechen dafür, dass hier die Duftreduktion auf einem evolutionär anderen Weg erreicht wurde als in C. rubella, eventuell spiegelt dies wider, dass die Evolution von Blütenduft eher durch ökologische als genetische Faktoren angetrieben wird. Parallel zur Aufklärung der genetischen Basis von wiederholtem Duftverlust wurde eine Methode zum Testen des adaptiven Wertes einzelner Merkmale des Selbstungssyndromes etabliert. Diese Methode erlaubt es, Auskreuzungsraten mit einem hohen Probendurchsatz abzuschätzen, und es konnte gezeigt werden, dass sie erfolgreich Auskreuzungsereignisse detektiert, die von Insekten vermittelt wurden. Diese neue Methode bringt einige Vorteile gegenüber bisher angewandten Protokollen mit sich; sie ist wesentlich schneller und eine Vielzahl an Proben lässt sich mit deutlich geringerem Aufwand analysieren. Dies ermöglicht eine Korrelation der Auskreuzungsrate mit unterschiedlichen Merkmalen, indem, wie hier demonstriert, quasi-isogene Linien verwendet werden. Denkbar wäre auch eine Kombination mit anderen morphologischen oder ökologischen Parametern, um deren Einfluss auf die Auskreuzungsrate zu untersuchen. Konvergente Evolution kann nicht nur beim Duftverlust in der Gattung Capsella beobachtet werden, sondern auch bei der morphologischen Evolution der Petalengröße. Vorhergehende Studien fanden mehrere QTL, die der Reduktion der Petalengröße in C. rubella und C. orientalis unterliegen, manche von ihnen sind sogar in beiden Spezies zu finden. Einer der gemeinsamen QTL ist PAQTL1, der vielleicht auf NUBBIN zurückgeführt werden kann, einem Wachstumsfaktor. Um die morphologische Evolution und die genetische Grundlage der Reduktion der Petalengröße besser zu verstehen, soll dieser QTL weiter charakterisiert werden, da ihm eventuell ein Hotspot-Gen für die konvergente Evolution der Petalengröße unterliegen könnte. KW - Capsella KW - selfing syndrome KW - floral scent KW - outcrossing rate KW - benzaldehyde KW - CNL1 KW - Capsella KW - Selbstungssyndrom KW - Blütenduft KW - Auskreuzungsrate KW - Benzaldehyd KW - CNL1 Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-435253 ER - TY - THES A1 - Kagel, Heike T1 - Light-induced pH cycle T1 - Licht-induzierte pH- Steuerung BT - a non-invasive method to control biochemical reactions BT - eine nicht-invasive Methode zur Kontrolle biochemischer Reaktionen N2 - Background Many biochemical reactions depend on the pH of their environment and some are strongly accelerated in an acidic surrounding. A classical approach to control biochemical reactions non-invasivly is by changing the temperature. However, if the pH could be controlled by optical means using photo-active chemicals, this would mean to be able to accelerate suitable biochemical reactions. Optically switching the pH can be achieved by using photoacids. A photoacid is a molecule with a functional group that releases a proton upon irradiation with the suitable wavelength, acidifying the environmental aqueous surrounding. A major goal of this work was to establish a non-invasive method of optically controlling the pH in aqueous solutions, offering the opportunity to enhance the known chemical reactions portfolio. To demonstrate the photo-switchable pH cycling we chose an enzymatic assay using acid phosphatase, which is an enzyme with a strong pH dependent activity. Results In this work we could demonstrate a light-induced, reversible control of the enzymatic activity of acid phosphatase non-invasivly. To successfully conduct those experiments a high power LED array was designed and built, suitable for a 96 well standard microtiter plate, not being commercially available. Heat management and a lateral ventilation system to avoid heat accumulation were established and a stable light intensity achieved. Different photoacids were characterised and their pH dependent absorption spectra recorded. By using the reversible photoacid G-acid as a proton donor, the pH can be changed reversibly using high power UV 365 nm LEDs. To demonstrate the pH cycling, acid phosphatase with hydrolytic activity under acidic conditions was chosen. An assay using the photoacid together with the enzyme was established, also providing that G-acid does not inhibit acid phosphatase. The feasibility of reversibly regulating the enzyme’s pH dependent activity by optical means was demonstrated, by controlling the enzymatic activity with light. It was demonstrated that the enzyme activity depends on the light exposure time only. When samples are not illuminated and left in the dark, no enzymatic activity was recorded. The process can be rapidly controlled by simply switching the light on and off and should be applicable to a wide range of enzymes and biochemical reactions. Conclusions Reversible photoacids offer a light-dependent regulation of pH, making them extremely attractive for miniaturizable, non-invasive and time-resolved control of biochemical reactions. Many enzymes have a sharp pH dependent activity, thus the established setup in this thesis could be used for a versatile enzyme portfolio. Even though the demonstrated photo-switchable strategy could also be used for non-enzymatic assays, greatly facilitating the assay establishment. Photoacids have the potential for high throughput methods and automation. We demonstrated that it is possible to control photoacids using commonly available LEDs, making their use in highly integrated devices and instruments more attractive. The successfully designed 96 well high power UV LED array presents an opportunity for general combinatorial analysis in e.g. photochemistry, where a high light intensity is needed for the investigation of various reactions. N2 - Hintergrund Viele biochemische Reaktionen hängen vom pH-Wert ihrer Umgebung ab. Einige werden in einer sauren Umgebung stark beschleunigt. Ein klassischer Kontrollansatz nicht-invasiver biochemischer Reaktionen stellt die Änderung der Temperatur dar. Wenn jedoch der pH-Wert durch photoaktiven Chemikalien optisch gesteuert werden könnte, wäre es möglich geeignete biochemische Reaktionen zu beschleunigen. Die optische Steuerung des pH-Wertes kann durch die Verwendung von Photosäuren erfolgen. Eine Photosäure ist ein Molekül mit einer funktionellen Gruppe, welche bei Bestrahlung mit der geeigneten Wellenlänge ein Proton freisetzt und somit wässrige Umgebung ansäuert. Ein Hauptziel dieser Arbeit war es, eine nicht-invasive Methode zu etablieren und ein Verfahren zur optischen Kontrolle des pH-Wertes in wässrigen Lösungen zu entwickeln und somit das Portfolio biochemischer Reaktionen zu erweitern. Zur Demonstration der optischen Kontrolle des pH-Wertes wurde ein enzymatisches Assay mit der Verwendung von saurer Phosphatase gewählt. Dieses Enzym hat eine pH-abhängige Aktivität. Ergebnisse In dieser Arbeit konnte eine lichtinduzierte, nicht-invasive, reversible Kontrolle der enzymatischen Aktivität der sauren Phosphatase demonstriert werden. Um diese erfolgreich durchzuführen wurde ein Hochleistungs-LED-Array entworfen und gebaut, welches für standard 96er Mikrotiterplatten geeignet ist. So ein LED-Array ist nicht im Handel erhältlich. Zum Wärmemanagement wurde unter anderem ein seitliches Belüftungssystem zur Vermeidung von Wärmestau eingerichtet und somit eine stabile Licht Intensität erreicht. Verschiedene Photosäuren wurden charakterisiert und deren pH-abhängiges Absorptionsspektren aufgezeichnet. Unter Verwendung der reversiblen Photosäure G-Säure als Protonendonor kann der pH Wert mit Hilfe des Hochleistungs-LED-Arrays reversibel geändert werden. Um den schaltbaren pH- Wechsel zu demonstrieren wurde die saure Phosphatase, welche unter sauren pH Wert hydrolytische Aktivität zeigt, gewählt. Ein Assay, bei dem die Photosäure zusammen mit dem Enzym verwendet wurde zeigt, dass G-Säure die saure Phosphatase nicht hemmt. Die reversible Regelung der pH-abhängigen Aktivität des Enzyms durch optische Kontrolle wurde nachgewiesen. Es wurde gezeigt, dass die Enzymaktivität allein von der Belichtungszeit abhängig ist. Wenn die Proben nicht beleuchtet wurden und im Dunkeln blieben, wurde keine enzymatische Aktivität aufgezeichnet. Der Prozess kann einfach und schnell gesteuert durch Ein- und Ausschalten des Lichts gesteuert werden und sollte auf eine Vielzahl von Enzymen und biochemischen Reaktionen anwendbar sein. Schlussfolgerungen Reversible Photosäuren ermöglichen eine lichtabhängige Regulierung des pH-Wertes. Sie sind äußerst attraktiv für miniaturisierbare, nicht invasive und zeitaufgelöste Steuerung von biochemischen Reaktionen. Viele Enzyme haben eine starke pH-abhängige Aktivität, daher könnte der in dieser Arbeit etablierte für ein vielseitiges Enzymportfolio verwendet werden. Die vorgestellte photo-schaltbare-Strategie könnte jedoch auch für nicht-enzymatische verwendet werden. Photosäuren haben das Potenzial für Hochdurchsatzverfahren und Automatisierung. Wir haben gezeigt, dass es möglich ist Photosäuren mit handelsüblichen LEDs, zu kontrollieren. Damit ist eine integration in Handelsübliche Geräte möglich. Das erfolgreich designte 96 Well Hochleisuntg- LED-Array bietet eine Möglichkeit zur allgemeinen kombinatorischen Analyse in z.B. Photochemie, wo eine hohe Lichtintensität für die Untersuchung verschiedener Reaktionen benötigt wird. KW - photoacid KW - photo-induced KW - acid phosphatase KW - High Power LED Array KW - Photosäure KW - photoinduziert KW - saure Phosphatase KW - Hochleistungs-LED-Array Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-434353 ER - TY - THES A1 - Brechun, Katherine E. T1 - Development and application of genetic networks for engineering photo-controlled proteins T1 - Die Entwicklung und Anwendung von genetischen Netzwerken zur Konstruktion von licht-schaltbaren Proteinen N2 - Light-switchable proteins are being used increasingly to understand and manipulate complex molecular systems. The success of this approach has fueled the development of tailored photo-switchable proteins, to enable targeted molecular events to be studied using light. The development of novel photo-switchable tools has to date largely relied on rational design. Complementing this approach with directed evolution would be expected to facilitate these efforts. Directed evolution, however, has been relatively infrequently used to develop photo-switchable proteins due to the challenge presented by high-throughput evaluation of