TY - GEN A1 - Wojcik, Laurie Anne A1 - Ceulemans, Ruben A1 - Gaedke, Ursula T1 - Functional diversity buffers the effects of a pulse perturbation on the dynamics of tritrophic food webs T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Biodiversity decline causes a loss of functional diversity, which threatens ecosystems through a dangerous feedback loop: This loss may hamper ecosystems’ ability to buffer environmental changes, leading to further biodiversity losses. In this context, the increasing frequency of human-induced excessive loading of nutrients causes major problems in aquatic systems. Previous studies investigating how functional diversity influences the response of food webs to disturbances have mainly considered systems with at most two functionally diverse trophic levels. We investigated the effects of functional diversity on the robustness, that is, resistance, resilience, and elasticity, using a tritrophic—and thus more realistic—plankton food web model. We compared a non-adaptive food chain with no diversity within the individual trophic levels to a more diverse food web with three adaptive trophic levels. The species fitness differences were balanced through trade-offs between defense/growth rate for prey and selectivity/half-saturation constant for predators. We showed that the resistance, resilience, and elasticity of tritrophic food webs decreased with larger perturbation sizes and depended on the state of the system when the perturbation occurred. Importantly, we found that a more diverse food web was generally more resistant and resilient but its elasticity was context-dependent. Particularly, functional diversity reduced the probability of a regime shift toward a non-desirable alternative state. The basal-intermediate interaction consistently determined the robustness against a nutrient pulse despite the complex influence of the shape and type of the dynamical attractors. This relationship was strongly influenced by the diversity present and the third trophic level. Overall, using a food web model of realistic complexity, this study confirms the destructive potential of the positive feedback loop between biodiversity loss and robustness, by uncovering mechanisms leading to a decrease in resistance, resilience, and potentially elasticity as functional diversity declines. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1251 KW - functional diversity KW - nutrient spike KW - pulse perturbation KW - regime shift KW - robustness KW - tritrophic food web Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-553730 SN - 1866-8372 N1 - Wojcik and Ceulemans shared first authorship. IS - 1251 ER - TY - GEN A1 - Drago, Claudia A1 - Weithoff, Guntram T1 - Variable Fitness Response of Two Rotifer Species Exposed to Microplastics Particles BT - The Role of Food Quantity and Quality T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Plastic pollution is an increasing environmental problem, but a comprehensive understanding of its effect in the environment is still missing. The wide variety of size, shape, and polymer composition of plastics impedes an adequate risk assessment. We investigated the effect of differently sized polystyrene beads (1-, 3-, 6-µm; PS) and polyamide fragments (5–25 µm, PA) and non-plastics items such as silica beads (3-µm, SiO2) on the population growth, reproduction (egg ratio), and survival of two common aquatic micro invertebrates: the rotifer species Brachionus calyciflorus and Brachionus fernandoi. The MPs were combined with food quantity, limiting and saturating food concentration, and with food of different quality. We found variable fitness responses with a significant effect of 3-µm PS on the population growth rate in both rotifer species with respect to food quantity. An interaction between the food quality and the MPs treatments was found in the reproduction of B. calyciflorus. PA and SiO2 beads had no effect on fitness response. This study provides further evidence of the indirect effect of MPs in planktonic rotifers and the importance of testing different environmental conditions that could influence the effect of MPs. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1248 KW - microplastics KW - population growth rate KW - polystyrene KW - polyamide KW - silica beads KW - fitness response KW - rotifers KW - Brachionus fernandoi KW - Brachionus calyciflorus KW - egg ratio Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-552615 SN - 1866-8372 IS - 1248 ER - TY - GEN A1 - Perkins, Anita A1 - Rose, Andrew A1 - Grossart, Hans-Peter A1 - Rojas-Jimenez, Keilor Osvaldo A1 - Barroso Prescott, Selva Kiri A1 - Oakes, Joanne M. T1 - Oxic and Anoxic Organic Polymer Degradation Potential of Endophytic Fungi From the Marine Macroalga, Ecklonia radiata T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Cellulose and chitin are the most abundant polymeric, organic carbon source globally. Thus, microbes degrading these polymers significantly influence global carbon cycling and greenhouse gas production. Fungi are recognized as important for cellulose decomposition in terrestrial environments, but are far less studied in marine environments, where bacterial organic matter degradation pathways tend to receive more attention. In this study, we investigated the potential of fungi to degrade kelp detritus, which is a major source of cellulose in marine systems. Given that kelp detritus can be transported considerable distances in the marine environment, we were specifically interested in the capability of endophytic fungi, which are transported with detritus, to ultimately contribute to kelp detritus degradation. We isolated 10 species and two strains of endophytic fungi from the kelp Ecklonia radiata. We then used a dye decolorization assay to assess their ability to degrade organic polymers (lignin, cellulose, and hemicellulose) under both oxic and anoxic conditions and compared their degradation ability with common terrestrial fungi. Under oxic conditions, there was evidence that Ascomycota isolates produced cellulose-degrading extracellular enzymes (associated with manganese peroxidase and sulfur-containing lignin peroxidase), while Mucoromycota isolates appeared to produce both lignin and cellulose-degrading extracellular enzymes, and all Basidiomycota isolates produced lignin-degrading enzymes (associated with laccase and lignin peroxidase). Under anoxic conditions, only three kelp endophytes degraded cellulose. We concluded that kelp fungal endophytes can contribute to cellulose degradation in both oxic and anoxic environments. Thus, endophytic kelp fungi may play a significant role in marine carbon cycling via polymeric organic matter degradation. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1246 KW - kelp KW - fungi KW - endophytes KW - carbon cycling KW - extracellular enzymes KW - cellulose polymeric organic matter Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-550520 SN - 1866-8372 VL - 12 SP - 1 EP - 13 PB - Universitätsverlag Potsdam CY - Potsdam ER - TY - GEN A1 - Liu, Qingting A1 - Zhou, Yuan A1 - Fettke, Jörg T1 - Starch granule size and morphology of Arabidopsis thaliana starch-related mutants analyzed during diurnal rhythm and development T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Transitory starch plays a central role in the life cycle of plants. Many aspects of this important metabolism remain unknown; however, starch granules provide insight into this persistent metabolic process. Therefore, monitoring alterations in starch granules with high temporal resolution provides one significant avenue to improve understanding. Here, a previously established method that combines LCSM and safranin-O staining for in vivo imaging of transitory starch granules in leaves of Arabidopsis thaliana was employed to demonstrate, for the first time, the alterations in starch granule size and morphology that occur both throughout the day and during leaf aging. Several starch-related mutants were included, which revealed differences among the generated granules. In ptst2 and sex1-8, the starch granules in old leaves were much larger than those in young leaves; however, the typical flattened discoid morphology was maintained. In ss4 and dpe2/phs1/ss4, the morphology of starch granules in young leaves was altered, with a more rounded shape observed. With leaf development, the starch granules became spherical exclusively in dpe2/phs1/ss4. Thus, the presented data provide new insights to contribute to the understanding of starch granule morphogenesis. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1245 KW - starch metabolism KW - starch granule KW - starch granule size KW - starch granule morphology KW - LCSM KW - Arabidopsis thaliana Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-550291 SN - 1866-8372 VL - 26 SP - 1 EP - 9 PB - Universitätsverlag Potsdam CY - Potsdam ET - 19 ER - TY - GEN A1 - Krüger, Johanna A1 - Foerster, Verena Elisabeth A1 - Trauth, Martin H. A1 - Hofreiter, Michael A1 - Tiedemann, Ralph T1 - Exploring the Past Biosphere of Chew Bahir/Southern Ethiopia: Cross-Species Hybridization Capture of Ancient Sedimentary DNA from a Deep Drill Core T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Eastern Africa has been a prime target for scientific drilling because it is rich in key paleoanthropological sites as well as in paleolakes, containing valuable paleoclimatic information on evolutionary time scales. The Hominin Sites and Paleolakes Drilling Project (HSPDP) explores these paleolakes with the aim of reconstructing environmental conditions around critical episodes of hominin evolution. Identification of biological taxa based on their sedimentary ancient DNA (sedaDNA) traces can contribute to understand past ecological and climatological conditions of the living environment of our ancestors. However, sedaDNA recovery from tropical environments is challenging because high temperatures, UV irradiation, and desiccation result in highly degraded DNA. Consequently, most of the DNA fragments in tropical sediments are too short for PCR amplification. We analyzed sedaDNA in the upper 70 m of the composite sediment core of the HSPDP drill site at Chew Bahir for eukaryotic remnants. We first tested shotgun high throughput sequencing which leads to metagenomes dominated by bacterial DNA of the deep biosphere, while only a small fraction was derived from eukaryotic, and thus probably ancient, DNA. Subsequently, we performed cross-species hybridization capture of sedaDNA to enrich ancient DNA (aDNA) from eukaryotic remnants for paleoenvironmental analysis, using established barcoding genes (cox1 and rbcL for animals and plants, respectively) from 199 species that may have had relatives in the past biosphere at Chew Bahir. Metagenomes yielded after hybridization capture are richer in reads with similarity to cox1 and rbcL in comparison to metagenomes without prior hybridization capture. Taxonomic assignments of the reads from these hybridization capture metagenomes also yielded larger fractions of the eukaryotic domain. For reads assigned to cox1, inferred wet periods were associated with high inferred relative abundances of putative limnic organisms (gastropods, green algae), while inferred dry periods showed increased relative abundances for insects. These findings indicate that cross-species hybridization capture can be an effective approach to enhance the information content of sedaDNA in order to explore biosphere changes associated with past environmental conditions, enabling such analyses even under tropical conditions. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1244 KW - Chew Bahir KW - hybridization capture KW - ICDP KW - paleoclimate KW - past biosphere KW - sedaDNA KW - sediment core Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-550071 SN - 1866-8372 SP - 1 EP - 20 PB - Universitätsverlag Potsdam CY - Potsdam ER - TY - GEN A1 - Zurell, Damaris A1 - König, Christian A1 - Malchow, Anne-Kathleen A1 - Kapitza, Simon A1 - Bocedi, Greta A1 - Travis, Justin M. J. A1 - Fandos, Guillermo T1 - Spatially explicit models for decision-making in animal conservation and restoration T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Models are useful tools for understanding and predicting ecological patterns and processes. Under ongoing climate and biodiversity change, they can greatly facilitate decision-making in conservation and restoration and help designing adequate management strategies for an uncertain future. Here, we review the use of spatially explicit models for decision support and to identify key gaps in current modelling in conservation and restoration. Of 650 reviewed publications, 217 publications had a clear management application and were included in our quantitative analyses. Overall, modelling studies were biased towards static models (79%), towards the species and population level (80%) and towards conservation (rather than restoration) applications (71%). Correlative niche models were the most widely used model type. Dynamic models as well as the gene-to-individual level and the community-to-ecosystem level were underrepresented, and explicit cost optimisation approaches were only used in 10% of the studies. We present a new model typology for selecting models for animal conservation and restoration, characterising model types according to organisational levels, biological processes of interest and desired management applications. This typology will help to more closely link models to management goals. Additionally, future efforts need to overcome important challenges related to data integration, model integration and decision-making. We conclude with five key recommendations, suggesting that wider usage of spatially explicit models for decision support can be achieved by 1) developing a toolbox with multiple, easier-to-use methods, 2) improving calibration and validation of dynamic modelling approaches and 3) developing best-practise guidelines for applying these models. Further, more robust decision-making can be achieved by 4) combining multiple modelling approaches to assess uncertainty, and 5) placing models at the core of adaptive management. These efforts must be accompanied by long-term funding for modelling and monitoring, and improved communication between research and practise to ensure optimal conservation and restoration outcomes. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1243 Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-549915 SN - 1866-8372 VL - 2022 SP - 1 EP - 16 PB - Universitätsverlag Potsdam CY - Potsdam ET - 4 ER - TY - JOUR A1 - Raatz, Larissa A1 - Pirhofer-Walzl, Karin A1 - Müller, Marina E.H. A1 - Scherber, Christoph A1 - Joshi, Jasmin Radha T1 - Who is the culprit: Is pest infestation responsible for crop yield losses close to semi-natural habitats? JF - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Semi-natural habitats (SNHs) are becoming increasingly scarce in modern agricultural landscapes. This may reduce natural ecosystem services such as pest control with its putatively positive effect on crop production. In agreement with other studies, we recently reported wheat yield reductions at field borders which were linked to the type of SNH and the distance to the border. In this experimental landscape-wide study, we asked whether these yield losses have a biotic origin while analyzing fungal seed and fungal leaf pathogens, herbivory of cereal leaf beetles, and weed cover as hypothesized mediators between SNHs and yield. We established experimental winter wheat plots of a single variety within conventionally managed wheat fields at fixed distances either to a hedgerow or to an in-field kettle hole. For each plot, we recorded the fungal infection rate on seeds, fungal infection and herbivory rates on leaves, and weed cover. Using several generalized linear mixed-effects models as well as a structural equation model, we tested the effects of SNHs at a field scale (SNH type and distance to SNH) and at a landscape scale (percentage and diversity of SNHs within a 1000-m radius). In the dry year of 2016, we detected one putative biotic culprit: Weed cover was negatively associated with yield values at a 1-m and 5-m distance from the field border with a SNH. None of the fungal and insect pests, however, significantly affected yield, neither solely nor depending on type of or distance to a SNH. However, the pest groups themselves responded differently to SNH at the field scale and at the landscape scale. Our findings highlight that crop losses at field borders may be caused by biotic culprits; however, their negative impact seems weak and is putatively reduced by conventional farming practices. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1240 KW - arable weeds KW - cereal leaf beetle KW - fungal pathogens KW - herbivory KW - structural equation model KW - wheat Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-549622 SN - 1866-8372 SP - 13232 EP - 13246 PB - Universitätsverlag Potsdam CY - Potsdam ER - TY - GEN A1 - Spikes, Montrai A1 - Rodríguez-Silva, Rodet A1 - Bennett, Kerri-Ann A1 - Bräger, Stefan A1 - Josaphat, James A1 - Torres-Pineda, Patricia A1 - Ernst, Anja A1 - Havenstein, Katja A1 - Schlupp, Ingo A1 - Tiedemann, Ralph T1 - A phylogeny of the genus Limia (Teleostei: Poeciliidae) suggests a single-lake radiation nested in a Caribbean-wide allopatric speciation scenario T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Objective The Caribbean is an important global biodiversity hotspot. Adaptive radiations there lead to many speciation events within a limited period and hence are particularly prominent biodiversity generators. A prime example are freshwater fish of the genus Limia, endemic to the Greater Antilles. Within Hispaniola, nine species have been described from a single isolated site, Lake Miragoâne, pointing towards extraordinary sympatric speciation. This study examines the evolutionary history of the Limia species in Lake Miragoâne, relative to their congeners throughout the Caribbean. Results For 12 Limia species, we obtained almost complete sequences of the mitochondrial cytochrome b gene, a well-established marker for lower-level taxonomic relationships. We included sequences of six further Limia species from GenBank (total N  = 18 species). Our phylogenies are in concordance with other published phylogenies of Limia. There is strong support that the species found in Lake Miragoâne in Haiti are monophyletic, confirming a recent local radiation. Within Lake Miragoâne, speciation is likely extremely recent, leading to incomplete lineage sorting in the mtDNA. Future studies using multiple unlinked genetic markers are needed to disentangle the relationships within the Lake Miragoâne clade. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1238 KW - Cytochrome b KW - Island biogeography KW - Fresh water fish KW - Phylogeny Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-548882 SN - 1866-8372 SP - 1 EP - 8 PB - Universitätsverlag Potsdam CY - Potsdam ER - TY - GEN A1 - Bornhorst, Dorothee A1 - Abdelilah-Seyfried, Salim T1 - Strong as a Hippo’s Heart: Biomechanical Hippo Signaling During Zebrafish Cardiac Development T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - The heart is comprised of multiple tissues that contribute to its physiological functions. During development, the growth of myocardium and endocardium is coupled and morphogenetic processes within these separate tissue layers are integrated. Here, we discuss the roles of mechanosensitive Hippo signaling in growth and morphogenesis of the zebrafish heart. Hippo signaling is involved in defining numbers of cardiac progenitor cells derived from the secondary heart field, in restricting the growth of the epicardium, and in guiding trabeculation and outflow tract formation. Recent work also shows that myocardial chamber dimensions serve as a blueprint for Hippo signaling-dependent growth of the endocardium. Evidently, Hippo pathway components act at the crossroads of various signaling pathways involved in embryonic zebrafish heart development. Elucidating how biomechanical Hippo signaling guides heart morphogenesis has direct implications for our understanding of cardiac physiology and pathophysiology. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1236 KW - Hippo signaling KW - Yap1/Wwtr1 (Taz) KW - cardiac development KW - mechanobiology KW - endocardium KW - myocardium KW - zebrafish KW - intra-organ-communication Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-548731 SN - 1866-8372 SP - 1 EP - 10 PB - Universitätsverlag Potsdam CY - Potsdam ER - TY - THES A1 - Dahmani, Ismail T1 - Influenza A virus matrix protein M1 T1 - Influenza-A-Virus-Matrixprotein M1 BT - structural determinants of membrane binding and protein- induced deformation BT - strukturelle Determinanten der Membranbindung und protein-induzierte Deformation N2 - Influenza A virus (IAV) is a pathogen responsible for severe seasonal epidemics threatening human and animal populations every year. During the viral assembly process in the infected cells, the plasma membrane (PM) has to bend in localized regions into a vesicle towards the extracellular side. Studies in cellular models have proposed that different viral proteins might be responsible for inducing membrane curvature in this context (including M1), but a clear consensus has not been reached. M1 is the most abundant protein in IAV particles. It plays an important role in virus assembly and budding at the PM. M1 is recruited to the host cell membrane where it associates with lipids and other viral proteins. However, the details of M1 interactions with the cellular PM, as well as M1-mediated membrane bending at the budozone, have not been clarified. In this work, we used several experimental approaches to analyze M1-lipids and M1-M1 interactions. By performing SPR analysis, we quantified membrane association for full-length M1 and different genetically engineered M1 constructs (i.e., N- and C-terminally truncated constructs and a mutant of the polybasic region). This allowed us to obtain novel information on the protein regions mediating M1 binding to membranes. By using fluorescence microscopy, cryogenic transmission electron microscopy (cryo-TEM), and three-dimensional (3D) tomography (cryo-ET), we showed that M1 is indeed able to cause membrane deformation on vesicles containing negatively-charged lipids, in the absence of other viral components. Further, sFCS analysis proved that simple protein binding is not sufficient to induce membrane restructuring. Rather, it appears that stable M1-M1 interactions and multimer formation are required to alter the bilayer three-dimensional structure through the formation of a protein scaffold. Finally, to mimic the budding mechanism in cells that arise by the lateral organization of the virus membrane components on lipid raft domains, we created vesicles with lipid domains. Our results showed that local binding of M1 to spatial confined acidic lipids within membrane domains of vesicles led to local M1 inward curvature. N2 - Das Influenza-A-Virus (IAV) ist ein Erreger, der für schwere saisonale Epidemien verantwortlich ist, die jedes Jahr Menschen und Tiere bedrohen. Während des viralen Assemblierungsprozesses in den infizierten Zellen muss sich die Plasmamembran (PM) an bestimmten Stellen zu einem Vesikel zur extrazellulären Seite biegen. Studien an zellulären Modellen haben ergeben, dass verschiedene virale Proteine (einschließlich M1) für die Induktion der Membrankrümmung in diesem Zusammenhang verantwortlich sein könnten, ein eindeutiger Konsens wurde jedoch nicht erreicht. M1 ist das am häufigsten vorkommende Protein in IAV-Partikeln. Es spielt eine wichtige Rolle bei der Virusassemblierung und Knospung. M1 wird zur Wirtszellmembran rekrutiert, wo es sich mit Lipiden und anderen viralen Proteinen assoziiert. Die Einzelheiten der Interaktionen von M1 mit der zellulären PM sowie die M1-vermittelte Membranverbiegung am Ort der Virusfreisetzung sind jedoch noch nicht geklärt. In dieser Arbeit wurden mehrere experimentelle Ansätze zur Analyse von M1-Lipiden und M1-M1 Wechselwirkungen untersucht. Mittels SPR-Analyse wurde die Membranassoziation für M1 in voller Länge und verschiedene gentechnisch veränderte M1-Konstrukte (d. h. N- und C-terminal verkürzte Konstrukte und eine Mutante der polybasischen Region) quantifiziert; so konnten neue Erkenntnisse über die Proteinregionen, die die Bindung von M1 an Membranen steuern, gewonnen werden. Mit Hilfe der Fluoreszenzmikroskopie, kryogener Transmissionselektronenmikroskopie (cryo-TEM) und dreidimensionaler (3D) Tomographie (cryo-ET) konnten wir zeigen, dass M1 tatsächlich in der Lage ist, die Membran von Vesikeln, die negativ geladene Lipide enthalten, zu deformieren (und zwar ohne andere virale Komponenten). Außerdem bewies die sFCS-Analyse, dass eine einfache Proteinbindung nicht ausreicht, um eine Umstrukturierung der Membran zu bewirken. Vielmehr scheint es, dass stabile M1-M1-Wechselwirkungen und die Bildung von Multimeren erforderlich sind, um die dreidimensionale Struktur der Doppelschicht Struktur durch die Bildung eines Proteingerüsts zu verändern. Um schließlich den Knospungsmechanismus zu imitieren, der durch die laterale Organisation der Virusmembrankomponenten auf Lipid-Raft-Domänen entsteht, haben wir Vesikel mit Lipiddomänen erzeugt. Unsere Ergebnisse zeigten, dass die lokale Bindung von M1 an räumlich begrenzte saure Lipide innerhalb der Membrandomänen der Vesikel zu einer lokalen Krümmung von M1 nach innen führt. KW - Influenza A virus KW - Influenza KW - Pathogen KW - Lipids KW - Epidemic KW - Epidemics KW - Plasma membrane KW - Viral assembly KW - Virus KW - Vesicle KW - Giant Vesicles KW - Budozone KW - M1-M1 interaction KW - Virion KW - Membrane deformation KW - IAV particles KW - membrane binding KW - M1-lipids KW - protein binding KW - GUV KW - Giant unilamellar vesicles KW - Budozone KW - Epidemie KW - Epidemien KW - GUV KW - Riesenvesikel KW - riesige unilamellare Vesikel KW - IAV-Partikel KW - Influenza KW - Influenza-A-Virus KW - Lipide KW - M1-M1-Interaktion KW - M1-Lipide KW - Membrandeformation KW - Pathogen KW - Plasmamembran KW - Vesikel KW - Virusassemblierung, Virion KW - Virus KW - Membranbindung KW - Proteinbindung Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-527409 ER - TY - GEN A1 - Münch, Juliane A1 - Abdelilah-Seyfried, Salim T1 - Sensing and Responding of Cardiomyocytes to Changes of Tissue Stiffness in the Diseased Heart T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Cardiomyocytes are permanently exposed to mechanical stimulation due to cardiac contractility. Passive myocardial stiffness is a crucial factor, which defines the physiological ventricular compliance and volume of diastolic filling with blood. Heart diseases often present with increased myocardial stiffness, for instance when fibrotic changes modify the composition of the cardiac extracellular matrix (ECM). Consequently, the ventricle loses its compliance, and the diastolic blood volume is reduced. Recent advances in the field of cardiac mechanobiology revealed that disease-related environmental stiffness changes cause severe alterations in cardiomyocyte cellular behavior and function. Here, we review the molecular mechanotransduction pathways that enable cardiomyocytes to sense stiffness changes and translate those into an altered gene expression. We will also summarize current knowledge about when myocardial stiffness increases in the diseased heart. Sophisticated in vitro studies revealed functional changes, when cardiomyocytes faced a stiffer matrix. Finally, we will highlight recent studies that described modulations of cardiac stiffness and thus myocardial performance in vivo. Mechanobiology research is just at the cusp of systematic investigations related to mechanical changes in the diseased heart but what is known already makes way for new therapeutic approaches in regenerative biology. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1234 KW - mechanobiology KW - tissue stiffness KW - cardiomyocyte KW - heart regeneration KW - titin KW - collagen KW - agrin KW - extracellular matrix Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-545805 SN - 1866-8372 ER - TY - GEN A1 - Stiegler, Jonas A1 - Kiemel, Katrin A1 - Eccard, Jana A1 - Fischer, Christina A1 - Hering, Robert A1 - Ortmann, Sylvia A1 - Strigl, Lea A1 - Tiedemann, Ralph T1 - Seed traits matter BT - Endozoochoric dispersal through a pervasive mobile linker T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Although many plants are dispersed by wind and seeds can travel long distances across unsuitable matrix areas, a large proportion relies on co-evolved zoochorous seed dispersal to connect populations in isolated habitat islands. Particularly in agricultural landscapes, where remaining habitat patches are often very small and highly isolated, mobile linkers as zoochorous seed dispersers are critical for the population dynamics of numerous plant species. However, knowledge about the quali- or quantification of such mobile link processes, especially in agricultural landscapes, is still limited. In a controlled feeding experiment, we recorded the seed intake and germination success after complete digestion by the European brown hare (Lepus europaeus) and explored its mobile link potential as an endozoochoric seed disperser. Utilizing a suite of common, rare, and potentially invasive plant species, we disentangled the effects of seed morphological traits on germination success while controlling for phylogenetic relatedness. Further, we measured the landscape connectivity via hares in two contrasting agricultural landscapes (simple: few natural and semi-natural structures, large fields; complex: high amount of natural and semi-natural structures, small fields) using GPS-based movement data. With 34,710 seeds of 44 plant species fed, one of 200 seeds (0.51%) with seedlings of 33 species germinated from feces. Germination after complete digestion was positively related to denser seeds with comparatively small surface area and a relatively slender and elongated shape, suggesting that, for hares, the most critical seed characteristics for successful endozoochorous seed dispersal minimize exposure of the seed to the stomach and the associated digestive system. Furthermore, we could show that a hare's retention time is long enough to interconnect different habitats, especially grasslands and fields. Thus, besides other seed dispersal mechanisms, this most likely allows hares to act as effective mobile linkers contributing to ecosystem stability in times of agricultural intensification, not only in complex but also in simple landscapes. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1229 KW - agricultural landscapes KW - endozoochory KW - Lepus europaeus KW - mobile links KW - seed dispersal KW - seed dispersal syndrome Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-544265 SN - 1866-8372 SP - 18477 EP - 18491 ER - TY - GEN A1 - Mazza, Valeria A1 - Czyperreck, Inken A1 - Eccard, Jana A1 - Dammhahn, Melanie T1 - Cross-Context Responses to Novelty in Rural and Urban Small Mammals T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - The Anthropocene is the era of urbanization. The accelerating expansion of cities occurs at the expense of natural reservoirs of biodiversity and presents animals with challenges for which their evolutionary past might not have prepared them. Cognitive and behavioral adjustments to novelty could promote animals’ persistence under these altered conditions. We investigated the structure of, and covariance between, different aspects of responses to novelty in rural and urban small mammals of two non-commensal rodent species. We ran replicated experiments testing responses to three novelty types (object, food, or space) of 47 individual common voles (Microtus arvalis) and 41 individual striped field mice (Apodemus agrarius). We found partial support for the hypothesis that responses to novelty are structured, clustering (i) speed of responses, (ii) intensity of responses, and (iii) responses to food into separate dimensions. Rural and urban small mammals did not differ in most responses to novelty, suggesting that urban habitats do not reduce neophobia in these species. Further studies investigating whether comparable response patters are found throughout different stages of colonization, and along synurbanization processes of different duration, will help illuminate the dynamics of animals’ cognitive adjustments to urban life. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1226 KW - animal cognition KW - anthropogenic environment KW - HIREC KW - novelty KW - neophobia KW - neophilia KW - rodents KW - urbanization Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-543863 SN - 1866-8372 ER - TY - THES A1 - Krumbholz, Julia T1 - Identification of chemical mediators that regulate the specialized metabolism in Nostoc punctiforme T1 - Identifizierung chemischer Mediatoren, die den spezialisierten Metabolismus in Nostoc punctiforme regulieren N2 - Specialized metabolites, so-called natural products, are produced by a variety of different organisms, including bacteria and fungi. Due to their wide range of different biological activities, including pharmaceutical relevant properties, microbial natural products are an important source for drug development. They are encoded by biosynthetic gene clusters (BGCs), which are a group of locally clustered genes. By screening genomic data for genes encoding typical core biosynthetic enzymes, modern bioinformatical approaches are able to predict a wide range of BGCs. To date, only a small fraction of the predicted BGCs have their associated products identified. The phylum of the cyanobacteria has been shown to be a prolific, but largely untapped source for natural products. Especially multicellular cyanobacterial genera, like Nostoc, harbor a high amount of BGCs in their genomes. A main goal of this study was to develop new concepts for the discovery of natural products in cyanobacteria. Due to its diverse setup of orphan BGCs and its amenability to genetic manipulation, Nostoc punctiforme PCC 73102 (N. punctiforme) appeared to be a promising candidate to be established as a model organism for natural product discovery in cyanobacteria. By utilizing a combination of genome-mining, bioactivity-screening, variations of culture conditions, as well as metabolic engineering, not only two new polyketides were discovered, but also first-time insights into the regulation of the specialized metabolism in N. punctiforme were gained during this study. The cultivation of N. punctiforme to very high densities by utilizing increasing light intensities and CO2 levels, led to an enhanced metabolite production, causing rather complex metabolite extracts. By utilizing a library of CFP reporter mutant strains, each strain reporting for one of the predicted BGCs, it was shown that eight out of 15 BGCs were upregulated under high density (HD) cultivation conditions. Furthermore, it could be demonstrated that the supernatant of an HD culture can increase the expression of four of the influenced BGCs, even under conventional cultivation conditions. This led to the hypothesis that a chemical mediator encoded by one of the affected BGCs is accumulating in the HD supernatant and is able to increase the expression of other BGCs as part of a cell-density dependent regulatory circuit. To identify which of the BGCs could be a main trigger of the presumed regulatory circuit, it was tried to activate four BGCs (pks1, pks2, ripp3, ripp4) selectively by overexpression of putative pathway-specific regulatory genes that were found inside the gene clusters. Transcriptional analysis of the mutants revealed that only the mutant strain targeting the pks1 BGC, called AraC_PKS1, was able to upregulate the expression of its associated BGC. From an RNA sequencing study of the AraC_PKS1 mutant strain, it was discovered that beside pks1, the orphan BGCs ripp3 and ripp4 were also upregulated in the mutant strain. Furthermore, it was observed that secondary metabolite production in the AraC_PKS1 mutant strain is further enhanced under high-light and high-CO2 cultivation conditions. The increased production of the pks1 regulator NvlA also had an impact on other regulatory factors, including sigma factors and the RNA chaperone Hfq. Analysis of the AraC_PKS1 cell and supernatant extracts led to the discovery of two novel polyketides, nostoclide and nostovalerolactone, both encoded by the pks1 BGC. Addition of the polyketides to N. punctiforme WT demonstrated that the pks1-derived compounds are able to partly reproduce the effects on secondary metabolite production found in the AraC_PKS1 mutant strain. This indicates that both compounds are acting as extracellular signaling factors as part of a regulatory network. Since not all transcriptional effects that were found in the AraC_PKS1 mutant strain could be reproduced by the pks1 products, it can be assumed that the regulator NvlA has a global effect and is not exclusively specific to the pks1 pathway. This study was the first to use a putative pathway specific regulator for the specific activation of BGC expression in cyanobacteria. This strategy did not only lead to the detection of two novel polyketides, it also gave first-time insights into the regulatory mechanism of the specialized metabolism in N. punctiforme. This study illustrates that understanding regulatory pathways can aid in the discovery of novel natural products. The findings of this study can guide the design of new screening strategies for bioactive compounds in cyanobacteria and help to develop high-titer production platforms for cyanobacterial natural products. N2 - Sekundärmetabolite, auch Naturstoffe genannt, werden von einer Vielzahl an Organismen, darunter Bakterien und Pilzen, hergestellt. Aufgrund ihrer Vielzahl an verschiedenen Bioaktivitäten, einschließlich pharmakologisch relevanter Wirkungen, sind mikrobielle Naturstoffe eine wichtige Grundlage für die Arzneimittelentwicklung. Naturstoffe werden durch eine Ansammlung lokal gruppierter Gene, sogenannten Biosynthese-Genclustern (BGC), im Genom kodiert. Moderne bioinformatische Methoden durchsuchen Genom-Daten nach Genen, die typische biosynthetische Enzyme kodieren. Auf Grundlage dessen können verschiedenste BGCs vorhergesagt werden. Bislang konnte allerdings nur für einen kleinen Teil der vorhergesagten BGCs das dazugehörige Produkt identifiziert und charakterisiert werden. Cyanobakterien sind nachweislich eine reichhaltige, aber weitestgehend unerschlossene Quelle für Naturstoffe. Insbesondere mehrzellige Gattungen, wie Nostoc, tragen eine Vielzahl an BGCs in ihren Genomen. Ein Hauptziel dieser Studie war es, neue Konzepte für die Entdeckungen von Naturstoffen in Cyanobakterien zu entwickeln. Nostoc punctiforme PCC 73102 (N. punctiforme) erwies sich als besonders geeigneter Stamm für diese Aufgabe, da er eine Vielzahl weitestgehend ununtersuchter Gencluster besitzt und zugänglich für genetische Modifikationen ist. Eine Kombination aus Genome Mining, Bioaktivitäts-Screening, verschiedenen Kultivierungsbedingungen und Metabolic Engineering führte zur Entdeckung zweier neuer Polyketide und gewährte im Verlauf der Studie erstmals Einblicke in den spezialisierten Metabolismus von N. punctiforme. Die Kultivierung von N. punctiforme in sehr hohen Zelldichten, ermöglicht durch sehr hohe Lichtintensitäten und erhöhte CO2-Verfügbarkeit, führte zu einer verstärkten Metabolitproduktion und komplexen Metabolitextrakten. Unter Verwendung einer Bibliothek von CFP-Reportermutanten, bei der jede Mutante eines der vorhergesagten BGCs repräsentiert, konnte gezeigt werden, dass 8 von 15 BGCs unter Hochzelldichte-Kultivierungsbedingungen hochreguliert wurden. Zudem zeigte sich, dass der Überstand einer dichten Kultur, auch unter konventionellen Kultivierungsbedingungen, vier der regulierten BGCs beeinflussen kann. Dies lässt vermuten, dass sich unter Hochzelldichte-Kultivierungsbedingungen ein chemischer Mediator, welcher von einem der beeinflussten BGCs produziert wird, im Überstand anhäuft und die Expression anderer BGCs als Teil eines zelldichte-abhängigen Regelkreises kontrollieren kann. Um herauszufinden, welches der BGCs ein Hauptauslöser des vermuteten Regelkreises sein könnte, wurde versucht die Expression von vier BGCs (pks1, pks2, ripp3, ripp4) mittels Überexpression von potentiell biosynthese-spezifischen regulatorischen Genen zu aktivieren. Eine transkriptionelle Analyse der Mutanten ergab, dass nur der Stamm, welcher das pks1 BGC aktivieren sollte (AraC_PKS1), einen positiven Effekt auf die Expression des zu erwartenden BGCs hatte. Eine RNA-Sequenzierungsstudie ergab, dass in der AraC_PKS1 Mutante neben dem pks1 BGC auch die kryptischen BGCs ripp3 und ripp4 eine erhöhte Transkription aufwiesen. Zudem wurde beobachtet, dass sich die Sekundärmetabolitproduktion in der Mutante durch Kultivierung unter erhöhten Licht-Intensitäten und CO2-Leveln erweitern lässt. Unabhängig von den Kultivierungsbedingungen, hat die erhöhte Produktion des pks1 Regulators NvlA in der Mutante einen Einfluss auf andere regulatorische Faktoren, wie Sigma-Faktoren und das RNA-Chaperon Hfq. Die Analyse des Zell- und Überstandsextrakts der AraC_PKS1 Mutante führte zur Entdeckung zweier neuer Polyketide, Nostoclid und Nostovalerolacton, welche beide vom pks1 BGC codiert werden. Die Zugabe dieser Polyketide zum N. punctiforme Wildtyp zeigte, dass diese in der Lage sind einen Teil der Sekundärmetabolit-Effekte der AraC_PKS1 Mutante zu reproduzieren. Dies lässt darauf schließen, dass beide Polyketide als Signalstoffe innerhalb eines regulatorischen Netzwerks agieren. Da nicht alle transkriptionellen Effekte der AraC_PKS1 Mutante durch die Zugabe der pks1 Produkte reproduziert werden konnten, ist anzunehmen, dass der Regulator NvlA einen globalen Effekt hat und nicht ausschließlich die pks1 Biosynthese reguliert. Diese Studie war die erste, welche einen potentiell biosynthese-spezifischen Regulator für die gezielte Aktivierung von BGC-Expression in Cyanobakterien verwendet hat. Diese Strategie führte neben der Entdeckung zweier neuer Polyketide, zu ersten Einblicken in den regulatorischen Mechanismus, der den spezialisierten Metabolismus in N. punctiforme kontrolliert. Diese Studie veranschaulicht, dass das Verstehen regulatorischer Mechanismen für die Entdeckung neuer Naturstoffe hilfreich sein kann. Die Studien-Ergebnisse können die Entwicklung neuer Screening-Strategien für bioaktive Metabolite in Cyanobakterien anregen und können dabei helfen Hochtiter-Produktionsplattformen für cyanobakterielle Naturstoffe zu entwickeln. KW - cyanobacteria KW - natural products KW - specialized metabolites KW - gene cluster activation KW - Nostoc punctiforme KW - Cyanobakterien KW - Sekundärmetabolite KW - Naturstoffe KW - Gencluster-Aktivierung Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-540240 ER - TY - GEN A1 - Clegg, Mark R. A1 - Wacker, Alexander A1 - Spijkerman, Elly T1 - Phenotypic Diversity and Plasticity of Photoresponse Across an Environmentally Contrasting Family of Phytoflagellates T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Organisms often employ ecophysiological strategies to exploit environmental conditions and ensure bio-energetic success. However, the many complexities involved in the differential expression and flexibility of these strategies are rarely fully understood. Therefore, for the first time, using a three-part cross-disciplinary laboratory experimental analysis, we investigated the diversity and plasticity of photoresponsive traits employed by one family of environmentally contrasting, ecologically important phytoflagellates. The results demonstrated an extensive inter-species phenotypic diversity of behavioural, physiological, and compositional photoresponse across the Chlamydomonadaceae, and a multifaceted intra-species phenotypic plasticity, involving a broad range of beneficial photoacclimation strategies, often attributable to environmental predisposition and phylogenetic differentiation. Deceptively diverse and sophisticated strong (population and individual cell) behavioural photoresponses were observed, with divergence from a general preference for low light (and flexibility) dictated by intra-familial differences in typical habitat (salinity and trophy) and phylogeny. Notably, contrasting lower, narrow, and flexible compared with higher, broad, and stable preferences were observed in freshwater vs. brackish and marine species. Complex diversity and plasticity in physiological and compositional photoresponses were also discovered. Metabolic characteristics (such as growth rates, respiratory costs and photosynthetic capacity, efficiency, compensation and saturation points) varied elaborately with species, typical habitat (often varying more in eutrophic species, such as Chlamydomonas reinhardtii), and culture irradiance (adjusting to optimise energy acquisition and suggesting some propensity for low light). Considerable variations in intracellular pigment and biochemical composition were also recorded. Photosynthetic and accessory pigments (such as chlorophyll a, xanthophyll-cycle components, chlorophyll a:b and chlorophyll a:carotenoid ratios, fatty acid content and saturation ratios) varied with phylogeny and typical habitat (to attune photosystem ratios in different trophic conditions and to optimise shade adaptation, photoprotection, and thylakoid architecture, particularly in freshwater environments), and changed with irradiance (as reaction and harvesting centres adjusted to modulate absorption and quantum yield). The complex, concomitant nature of the results also advocated an integrative approach in future investigations. Overall, these nuanced, diverse, and flexible photoresponsive traits will greatly contribute to the functional ecology of these organisms, addressing environmental heterogeneity and potentially shaping individual fitness, spatial and temporal distribution, prevalence, and ecosystem dynamics. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1219 KW - photoresponse KW - behaviour KW - physiology KW - composition KW - photosynthesis KW - acclimation KW - Chlamydomonas KW - ecophysiology Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-536174 SN - 1866-8372 IS - 1219 ER - TY - THES A1 - Moreno Curtidor, Catalina T1 - Elucidating the molecular basis of enhanced growth in the Arabidopsis thaliana accession Bur-0 N2 - The life cycle of flowering plants is a dynamic process that involves successful passing through several developmental phases and tremendous progress has been made to reveal cellular and molecular regulatory mechanisms underlying these phases, morphogenesis, and growth. Although several key regulators of plant growth or developmental phase transitions have been identified in Arabidopsis, little is known about factors that become active during embryogenesis, seed development and also during further postembryonic growth. Much less is known about accession-specific factors that determine plant architecture and organ size. Bur-0 has been reported as a natural Arabidopsis thaliana accession with exceptionally big seeds and a large rosette; its phenotype makes it an interesting candidate to study growth and developmental aspects in plants, however, the molecular basis underlying this big phenotype remains to be elucidated. Thus, the general aim of this PhD project was to investigate and unravel the molecular mechanisms underlying the big phenotype in Bur-0. Several natural Arabidopsis accessions and late flowering mutant lines were analysed in this study, including Bur-0. Phenotypes were characterized by determining rosette size, seed size, flowering time, SAM size and growth in different photoperiods, during embryonic and postembryonic development. Our results demonstrate that Bur-0 stands out as an interesting accession with simultaneously larger rosettes, larger SAM, later flowering phenotype and larger seeds, but also larger embryos. Interestingly, inter-accession crosses (F1) resulted in bigger seeds than the parental self-crossed accessions, particularly when Bur-0 was used as the female parental genotype, suggesting parental effects on seed size that might be maternally controlled. Furthermore, developmental stage-based comparisons revealed that the large embryo size of Bur-0 is achieved during late embryogenesis and the large rosette size is achieved during late postembryonic growth. Interestingly, developmental phase progression analyses revealed that from germination onwards, the length of developmental phases during postembryonic growth is delayed in Bur-0, suggesting that in general, the mechanisms that regulate developmental phase progression are shared across developmental phases. On the other hand, a detailed physiological characterization in different tissues at different developmental stages revealed accession-specific physiological and metabolic traits that underlie accession-specific phenotypes and in particular, more carbon resources during embryonic and postembryonic development were found in Bur-0, suggesting an important role of carbohydrates in determination of the bigger Bur-0 phenotype. Additionally, differences in the cellular organization, nuclei DNA content, as well as ploidy level were analyzed in different tissues/cell types and we found that the large organ size in Bur-0 can be mainly attributed to its larger cells and also to higher cell proliferation in the SAM, but not to a different ploidy level. Furthermore, RNA-seq analysis of embryos at torpedo and mature stage, as well as SAMs at vegetative and floral transition stage from Bur-0 and Col-0 was conducted to identify accession-specific genetic determinants of plant phenotypes, shared across tissues and developmental stages during embryonic and postembryonic growth. Potential