switchable protein activity. This thesis describes the development of two genetic circuits that can be used to evaluate libraries of switchable proteins, enabling optimization of both the on- and off-states. A screening system is described, which permits detection of DNA-binding activity based on conditional expression of a fluorescent protein. In addition, a tunable selection system is presented, which allows for the targeted selection of protein-protein interactions of a desired affinity range. This thesis additionally describes the development and characterization of a synthetic protein that was designed to investigate chromophore reconstitution in photoactive yellow protein (PYP), a promising scaffold for engineering photo-controlled protein tools. N2 - Licht ist eins der wichtigsten Impulse für Lebewesen, denn es dient Energie- und Informationsquelle. Folglich haben Organismen verschiedene Mechanismen entwickelt, um Licht wahrzunehmen und darauf zu reagieren. Pflanzen zum Beispiel haben Proteine, die auf Licht reagieren und dabei einen Prozess auslösen, der dazu führt, dass die Pflanze in Richtung der Sonne wächst. Es wurde Anfang 2000 gezeigt, dass solche licht-reagierende Proteine als wertvolle molekulare Werkzeuge in der Biotechnologie benutzt werden können. Wenn man Licht benutzten kann, um einen molekularen Prozess zu aktivieren (beziehungsweise zu inaktivieren), kann dessen Prozess mit sehr genauer Kontrolle untersucht werden. Manche natürlich vorhandene licht-reagierende Proteine können direkt als licht-schaltbare Werkzeuge benutzt werden, aber häufig müssen solche Proteine geändert werden, um ihre Funktion anzupassen. Eine sehr erfolgreiche Herangehensweise, um die Funktion eines Proteins zu ändern, ist die Herstellung und anschließende Auswertung von Protein-Bibliotheken. Diese Methode nennt sich gerichtete Evolution (engl.: directed evolution). Eine Protein-Bibliothek wird durch die ungezielte Einführung von Mutationen im Gen eines Proteins hergestellt. Die daraus entstandene Sammlung von Proteinen (in der Regel Millionen oder Milliarden) wird danach ausgewertet, um verbesserte Mutanten des Proteins zu identifizieren. Die Auswertung erfolgt mithilfe eines Hochdurchsatz-Screening- oder Selektionssystems. Ein solches System ermöglicht es, Zellen mit Proteinen, die eine gewünschte Funktion trägen, zu identifizieren. Die Entwicklung und Optimierung von licht-schaltbaren Proteinen stellt eine besondere Herausforderung dar; die Aktivität des Proteins muss in einem Zustand (zum Beispiel unter Licht) verbessert werden und im entgegengesetzten Zustand (Dunkelheit) verhindert werden. Darüber hinaus mangelt es an Methoden, die die Hochdurchsatz-Auswertung von schaltbaren Proteinfunktion ermöglichen, welches die Anwendung von gerichteter Evolution verhindert. Das Forschungsgebiet der licht-schaltbaren Proteine würde von der Entwicklung von Systemen profitieren, die die Hochdurchsatz-Auswertung von schaltbaren Proteinfunktion ermöglicht. Diese Dissertation beschreibt die Entwicklung und Optimierung von zwei Systemen, die die Hochdurchsatz-Auswertung von schaltbaren Proteinfunktion ermöglicht. Das erste System verbindet die Produktion eines fluoreszierenden Proteins mit der Aktivität eines licht-schaltbaren Proteins, sodass Information über die Aktivität des Proteins erhalten wird. Das zweite System ermöglicht die Selektion von Protein-Protein-Interaktionen mit gezielter Affinität. Diese Dissertation beschreibt zusätzlich die Untersuchung vom licht-reagierenden Protein Photoactive Yellow Protein (PYP). Auf Grund der großen licht-induzierten strukturellen Veränderungen, ist PYP ein nützliches Proteingerüst zur Entwicklung von licht-schaltbaren Proteinen. In dieser Arbeit wurde die enzymatische Synthese vom PYP Chromophormolekül optimiert. Darüber hinaus wurde die Wiederherstellung von PYP-basierten synthetischen Proteinen zum ersten Mal mit enzymatisch-produziertem Chromophor gezeigt. KW - genetic circuits KW - protein engineering KW - photoactive proteins KW - photoactive yellow protein (PYP) KW - genetische Netzwerke KW - Protein-Engineering KW - licht-schaltbare Proteine Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-430924 ER - TY - THES A1 - Teckentrup, Lisa T1 - Understanding predator-prey interactions T1 - Verstehen von Räuber-Beute-Interaktionen BT - the role of fear in structuring prey communities BT - die Rolle der Angst bei der Strukturierung von Beutetiergemeinschaften N2 - Predators can have numerical and behavioral effects on prey animals. While numerical effects are well explored, the impact of behavioral effects is unclear. Furthermore, behavioral effects are generally either analyzed with a focus on single individuals or with a focus on consequences for other trophic levels. Thereby, the impact of fear on the level of prey communities is overlooked, despite potential consequences for conservation and nature management. In order to improve our understanding of predator-prey interactions, an assessment of the consequences of fear in shaping prey community structures is crucial. In this thesis, I evaluated how fear alters prey space use, community structure and composition, focusing on terrestrial mammals. By integrating landscapes of fear in an existing individual-based and spatially-explicit model, I simulated community assembly of prey animals via individual home range formation. The model comprises multiple hierarchical levels from individual home range behavior to patterns of prey community structure and composition. The mechanistic approach of the model allowed for the identification of underlying mechanism driving prey community responses under fear. My results show that fear modified prey space use and community patterns. Under fear, prey animals shifted their home ranges towards safer areas of the landscape. Furthermore, fear decreased the total biomass and the diversity of the prey community and reinforced shifts in community composition towards smaller animals. These effects could be mediated by an increasing availability of refuges in the landscape. Under landscape changes, such as habitat loss and fragmentation, fear intensified negative effects on prey communities. Prey communities in risky environments were subject to a non-proportional diversity loss of up to 30% if fear was taken into account. Regarding habitat properties, I found that well-connected, large safe patches can reduce the negative consequences of habitat loss and fragmentation on prey communities. Including variation in risk perception between prey animals had consequences on prey space use. Animals with a high risk perception predominantly used safe areas of the landscape, while animals with a low risk perception preferred areas with a high food availability. On the community level, prey diversity was higher in heterogeneous landscapes of fear if individuals varied in their risk perception compared to scenarios in which all individuals had the same risk perception. Overall, my findings give a first, comprehensive assessment of the role of fear in shaping prey communities. The linkage between individual home range behavior and patterns at the community level allows for a mechanistic understanding of the underlying processes. My results underline the importance of the structure of the landscape of fear as a key driver of prey community responses, especially if the habitat is threatened by landscape changes. Furthermore, I show that individual landscapes of fear can improve our understanding of the consequences of trait variation on community structures. Regarding conservation and nature management, my results support calls for modern conservation approaches that go beyond single species and address the protection of biotic interactions. N2 - Raubtiere beeinflussen ihre Beute durch die Verringerung der Anzahl (numerische Effekte) und durch das Hervorrufen von Verhaltensänderungen (Verhaltenseffekte). Während die Auswirkungen von numerischen Effekten gut erforscht sind, sind die Auswirkungen von Verhaltenseffekten unklar. Außerdem werden bei Verhaltensänderungen selten die Auswirkungen auf die Beutetiergemeinschaft betrachtet, sondern nur die Effekte auf einzelne Individuen bzw. Arten oder auf andere Stufen der Nahrungskette. Eine Betrachtung auf der Stufe der Beutetiergemeinschaft ist jedoch sehr wichtig, da nur so ein umfassendes Verständnis von Räuber-Beute-Gemeinschaften möglich ist. In der vorliegenden Arbeit habe ich die Auswirkungen von Verhaltenseffekten auf die Raumnutzung und die Struktur von Beutetiergemeinschaften untersucht. Dazu habe ich ein räumliches Modell benutzt, welches die Bildung von Beutetiergemeinschaften über den individuellen Aufbau von Aktionsräumen der Beutetiere simuliert. Die Einrichtung von Aktionsräumen basiert dabei auf der Nahrungsverfügbarkeit in der Landschaft und auf dem vom Beutetier wahrgenommenen Risiko von einem Räuber gefressen zu werden. Die räumliche Verteilung des wahrgenommenen Risikos wird auch als Landschaft der Angst bezeichnet. Meine Ergebnisse zeigen, dass sich die Raumnutzung und die Struktur der Beutetiergemeinschaft durch Verhaltenseffekte verändern. Unter dem Einfluss von Angst haben die Beutetiere ihre Aktionsräume in sicherere Bereiche der Landschaft verlegt. Außerdem hat sich in risikoreichen Landschaften die Vielfalt der Beutetiere verringert und die Zusammensetzung zu Arten mit einem geringen Körpergewicht verschoben. Wenn die Beutetiergemeinschaft Landschaftsveränderungen wie z.B. dem Verlust oder der Zerschneidung von Lebensraum ausgesetzt war, haben sich die Auswirkungen von Verhaltenseffekten weiter verstärkt. Durch eine Erhöhung der Größe und Anzahl von Rückzugsräumen, die nicht von Räubern erreicht werden können, sowie deren Verbindung in der Landschaft, kann die Stärke dieser Effekte jedoch begrenzt werden. In einem weiteren Schritt habe ich die Auswirkungen von Unterschieden in der Risikowahrnehmung zwischen Individuen untersucht. Diese Unterschiede haben dazu geführt, dass Tiere mit einer hohen Risikowahrnehmung sich ihren Aktionsraum vornehmlich in sicheren Bereichen gesucht haben, während Tiere mit einer geringen Risikowahrnehmung Bereiche mit einer hohen Nahrungsverfügbarkeit genutzt haben. Dadurch konnten sich in Landschaften mit unterschiedlichen Risiken, vielfältigere Beutetiergemeinschaften etablieren, als in Landschaften mit gleichmäßigem Risiko. Insgesamt geben meine Ergebnisse einen guten Überblick über die Auswirkungen von Verhaltenseffekten auf Beutetiergemeinschaften. Die Verknüpfung von individuellem Verhalten mit Mustern auf der Gemeinschaftsebene erlaubt es die zugrundeliegenden Mechanismen zu identifizieren und zu verstehen. In Bezug auf den Naturschutz unterstützen meine Ergebnisse den Ruf nach modernen Schutzmaßnahmen, die über den Erhalt von einzelnen Arten hinausgehen und den Schutz von Beziehungen zwischen Arten einbeziehen. KW - ecology KW - landscape of fear KW - predator-prey KW - movement KW - biodiversity KW - Ökologie KW - Landschaft der Angst KW - Räuber-Beute KW - Bewegung KW - Biodiversität Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-431624 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 - Ehrlich, Elias T1 - On the role of trade-offs in predator-prey interactions T1 - Trade-offs und ihre Bedeutung in Räuber-Beute Interaktionen N2 - Predation drives coexistence, evolution and population dynamics of species in food webs, and has strong impacts on related ecosystem functions (e.g. primary production). The effect of predation on these processes largely depends on the trade-offs between functional traits in the predator and prey community. Trade-offs between defence against predation and competitive ability, for example, allow for prey speciation and predator-mediated coexistence of prey species with different strategies (defended or competitive), which may stabilize the overall food web dynamics. While the importance of such trade-offs for coexistence is widely known, we lack an understanding and the empirical evidence of how the variety of differently shaped trade-offs at multiple trophic levels affect biodiversity, trait adaptation and biomass dynamics in food webs. Such mechanistic understanding is crucial for predictions and management decisions that aim to maintain biodiversity and the capability of communities to adapt to environmental change ensuring their persistence. In this dissertation, after a general introduction to predator-prey interactions and tradeoffs, I first focus on trade-offs in the prey between qualitatively different types of defence (e.g. camouflage or escape behaviour) and their costs. I show that these different types lead to different patterns of predator-mediated coexistence and population dynamics, by using a simple predator-prey model. In a second step, I elaborate quantitative aspects of trade-offs and demonstrates that the shape of the trade-off curve in combination with trait-fitness relationships strongly affects competition among different prey types: Either specialized species with extreme trait combinations (undefended or completely defended) coexist, or a species with an intermediate defence level dominates. The developed theory on trade-off shapes and coexistence is kept general, allowing for applications apart from defence-competitiveness trade-offs. Thirdly, I tested the theory on trade-off shapes on a long-term field data set of phytoplankton from Lake Constance. The measured concave trade-off between defence and growth governs seasonal trait changes of phytoplankton in response to an altering grazing pressure by zooplankton, and affects the maintenance of trait variation in the community. In a fourth step, I analyse the interplay of different tradeoffs at multiple trophic levels with plankton data of Lake Constance and a corresponding tritrophic food web model. The results show that the trait and biomass dynamics of the different three trophic levels are interrelated in a trophic biomass-trait cascade, leading to unintuitive patterns of trait changes that are reversed in comparison to predictions from bitrophic systems. Finally, in the general discussion, I extract main ideas on trade-offs in multitrophic systems, develop a graphical theory on trade-off-based coexistence, discuss the interplay of intra- and interspecific trade-offs, and end with a management-oriented view on the results of the dissertation, describing how food webs may respond to future global changes, given their trade-offs. N2 - Trophische Interaktionen sind von entscheidender Bedeutung für die Biodiversität in Ökosystemen und die daran gekoppelten Ökosystemfunktionen (z.B. Primärproduktion, Nährstoffkreislauf). Außerdem beeinflussen sie die Evolution und Populationsdynamiken von Arten. Die Wirkungsweise von trophischen Interaktionen auf diese Prozesse hängt dabei von den Trade-offs ab, denen Räuber und Beute z.B. auf Grund physiologischer Beschränkungen unterliegen. Als Trade-off wird die Kosten-Nutzen-Beziehung zwischen zwei oder mehr funktionellen Eigenschaften eines Organismus bezeichnet, so zum Beispiel das Einhergehen einer höheren Verteidigung gegen Fraß mit einer geringeren Konkurrenzfähigkeit um Ressourcen. Solche Trade-offs zwischen Verteidigung und Konkurrenzfähigkeit ermöglichen die Koexistenz von Beutearten mit verschiedenen Strategien (verteidigt oder konkurrenzfähig), was sich stabilisierend auf die gesamten Dynamiken im Nahrungsnetz auswirken kann. Obwohl die Annahme weit verbreitet ist, dass Trade-offs die Koexistenz von Arten fördern, mangelt es am Verständnis und an empirischen Nachweisen, wie sich die Vielzahl unterschiedlich geformter Trade-offs von Arten verschiedener trophischer Ebenen auf die Biodiversität, die Anpassung von funktionellen Eigenschaften und die Biomassedynamik in Nahrungsnetzen auswirkt. Solch ein Verständnis ist jedoch entscheidend für die Vorhersagen und Managemententscheidungen bezüglich des Erhalts von Biodiversität, die das Anpassungspotential von Artengemeinschaften an zukünftige Veränderung in der Umwelt und damit das Überdauern von Artengemeinschaften langfristig sicherstellt. Die hier vorliegende Dissertation startet mit einer kurzen Einführung in die Rolle von Räuber-Beute-Beziehungen und Trade-offs in Ökosystemen. In einem ersten Schritt, lege ich den Fokus zunächst auf Trade-offs in Beutegemeinschaften zwischen qualitativ verschiedenen Verteidigungsmechanismen (z.B. Tarnung oder Fluchtverhalten) und -kosten, und zeige anhand von einfachen Räuber-Beute Modellen, wie sich diese Mechanismen hinsichtlich ihrer Wirkungsweise auf die Koexistenz und die Populationsdynamiken von Beutearten unterscheiden. Als Zweites konzentriert sich die Dissertation dann auf quantitative Aspekte der Trade-offs. So wird aufgezeigt, wie die Form der Trade-off-Kurve bei verschiedenen Beziehungen zwischen funktionellen Eigenschaften und der Fitness den Ausgang von Konkurrenzprozessen innerhalb von Beutegemeinschaften beeinflusst. Dabei kann es in Abhängigkeit von der Form der Trade-off-Kurve entweder zu Koexistenz von spezialisierten Arten kommen (unverteidigt oder komplett verteidigt) oder aber zur Dominanz einer Art mit mittlerer Verteidigung. Der dritte Schwerpunkt dieser Arbeit liegt dann auf dem Test der Theorie zur Trade-off-Kurve und Koexistenz anhand von Langzeitfelddaten des Phytoplanktons im Bodensee. Es zeigt sich hierbei, dass der gefundene konkave Trade-off zwischen Verteidung und Wachstumsrate in Kombination mit einem sich verändernden Fraßdruck durch das Zooplankton die Anpassung von funktionellen Eigenschaften und den Erhalt von Variation dieser Eigenschaften innerhalb der Phytoplanktongemeinschaft steuert. In einem vierten Schritt, analysiere ich das Zusammenspiel von Trade-offs auf mehreren trophischen Ebenen, basierend auf Phyto- und Zooplanktondaten aus dem Bodensee und einem dafür entwickelten tritrophischen Nahrungsnetzmodell. Die Ergebnisse zeigen, dass die Dynamiken der funktionellen Eigenschaften und Biomassen durch eine Kaskade über die drei trophischen Ebenen hinweg gekoppelt sind, die zu unintuitiven Mustern in den Anpassungen der funktionellen Eigenschaften zwischen den Ebenen führt. In der generellen Diskussion bringe ich \textit{abschließend} die Ideen zur Wirkung von Trade-offs in multitrophischen System in einen breiteren Kontext. Zudem entwickle ich eine generelle graphische Theorie zur Trade-off basierten Koexistenz in Abhängigkeit von der Fitnesslandschaft, diskutiere das mögliche Zusammenspiel von intra- und interspezifischen Trade-offs, und gebe schlussendlich einen Management-orientierten Einblick in die Relevanz der Ergebnisse dieser Dissertation für das Verhalten von Nahrungsnetzen im Zuge des Globalen Wandels unter der Wirkung von Trade-offs. KW - trade-offs between functional traits KW - predator-prey dynamics KW - food web KW - coexistence KW - trait variation KW - theoretical ecology KW - phytoplankton and zooplankton KW - Trade-offs zwischen funktionellen Eigenschaften KW - Räuber-Beute Dynamiken KW - Nahrungsnetz KW - Koexistenz KW - Variation in funktionellen Eigenschaften KW - theoretische Ökologie KW - Phytoplankton und Zooplankton Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-430631 ER - TY - THES A1 - López García, Patricia T1 - Coiled coils as mechanical building blocks T1 - Coiled Coils als mechanische Bausteine N2 - The natural abundance of Coiled Coil (CC) motifs in cytoskeleton and extracellular matrix proteins suggests that CCs play an important role as passive (structural) and active (regulatory) mechanical building blocks. CCs are self-assembled superhelical structures consisting of 2-7 α-helices. Self-assembly is driven by hydrophobic and ionic interactions, while the helix propensity of the individual helices contributes additional stability to the structure. As a direct result of this simple sequence-structure relationship, CCs serve as templates for protein design and sequences with a pre-defined thermodynamic stability have been synthesized de novo. Despite this quickly increasing knowledge and the vast number of possible CC applications, the mechanical function of CCs has been largely overlooked and little is known about how different CC design parameters determine the mechanical stability of CCs. Once available, this knowledge will open up new applications for CCs as nanomechanical building blocks, e.g. in biomaterials and nanobiotechnology. With the goal of shedding light on the sequence-structure-mechanics relationship of CCs, a well-characterized heterodimeric CC was utilized as a model system. The sequence of this model system was systematically modified to investigate how different design parameters affect the CC response when the force is applied to opposing termini in a shear