candidate genes were identified and further validation of transcriptome data by expression analyses of candidate genes as well as known key regulators of organ size and growth during embryonic and postembryonic development confirmed that the high confidence transcriptome datasets generated in this study are reliable for elucidation of molecular mechanisms regulating plant growth and accession-specific phenotypes in Arabidopsis. Taken together, this PhD project contributes to the plant development research field providing a detailed analysis of mechanisms underlying plant growth and development at different levels of biological organization, focusing on Arabidopsis accessions with remarkable phenotypical differences. For this, the natural accession Bur-0 was an ideal outlier candidate and different mechanisms at organ and tissue level, cell level, metabolism, transcript and gene expression level were identified, providing a better understanding of different factors involved in plant growth regulation and mechanisms underlying different growth patterns in nature. N2 - Der Lebenszyklus blühender Pflanzen ist ein dynamischer Prozess, der das erfolgreiche Durchlaufen mehrerer Entwicklungsphasen impliziert. Es wurden enorme Fortschritte gemacht, um zelluläre und molekulare Regulationsmechanismen zu entschlüsseln, die diesen Phasen, der Morphogenese und dem Wachstum zu Grunde liegen. Obwohl mehrere Schlüsselregulatoren des Pflanzenwachstums oder der Entwicklungsphasenübergänge in Arabidopsis identifiziert wurden, ist nur wenig über Faktoren bekannt, die sowohl während der Embryogenese als auch während der Samenentwicklung und dem weiteren Wachstum aktiv werden. Noch viel weniger ist über akzessionspezifische Faktoren bekannt, die die Pflanzenarchitektur und Organgröße bestimmen. Bur-0 wurde als eine natürliche Arabidopsis-Akzession mit außergewöhnlich großen Samen und großer Blattrosette beschrieben. Ihr Phänotyp macht sie zu einem interessanten Kandidaten für die Untersuchung von Wachstums- und Entwicklungsaspekten in Pflanzen, jedoch muss die molekulare Basis, die diesem großen Phänotyp unterliegt, noch entschlüsselt werden. Daher war das allgemeine Ziel dieser Doktorarbeit, die molekularen Mechanismen, die dem großen Phänotyp in Bur-0 zu Grunde liegen, zu entschlüsseln und zu verstehen. Mehrere natürliche Arabidopsis-Akzessionen und spät blühende Mutantenlinien wurden in dieser Studie analysiert, so auch Bur-0. Die Phänotypen wurden durch eine detaillierte Analyse der Rosettengröße, der Samengröße, der Blütezeit, der Sprossapikalmeristemgröße und des Wachstums in verschiedenen Photoperioden, während der embryonalen und postembryonalen Entwicklung charakterisiert. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Bur-0 als interessanter Akzession mit gleichzeitig größeren Blattrosetten, größerem Sprossapikalmeristem (SAM), späterem Blühphänotyp und größeren Samen, aber auch größeren Embryonen auffällt. Interessanterweise führten Kreuzungen zwischen den Akzessionen (F1) zu größeren Samen als die elterlichen selbstgekreuzten Akzessionen, insbesondere wenn Bur-0 als weiblicher elterlicher Genotyp verwendet wurde, was auf elterliche Effekte auf die Samengröße hindeutet, die möglicherweise mütterlicherseits kontrolliert werden. Darüber hinaus ergaben Vergleiche auf Basis von Entwicklungsstadien, dass die große Embryogröße von Bur-0 während der späten Embryogenese erreicht wird und die große Blattrosette während des späten postembryonalen Wachstums. Interessanterweise ergaben Analysen der Entwicklungsphasenprogression, dass ab der Keimung die Länge der Entwicklungsphasen während des postembryonalen Wachstums bei Bur-0 verzögert ist, was darauf hindeutet, dass im Allgemeinen die Mechanismen, die die Entwicklungsphasenprogression regulieren, über die Entwicklungsphasen hinweg geteilt werden. Andererseits ergab eine detaillierte physiologische Charakterisierung in verschiedenen Geweben in unterschiedlichen Entwicklungsstadien akzession-spezifische physiologische und metabolische Merkmale, die den akzession-spezifischen Phänotypen zu Grunde liegen. Insbesondere wurden mehr Kohlenstoff-Ressourcen, während der embryonalen und postembryonalen Entwicklung in Bur-0 gefunden, was auf eine wichtige Rolle von Kohlenhydraten bei der Bestimmung des größeren Bur-0-Phänotyps hindeutet. Zusätzlich wurden Unterschiede in der zellulären Organisation, dem DNA-Gehalt der Nuklei sowie dem Ploidiegrad in verschiedenen Geweben/Zelltypen analysiert und wir fanden heraus, dass die größere Organgröße in Bur-0 hauptsächlich auf die größeren Zellen und auch auf eine höhere Zellproliferation im SAM zurückzuführen ist, aber nicht auf einen anderen Ploidiegrad. Darüber hinaus wurden RNA-seq-Analysen von Embryonen im Torpedo- und Reifestadium sowie SAMs im vegetativen und Florenübergangsstadium von Bur-0 und Col-0 durchgeführt, um akzession-spezifische genetische Faktoren für Pflanzenphänotypen zu identifizieren, die in allen Geweben und Entwicklungsstadien während des embryonalen und postembryonalen Wachstums auftreten. Potenzielle Kandidatengene wurden identifiziert und eine weitere Validierung der Transkriptomdaten durch Expressionsanalysen neuartiger Kandidatengene sowie bekannter Schlüsselregulatoren für Organgröße und -wachstum während der embryonalen und postembryonalen Entwicklung bestätigte, dass die in dieser Studie generierten Transkriptomdatensätze mit hoher Zuverlässigkeit für die Aufklärung molekularer Mechanismen zur Regulierung des Pflanzenwachstums und akzessionspezifischer Phänotypen in Arabidopsis geeignet sind. Insgesamt trägt diese Doktorarbeit zur Forschung im Bereich der Pflanzenentwicklung bei, indem sie eine detaillierte Analyse der Mechanismen liefert, die dem Wachstum und der Entwicklung auf verschiedenen Ebenen der biologischen Organisation zu Grunde liegen, wobei der Schwerpunkt auf Arabidopsis-Akzessionen mit bemerkenswerten phänotypischen Unterschieden liegt. Dafür war die natürliche Akzession Bur-0 ein idealer Ausreißerkandidat und es wurden verschiedene Mechanismen auf Organ- und Gewebeebene, Zellebene, Stoffwechsel, Transkript- und Genexpressionsniveau identifiziert, was ein besseres Verständnis der verschiedenen Faktoren, die an der Regulierung des Pflanzenwachstums beteiligt sind, und der Mechanismen, die den verschiedenen Wachstumsmustern in der Natur zu Grunde liegen, ermöglicht. KW - Plant development KW - Plant growth KW - Arabidopsis thaliana KW - Phenotype KW - Transcriptome KW - Pflanzenentwicklung KW - Pflanzenwachstum KW - Arabidopsis thaliana KW - Phänotyp KW - Transkriptom Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-526814 ER - TY - THES A1 - Hasnat, Muhammad Abrar T1 - A-Type Carrier Proteins are involved in [4Fe-4S] Cluster insertion into the Radical S-adenosylmethionine (SAM) Protein MoaA and other molybdoenzymes N2 - Iron-sulfur clusters are essential enzyme cofactors. The most common and stable clusters are [2Fe-2S] and [4Fe-4S] that are found in nature. They are involved in crucial biological processes like respiration, gene regulation, protein translation, replication and DNA repair in prokaryotes and eukaryotes. In Escherichia coli, Fe-S clusters are essential for molybdenum cofactor (Moco) biosynthesis, which is a ubiquitous and highly conserved pathway. The first step of Moco biosynthesis is catalyzed by the MoaA protein to produce cyclic pyranopterin monophosphate (cPMP) from 5’GTP. MoaA is a [4Fe-4S] cluster containing radical S-adenosyl-L-methionine (SAM) enzyme. The focus of this study was to investigate Fe-S cluster insertion into MoaA under nitrate and TMAO respiratory conditions using E. coli as a model organism. Nitrate and TMAO respiration usually occur under anaerobic conditions, where oxygen is depleted. Under these conditions, E. coli uses nitrate and TMAO as terminal electron. Previous studies revealed that Fe-S cluster insertion is performed by Fe-S cluster carrier proteins. In E. coli, these proteins are known as A-type carrier proteins (ATC) by phylogenomic and genetic studies. So far, three of them have been characterized in detail in E. coli, namely IscA, SufA, and ErpA. This study shows that ErpA and IscA are involved in Fe-S cluster insertion into MoaA under nitrate and TMAO respiratory conditions. ErpA and IscA can partially replace each other in their role to provide [4Fe-4S] clusters for MoaA. SufA is not able to replace the functions of IscA or ErpA under nitrate respiratory conditions. Nitrate reductase is a molybdoenzyme that coordinates Moco and Fe-S clusters. Under nitrate respiratory conditions, the expression of nitrate reductase is significantly increased in E. coli. Nitrate reductase is encoded in narGHJI genes, the expression of which is regulated by the transcriptional regulator, fumarate and nitrate reduction (FNR). The activation of FNR under conditions of nitrate respiration requires one [4Fe-4S] cluster. In this part of the study, we analyzed the insertion of Fe-S cluster into FNR for the expression of narGHJI genes in E. coli. The results indicate that ErpA is essential for the FNR-dependent expression of the narGHJI genes, a role that can be replaced partially by IscA and SufA when they are produced sufficiently under the conditions tested. This observation suggests that ErpA is indirectly regulating nitrate reductase expression via inserting Fe-S clusters into FNR. Most molybdoenzymes are complex multi-subunit and multi-cofactor-containing enzymes that coordinate Fe-S clusters, which are functioning as electron transfer chains for catalysis. In E. coli, periplasmic aldehyde oxidoreductase (PaoAC) is a heterotrimeric molybdoenzyme that consists of flavin, two [2Fe-2S], one [4Fe-4S] cluster and Moco. In the last part of this study, we investigated the insertion of Fe-S clusters into E. coli periplasmic aldehyde oxidoreductase (PaoAC). The results show that SufA and ErpA are involved in inserting [4Fe-4S] and [2Fe-2S] clusters into PaoABC, respectively under aerobic respiratory conditions. KW - enzyme KW - gene KW - iron sulfur clusters KW - Enzyme KW - Gen KW - Eisen-Schwefel-Cluster Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-530791 ER - TY - THES A1 - Michelchen, Sophia T1 - Etablierung einer Antigen-spezifischen Aktivierung von B-Lymphozyten in vitro N2 - Monoklonale Antikörper sind essenzielle Werkzeuge in der modernen Laboranalytik sowie in der medizinischen Therapie und Diagnostik. Die Herstellung monoklonaler Antikörper ist ein zeit- und arbeitsintensiver Prozess. Herkömmliche Methoden beruhen auf der Immunisierung von Labortieren, die mitunter mehrere Monate in Anspruch nimmt. Anschließend werden die Antikörper-produzierenden B-Lymphozyten bzw. deren Antikörpergene isoliert und in Screening-Verfahren untersucht, um geeignete Binder zu identifizieren. Der Transfer der humoralen Immunantwort in eine in vitro Umgebung erlaubt eine Verkürzung des Prozesses und umgeht die Notwendigkeit der in vivo Immunisierung. Das komplexe Zusammenspiel aller involvierten Immunzellen in vitro abzubilden, stellt sich allerdings als schwierig dar. Der Schwerpunkt dieser Arbeit war deshalb die Realisierung einer vereinfachten In vitro Immunisierung, die sich auf die Protagonisten der Antikörper-Produktion konzentriert: die B-Lymphozyten. Darüber hinaus sollte eine permanente Zelllinie etabliert werden, die zur Antikörper-Herstellung eingesetzt werden und die Verwendung von Primärzellen ersetzen würde. Im ersten Teil der Arbeit wurde ein Protokoll zur In vitro Immunisierung muriner BLymphozyten etabliert. In Vorversuchen wurden die optimalen Konditionen für die Antigenspezifische Aktivierung gereinigter Milz-B-Lymphozyten aus nicht-immunisierten Mäusen determiniert. Dazu wurde der Einfluss verschiedener Stimuli auf die Produktion unspezifischer und spezifischer Antikörper untersucht. Eine Kombination aus dem Modellantigen VP1 (Hamster Polyomavirus Hüllprotein 1), einem Anti-CD40-Antikörper, Interleukin 4 (IL 4) und Lipopolysaccharid (LPS) oder IL 7 induzierte nachweislich eine Antigen-spezifische Antikörper-Antwort in vitro. Als Indikatoren einer erfolgreichen Aktivierung der B-Lymphozyten infolge der in vitro Stimulation wurden die rapide Proliferation und die Expression charakteristischer Aktivierungsmarker auf der Zelloberfläche nachgewiesen. In einer Zeitreihe über zehn Tage wurde am zehnten Tag der In vitro Immunisierung die verhältnismäßig höchste Konzentration Antigen-spezifischer IgG-Antikörper im Kulturüberstand der stimulierten Zellen nachgewiesen. Als nächster Schritt sollte eine permanente Zelllinie hergestellt werden, die statt primärer BLymphozyten für die zuvor etablierte In vitro Immunisierung eingesetzt werden könnte. Zu diesem Zweck wurden retrovirale Vektoren hergestellt, die durch den Transfer verschiedener Onkogene in murine B-Lymphozyten bzw. deren Vorläuferzellen das Proliferationsverhalten der Zellen manipulieren sollen. Es wurden Retroviren mit Doxycyclin-induzierbaren Expressionskassetten mit den Onkogenen cmyc, Bcl2, BclxL und dem Fusionsgen NUP98HOXB4 generiert. Eine Testzelllinie wurde erfolgreich mit den hergestellten Retroviren transduziert und die Funktionalität der hergestellten Viren anhand verschiedener Assays belegt. Die transferierten Gene konnten in der Testzelllinie auf DNAEbene nachgewiesen oder die Überexpression der entsprechenden Proteine im Western Blot detektiert werden. Es wurden schließlich B-Lymphozyten bzw. unreife Vorläuferzellen derselben mit den generierten Retroviren transduziert und mit Knochenmark-ähnlichen Stromazellen co-kultiviert. Aus keinem der transduzierten Ansätze konnte bisher eine Zelllinie oder eine Langzeit-Kultur etabliert werden. Im letzten Teil der Arbeit wurde die Effektivität und Übertragbarkeit des zuvor etablierten Protokolls zur In vitro Immunisierung muriner B-Lymphozyten anhand verschiedener Antigene gezeigt. Es konnten in vitro spezifische IgG-Antworten gegen VP1, Legionella pneumophila und das Protein Mip, von dem ein Peptid in das zur Immunisierung eingesetzte VP1 integriert wurde, induziert werden. Die stimulierten B-Lymphozyten wurden durch Fusion mit Myelomzellen in permanente Antikörper-produzierende Zelllinien transformiert. Dabei konnten mehrere Hybridomzelllinien generiert werden, die spezifische IgGAntikörper gegen VP1 oder Mip produzieren. Die generierten Antikörper konnten sowohl im Western Blot als auch im ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) das entsprechende Antigen spezifisch binden. Die hier etablierte In vitro Immunisierung bietet eine effektive Alternative zu bisherigen Verfahren zur Herstellung spezifischer Antikörper. Sie ersetzt die Immunisierung von Versuchstieren und reduziert den Zeitaufwand erheblich. In Kombination mit der Hybridomtechnologie können die in vitro immunisierten Zellen, wie hier demonstriert, zur Generation von Hybridomzelllinien und zur Herstellung monoklonaler Antikörper genutzt werden. Um die Verwendung von Versuchstieren in dieser Methode durch eine adäquate permanente Zelllinie zu ersetzen, muss die genetische Veränderung von B-Lymphozyten und unreifen hämatopoetischen Zellen optimiert werden. Die Ergebnisse bieten eine Basis für eine universelle, Spezies-unabhängige Methodik zur Antikörperherstellung und für die Etablierung einer idealen, tierfreien In vitro Immunisierung. N2 - Monoclonal antibodies are essential tools in modern analytics as well as medical therapy and diagnostics. The production of such is a time consuming and labor intensive process. Common methods rely on the immunization of laboratory animals which comprises up to several months. Subsequently antibody producing B lymphocytes or their antibody coding genes are isolated and screened for suitable binders. The transfer of the humoral immune reaction into an in vitro setting allows to shorten this process and circumvents the necessity of in vivo immunization. The imitation of the complex interaction between all involved immune cells however is difficult to mimic in vitro. Consequently, the main focus of this thesis was the establishment of a simplified in vitro immunization focusing only on the protagonists of antibody production: B lymphocytes. Furthermore a permanent cell line should be generated for the implementation in antibody production and to replace the use of primary cells. In the first part of this work a protocol for the in vitro immunization of murine B lymphocytes was established. In preliminary experiments the optimal conditions for the antigen specific activation of spleen B lymphocytes isolated from non-immunized mice were determined. Therefore the influence of various stimuli on the production of unspecific and specific antibodies was