geometry or separated in a zipper-like fashion from the same termini (unzip geometry). The force was applied using an atomic force microscope set-up and dynamic single-molecule force spectroscopy was performed to determine the rupture forces and energy landscape properties of the CC heterodimers under study. Using force as a denaturant, CC chain separation is initiated by helix uncoiling from the force application points. In the shear geometry, this allows uncoiling-assisted sliding parallel to the force vector or dissociation perpendicular to the force vector. Both competing processes involve the opening of stabilizing hydrophobic (and ionic) interactions. Also in the unzip geometry, helix uncoiling precedes the rupture of hydrophobic contacts. In a first series of experiments, the focus was placed on canonical modifications in the hydrophobic core and the helix propensity. Using the shear geometry, it was shown that both a reduced core packing and helix propensity lower the thermodynamic and mechanical stability of the CC; however, with different effects on the energy landscape of the system. A less tightly packed hydrophobic core increases the distance to the transition state, with only a small effect on the barrier height. This originates from a more dynamic and less tightly packed core, which provides more degrees of freedom to respond to the applied force in the direction of the force vector. In contrast, a reduced helix propensity decreases both the distance to the transition state and the barrier height. The helices are ‘easier’ to unfold and the remaining structure is less thermodynamically stable so that dissociation perpendicular to the force axis can occur at smaller deformations. Having elucidated how canonical sequence modifications influence CC mechanics, the pulling geometry was investigated in the next step. Using one and the same sequence, the force application points were exchanged and two different shear and one unzipping geometry were compared. It was shown that the pulling geometry determines the mechanical stability of the CC. Different rupture forces were observed in the different shear as well as in the unzipping geometries, suggesting that chain separation follows different pathways on the energy landscape. Whereas the difference between CC shearing and unzipping was anticipated and has also been observed for other biological structures, the observed difference for the two shear geometries was less expected. It can be explained with the structural asymmetry of the CC heterodimer. It is proposed that the direction of the α-helices, the different local helix propensities and the position of a polar asparagine in the hydrophobic core are responsible for the observed difference in the chain separation pathways. In combination, these factors are considered to influence the interplay between processes parallel and perpendicular to the force axis. To obtain more detailed insights into the role of helix stability, helical turns were reinforced locally using artificial constraints in the form of covalent and dynamic ‘staples’. A covalent staple bridges to adjacent helical turns, thus protecting them against uncoiling. The staple was inserted directly at the point of force application in one helix or in the same terminus of the other helix, which did not experience the force directly. It was shown that preventing helix uncoiling at the point of force application reduces the distance to the transition state while slightly increasing the barrier height. This confirms that helix uncoiling is critically important for CC chain separation. When inserted into the second helix, this stabilizing effect is transferred across the hydrophobic core and protects the force-loaded turns against uncoiling. If both helices were stapled, no additional increase in mechanical stability was observed. When replacing the covalent staple with a dynamic metal-coordination bond, a smaller decrease in the distance to the transition was observed, suggesting that the staple opens up while the CC is under load. Using fluorinated amino acids as another type of non-natural modification, it was investigated how the enhanced hydrophobicity and the altered packing at the interface influences CC mechanics. The fluorinated amino acid was inserted into one central heptad of one or both α-helices. It was shown that this substitution destabilized the CC thermodynamically and mechanically. Specifically, the barrier height was decreased and the distance to the transition state increased. This suggests that a possible stabilizing effect of the increased hydrophobicity is overruled by a disturbed packing, which originates from a bad fit of the fluorinated amino acid into the local environment. This in turn increases the flexibility at the interface, as also observed for the hydrophobic core substitution described above. In combination, this confirms that the arrangement of the hydrophobic side chains is an additional crucial factor determining the mechanical stability of CCs. In conclusion, this work shows that knowledge of the thermodynamic stability alone is not sufficient to predict the mechanical stability of CCs. It is the interplay between helix propensity and hydrophobic core packing that defines the sequence-structure-mechanics relationship. In combination, both parameters determine the relative contribution of processes parallel and perpendicular to the force axis, i.e. helix uncoiling and uncoiling-assisted sliding as well as dissociation. This new mechanistic knowledge provides insight into the mechanical function of CCs in tissues and opens up the road for designing CCs with pre-defined mechanical properties. The library of mechanically characterized CCs developed in this work is a powerful starting point for a wide spectrum of applications, ranging from molecular force sensors to mechanosensitive crosslinks in protein nanostructures and synthetic extracellular matrix mimics. N2 - Das „Coiled Coil“ (CC) Faltungsmotiv ist Bestandteil vieler Proteine im Zytoskelett und der extrazellulären Matrix. Es kann daher davon ausgegangen werden, dass CCs essentielle mechanische Bausteine darstellen, die sowohl passive (strukturelle) als auch aktive (regulatorische) Aufgaben erfüllen. CCs bestehen aus 2-7 α-helikalen Untereinheiten, die eine superhelikale Struktur formen. Die Faltung und Stabilität der Superhelix wird durch hydrophobe und ionische Wechselwirkungen bestimmt, sowie durch die Helixpropensität der einzelnen Aminosäuren. Auf der Grundlage dieser gut verstandenen Struktur-Funktionsbeziehungen werden CCs häufig als Vorlage für das de novo Proteindesign genutzt. Trotz stetig wachsender wissenschaftlicher Erkenntnisse und der mannigfaltigen Anwendungsmöglichkeiten von CCs, ist ihre mechanische Funktion noch weitestgehend unerforscht. Insbesondere ist der Zusammenhang zwischen der Aminosäuresequenz und der mechanischen Stabilität kaum bekannt. Dieses Wissen ist jedoch essentiell für die Anwendung von CCs als nanomechanische Bausteine. Um die mechanischen Struktur-Funktionsbeziehungen von CCs zu beleuchten, wurde ein gut charakterisiertes CC-Heterodimer als Modellsystem genutzt. Dessen Sequenz wurde systematisch modifiziert, um den Einfluss verschiedener Strukturparameter auf die mechanische Stabilität des CCs zu untersuchen. Mittels Rasterkraftmikroskop-basierter Einzelmolekülkraftspektroskopie wurden die Kraftangriffspunkte so platziert, dass das CC entweder geschert oder wie ein Reißverschluss geöffnet wurde („Unzip“-Geometrie). Dabei wurde die Kraft bestimmt, die zur Separation der beiden Helices benötigt wird. Diese sogenannte Abrisskraft wurde bei verschiedenen Ladungsraten gemessen, um Rückschlüsse auf die Energielandschaft der CCs zu ziehen. Die anliegende Kraft führt zunächst zur Entfaltung der Helix-Enden an den Kraftangriffspunkten. Diese partielle Entfaltung ermöglicht in der Scher-Geometrie zwei Mechanismen, die letztlich zur Separation der Helices führen: die Verschiebung der Helices entlang des Kraftvektors und die Dissoziation senkrecht zur angelegten Kraft. Auch in der „Unzip“-Geometrie geht die teilweise Entfaltung der Dissoziation voraus. Zunächst wurde der Einfluss von hydrophoben Wechselwirkungen im Kern des CCs sowie der Helixpropensität systematisch untersucht. In der verwendeten Scher-Geometrie führten entsprechende Aminosäuremodifikationen zu einer Änderung der Abrisskraft des CCs, wobei spezifische Unterschiede in der Energielandschaft festzustellen sind. Weniger dicht gepackte hydrophobe Wechselwirkungen verlängern hauptsächlich den Abstand zum Übergangszustand, da sie die Freiheitsgrade des Entfaltungspfades erhöhen. Eine verringerte Helixpropensität verringert sowohl die Aktivierungsenergie als auch den Abstand zum Übergangszustand. Die niedrige thermodynamische Stabilität dieser Modifikation führt dazu, dass weniger Kraft angewandt werden muss, um die Dissoziation der Helices senkrecht zum Kraftvektor zu erreichen. Mit diesem Wissen über den Einfluss der Helixpropensität und der hydrophoben Wechselwirkungen, wurde anschließend die mechanische Entfaltung in zwei verschiedenen Scher-Geometrien, sowie der „Unzip“-Geometrie untersucht. Dazu wurde jeweils die gleiche Sequenz verwendet, wobei nur die Kraftangriffspunkte modifiziert wurden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Positionierung der Kraftangriffspunkte essentiell für die gemessene mechanische Stabilität des CC ist. Wie auch in anderen biologischen Strukturen zu beobachten, besteht ein Unterschied zwischen Scher- und „Unzip“-Geometrie. Jedoch weist das CC auch in den beiden Scher-Geometrien Unterschiede in der Stabilität auf. Dies ist auf eine Asymmetrie der ansonsten hochrepetitiven Sequenz zurückzuführen. Die Rolle der Helixstabilität wurde durch die lokale Stabilisierung von Helixwindungen mit kovalenten und dynamischen molekularen Klammern genauer erforscht. Die Klammern verknüpfen zwei benachbarte Windungen und stabilisieren diese so gegen die mechanische Entfaltung. Die kovalente Klammer wurde entweder direkt am Kraftangriffspunkt eingefügt oder in der Partnerhelix, an der die Kraft nicht direkt angreift. Es wurde gezeigt, dass die Klammern die mechanische Stabilität des CCs erhöhen. Dem liegen eine Verringerung des Abstands zum Übergangszustand und eine leichte Erhöhung der Energiebarriere zu Grunde. Helix-stabilisierende Effekte können durch die hydrophoben Wechselwirkungen auf die Partnerhelix übertragen werden. Das Klammern beider Helices führte nicht zu einer weiteren Erhöhung der mechanischen Stabilität. Bei Einfügen einer dynamischen Klammer direkt am Kraftangriffspunkt fällt die Verringerung des Abstands zum Übergangszustand kleiner aus. Dies ist auf das Öffnen der reversiblen Klammer bei Krafteinwirkung zurückzuführen. Auch die Rolle der hydrophoben Wechselwirkungen wurde unter Verwendung einer nicht-natürlichen Modifikation detaillierter untersucht. Dazu wurde eine fluorinierte Aminosäure im zentralen Teil des CCs eingebaut. Die fluorinierte Aminosäure ist hydrophober als die Ursprüngliche und verändert die Packung der Seitenketten im hydrophoben Kern. Die Anwesenheit der fluorinierten Aminosäure in einer der beiden Helices führte zu einer Erniedrigung der Aktivierungsenergie sowie zu einer gleichzeitigen Erhöhung des Abstandes zum Übergangszustand. Dies zeigt, dass die fluorinierte Aminosäure in erster Linie die Packung der hydrophoben Aminosäuren stört, während der Einfluss des hydrophoben Effekts ehr gering ist. Die fluorinierte Aminosäure kann nicht gut in die lokale Umgebung der anderen Aminosäuren integriert werden und zeigt so, dass die Anordnung und Wechselwirkung der hydrophoben Aminosäuren im Kern essentiell für die mechanische Stabilität von CCs ist. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, dass allein auf Grundlage der thermodynamischen Stabilität nicht auf die mechanische Stabilität von CCs geschlossen werden kann. Das Zusammenspiel zwischen Helixstabilität und hydrophoben Wechselwirkungen ist maßgebend um die Zusammenhänge zwischen Sequenz, Struktur und mechanischer Stabilität von CCs zu verstehen. Beide Faktoren tragen zu den Entfaltungsmechanismen parallel und senkrecht zur Kraftrichtung bei. Diese neuen mechanistischen Einblicke in die sequenzabhängige mechanische Stabilität von CCs ermöglichen die Entwicklung von CCs mit maßgeschneiderten mechanischen Eigenschaften. Die hier charakterisierte CC-Bibliothek ist ein hervorragender Ausgangspunkt für ein breites Spektrum an potentiellen Anwendungen, von molekularen Kraftsensoren bis zu mechanosensitiven Bausteinen für Proteinnanostrukturen und künstlichen extrazellulären Matrices. KW - biochemistry KW - peptides KW - coiled coils KW - mechanics KW - single-molecule force spectroscopy KW - Biochemie KW - Peptide KW - Coiled coils KW - mechanische Stabilität KW - Einzelmolekülkraftspektroskopie Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-429568 ER - TY - THES A1 - Hornick, Thomas T1 - Impact of climate change effects on diversity and function of pelagic heterotrophic bacteria studied in large-scale mesocosm facilities T1 - Studien zum Einfluss des Klimawandels auf die Diversität und Funktion pelagischer heterotropher Bakterien in Mesokosmen N2 - Seit der Industriellen Revolution steigt die Konzentration von Kohlenstoffdioxid (CO2) und anderen Treibhausgasen in der Erdatmosphäre stetig an, wodurch wesentliche Prozesse im Erdsystem beeinflusst werden. Dies wird mit dem Begriff „Klimawandel“ umschrieben. Aquatische Ökosysteme sind sehr stark davon betroffen, da sie als Integral vieler Prozesse in einer Landschaft fungieren. Ziel dieser Doktorarbeit war zu bestimmen, wie verschiedene Auswirkungen des Klimawandels die Gemeinschaftsstruktur und Aktivität von heterotrophen Bakterien in Gewässern verändert, welche eine zentrale Rolle bei biogeochemischen Prozessen einnehmen. Diese Arbeit konzentriert sich auf zwei Aspekte des Klimawandels: (1) Ozeane nehmen einen Großteil des atmosphärischen CO2 auf, welches im Meerwasser das chemische Gleichgewicht des Karbonatsystems verschiebt („Ozeanversauerung“). (2) Durch kontinuierlichen Anstieg der Erdoberflächentemperatur werden Veränderungen im Klimasystem der Erde vorhergesagt, welche u. a. die Häufigkeit und Heftigkeit von episodischen Wetterereignissen (z.B. Stürme) verstärken wird. Insbesondere Sommer-Stürme sind dabei in der Lage die sommerliche Temperaturschichtung der Wassersäule in Seen zu zerstören. Beide Effekte des Klimawandels können weitreichende Auswirkungen auf Wasserchemie/-physik sowie die Verteilung von Organismen haben, was mittels Mesokosmen simuliert wurde. Dabei untersuchten wir den Einfluss der Ozeanversauerung auf heterotrophe bakterielle Prozesse in der Ostsee bei geringen Konzentrationen an gelösten Nährstoffen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Ozeanversauerungseffekte in Kombination mit Nährstofflimitation indirekt das Wachstum von heterotrophen Bakterien durch veränderte trophische Interaktionen beeinflussen können und potentiell zu einer Erhöhung der Autotrophie des Ökosystems führen. In einer weiteren Studie analysierten wir, wie Ozeanversauerung die Umsetzung und Qualität gelösten organischen Materials (DOM) durch heterotrophe Bakterien beeinflussen kann. Die Ergebnisse weisen jedoch darauf hin, dass Änderungen in der DOM-Qualität durch heterotrophe bakterielle Prozesse mit zunehmender Ozeanversauerung unwahrscheinlich sind. Desweiteren wurde der Einfluss eines starken Sommer-Sturmes auf den stratifizierten, oligotroph-mesotrophen Stechlinsee simuliert. Mittels oberflächlicher Durchmischung in Mesokosmen wurde die bestehende Thermokline zerstört und die durchmischte Oberflächenwasserschicht vergrößert. Dies änderte die physikalischen und chemischen Gradienten innerhalb der Wassersäule. Effekte der Einmischung von Tiefenwasser änderten in der Folge die Zusammensetzung der bakteriellen Gemeinschaftsstruktur und stimulierten das Wachstum filamentöser Cyanobakterien, die zu einer Cyanobakterien-Blüte führte und so maßgeblich die metabolischen Prozesse von heterotrophen Bakterien bestimmte. Unsere Studie gibt ein mechanistisches Verständnis, wie Sommer-Stürme bakterielle Gemeinschaften und Prozesse für längere Zeit während der sommerlichen Stratifizierung beeinflussen können. Die in dieser Arbeit präsentierten Ergebnisse zeigen Veränderungen bakterieller Gemeinschaften und Prozesse, welche mit dem einhergehenden Klimawandel erwartet werden können. Diese sollten bei Beurteilung klimarelevanter Fragen hinsichtlich eines zukünftigen Gewässer-managements Berücksichtigung finden. N2 - The unprecedented increase in atmospheric concentrations of carbon dioxide (CO2) and other greenhouse gases (GHG) by anthropogenic activities since the Industrial Revolution impacts on various earth system processes, commonly referred to as `climate change´ (CC). CC faces aquatic ecosystems with extreme abiotic perturbations that potentially alter the interrelations between functional autotrophic and heterotrophic plankton groups. These relations, however, modulate biogeochemical cycling and mediate the functioning of aquatic ecosystems as C sources or sinks to the atmosphere. The aim of this thesis was therefore to investigate how different aspects of CC influence community composition and functioning of pelagic heterotrophic bacteria. These organisms constitute a major component of biogeochemical cycling and largely determine the balance between autotrophic and heterotrophic processes. Due to the vast amount of potential CC impacts, this thesis focuses on the following two aspects: (1) Increased exchange of CO2 across the atmosphere-water interface and reaction of CO2 with seawater leads to profound shifts in seawater carbonate chemistry, commonly termed as `ocean acidification´ (OA), with consequences for organism physiology and the availability of dissolved inorganic carbon (DIC) in seawater. (2) The increase in atmospheric GHG concentration impacts on the efficiency with which the Earth cools to space, affecting global surface temperature and climate. With ongoing CC, shifts in frequency and severity of episodic weather events, such as storms, are expected that in particular might affect lake ecosystems by disrupting thermal summer stratification. Both aspects of CC were studied at the ecosystem-level in large-volume mesocosm experiments by using the Kiel Off-shore Mesocosms for Future Ocean Simulations (KOSMOS) deployed at different coastal marine locations, and the LakeLab facility in Lake Stechlin. We evaluated the impact of OA on heterotrophic bacterial metabolism in a brackish coastal ecosystem during low-nutrient summer months in the Baltic Sea. There are several in situ experiments that already assessed potential OA-induced changes in natural plankton communities at diverse spatial and seasonal conditions. However, most studies were performed at high phytoplankton biomass conditions, partly provoked by nutrient amendments. Our study highlights potential OA effects at low-nutrient conditions that are representative for most parts of the ocean and of particular interest in current OA research. The results suggest that during extended periods at low-nutrient concentrations, increasing pCO2 levels indirectly impact the growth balance of heterotrophic bacteria via trophic bacteria-phytoplankton interactions and shift the ecosystem to a more autotrophic system. Further work investigated how OA affects heterotrophic bacterial dissolved organic matter (DOM) transformation in two mesocsom studies, performed at different nutrient conditions. We observed similar succession patterns for individual compound pools during a phytoplankton bloom and subsequent accumulation of these compounds irrespective of the pCO2 treatment. Our results indicate that OA-induced changes in the dynamics of bacterial DOM transformation and potential impacts on DOM quality are unlikely. In addition, there have been no indications that in dependence of nutrient conditions, different amounts of photosynthetic organic matter are channelled into the more recalcitrant DOM pool. This provides novel insights into the general dynamics of the marine DOM pool. A fourth enclosure experiment in oligo-mesotrophic Lake Stechlin assessed the impact of a severe summer storm on lake bacterial communities during thermal stratification by artificially mixing. Mixing disrupted and lowered the thermocline, increasing the upper mixed layer and substantially changed water physical-chemical variables. Deep water entrainment and associated changes in water physical-chemical variables significantly affected relative bacterial abundances for about one week. Afterwards a pronounced cyanobacterial bloom developed in response to mixing which affected community assembly of heterotrophic bacteria. Colonization and mineralization of senescent phytoplankton cells by heterotrophic bacteria largely determined C-sequestration to the sediment. About six weeks after mixing, bacterial communities and measured activity parameters converged to control conditions. As such, summer storms have the potential to affect bacterial communities for a prolonged period during summer stratification. The results highlight effects on community assembly and heterotrophic bacterial metabolism that are associated to entrainment of deep water into the mixed water layer and assess consequences of an episodic disturbance event for the coupling between bacterial metabolism and autochthonous DOM production in large volume clear-water lakes. Altogether, this doctoral thesis reveales substantial sensitivities of heterotrophic bacterial metabolism and community structure in response to OA and a simulated summer storm event, which should be considered when assessing the impact of climate change on marine and lake ecosystems. KW - climate change KW - ocean acidification KW - Ozeanversauerung KW - Klimawandel KW - Gewässerökologie KW - heterotrophic bacteria Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-428936 ER - TY - THES A1 - Reeg, Jette T1 - Simulating the impact of herbicide drift exposure on non-target terrestrial plant communities T1 - Simulation der Auswirkungen von Herbizid-Drift-Expositionen auf Gemeinschaften von Nichtzielpflanzen N2 - In Europe, almost half of the terrestrial landscape is used for agriculture. Thus, semi-natural habitats such as field margins are substantial for maintaining diversity in intensively managed farmlands. However, plants located at field margins are threatened by agricultural practices such as the application of pesticides within the fields. Pesticides are chemicals developed to control for undesired species within agricultural fields to enhance yields. The use of pesticides implies, however, effects on non-target organisms within and outside of the agricultural fields. Non-target organisms are organisms not intended to be sprayed or controlled for. For example, plants occurring in field margins are not intended to be sprayed, however, can be impaired due to herbicide drift exposure. The authorization of plant protection products such as herbicides requires risk assessments to ensure that the application of the product has no unacceptable effects on the environment. For non-target terrestrial plants (NTTPs), the risk assessment is based on standardized greenhouse studies on plant individual level. To account for the protection of plant populations and communities under realistic field conditions, i.e. extrapolating from greenhouse studies to field conditions and from individual-level to community-level, assessment factors are applied. However, recent studies question the current risk assessment scheme to meet the specific protection goals for non-target terrestrial plants as suggested by the European Food Safety Authority (EFSA). There is a need to clarify the gaps of the current risk assessment and to include suitable higher tier options in the upcoming guidance document for non-target terrestrial plants. In my thesis, I studied the impact of herbicide drift exposure on NTTP communities using a mechanistic modelling approach. I addressed main gaps and uncertainties of the current risk assessment and finally suggested this modelling approach as a novel higher tier option in future risk assessments. Specifically, I extended the plant community model IBC-grass (Individual-based community model for grasslands) to reflect herbicide impacts on plant individuals. In the first study, I compared model predictions of short-term herbicide impacts on artificial plant communities with empirical data. I demonstrated the capability of the model to realistically reflect herbicide impacts. In the second study, I addressed the research question whether or not reproductive endpoints need to be included in future risk assessments to protect plant populations and communities. I compared the consequences of theoretical herbicide impacts on different plant attributes for long-term plant population dynamics in the community context. I concluded that reproductive endpoints only need to be considered if the herbicide effect is assumed to be very high. The endpoints measured in the current vegetative vigour and seedling emergence studies had high impacts for the dynamic of plant populations and communities already at lower effect intensities. Finally, the third study analysed long-term impacts of herbicide application for three different plant communities. This study highlighted the suitability of the modelling approach to simulate different communities and thus detecting sensitive environmental conditions. Overall, my thesis demonstrates the suitability of mechanistic modelling approaches to be used as higher tier options for risk assessments. Specifically, IBC-grass can incorporate available individual-level effect data of standardized greenhouse experiments to extrapolate to community-level under various environmental conditions. Thus, future risk assessments can be improved by detecting sensitive scenarios and including worst-case impacts on non-target plant communities. N2 - Fast die Hälfte der gesamten Landfläche in Europa wird für landwirtschaftliche Zwecke genutzt. Daher sind halb-natürliche Gebiete, wie zum Beispiel Ackerränder, von besonderer Bedeutung für den Artenreichtum in intensiv genutzten Ackerlandschaften. Vor allem in den intensiv genutzten Äckern werden Chemikalien eingesetzt um die Erträge zu erhöhen. So werden zum Beispiel Pflanzenschutzmittel eingesetzt, um Unkräuter im Acker zu vernichten. Allerdings kann dieser Einsatz auch Auswirkungen auf sogenannte Nicht-Zielarten haben. Dies sind solche Arten oder Artindividuen, die z.B. innerhalb vom Acker nicht in Konkurrenz mit den darauf wachsenden Getreidesorten stehen oder sich nicht innerhalb vom Feld befinden aber dennoch den Pflanzenschutzmitteln ausgesetzt sind. Um den Artenreichtum in halb-natürlichen Gebieten zu schützen, ist es daher notwendig eine Risikoabschätzung durchzuführen bevor ein Pflanzenschutzmittel für den Verkauf und die Anwendung zugelassen wird. Für terrestrische Nicht-Zielpflanzen erfolgt eine solche Risikoabschätzung basierend auf standardisierten Gewächshausexperimenten, in denen die Effekte auf der Ebene von Einzelindividuen gemessen werden. Um das letztliche Risiko im Freiland für ganze Pflanzengemeinschaften abzuschätzen, werden sogenannte Unsicherheitsfaktoren hinzugenommen. Allerdings stellen neuere Studien in Frage, ob der derzeitige Ansatz ausreichend sicher ist. Dies gilt vor allem in Bezug auf die aktuellen speziellen Schutzziele, die den Fokus auf den Schutz von Pflanzengemeinschaften und Artenreichtum legen. Es ist daher zwingend notwendig die Wissenslücken der derzeitigen Risikoabschätzung zu schließen und Optionen zu weiteren Studien zu geben, die das Risiko vom Einsatz von Pflanzenschutzmitteln für Nicht-Zielpflanzen realistischer abschätzen können. In meiner Dissertation nutze ich einen mechanistischen Modellierungsansatz um den Einfluss von Pflanzenschutzmitteln auf Nicht-Zielpflanzengemeinschaften zu untersuchen. Hierbei spreche ich die wesentlichen Wissenslücken und Unklarheiten der aktuellen Risikoabschätzung an und schlage zusammenfassend eine neue Option für eine realistischere Abschätzung des Risikos vor. Hierzu integriere ich den Einfluss von Herbiziden auf Einzelindividuen in das Pflanzengemeinschaftsmodell IBC-grass. In meiner ersten Studie vergleiche ich Modellvorhersagen von kurzzeitigen Herbizideffekten in künstlichen Artgemeinschaften mit experimentellen Daten. Mit der Studie zeige ich, dass das Modell den Einfluss von Herbiziden auf die Pflanzengemeinschaft realistisch vorhersagen kann. In der zweiten Studie fokussiere ich mich auf die Frage, ob Effekte auf weitere Pflanzeneigenschaften, insbesondere Fortpflanzungseigenschaften, wie zum Beispiel die Samenproduktion, im Rahmen der standardisierten Gewächshausstudien gemessen werden sollten. Die Studie zeigt, dass die derzeitig gemessenen Pflanzeneigenschaften am meisten Einfluss auf die Dynamiken einer Pflanzengesellschaft haben und somit schon geringe Schädigungen dieser Eigenschaften auf Individuenebene Auswirkungen für die Gemeinschaft haben. Dahingegen führten nur sehr starke Effekte auf die Fortpflanzungseigenschaften zu einem Einfluss auf Gemeinschaftsebene. Mit der letzten Studie zeige ich, dass der Modellansatz dazu genutzt werden kann Auswirkungen für unterschiedliche Pflanzengemeinschaften darzustellen. Zusammengefasst zeigen die Studien meiner Dissertation, dass mechanistische Modellierung eine geeignete Option für eine realistischere Risikoabschätzung ist. Auf Grund des besonderen Designs von IBC-grass können die durch derzeitige Gewächshausstudien zur Verfügung stehenden empirischen Daten in das Modell eingearbeitet werden und somit das Risiko auf Gemeinschaftsebene abgeschätzt werden. Mit Hilfe des Modells können mehrere Umweltbedingungen getestet werden und somit Extremszenarien abgedeckt werden. Meine Studien tragen dazu bei, zukünftige Risikoabschätzungen für Nicht-Zielpflanzen zu verbessern. KW - ecological modelling KW - pesticide KW - risk assessment KW - plant community KW - non-target organisms KW - ökologische Modellierung KW - Pestizide KW - Risikoabschätzung KW - Pflanzengemeinschaft KW - Nicht-Zielorganismen Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-429073 ER - TY - THES A1 - Goktas, Melis T1 - Coiled coils as molecular force sensors for the extracellular matrix T1 - Coiled coils als molekulare Kraftsensoren für die extrazelluläre Matrix N2 - Kraft spielt eine fundamentale Rolle bei der Regulation von biologischen Prozessen. Zellen messen mechanische Eigenschaften der extrazellulären Matrix und benutzen diese Information zur Regulierung ihrer Funktion. Dazu werden im Zytoskelett Kräfte generiert und auf extrazelluläre Rezeptor-Ligand Wechselwirkungen übertragen. Obwohl der grundlegende Einfluss von mechanischen Signalen für das Zellschicksal eindeutig belegt ist, sind die auf molekularer Ebene wirkenden Kräfte kaum bekannt. Zur Messung dieser Kräfte wurden verschiedene molekulare Kraftsensoren entwickelt, die ein mechanisches Inputsignal aufnehmen und in einen optischen Output (Fluoreszenz) umwandeln. Diese Arbeit etabliert einen neuen Kraftsensor-Baustein, der die mechanischen Eigenschaften der extrazellulären Matrix nachbildet. Dieser Baustein basiert auf natürlichen Matrixproteinen, sogenannten coiled coils (CCs), die α-helikale Strukturen im Zytoskelett und der Matrix formen. Eine Serie an CC-Heterodimeren wurde konzipiert und mittels Einzelmolekül-Kraftspektroskopie und Molekulardynamik-Simulationen charakterisiert. Es wurde gezeigt, dass eine anliegende Scherkraft die Entfaltung der helikalen Struktur induziert. Die mechanische Stabilität (Separation der CC Helices) wird von der CC Länge und der Zuggeschwindigkeit bestimmt. Im Folgenden wurden 2 CCs unterschiedlicher Länge als Kraftsensoren verwendet, um die Adhäsionskräfte von Fibroblasten und Endothelzellen zu untersuchen. Diese Kraftsensoren deuten an, dass diese Zelltypen unterschiedlich starke Kräften generieren und mittels Integrin-Rezeptoren auf einen extrazellulären Liganden (RGD-Peptid) übertragen. Dieses neue CC-basierte Sensordesign ist ein leistungsstarkes Werkzeug zur Betrachtung zellulärer Kraftwahrnehmungsprozesse auf molekularer Ebene, das neue Erkenntnisse über die involvierten Mechanismen und Kräfte an der Zell-Matrix-Schnittstelle ermöglicht. Darüber hinaus wird dieses Sensordesign auch Anwendung bei der Entwicklung mechanisch kontrollierter Biomaterialien finden. Dazu können mechanisch charakterisierte, und mit einem Fluoreszenzreporter versehene, CCs in Hydrogele eingefügt werden. Dies erlaubt die Untersuchung der Zusammenhänge zwischen molekularer und makroskopischer Mechanik und eröffnet neue Möglichkeiten zur Diskriminierung von lokalen und globalen Faktoren, die die zelluläre Antwort auf mechanische Signale bestimmen. N2 - Force plays a fundamental role in the regulation of biological processes. Cells can sense the mechanical properties of the extracellular matrix (ECM) by applying forces and transmitting mechanical signals. They further use mechanical information for regulating a wide range of cellular functions, including adhesion, migration, proliferation, as well as differentiation and apoptosis. Even though it is well understood that mechanical signals play a crucial role in directing cell fate, surprisingly little is known about the range of forces that define cell-ECM interactions at the molecular level. Recently, synthetic molecular force sensor (MFS) designs have been established for measuring the molecular forces acting at the cell-ECM interface. MFSs detect the traction forces generated by cells and convert this mechanical input into an optical readout. They are composed of calibrated mechanoresponsive building blocks and are usually equipped with a fluorescence reporter system. Up to date, many different MFS designs have been introduced and successfully used for measuring forces involved in the adhesion of mammalian cells. These MFSs utilize different molecular building blocks, such as double-stranded deoxyribonucleic acid (dsDNA) molecules, DNA hairpins and synthetic polymers like polyethylene glycol (PEG). These currently available MFS designs lack ECM mimicking properties. In this work, I introduce a new MFS building block for cell biology applications, derived from the natural ECM. It combines mechanical tunability with the ability to mimic the native cellular microenvironment. Inspired by structural ECM proteins with load bearing function, this new MFS design utilizes coiled coil (CC)-forming peptides. CCs are involved in structural and mechanical tasks in the cellular microenvironment and many of the key protein components of the cytoskeleton and the ECM contain CC structures. The well-known folding motif of CC structures, an easy synthesis via solid phase methods and the many roles CCs play in biological processes have inspired studies to use CCs as tunable model systems for protein design and assembly. All these properties make CCs ideal candidates as building blocks for MFSs. In this work, a series of heterodimeric CCs were designed, characterized and further used as molecular building blocks for establishing a novel, next-generation MFS prototype. A mechanistic molecular understanding of their structural response to mechanical load is essential for revealing the sequence-structure-mechanics relationships of CCs. Here, synthetic heterodimeric CCs of different length were loaded in shear geometry and their mechanical response was investigated using a combination of atomic force microscope (AFM)-based single-molecule force spectroscopy (SMFS) and steered molecular dynamics (SMD) simulations. SMFS showed that the rupture forces of short heterodimeric CCs (3-5 heptads) lie in the range of 20-50 pN, depending on CC length, pulling geometry and the applied loading rate (dF/dt). Upon shearing, an initial rise in the force, followed by a force plateau and ultimately strand separation was observed in SMD simulations. A detailed structural analysis revealed that CC response to shear load depends on the loading rate and involves helix uncoiling, uncoiling-assisted sliding in the direction of the applied force and uncoiling-assisted dissociation perpendicular to the force axis. The application potential of these mechanically characterized CCs as building blocks for MFSs has been tested in 2D cell culture applications with the goal of determining the threshold force for cell adhesion. Fully calibrated, 4- to 5-heptad long, CC motifs (CC-A4B4 and CC-A5B5) were used for functionalizing glass surfaces with MFSs. 3T3 fibroblasts and endothelial cells carrying mutations in a signaling pathway linked to cell adhesion and mechanotransduction processes were used as model systems for time-dependent adhesion experiments. A5B5-MFS efficiently supported cell attachment to the functionalized surfaces for both cell types, while A4B4-MFS failed to maintain attachment of 3T3 fibroblasts after the first 2 hours of initial cell adhesion. This difference in cell adhesion behavior demonstrates that the magnitude of cell-ECM forces varies depending on the cell type and further supports the application potential of CCs as mechanoresponsive and tunable molecular building blocks for the development of next-generation protein-based MFSs.This novel CC-based MFS design is expected to provide a powerful new tool for observing cellular mechanosensing processes at the molecular level and to deliver new insights into the mechanisms and forces involved. This MFS design, utilizing mechanically tunable CC building blocks, will not only allow for measuring the molecular forces acting at the cell-ECM interface, but also yield a new platform for the development of mechanically controlled materials for a large number of biological and medical applications. KW - molecular force sensors KW - cell-ECM interactions KW - extracellular matrix (ECM) KW - cellular forces KW - coiled coil KW - single molecule force spectroscopy KW - molekulare Kraftsensoren KW - Zell-Matrix-Wechselwirkung KW - extrazelluläre Matrix KW - zelluläre Kräfte KW - coiled coil KW - Einzelmolekül-Kraftspektroskopie Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-427493 ER - TY - THES A1 - Raatz, Michael T1 - Strategies within predator-prey interactions – from individuals to ecosystems T1 - Strategien in Räuber-Beute Interaktionen – vom Individuum bis zum Ökosystem N2 - Predator-prey interactions provide central links in food webs. These interaction are directly or indirectly impacted by a number of factors. These factors range from physiological characteristics of individual organisms, over specifics of their interaction to impacts of the environment. They may generate the potential for the application of different strategies by predators and prey. Within this thesis, I modelled predator-prey interactions and investigated a broad range of different factors driving the application of certain strategies, that affect the individuals or their populations. In doing so, I focused on phytoplankton-zooplankton systems as established model systems of predator-prey interactions. At the level of predator physiology I proposed, and partly confirmed, adaptations to fluctuating availability of co-limiting nutrients as beneficial strategies. These may allow to store ingested nutrients or to regulate the effort put into nutrient assimilation. We found that these two strategies are beneficial at different fluctuation frequencies of the nutrients, but may positively interact at intermediate frequencies. The corresponding experiments supported our model results. We found that the temporal structure of nutrient fluctuations indeed has strong effects on the juvenile somatic growth rate of {\itshape Daphnia}. Predator colimitation by energy and essential biochemical nutrients gave rise to another physiological strategy. High-quality prey species may render themselves indispensable in a scenario of predator-mediated coexistence by being the only source of essential biochemical nutrients, such as cholesterol. Thereby, the high-quality prey may even compensate for a lacking defense and ensure its persistence in competition with other more defended prey species. We found a similar effect in a model where algae and bacteria compete for nutrients. Now, being the only source of a compound that is required by the competitor (bacteria) prevented the competitive exclusion of the algae. In this case, the essential compounds were the organic carbon provided by the algae. Here again, being indispensable served as a prey strategy that ensured its coexistence. The latter scenario also gave rise to the application of the two metabolic strategies of autotrophy and heterotrophy by algae and bacteria, respectively. We found that their coexistence allowed the recycling of resources in a microbial loop that would otherwise be lost. Instead, these resources were made available to higher trophic levels, increasing the trophic transfer efficiency in food webs. The predation process comprises the next higher level of factors shaping the predator-prey interaction, besides these factors that originated from the functioning or composition of individuals. Here, I focused on defensive mechanisms and investigated multiple scenarios of static or adaptive combinations of prey defense and predator offense. I confirmed and extended earlier reports on the coexistence-promoting effects of partially lower palatability of the prey community. When bacteria and algae are coexisting, a higher palatability of bacteria may increase the average predator biomass, with the side effect of making the population dynamics more regular. This may facilitate experimental investigations and interpretations. If defense and offense are adaptive, this allows organisms to maximize their growth rate. Besides this fitness-enhancing effect, I found that co-adaptation may provide the predator-prey system with the flexibility to buffer external perturbations. On top of these rather internal factors, environmental drivers also affect predator-prey interactions. I showed that environmental nutrient fluctuations may create a spatio-temporal resource heterogeneity that selects for different predator strategies. I hypothesized that this might favour either storage or acclimation specialists, depending on the frequency of the environmental fluctuations. We found that many of these factors promote the coexistence of different strategies and may therefore support and sustain biodiversity. Thus, they might be relevant for the maintenance of crucial ecosystem functions that also affect us humans. Besides this, the richness of factors that impact predator-prey interactions might explain why so many species, especially in the planktonic regime, are able to coexist. N2 - Organismen interagieren miteinander und mit ihrer Umwelt. Innerhalb dieses Netzwerks von Interaktionen sind Fraßbeziehungen zwischen Räubern und ihrer Beute von zentraler Bedeutung. Sie werden auf verschiedenen Ebenen von unterschiedlichen Faktoren beeinflusst, was zur Ausprägung von diversen Strategien von Räuber oder Beute führen kann. Diese Faktoren und die Strategien die sie hervor bringen sind Gegenstand dieser Doktorarbeit. In mehreren Modellierungsstudien habe ich vielseitige Faktoren untersucht, die sich dem Aufbau einzelner Organismen, Verteidigungs- und Angriffsmechanismen sowie Umwelteinflüssen zuordnen lassen. Dabei konzentrierte ich mich auf ein etabliertes Modellsystem zur Erforschung von Räuber-Beute-Dynamiken und untersuchte die Fraßbeziehung zwischen Phytoplankton als Beute und Zooplankton als Räuber. Ich fand heraus, dass die Bereitstellung von essentiellen Ressourcen für Konkurrenten oder Räuber eine Strategie sein kann, mit der Beutearten sich vor dem Aussterben schützen können. Auch die direkte Verteidigung gegen den Räuber ist eine häufige Strategie zur Verringerung des Fraßdrucks und kann ebenfalls Koexistenz fördern. Für anpassungsfähige Verteidigung der Beute und Angriffsstärke des Räubers konnte ich zeigen, dass dies sowohl die Fitness erhöhen, als auch die Robustheit der Räuber-Beute-Dynamiken gegen äußere Störungen erhöhen kann. Weiterhin fand ich heraus, dass physiologische Anpassungsmechanismen wie Speicherung oder anpassungsfähige Aufnahme von Nährstoffen die Wachstumsrate des Räubers verbessern können, wenn die Qualität der verfügbaren Beute in der Umwelt des Räubers fluktuiert. Viele der Strategien, die ich in dieser Arbeit herausgestellt habe, können die Koexistenz von verschiedenen Arten fördern und damit zu erhöhter Biodiversität beitragen, welche wiederum entscheidend ist für die Stabilität von Ökosystemen und deren Nutzbarkeit. KW - predator-prey KW - biodiversity KW - modelling KW - Räuber-Beute KW - Biodiversität KW - Modellierung Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-426587 ER - TY - THES A1 - Jadhav Sudam, Sagar T1 - Metabolic regulation and key genes of tomato secondary metabolism T1 - Stoffwechselregulation und Schlüsselgene des Sekundärstoffwechsels in Tomaten N2 - Domestication syndrome has resulted in the large loss of genetic variation of crop plants. Because of such genetic loss, productivity of various beneficial secondary (specialized) metabolites that protect against abiotic/biotic stresses, has been narrowed in many domesticated crops. Many key regulators or structural genes of secondary metabolic pathways in the domesticated as well as wild tomatoes are still largely unknown. In recent studies, metabolic quantitative trait loci (mQTL) analysis using the population of introgression lines (ILs), each containing a single introgression from Solanum pennellii (wild tomato) in the genetic background of domesticated tomato (M82, Solanum lycopersicum), has been used for investigation of metabolic regulation and key genes involved in both primary and secondary metabolism. In this thesis, three research projects, i) understanding of metabolic linkage between branched chain amino acids (BCAAs) and secondary metabolism using antisense lines of BCAAs metabolic genes, ii) investigation of novel key genes involved in tomato secondary metabolism and fruit ripening, iii) mapping of drought stress responsive mQTLs in tomato, are presented and discussed. In the first part, metabolic linkage between leucine and secondary metabolism is investigated by analyzing antisense lines of four key genes (ketol-acid reductoisomerase, KARI; dihydroxy-acid dehydratase, DHAD; isopropylmalate dehydratase, IPMD and branched chain aminotransferases1, BCAT1) found previously in mQTL of leucine contents. Obtained results indicate that KARI might be a rate limiting enzyme for iC5 acyl-sucrose synthesis in young leaf but not in red ripe fruits. By integrating obtained results with previous reports, inductive metabolic linkage between BCAAs and other secondary metabolic pathways at DHAD transcriptional levels in fruit is proposed. In the second part, candidate genes that are involved in secondary metabolism and fruit ripening in tomato were found by the approach of expression quantitative trait loci (eQTL) analysis. To predict functions of those candidate genes, functional validation by virus induced gene silencing and transient overexpression were performed. Results obtained by analyzing T0 overexpression and artificial miRNA lines for some of those candidates confirm their predicted functions, for example involved in fruit ripening (WD40, Solyc04g005020) and iC5 acyl-sucrose synthesis (P450, Solyc03g111940). In the third part, mapping of drought stress responsive mQTLs was performed using 57 S. pennellii ILs population. Evaluation of genetic architecture of mQTL analysis resulted in identifying drought responsive ILs (11-2, 8-3-1, 10-1-1 and 3-1). Location of well characterized regulators in these ILs helped to filter potential new key genes involved in drought stress tolerance. Obtained results suggests us our approaches could be viable for narrowing down potential candidates involved in creating interspecific variation in secondary metabolite content and at the level of fruit ripening. N2 - Das Domestikationssyndrom hat zu einem großen Verlust an genetischer Variation von Kulturpflanzen geführt. Aufgrund dieses genetischen Verlustes ist die Produktivität verschiedener nützlicher, sekundärer (spezialisierter) Metabolite, die gegen abiotische/biotische Belastungen schützen, in vielen domestizierten Nutzpflanzen eingeschränkt worden. Viele Schlüsselregulatoren oder Strukturgene des Sekundärstoffwechsels sind sowohl in den domestizierten als auch in den wilden Tomaten noch weitgehend unbekannt. In neueren Studien wurde die mQTL-Analyse (metabolic quantitative trait loci) durchgeführt, unter Verwendung der Solanum pennellii Introgressionslinienpopulation (ILs), um Stoffwechselregulation und Schlüsselgene zu untersuchen, die sowohl am Primär- als auch am Sekundärstoffwechsel beteiligt sind. In dieser Doktorarbeit werden drei Forschungsprojekte vorgestellt und diskutiert, i) Verständnis der metabolischen Verbindung zwischen verzweigtkettigen Aminosäuren (BCAAs branched-chain amino acids) und dem Sekundärstoffwechsel unter Verwendung von Antisense-Linien von metabolischen Genen der BCAAs, ii) Untersuchung neuer Schlüsselgene im Tomaten-Sekundärstoffwechsel und Fruchtreifung, iii ) Kartierung mQTLs in Tomaten, die auf Trockenstress ansprechen. Im ersten Teil wird die metabolische Verknüpfung zwischen Leucin und dem Sekundärmetabolismus untersucht, indem Antisense-Linien von vier Schlüsselgenen (Ketol-Säure-Reduktoisomerase, KARI; Dihydroxysäuredehydratase, DHAD; Isopropylmalatdehydratase, IPMD und verzweigtkettige Aminotransferasen1, BCAT1) untersucht werden, die in mQTLs für den Leucingehalt gefunden wurden. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass KARI ein geschwindigkeitslimitierendes Enzym für die iC5-Acyl-Saccharosesynthese in jungen Blättern, aber nicht in roten reifen Früchten sein könnte. Durch Integration der erhaltenen Ergebnisse mit früheren Berichten wird eine induktive metabolische Verbindung zwischen BCAAs und anderen sekundären Stoffwechselwegen auf DHAD-Transkriptionsebene in Früchten vorgeschlagen. Im zweiten Teil wurden Kandidatengene gefunden, die am sekundären Metabolismus und der Fruchtreife von Tomaten beteiligt sind, durch den Ansatz der eQTL-Analyse (expression QTL). Um die Funktionen dieser Kandidatengene vorherzusagen, wurde eine funktionelle Validierung durch virusinduziertes Gen-Silencing und transiente Überexpression durchgeführt. Ergebnisse, die durch Analyse von T0-Überexpressions- und künstlichen miRNA-Linien für einige dieser Kandidatengene erhalten wurden, bestätigen ihre vorhergesagten Funktionen, z. B. Beteiligt an Fruchtreifung (WD40, Solyc04g005020) und iC5-Acylsaccharosesynthese (P450, Solyc03g111940). Im dritten Teil wurde die Kartierung von auf Trockenstress ansprechenden mQTLs unter Verwendung von 57 S. pennellii-IL-Populationen durchgeführt. Die Evaluierung der genetischen Architektur der mQTL-Analyse führte zur Identifizierung von ILs, die auf Trockenheit ansprechen (11-2, 8-3-1, 10-1-1 und 3-1). Die Position gut charakterisierter Regulatoren in diesen ILs half dabei, potenzielle neue Schlüsselregulatoren, die an der Toleranz gegenüber Trockenstress beteiligt sind, heraus zu filtern. Die erhaltenen Ergebnisse legen nahe, dass unsere Ansätze geeignet sein könnten, potentielle Kandidatengene einzugrenzen, die interspezifische Unterschiede im Sekundärmetabolitengehalt verursachen. KW - metabolic regulation KW - expression Quantitative Trait Loci KW - metabolic Quantitative Trait Loci KW - branched chain amino acids KW - Introgression Lines KW - Stoffwechselregulation KW - verzweigtkettige Aminosäuren Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-424478 ER -