investigated. A combination of the model antigen VP1 (Hamster Polyomavirus capsid protein 1), an anti-CD40 antibody, interleukin 4 (IL 4) and lipopolysaccharide (LPS) or IL 7 evidently induced an antigen specific antibody response in vitro. To proof successful B lymphocyte activation following the in vitro stimulation rapid cell proliferation and the expression of characteristic activation markers on cell surfaces were shown. Over the course of ten days of in vitro immunization the production of antigen specific IgG antibodies in the supernatant of stimulated B lymphocytes was monitored peaking on day ten. Next a permanent cell line was to be established for replacing primary B lymphocytes in the previously established in vitro immunization. For this purpose several retroviral vectors were generated to manipulate the proliferative behavior of B lymphocytes or their progenitor cells by transferring different oncogenes into those cells. Retroviruses with doxycycline inducible expression cassettes carrying the oncogenes cmyc, Bcl2, BclxL and the fusion gene NUP98HOXB4 were generated. A model cell line was successfully transduced with the generated retroviruses. The functionality of these viruses was shown in several assays. In the model cell line the transferred genes were shown to be part of their genome or the overexpression of the corresponding proteins was shown in Western Blots or fluorescent microscopy. Finally, B lymphocytes or respectively immature progenitor cells of such were transduced with the generated retroviruses and co-cultured with bone marrow-like stroma cells. Cells could be cultured for several weeks past their natural lifespan. However, none of the approaches led to the generation of a permanent cell line or the establishment of a long term culture system. In the final part of this thesis the effectivity and transferability of the previously established protocol for the in vitro immunization of murine B lymphocytes was shown by applying various antigens. Specific IgG responses were induced in vitro against VP1, Legionella pneumophila and the protein Mip, a peptide of which had been included in a VP1 carrier protein used for immunization. The stimulated B lymphocytes were fused with myeloma cells to produce permanent antibody secreting cell lines. Thereby several hybridoma cell lines were generated producing specific IgG antibodies against VP1 or Mip. The generated antibodies were purified and shown to specifically bind their antigen in ELISA and Western Blot. This protocol for in vitro immunization presented here poses an effective alternative to conventional methods for the production of specific antibodies. It replaces the immunization of laboratory animals and greatly reduces the time needed. As shown here, in combination with the hybridoma technology these in vitro immunized cells can be used for the generation of hybridoma cell lines and subsequently for the production of monoclonal antibodies. To replace the use of laboratory animals used in this method by a permanent cell line the genetic manipulation of B lymphocytes and immature hematopoietic cells needs to be optimized. The results provide a foundation for a universal, species-independent method for antibody production and for the establishment of an ideal, animal-free in vitro immunization. KW - B-Lymphozyten KW - Antikörper KW - Antibodies KW - B lymphocytes KW - in vitro immunization KW - In vitro-Immunisierung Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-530272 ER - TY - THES A1 - Stark, Markus T1 - Implications of local and regional processes on the stability of metacommunities in diverse ecosystems T1 - Auswirkungen lokaler und regionaler Prozesse auf die Stabilität von Metagemeinschaften in diversen Ökosystemen N2 - Anthropogenic activities such as continuous landscape changes threaten biodiversity at both local and regional scales. Metacommunity models attempt to combine these two scales and continuously contribute to a better mechanistic understanding of how spatial processes and constraints, such as fragmentation, affect biodiversity. There is a strong consensus that such structural changes of the landscape tend to negatively effect the stability of metacommunities. However, in particular the interplay of complex trophic communities and landscape structure is not yet fully understood. In this present dissertation, a metacommunity approach is used based on a dynamic and spatially explicit model that integrates population dynamics at the local scale and dispersal dynamics at the regional scale. This approach allows the assessment of complex spatial landscape components such as habitat clustering on complex species communities, as well as the analysis of population dynamics of a single species. In addition to the impact of a fixed landscape structure, periodic environmental disturbances are also considered, where a periodical change of habitat availability, temporally alters landscape structure, such as the seasonal drying of a water body. On the local scale, the model results suggest that large-bodied animal species, such as predator species at high trophic positions, are more prone to extinction in a state of large patch isolation than smaller species at lower trophic levels. Increased metabolic losses for species with a lower body mass lead to increased energy limitation for species on higher trophic levels and serves as an explanation for a predominant loss of these species. This effect is particularly pronounced for food webs, where species are more sensitive to increased metabolic losses through dispersal and a change in landscape structure. In addition to the impact of species composition in a food web for diversity, the strength of local foraging interactions likewise affect the synchronization of population dynamics. A reduced predation pressure leads to more asynchronous population dynamics, beneficial for the stability of population dynamics as it reduces the risk of correlated extinction events among habitats. On the regional scale, two landscape aspects, which are the mean patch isolation and the formation of local clusters of two patches, promote an increase in $\beta$-diversity. Yet, the individual composition and robustness of the local species community equally explain a large proportion of the observed diversity patterns. A combination of periodic environmental disturbance and patch isolation has a particular impact on population dynamics of a species. While the periodic disturbance has a synchronizing effect, it can even superimpose emerging asynchronous dynamics in a state of large patch isolation and unifies trends in synchronization between different species communities. In summary, the findings underline a large local impact of species composition and interactions on local diversity patterns of a metacommunity. In comparison, landscape structures such as fragmentation have a negligible effect on local diversity patterns, but increase their impact for regional diversity patterns. In contrast, at the level of population dynamics, regional characteristics such as periodic environmental disturbance and patch isolation have a particularly strong impact and contribute substantially to the understanding of the stability of population dynamics in a metacommunity. These studies demonstrate once again the complexity of our ecosystems and the need for further analysis for a better understanding of our surrounding environment and more targeted conservation of biodiversity. N2 - Seit geraumer Zeit prägt der Mensch seine Umwelt und greift in die Struktur von Landschaften ein. In den letzten Jahrzehnten wurde die Landschaftsnutzung intensiviert und Ökosyteme weltweit anthropogen überprägt. Solche Veränderungen der Landschaft sind mit Verantwortlich für den derzeit rapiden Verlust an Biodiversität auf lokaler wie regionaler Ebene. Metagemeinschafts-Modelle versuchen diese beiden Ebenen zu kombinieren und kontinuierlich zu einem besseren mechanistischen Verständnis beizutragen, wie räumliche Prozesse, so z. B. Fragmentierung von Biotopen, die Biodiversität beeinflussen. Es besteht dabei ein großer Konsens, dass sich solche Änderungen der Landschaft tendenziell negativ auf die Stabilität von Metagemeinschaften auswirken. Jedoch ist insbesondere das Zusammenspiel von komplexen trophischen Gemeinschaften und räumlichen Prozessen längst nicht vollständig verstanden. In der vorliegenden Arbeit wird ein Metagemeinschafts-Modellansatz verwendet, der auf einem dynamischen und räumlich expliziten Modell basiert, das Populationsdynamiken auf der lokalen Ebene und Migrationsdynamiken auf der regionalen Ebene integriert. Dieser Ansatz erlaubt die Bewertung komplexer räumlicher Landschaftskomponenten wie z. B. die Auswirkung von Habitatsclustern auf Populationsdynamiken einzelner Arten bis hin zur Diversität komplexer Artengemeinschaften. Zusätzlich zum Einfluss von einzelner konstanter räumlicher Strukturen werden auch periodische Umweltstörungen berücksichtigt, bei der ein Wechsel der Habitatverfügbarkeit, die räumliche Struktur der Landschaft temporär verändert, wie z. B. die Austrocknung eines Gewässers. Auf der lokalen Ebene deuten die Modellergebnisse darauf hin, dass Tierarten mit einer großen Körpermasse, wie z. B. Raubtierarten in höheren trophischen Positionen, in einem Zustand großer Habitat-Isolation stärker vom Aussterben bedroht sind, als Arten mit geringer Körpermasse auf unteren trophischen Ebenen. Arten mit einer geringerer Körpermasse haben einen erhöhten metabolischen Verlust, der zu einer Energielimitierung auf den höheren trophischen Ebenen führt. Dies kann eine Erklärung dafür sein, dass Arten mit großer Körpermasse ein höheres Aussterberisiko in den Modellergebnissen aufweisen. Dieser Effekt ist vor allem in Nahrungsnetzen ausgeprägt, bei denen Arten empfindlicher auf metabolische Verluste durch Migration und eine Veränderung der Habitat Struktur reagieren. Neben der Bedeutung der Zusammensetzung der Arten eines Nahrungsnetzes für die Diversität, haben lokale Fraßinteraktionen ebenfalls Auswirkungen auf die Synchronisierung von Populationsdynamiken. Ein geringerer Fraßdruck führt zu mehr asynchronen Populationsdynamiken, die diese Dynamiken einer Metapopulation stabilisiert, sodass das Risiko von Aussterbeereignissen einzelner Arten sinkt. Auf der regionalen Ebene führen als landschaftliche Aspekte, neben der mittleren Habitat-Isolation, ebenso die Bildung von lokalen Clustern aus zwei Habitaten zu einer Zunahme der Beta-Diversität. Jedoch erklären die individuelle Zusammensetzung und Robustheit der lokalen Arten- gemeinschaft gleichermaßen einen großen Anteil der zu beobachteten Diversitätsmuster. Eine Kombination aus periodischen Umweltstörungen und Habitat-Isolation hat insbesondere einen Einfluss auf die Populationsdynamiken einzelner Arten. Populationsdynamiken können durch periodische Umweltstörungen synchronisiert werden, und dabei die sonst auftauchende asynchronen Populationsdynamiken bei einer größeren Habitat-Isolation überlagern. Die dadurch vereinheitlichen Trends in der Synchronisierung erhöhen das Risiko korrelierter Aussterbeereignisse einer Art. Zusammenfassend lassen sich zwei große Einflussfaktoren auf die lokalen Diversitätsmuster der Metagemeinschaften feststellen. Zum Einen die lokale Artenzusammensetzung und zum Anderen die Interaktionen der Arten. Im Vergleich dazu, haben räumliche Komponenten wie die Fragmentierung der Landschaft einen vernachlässigbaren Einfluss auf die lokalen Diversitätsmuster und gewinnen erst für regionale Diversitätsmuster an Gewicht. Im Gegensatz dazu spielen auf der Ebene der Populationsdynamik besonders regionale Eigenschaften, wie die periodische Umweltstörung und Habitat-Isolation, eine Rolle und tragen wesentlich zum Verständnis der Stabilität von Populationsdynamiken der Metagemeinschaft bei. Diese Untersuchungen zeigen einmal mehr die Komplexität unserer Ökosysteme und die Notwendigkeit weiterer Analysen für ein besseres Verständnis unserer umgebenen Umwelt und gezielteren Schutz der Biodiversität. KW - Fragmentation KW - Ecology KW - Food Web KW - Metacommunity KW - Disturbance KW - Störungen KW - Ökologie KW - Nahrungsnetze KW - Fragmentierung KW - Metagemeinschaften Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-526399 ER - TY - GEN A1 - Kahl, Sandra A1 - Kappel, Christian A1 - Joshi, Jasmin Radha A1 - Lenhard, Michael T1 - Phylogeography of a widely distributed plant species reveals cryptic genetic lineages with parallel phenotypic responses to warming and drought conditions T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - To predict how widely distributed species will perform under future climate change, it is crucial to understand and reveal their underlying phylogenetics. However, detailed information about plant adaptation and its genetic basis and history remains scarce and especially widely distributed species receive little attention despite their putatively high adaptability. To examine the adaptation potential of a widely distributed species, we sampled the model plant Silene vulgaris across Europe. In a greenhouse experiment, we exposed the offspring of these populations to a climate change scenario for central Europe and revealed the population structure through whole-genome sequencing. Plants were grown under two temperatures (18°C and 21°C) and three precipitation regimes (65, 75, and 90 mm) to measure their response in biomass and fecundity-related traits. To reveal the population genetic structure, ddRAD sequencing was employed for a whole-genome approach. We found three major genetic clusters in S. vulgaris from Europe: one cluster comprising Southern European populations, one cluster of Western European populations, and another cluster containing central European populations. Population genetic diversity decreased with increasing latitude, and a Mantel test revealed significant correlations between FST and geographic distances as well as between genetic and environmental distances. Our trait analysis showed that the genetic clusters significantly differed in biomass-related traits and in the days to flowering. However, half of the traits showed parallel response patterns to the experimental climate change scenario. Due to the differentiated but parallel response patterns, we assume that phenotypic plasticity plays an important role for the adaptation of the widely distributed species S. vulgaris and its intraspecific genetic lineages. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1218 KW - climate adaptation KW - ddRAD KW - Silene vulgaris Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-530035 SN - 1866-8372 SP - 13986 EP - 14002 ER - TY - THES A1 - Raffeiner, Margot T1 - Funktionelle Charakterisierung des Xanthomonas Typ-III Effektorproteins XopS T1 - Functional characterisation of the Xanthomonas type-III effector protein XopS N2 - Angepasste Pathogene besitzen eine Reihe von Virulenzmechanismen, um pflanzliche Immunantworten unterhalb eines Schwellenwerts der effektiven Resistenz zu unterdrücken. Dadurch sind sie in der Lage sich zu vermehren und Krankheiten auf einem bestimmten Wirt zu verursachen. Eine essentielle Virulenzstrategie Gram-negativer Bakterien ist die Translokation von sogenannten Typ-III Effektorproteinen (T3Es) direkt in die Wirtszelle. Dort stören diese die Immunantwort des Wirts oder fördern die Etablierung einer für das Pathogen günstigen Umgebung. Eine kritische Komponente der Pflanzenimmunität gegen eindringende Pathogene ist die schnelle transkriptionelle Umprogrammierung der angegriffenen Zelle. Viele adaptierte bakterielle Pflanzenpathogene verwenden T3Es, um die Induktion Abwehr-assoziierter Gene zu stören. Die Aufklärung von Effektor-Funktionen, sowie die Identifikation ihrer pflanzlichen Zielproteine sind für das Verständnis der bakteriellen Pathogenese essentiell. Im Rahmen dieser Arbeit sollte das Typ-III Effektorprotein XopS aus Xanthomonas campestris pv. vesicatoria (Xcv) funktionell charakterisiert werden. Zudem lag hier ein besonderer Fokus auf der Untersuchung der Wechselwirkung zwischen XopS und seinem in Vorarbeiten identifizierten pflanzlichen Interaktionspartner WRKY40, einem transkriptionellen Regulator der Abwehr-assoziierten Genexpression. Es konnte gezeigt werden, dass XopS ein essentieller Virulenzfaktor des Phytopathogens Xcv während der präinvasiven Immunantwort ist. So zeigten xopS-defiziente Xcv Bakterien bei einer Inokulation der Blattoberfläche suszeptibler Paprika Pflanzen eine deutlich reduzierte Virulenz im Vergleich zum Xcv Wildtyp. Die Translokation von XopS durch Xcv, sowie die ektopische Expression von XopS in Arabidopsis oder N. benthamiana verhinderte das Schließen von Stomata als Reaktion auf Bakterien bzw. einem Pathogen-assoziierten Stimulus, wobei zudem gezeigt werden konnte, dass dies in einer WRKY40-abhängigen Weise geschieht. Weiter konnte gezeigt werden, dass XopS in der Lage ist, die Expression Abwehr-assoziierter Gene zu manipulieren. Dies deutet darauf hin, dass XopS sowohl in die prä-als auch in die postinvasive, apoplastische Abwehr eingreift. Phytohormon-Signalnetzwerke spielen während des Aufbaus einer effizienten pflanzlichen Immunantwort eine wichtige Rolle. Hier konnte gezeigt werden, dass XopS mit genau diesen Signalnetzwerken zu interferieren scheint. Eine ektopische Expression des Effektors in Arabidopsis führte beispielsweise zu einer signifikanten Induktion des Phytohormons Jasmonsäure (JA), während eine Infektion von suszeptiblen Paprika Pflanzen mit einem xopS-defizienten Xcv Stamm zu einer ebenfalls signifikanten Akkumulation des Salicylsäure (SA)-Gehalts führte. So kann zu diesem Zeitpunkt vermutet werden, dass XopS die Virulenz von Xcv fördert, indem JA-abhängige Signalwege induziert werden und es gleichzeitig zur Unterdrückung SA-abhängiger Signalwege kommt. Die Virus-induzierte Genstilllegung des XopS Interaktionspartners WRKY40a in Paprika erhöhte die Toleranz der Pflanze gegenüber einer Xcv Infektion, was darauf hindeutet, dass es sich bei diesem Protein um einen transkriptionellen Repressor pflanzlicher Immunantworten handelt. Die Hypothese, dass WRKY40 die Abwehr-assoziierte Genexpression reprimiert, konnte hier über verschiedene experimentelle Ansätze bekräftigt werden. So wurde beispielsweise gezeigt, dass die Expression von verschiedenen Abwehrgenen einschließlich des SA-abhängigen Gens PR1 und die des Negativregulators des JA-Signalwegs JAZ8 von WRKY40 gehemmt wird. Um bei einem Pathogenangriff die Abwehr-assoziierte Genexpression zu gewährleisten, muss WRKY40 als Negativregulator abgebaut werden. Vorarbeiten zeigten, dass WRKY40 über das 26S Proteasom abgebaut wird. In der hier vorliegenden Studie konnte weiter bestätigt, dass der T3E XopS zu einer Stabilisierung des WRKY40 Proteins führt, indem er auf bislang ungeklärte Weise dessen Abbau über das 26S Proteasom verhindert. Die Ergebnisse aus der hier vorliegenden Arbeit lassen die Vermutung zu, dass die Stabilisierung des Negativregulators der Immunantwort WRKY40 seitens XopS dazu führt, dass eine darüber vermittelte Manipulation der Abwehr-assoziierten Genexpression, sowie eine Umsteuerung phytohormoneller Wechselwirkungen die Ausbreitung von Xcv auf suszeptiblen Paprikapflanzen fördert. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war es, weitere potentielle in planta Interaktionspartner von XopS zu identifizieren die für seine Interaktion mit WRKY40 bzw. für die Aufschlüsselung seines Wirkmechanismus relevant sein könnten. So konnte die Deubiquitinase UBP12 als weiterer pflanzlicher Interaktionspartner sowohl von XopS als auch von WRKY40 gefunden werden. Dieses Enzym ist in der Lage, die Ubiquitinierung von Substratproteinen zu modifizieren und seine Funktion könnte somit ein Bindeglied zwischen XopS und dessen Interferenz mit dem proteasomalen Abbau von WRKY40 sein. Während einer kompatiblen Xcv-Wirtsinteraktion führte die Virus-induzierte Genstilllegung von UBP12 zu einer reduzierten Resistenz der Pflanze gegenüber des Pathogens Xcv, was auf dessen positiv-regulatorische Wirkung während der Immunantwort hindeutet. Zudem zeigten Western Blot Analysen, dass das Protein WRKY40 bei einer Herunterregulierung von UBP12 akkumuliert und dass diese Akkumulation von der Anwesenheit des T3Es XopS zusätzlich verstärkt wird. Weiterführende Analysen zur biochemischen Charakterisierung der XopS/WRKY40/UBP12 Interaktion sollten in Zukunft durchgeführt werden, um den genauen Wirkmechanismus des XopS T3Es weiter aufzuschlüsseln. N2 - Adapted pathogens have acquired a number of virulence mechanisms to suppress plant immune responses below a threshold of effective resistance and are thus able to replicate and cause disease on a given host. Virulence mechanisms include the translocation of so-called type-III effector proteins (T3Es) directly into the host cell, where they disrupt immune responses or assist the pathogen to establish a beneficial environment. A critical component of plant immunity against invading pathogens is rapid transcriptional reprogramming of the targeted cell to minimize virulence. Many adapted bacterial plant pathogens use T3Es to interfere with the induction of defense-associated genes. Due to the fact that for most of the T3Es studied to date their target proteins in the host are unknown, it is often unclear by which mechanisms these defense responses are disrupted. Thus, the elucidation of effector functions, as well as the identification of their plant target proteins, are necessary for the understanding of bacterial pathogenesis. In this work, the type-III effector protein XopS from Xanthomonas campestris pv. vesicatoria (Xcv) was functionally characterized. In addition, a particular focus of this characterization was to investigate the interaction between XopS and its plant interaction partner WRKY40, a transcriptional regulator of defense-associated gene expression, identified in preliminary work. XopS was shown to be an essential virulence factor of the phytopathogen Xcv during the preinvasive immune response. Thus, xopS-deficient Xcv bacteria showed significantly reduced virulence when inoculated on the leaf surface of susceptible pepper plants compared to Xcv wild type. Translocation of XopS by Xcv, as well as ectopic expression of XopS in Arabidopsis or N. benthamiana, prevented stomatal closure in response to bacteria or a pathogen-associated stimulus, respectively, and it was further shown that this occurs in a WRKY40-dependent manner. Additionally, XopS was shown to be able to manipulate the expression of defense-associated genes. This suggests that XopS interferes with both preinvasive and postinvasive apoplastic defense mechanisms. Phytohormone signaling networks play an important role during the establishment of an efficient plant immune response. Here, it was shown that XopS appears to interfere with these signaling networks. For example, ectopic expression of the effector in Arabidopsis led to a significant induction of the phytohormone jasmonic acid (JA), while infection of susceptible pepper plants with a xopS-deficient Xcv strain resulted in an equally significant accumulation of the salicylic acid (SA) content. Thus, at this stage it can be speculated that XopS promotes the virulence of Xcv by inducing JA-dependent signaling pathways and simultaneously suppressing SA signaling pathways via it. In this work, it was confirmed that XopS interacts not only with WRKY40 from N. benthamiana but also with its orthologous proteins from Arabidopsis (AtWRKY40) and pepper (CaWRKY40a). Virus-induced gene silencing of WRKY40a in bell pepper increased plant tolerance to Xcv infection, suggesting that this protein is a transcriptional regulator that suppresses induction of plant immune responses. The hypothesis that WRKY40 is a transcriptional repressor of defense-associated gene expression was corroborated here via several experimental approaches. For example, the expression of several defense genes including the SA-dependent gene PR1 and that of the negative regulator of the JA pathway JAZ8 was shown to be inhibited by WRKY40. To ensure defense-associated gene expression during pathogen attack, WRKY40 as a negative regulator must be removed to allow expression of defense genes. Preliminary work showed that WRKY40 is degraded via the 26S proteasome. The present study further confirmed that the T3E XopS leads to stabilization of WRKY40 protein by preventing its proteasomal degradation in a yet unexplained manner. The results from the work presented here suggest that stabilization of the negative regulator of immune responses WRKY40 by XopS leads to the manipulation of defense-associated gene expression, as well as a redirection of phytohormonal interactions, which in turn promotes the spread of Xcv on susceptible pepper plants. Another goal of this work was to identify other potential in planta interaction partners of XopS that might be relevant for its interaction with WRKY40 or for the deciphering of its mechanism of action. This identified the deubiquitinase UBP12 as another plant interaction partner of both XopS and WRKY40. UBP12 is able to modify the ubiquitination of substrate proteins and its function could thus represent a link between XopS and its interference with the proteasomal degradation of WRKY40. During a compatible Xcv-host interaction, virus-induced gene silencing of UBP12 resulted in reduced plant resistance to the pathogen Xcv, suggesting its positive regulatory effect during the immune response. Moreover, Western blot analyses showed that the protein WRKY40 accumulates upon down-regulation of UBP12 and that this accumulation is further enhanced by the presence of the T3E XopS. Further analysis on the biochemical characterization of the XopS/WRKY40/UBP12 interaction should be performed in the future to further elucidate the exact mode of action of the XopS T3E. KW - Xanthomonas campestris pv. vesicatoria KW - XopS KW - WRKY40 KW - Stomatäre Immunität KW - Proteasomaler Abbau KW - Xanthomonas campestris pv. vesicatoria KW - XopS KW - WRKY40 KW - stomatal immunity KW - proteasomal degradation Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-525532 ER - TY - THES A1 - Borghi, Gian Luca T1 - Evolution and diversity of photosynthetic metabolism in C3, C3-C4 intermediate and C4 plants T1 - Evolution und Diversität des photosynthetischen Stoffwechsels in C3-, C3-C4-Intermediär- und C4-Pflanzen N2 - In C3 plants, CO2 diffuses into the leaf and is assimilated by the Calvin-Benson cycle in the mesophyll cells. It leaves Rubisco open to its side reaction with O2, resulting in a wasteful cycle known as photorespiration. A sharp fall in atmospheric CO2 levels about 30 million years ago have further increased the side reaction with O2. The pressure to reduce photorespiration led, in over 60 plant genera, to the evolution of a CO2-concentrating mechanism called C4 photosynthesis; in this mode, CO2 is initially incorporated into 4-carbon organic acids, which diffuse to the bundle sheath and are decarboxylated to provide CO2 to Rubisco. Some genera, like Flaveria, contain several species that represent different steps in this complex evolutionary process. However, the majority of terrestrial plant species did not evolve a CO2-concentrating mechanism and perform C3 photosynthesis. This thesis compares photosynthetic metabolism in several species with C3, C4 and intermediate modes of photosynthesis. Metabolite profiling and stable isotope labelling were performed to detect inter-specific differences changes in metabolite profile and, hence, how a pathway operates. The results obtained were subjected to integrative data analyses like hierarchical clustering and principal component analysis, and were deepened by correlation analyses to uncover specific metabolic features and reaction steps that were conserved or differed between species. The main findings are that Calvin-Benson cycle metabolite profiles differ between C3 and C4 species and between different C3 species, including a very different response to rising irradiance in Arabidopsis and rice. These findings confirm Calvin-Benson cycle operation diverged between C3 and C4 species and, most unexpectedly, even between different C3 species. Moreover, primary metabolic profiles supported the current C4 evolutionary model in the genus Flaveria and also provided new insights and opened up new questions. Metabolite profiles also point toward a progressive adjustment of the Calvin-Benson cycle during the evolution of C4 photosynthesis. Overall, this thesis point out the importance of a metabolite-centric approach to uncover underlying differences in species apparently sharing the same photosynthetic routes and as a valid method to investigate evolutionary transition between C3 and C4 photosynthesis. N2 - Bei C3-Pflanzen diffundiert CO2 in das Blatt und wird durch den Calvin-Benson-Zyklus in den Mesophyllzellen assimiliert. Dies lässt Rubisco für seine Nebenreaktion mit O2 offen, was zu einem verschwenderischen Kreislauf führt, der als Photorespiration bekannt ist. Ein starker Rückgang der atmosphärischen CO2-Konzentration vor etwa 30 Millionen Jahren hat die Nebenreaktion mit O2 weiter verstärkt. Der Druck, die Photorespiration zu reduzieren, hat in über 60 Pflanzengattungen zur Entwicklung eines CO2-Konzentrationsmechanismus namens C4-Photosynthese geführt. In diesem Mechanismus wird CO2 zunächst in organische C4-Kohlenstoffsäuren eingebaut, die zur Bündelscheide diffundieren und dort decarboxyliert werden, um CO2 für Rubisco bereitzustellen. Einige Gattungen, wie z.B. Flaveria, enthalten mehrere Arten, die verschiedene Schritte dieses komplexen Evolutionsprozesses darstellen. Die Mehrheit der terrestrischen Pflanzenarten hat jedoch keinen CO2-Konzentrationsmechanismus entwickelt und betreibt C3-Photosynthese. Diese Arbeit vergleicht den Photosynthese-Metabolismus in mehreren Spezies mit C3-, C4- und intermediären Arten der Photosynthese. Metaboliten-Profiling und stabile Isotopenmarkierung wurden durchgeführt, um interspezifische Unterschiede im Metabolitenprofil und damit die Funktionsweise der Stoffwechselwege zu erkennen. Die Ergebnisse wurden integrativen Datenanalysen wie hierarchischem Clustering und Hauptkomponentenanalyse unterzogen und durch Korrelationsanalysen vertieft, um spezifische metabolische Merkmale und Reaktionsschritte aufzudecken, die konserviert oder zwischen Spezies verschieden sind. Die wichtigsten Ergebnisse sind, dass sich die Metabolitenprofile des Calvin-Benson-Zyklus zwischen C3- und C4-Spezies und zwischen verschiedenen C3-Spezies unterscheiden, einschließlich einer sehr unterschiedlichen Reaktion auf steigende Strahlungsintensität bei Arabidopsis und Reis. Diese Ergebnisse bestätigen, dass der Calvin-Benson-Zyklus zwischen C3- und C4-Spezies und, höchst unerwartet, sogar zwischen verschiedenen C3-Spezies divergiert. Darüber hinaus unterstützen die primären Stoffwechselprofile das aktuelle C4-Evolutionsmodell in der Gattung Flaveria, liefern auch neue Erkenntnisse und eröffnen neue Fragen. Die Metabolitenprofile weisen auch auf eine fortschreitende Anpassung des Calvin-Benson-Zyklus während der Evolution der C4-Photosynthese hin. Insgesamt unterstreicht diese Dissertation die Bedeutung eines metabolitenzentrierten Ansatzes, um Unterschiede in Arten aufzudecken, die anscheinend dieselben Photosynthesewege teilen, und als valide Methode zur Untersuchung des evolutionären Übergangs zwischen C3- und C4-Photosynthese. KW - Photosynthesis KW - C4 KW - Evolution KW - Photosynthese KW - C4 KW - Evolution Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-522200 ER - TY - GEN A1 - Scharnweber, Inga Kristin A1 - Andersson, Matilda L. A1 - Chaguaceda, Fernando A1 - Eklöv, Peter T1 - Intra-specific differences in metabolic rates shape carbon stable isotope trophic discrimination factors of muscle tissue in the common teleost Eurasian perch (Perca fluviatilis) T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Stable isotopes represent a unique approach to provide insights into the ecology of organisms. δ13C and δ15N have specifically been used to obtain information on the trophic ecology and food-web interactions. Trophic discrimination factors (TDF, Δ13C and Δ15N) describe the isotopic fractionation occurring from diet to consumer tissue, and these factors are critical for obtaining precise estimates within any application of δ13C and δ15N values. It is widely acknowledged that metabolism influences TDF, being responsible for different TDF between tissues of variable metabolic activity (e.g., liver vs. muscle tissue) or species body size (small vs. large). However, the connection between the variation of metabolism occurring within a single species during its ontogeny and TDF has rarely been considered. Here, we conducted a 9-month feeding experiment to report Δ13C and Δ15N of muscle and liver tissues for several weight classes of Eurasian perch (Perca fluviatilis), a widespread teleost often studied using stable isotopes, but without established TDF for feeding on a natural diet. In addition, we assessed the relationship between the standard metabolic rate (SMR) and TDF by measuring the oxygen consumption of the individuals. Our results showed a significant negative relationship of SMR with Δ13C, and a significant positive relationship of SMR with Δ15N of muscle tissue, but not with TDF of liver tissue. SMR varies inversely with size, which translated into a significantly different TDF of muscle tissue between size classes. In summary, our results emphasize the role of metabolism in shaping-specific TDF (i.e., Δ13C and Δ15N of muscle tissue) and especially highlight the substantial differences between individuals of different ontogenetic stages within a species. Our findings thus have direct implications for the use of stable isotope data and the applications of stable isotopes in food-web studies. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1179 KW - fractionation factors KW - metabolism KW - ontogeny KW - standard metabolic rate KW - tissue types KW - δ13C KW - δ15N Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-524015 SN - 1866-8372 IS - 14 ER - TY - GEN A1 - Malchow, Anne-Kathleen A1 - Bocedi, Greta A1 - Palmer, Stephen C. F. A1 - Travis, Justin M. J. A1 - Zurell, Damaris T1 - RangeShiftR: an R package for individual-based simulation of spatial eco-evolutionary dynamics and speciesu0027 responses to environmental changes T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Reliably modelling the demographic and distributional responses of a species to environmental changes can be crucial for successful conservation and management planning. Process-based models have the potential to achieve this goal, but so far they remain underused for predictions of species' distributions. Individual-based models offer the additional capability to model inter-individual variation and evolutionary dynamics and thus capture adaptive responses to environmental change. We present RangeShiftR, an R implementation of a flexible individual-based modelling platform which simulates eco-evolutionary dynamics in a spatially explicit way. The package provides flexible and fast simulations by making the software RangeShifter available for the widely used statistical programming platform R. The package features additional auxiliary functions to support model specification and analysis of results. We provide an outline of the package's functionality, describe the underlying model structure with its main components and present a short example. RangeShiftR offers substantial model complexity, especially for the demographic and dispersal processes. It comes with elaborate tutorials and comprehensive documentation to facilitate learning the software and provide help at all levels. As the core code is implemented in C++, the computations are fast. The complete source code is published under a public licence, making adaptations and contributions feasible. The RangeShiftR package facilitates the application of individual-based and mechanistic modelling to eco-evolutionary questions by operating a flexible and powerful simulation model from R. It allows effortless interoperation with existing packages to create streamlined workflows that can include data preparation, integrated model specification and results analysis. Moreover, the implementation in R strengthens the potential for coupling RangeShiftR with other models. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1178 KW - connectivity KW - conservation KW - dispersal KW - evolution KW - population dynamics KW - range dynamics Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-523979 SN - 1866-8372 IS - 10 ER - TY - GEN A1 - Cahsan, Binia De A1 - Kiemel, Katrin A1 - Westbury, Michael V. A1 - Lauritsen, Maike A1 - Autenrieth, Marijke A1 - Gollmann, Günter A1 - Schweiger, Silke A1 - Stenberg, Marika A1 - Nyström, Per A1 - Drews, Hauke A1 - Tiedemann, Ralph T1 - Southern introgression increases adaptive immune gene variability in northern range margin populations of Fire-bellied toad T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Northern range margin populations of the European fire-bellied toad (Bombina bombina) have rapidly declined during recent decades. Extensive agricultural land use has fragmented the landscape, leading to habitat disruption and loss, as well as eutrophication of ponds. In Northern Germany (Schleswig-Holstein) and Southern Sweden (Skåne), this population decline resulted in decreased gene flow from surrounding populations, low genetic diversity, and a putative reduction in adaptive potential, leaving populations vulnerable to future environmental and climatic changes. Previous studies using mitochondrial control region and nuclear transcriptome-wide SNP data detected introgressive hybridization in multiple northern B. bombina populations after unreported release of toads from Austria. Here, we determine the impact of this introgression by comparing the body conditions (proxy for fitness) of introgressed and nonintrogressed populations and the genetic consequences in two candidate genes for putative local adaptation (the MHC II gene as part of the adaptive immune system and the stress response gene HSP70 kDa). We detected regional differences in body condition and observed significantly elevated levels of within individual MHC allele counts in introgressed Swedish populations, associated with a tendency toward higher body weight, relative to regional nonintrogressed populations. These differences were not observed among introgressed and nonintrogressed German populations. Genetic diversity in both MHC and HSP was generally lower in northern than Austrian populations. Our study sheds light on the potential benefits of translocations of more distantly related conspecifics as a means to increase adaptive genetic variability and fitness of genetically depauperate range margin populations without distortion of local adaptation. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1177 KW - Bombina bombina KW - heat shock protein KW - introgression KW - major histocompatibility complex KW - scaled mass index Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-523883 SN - 1866-8372 IS - 14 ER - TY - THES A1 - Woehlecke, Sandra T1 - Das erweiterte Fachwissen für den schulischen Kontext als Leitlinie für eine additive fachliche Lehrveranstaltung im Lehramtsstudium Biologie T1 - School-related content knowledge as a guideline for an additive subject-based course for preservice biology teachers N2 - Das Fachwissen von Lehrkräften weist für die Ausprägung fachdidaktischer Expertise eine hohe Bedeutung auf. Welche Merkmale universitäre Lehrveranstaltungen aufweisen sollten, um Lehramtsstudierenden ein berufsspezifisches Fachwissen zu vermitteln, ist jedoch überwiegend noch unklar. Innerhalb des Projekts PSI-Potsdam wurde auf theoretischer Grundlage das fachübergreifende Modell des erweiterten Fachwissens für den schulischen Kontext entwickelt. Als Ansatz zur Verbesserung des Biologie-Lehramtsstudiums diente dieses Modell als Konzeptionsgrundlage für eine additive Lehrveranstaltung. Hierbei werden Lerngelegenheiten geboten, um das universitär erworbene Fachwissen über zellbiologische Inhalte auf schulische Kontexte anzuwenden, z.B. durch die Dekonstruktion und anschließende Rekonstruktion von schulischen Lerntexten. Die Wirkung des Seminars wurde in mehreren Zyklen im Forschungsformat der Fachdidaktischen Entwicklungsforschung beforscht. Eine der zentralen Forschungsfragen lautet dabei: Wie kann eine Lerngelegenheit für Lehramtsstudierende der Biologie gestaltet sein, um ein erweitertes Fachwissen für den schulischen Kontext für den zellbiologischen Themenbereich „Struktur und Funktion der Biomembran“ zu fördern? Anhand fallübergreifender Analysen (n = 29) wird im empirischen Teil aufgezeigt, welche Einstellungen zum Lehramtsstudium in der Stichprobe bestehen. Als ein wichtiges Ergebnis kann hierbei herausgestellt werden, dass sich das Fachinteresse hinsichtlich schulisch und universitär vermittelter Inhalte bei den untersuchten Studierenden auffallend unterscheidet, wobei dem Schulwissen ein deutlich höheres Interesse entgegengebracht wird. Die Berufsrelevanz fachlicher Inhalte wird seitens der Studierenden häufig am Schulwissen festgemacht. Innerhalb konkreter Einzelfallanalysen (n = 6) wird anhand von Lernpfaden dargestellt, wie sich über mehrere Design-Experimente hinweg fachliche Konzepte entwickelt haben. Bei der Beschreibung wird vor allem auf Schlüsselstellen und Hürden im Lernprozess fokussiert. Aus diesen Ergebnissen folgend werden vorgenommene Iterationen für die einzelnen Zyklen beschrieben, die ebenfalls anhand der iterativen Entwicklung der Design-Prinzipien dargelegt werden. Es konnte gezeigt werden, dass die Schlüsselstellen sehr individuell aufgrund der subjektiv fokussierten Inhalte zu Tage treten. Meist treten sie jedoch im Zusammenhang mit der Verknüpfung verschiedener fachlicher Konzepte oder durch kooperative Aufschlüsselungen von Konzepten auf. Fachliche Hürden konnten hingegen in Form von fachlich unangemessenen Vorstellungen fallübergreifend identifiziert werden. Dies betrifft unter anderem die Vorstellung der Biomembran als Wand, die mit den Vorstellungen einer Schutzfunktion und einer formgebenden Funktion der Biomembran einhergeht. Weiterhin wird beleuchtet, wie das erweiterte Fachwissen für den schulischen Kontext zur Bearbeitung der Lernaufgaben angewendet wurde. Es hat sich gezeigt, dass sich bestimmte Lerngelegenheiten eigenen, um bestimmte Facetten des erweiterten Fachwissens zu fördern. Insgesamt scheint das Modell des erweiterten Fachwissens für den schulischen Kontext äußerst geeignet zu sein, um anhand der Facetten und deren Beschreibungen Lerngelegenheiten oder Gestaltungsprinzipien für diese zu konzipieren. Für das untersuchte Lehr-Lernarrangement haben sich kleinere Adaptationen des Modells als sinnvoll erwiesen. Hinsichtlich der Methodologie konnten Ableitungen für die Anwendung der fachdidaktischen Entwicklungsforschung für additive fachliche Lehrveranstaltungen dieser Art herausgestellt werden. Um den Professionsbezug der fachwissenschaftlichen Anteile im Lehramtsstudium zu verbessern, ist der weitere Einbezug des erweiterten Fachwissens für den schulischen Kontext in die fachwissenschaftlichen Studienanteile überaus wünschenswert. N2 - The content knowledge of teachers is of great importance for the development of pedagogical content knowledge and its application in teaching. However, the characteristics of university courses in order to provide pre-service biology teachers with job-specific content knowledge are still unclear. Within the project PSI-Potsdam a theory-based interdisciplinary model of school-related content knowledge (SRCK) was developed. This model served as a conceptual basis for an additive course within the biology teacher training curriculum. Learning opportunities are offered to apply the university-acquired subject matter knowledge to school contexts (e.g. through the deconstruction and subsequent reconstruction of texts for school purposes). The effects of the seminar, especially the learning processes, were observed in several cycles in the format of design research. One of the central research questions is: How can a learning opportunity for perspective Biology teachers be designed, to promote SRCK with regard to the topic “structure and function of the biomembrane"? Cross-case analyses (n = 29) show existing attitudes towards teacher training. As an important result, it can be emphasized, that the subject interest in school- and university-taught content differs strikingly among the students. School knowledge is shown a significantly higher interest. The professional relevance of subject-related content is often determined by a perceived proximity to school knowledge. Within concrete individual case analyses (n = 6), learning paths are used to show how subject-specific concepts have developed over several design experiments. The description focuses primarily on key points and obstacles in the learning process. Within this framework, iterations made for the individual cycles are described. It could be shown that the key points come to light very individually due to the focused content. In most cases, however, they occur in connection with the linking of different concepts or through cooperative explanations of concepts. Obstacles in the learning processes, on the other hand, could be identified across cases in the form of inappropriate ideas. This concerns, among other things, the idea of the biomembrane as a wall, which goes hand in hand with the ideas of a protective function and a shaping function of the biomembrane. Furthermore, a number of possibilities could be shown, how the SRCK was applied in the learning tasks. It was established that certain learning opportunities are appropriate to promote certain facets of SRCK. Overall, the model of SRCK seems to be extremely suitable in order to design learning opportunities. For the investigated teaching-learning arrangement, smaller adaptations of the model have proven as useful. In order to improve the professional relevance of the teacher training programme, the further inclusion of the SRCK in the subject-specific study components is highly desirable. KW - Professionswissen KW - Fachwissen KW - Studierendenvorstellungen KW - Biomembran KW - Erweitertes Fachwissen für den schulischen Kontext KW - professional competence KW - Design Research KW - Design Research KW - content knowledge KW - biomembrane KW - school-related content knowledge Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-521209 ER - TY - GEN A1 - Göthel, Markus A1 - Listek, Martin A1 - Messerschmidt, Katrin A1 - Schlör, Anja A1 - Hönow, Anja A1 - Hanack, Katja T1 - A New Workflow to Generate Monoclonal Antibodies against Microorganisms T2 - Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Monoclonal antibodies are used worldwide as highly potent and efficient detection reagents for research and diagnostic applications. Nevertheless, the specific targeting of complex antigens such as whole microorganisms remains a challenge. To provide a comprehensive workflow, we combined bioinformatic analyses with novel immunization and selection tools to design monoclonal antibodies for the detection of whole microorganisms. In our initial study, we used the human pathogenic strain E. coli O157:H7 as a model target and identified 53 potential protein candidates by using reverse vaccinology methodology. Five different peptide epitopes were selected for immunization using epitope-engineered viral proteins. The identification of antibody-producing hybridomas was performed by using a novel screening technology based on transgenic fusion cell lines. Using an artificial cell surface receptor expressed by all hybridomas, the desired antigen-specific cells can be sorted fast and efficiently out of the fusion cell pool. Selected antibody candidates were characterized and showed strong binding to the target strain E. coli O157:H7 with minor or no cross-reactivity to other relevant microorganisms such as Legionella pneumophila and Bacillus ssp. This approach could be useful as a highly efficient workflow for the generation of antibodies against microorganisms. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1174 KW - monoclonal antibody KW - antibody producing cell selection KW - hybridoma KW - epitope prediction Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-523341 SN - 1866-8372 IS - 20 ER - TY - GEN A1 - Romero-Mujalli, Daniel A1 - Rochow, Markus A1 - Kahl, Sandra M. A1 - Paraskevopoulou, Sofia A1 - Folkertsma, Remco A1 - Jeltsch, Florian A1 - Tiedemann, Ralph T1 - Adaptive and nonadaptive plasticity in changing environments: Implications for sexual species with different life history strategies T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Populations adapt to novel environmental conditions by genetic changes or phenotypic plasticity. Plastic responses are generally faster and can buffer fitness losses under variable conditions. Plasticity is typically modeled as random noise and linear reaction norms that assume simple one-to- one genotype–phenotype maps and no limits to the phenotypic response. Most studies on plasticity have focused on its effect on population viability. However, it is not clear, whether the advantage of plasticity depends solely on environmental fluctuations or also on the genetic and demographic properties (life histories) of populations. Here we present an individual-based model and study the relative importance of adaptive and nonadaptive plasticity for populations of sexual species with different life histories experiencing directional stochastic climate change. Environmental fluctuations were simulated using differentially autocorrelated climatic stochasticity or noise color, and scenarios of directiona climate change. Nonadaptive plasticity was simulated as a random environmental effect on trait development, while adaptive plasticity as a linear, saturating, or sinusoidal reaction norm. The last two imposed limits to the plastic response and emphasized flexible interactions of the genotype with the environment. Interestingly, this assumption led to (a) smaller phenotypic than genotypic variance in the population (many-to- one genotype–phenotype map) and the coexistence of polymorphisms, and (b) the maintenance of higher genetic variation—compared to linear reaction norms and genetic determinism—even when the population was exposed to a constant environment for several generations. Limits to plasticity led to genetic accommodation, when costs were negligible, and to the appearance of cryptic variation when limits were exceeded. We found that adaptive plasticity promoted population persistence under red environmental noise and was particularly important for life histories with low fecundity. Populations produing more offspring could cope with environmental fluctuations solely by genetic changes or random plasticity, unless environmental change was too fast. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1170 KW - developmental canalization KW - environmental change KW - genetic accommodation KW - Individual-based models KW - limits KW - many-to-one genotype–phenotype map KW - noise color KW - phenotypic plasticity KW - reaction norms KW - stochastic fluctuations Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-523201 SN - 1866-8372 IS - 1170 ER - TY - GEN A1 - Cahsan, Binia De A1 - Westbury, Michael V. A1 - Paraskevopoulou, Sofia A1 - Drews, Hauke A1 - Ott, Moritz A1 - Gollmann, Günter A1 - Tiedemann, Ralph T1 - Genomic consequences of human-mediated translocations in margin populations of an endangered amphibian T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Due to their isolated and often fragmented nature, range margin populations are especially vulnerable to rapid environmental change. To maintain genetic diversity and adaptive potential, gene flow from disjunct populations might therefore be crucial to their survival. Translocations are often proposed as a mitigation strategy to increase genetic diversity in threatened populations. However, this also includes the risk of losing locally adapted alleles through genetic swamping. Human-mediated translocations of southern lineage specimens into northern German populations of the endangered European fire-bellied toad (Bombina bombina) provide an unexpected experimental set-up to test the genetic consequences of an intraspecific introgression from central population individuals into populations at the species range margin. Here, we utilize complete mitochondrial genomes and transcriptome nuclear data to reveal the full genetic extent of this translocation and the consequences it may have for these populations. We uncover signs of introgression in four out of the five northern populations investigated, including a number of introgressed alleles ubiquitous in all recipient populations, suggesting a possible adaptive advantage. Introgressed alleles dominate at the MTCH2 locus, associated with obesity/fat tissue in humans, and the DSP locus, essential for the proper development of epidermal skin in amphibians. Furthermore, we found loci where local alleles were retained in the introgressed populations, suggesting their relevance for local adaptation. Finally, comparisons of genetic diversity between introgressed and nonintrogressed northern German populations revealed an increase in genetic diversity in all German individuals belonging to introgressed populations, supporting the idea of a beneficial transfer of genetic variation from Austria into North Germany. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1168 KW - adaptive introgression KW - admixture KW - Bombina bombina KW - genetic rescue KW - mitogenomes KW - transcriptomics Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-523140 SN - 1866-8372 IS - 6 ER - TY - GEN A1 - Wolff, Martin A1 - Gast, Klaus A1 - Evers, Andreas A1 - Kurz, Michael A1 - Pfeiffer-Marek, Stefania A1 - Schüler, Anja A1 - Seckler, Robert A1 - Thalhammer, Anja T1 - A Conserved Hydrophobic Moiety and Helix-Helix Interactions Drive the Self-Assembly of the Incretin Analog Exendin-4 T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Exendin-4 is a pharmaceutical peptide used in the control of insulin secretion. Structural information on exendin-4 and related peptides especially on the level of quaternary structure is scarce. We present the first published association equilibria of exendin-4 directly measured by static and dynamic light scattering. We show that exendin-4 oligomerization is pH dependent and that these oligomers are of low compactness. We relate our experimental results to a structural hypothesis to describe molecular details of exendin-4 oligomers. Discussion of the validity of this hypothesis is based on NMR, circular dichroism and fluorescence spectroscopy, and light scattering data on exendin-4 and a set of exendin-4 derived peptides. The essential forces driving oligomerization of exendin-4 are helix–helix interactions and interactions of a conserved hydrophobic moiety. Our structural hypothesis suggests that key interactions of exendin-4 monomers in the experimentally supported trimer take place between a defined helical segment and a hydrophobic triangle constituted by the Phe22 residues of the three monomeric subunits. Our data rationalize that Val19 might function as an anchor in the N-terminus of the interacting helix-region and that Trp25 is partially shielded in the oligomer by C-terminal amino acids of the same monomer. Our structural hypothesis suggests that the Trp25 residues do not interact with each other, but with C-terminal Pro residues of their own monomers. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1161 KW - biophysics KW - diabetes KW - peptides KW - oligomerization KW - conformational change KW - molecular modeling KW - static and dynamic light scattering KW - spectroscopy Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-522081 SN - 1866-8372 IS - 9 ER - TY - GEN A1 - Guljamow, Arthur A1 - Barchewitz, Tino A1 - Große, Rebecca A1 - Timm, Stefan A1 - Hagemann, Martin A1 - Dittmann, Elke T1 - Diel Variations of Extracellular Microcystin Influence the Subcellular Dynamics of RubisCO in Microcystis aeruginosa PCC 7806 T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - The ubiquitous freshwater cyanobacterium Microcystis is remarkably successful, showing a high tolerance against fluctuations in environmental conditions. It frequently forms dense blooms which can accumulate significant amounts of the hepatotoxin microcystin, which plays an extracellular role as an infochemical but also acts intracellularly by interacting with proteins of the carbon metabolism, notably with the CO2 fixing enzyme RubisCO. Here we demonstrate a direct link between external microcystin and its intracellular targets. Monitoring liquid cultures of Microcystis in a diel experiment revealed fluctuations in the extracellular microcystin content that correlate with an increase in the binding of microcystin to intracellular proteins. Concomitantly, reversible relocation of RubisCO from the cytoplasm to the cell’s periphery was observed. These variations in RubisCO localization were especially pronounced with cultures grown at higher cell densities. We replicated these effects by adding microcystin externally to cultures grown under continuous light. Thus, we propose that microcystin may be part of a fast response to conditions of high light and low carbon that contribute to the metabolic flexibility and the success of Microcystis in the field. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1154 KW - cyanobacterial bloom KW - Microcystis KW - microcystin KW - RubisCO KW - extracellular signaling Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-521287 SN - 1866-8372 IS - 1154 ER - TY - THES A1 - Raatz, Larissa T1 - Boon and bane T1 - Segen und Fluch BT - how semi-natural habitats shape biodiversity-driven ecosystem (dis)services in agricultural landscapes BT - wie naturnahe Habitate biodiversitätsbedingte Ökosystemdienstleistungen in Agrarlandschaften beeinflussen N2 - Semi-natural habitats (SNHs) in agricultural landscapes represent important refugia for biodiversity including organisms providing ecosystem services. Their spill-over into agricultural fields may lead to the provision of regulating ecosystem services such as biological pest control ultimately affecting agricultural yield. Still, it remains largely unexplored, how different habitat types and their distributions in the surrounding landscape shape this provision of ecosystem services within arable fields. Hence, in this thesis I investigated the effect of SNHs on biodiversity-driven ecosystem services and disservices affecting wheat production with an emphasis on the role and interplay of habitat type, distance to the habitat and landscape complexity. I established transects from the field border into the wheat field, starting either from a field-to-field border, a hedgerow, or a kettle hole, and assessed beneficial and detrimental organisms and their ecosystem functions as well as wheat yield at several in-field distances. Using this study design, I conducted three studies where I aimed to relate the impacts of SNHs at the field and at the landscape scale on ecosystem service providers to crop production. In the first study, I observed yield losses close to SNHs for all transect types. Woody habitats, such as hedgerows, reduced yields stronger than kettle holes, most likely due to shading from the tall vegetation structure. In order to find the biotic drivers of these yield losses close to SNHs, I measured pest infestation by selected wheat pests as potential ecosystem disservices to crop production in the second study. Besides relating their damage rates to wheat yield of experimental plots, I studied the effect of SNHs on these pest rates at the field and at the landscape scale. Only weed cover could be associated to yield losses, having their strongest impact on wheat yield close to the SNH. While fungal seed infection rates did not respond to SNHs, fungal leaf infection and herbivory rates of cereal leaf beetle larvae were positively influenced by kettle holes. The latter even increased at kettle holes with increasing landscape complexity suggesting a release of natural enemies at isolated habitats within the field interior. In the third study, I found that also ecosystem service providers benefit from the presence of kettle holes. The distance to a SNH decreased species richness of ecosystem service providers, whereby the spatial range depended on species mobility, i.e. arable weeds diminished rapidly while carabids were less affected by the distance to a SNH. Contrarily, weed seed predation increased with distance suggesting that a higher food availability at field borders might have diluted the predation on experimental seeds. Intriguingly, responses to landscape complexity were rather mixed: While weed species richness was generally elevated with increasing landscape complexity, carabids followed a hump-shaped curve with highest species numbers and activity-density in simple landscapes. The latter might give a hint that carabids profit from a minimum endowment of SNHs, while a further increase impedes their mobility. Weed seed predation was affected differently by landscape complexity depending on weed species displayed. However, in habitat-rich landscapes seed predation of the different weed species converged to similar rates, emphasising that landscape complexity can stabilize the provision of ecosystem services. Lastly, I could relate a higher weed seed predation to an increase in wheat yield even though seed predation did not diminish weed cover. The exact mechanisms of the provision of weed control to crop production remain to be investigated in future studies. In conclusion, I found habitat-specific responses of ecosystem (dis)service providers and their functions emphasizing the need to evaluate the effect of different habitat types on the provision of ecosystem services not only at the field scale, but also at the landscape scale. My findings confirm that besides identifying species richness of ecosystem (dis)service providers the assessment of their functions is indispensable to relate the actual delivery of ecosystem (dis)services to crop production. N2 - Naturnahe Habitate, wie zum Beispiel Hecken und Sölle, stellen wichtige Refugien für die Biodiversität in Agrarlandschaften dar, weil aus diesen Habitaten Organismen in die Agrarflächen einwandern und dort regulierende Ökosystemdienstleistungen, wie zum Beispiel biologische Schädlingsbekämpfung, erbringen können. Weitgehend unerforscht ist bisher, in welcher Art und Weise die verschiedenen Habitattypen und ihre Verteilung in der umgebenden Landschaft die Bereitstellung dieser Ökosystemdienstleistungen, die letztlich auch einen Einfluss auf die landwirtschaftlichen Erträge haben können, beeinflussen. Daher habe ich den Einfluss von naturnahen Habitattypen auf biodiversitätsbedingte Ökosystemdienstleistungen und ihre Auswirkung auf die Weizenproduktion untersucht. Der Schwerpunkt meiner Arbeit lag auf dem Einfluss und dem Zusammenspiel von Habitattyp, Entfernung zum naturnahen Habitat und der umgebenden Landschaftsvielfalt. Auf intensiv bewirtschafteten Weizenfeldern habe ich entlang von Transekten von der Feldgrenze in das Feld hinein Nützlinge und Schädlinge, Ökosystemfunktionen sowie den Weizenertrag ermittelt. In der ersten Studie habe ich am Feldrand für alle Habitattypen einen Ertragsverlust im Vergleich zur Feldmitte beobachtet, wobei Hecken die stärkste Ertragsreduktion aufwiesen. Dieses Resultat führe ich auf die Beschattung durch die hohe Vegetationsstruktur zurück. Um Ertragsverluste besser zu verstehen, habe ich in der zweiten Studie den Schädlingsbefall durch ausgewählte Weizenschädlinge sowie den direkten Einfluss der naturnahen Habitate auf die Schädlingsraten auf der Feld- und Landschaftsskala untersucht. Nur die Unkrautbedeckung konnte mit dem Ertragsverlust in Verbindung gebracht werden, wobei sie einen stärkeren Einfluss auf die Ernteerträge in der Nähe der naturnahen Habitate hatte. Darüber hinaus konnte ich zeigen, dass die Befallsraten von Blattpathogenen und die Fraßraten der Larven des Getreidehähnchens an Söllen erhöht waren. Letzteres stieg sogar an Söllen mit zunehmender Landschaftsvielfalt an, was auf den Wegfall natürlicher Feinde an isolierten Habitaten im Feldinneren, wie Söllen, schließen lässt. In meiner dritten Studie fand ich heraus, dass auch Ökosystemdienstleister, wie Laufkäfer sowie die Samenprädation von Unkräutern, von Söllen profitieren. Die Entfernung zu einem naturnahen Habitat verringerte den Artenreichtum der Ökosystemdienstleister, im Gegensatz zur Samenprädation, welche zur Feldmitte zunahm. Dies deutet darauf hin, dass eine höhere Nahrungsverfügbarkeit an Feldrändern die Prädation von Versuchssamen abgeschwächt haben könnte. Während mit zunehmender Landschaftsvielfalt die Artenanzahl an Unkräutern anstieg, war bei den Laufkäfern die höchste Artenzahl und Aktivitätsdichte in Landschaften mit geringer Vielfalt zu beobachten. Das lässt den Schluss zu, dass eine Minimalausstattung an naturnahen Habitaten für Laufkäfer vorteilhaft ist, während ein zu großer Anteil an naturnahen Habitaten ihre Mobilität behindern könnte. Die ausgelegten Samen wurden in habitatarmen Landschaften unterschiedlich stark gefressen, wohingegen sie sich in habitatreichen Landschaften anglichen. Dieses Resultat unterstreicht, dass Landschaftsvielfalt die Bereitstellung von Ökosystemdienstleistungen stabilisieren kann. Abschließend konnte ich zeigen, dass mit ansteigender Samenprädation von Unkräutern ein Anstieg des Weizenertrages einherging, wenn auch die Unkrautbedeckung nicht verringert wurde. Die genauen Mechanismen der Bereitstellung von natürlicher Unkrautbekämpfung für die Pflanzenproduktion sollten in zukünftigen Studien weiter untersucht werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die untersuchten Ökosystemdienstleister und ihre Schädlings- sowie Prädationsraten Habitatpräferenzen aufwiesen. Diese Tatsache unterstreicht die Notwendigkeit, die Auswirkungen verschiedener Habitattypen auf die Bereitstellung von Ökosystemdienstleistungen nicht nur auf der Feldskala, sondern auch auf der Landschaftsskala zu bewerten. Meine Ergebnisse bestätigen, dass neben der Aufnahme des Artenreichtums von Ökosystemdienstleistern die Bewertung ihrer Funktionen unerlässlich ist, um die tatsächliche Bereitstellung von Ökosystemdienstleistungen mit dem landwirtschaftlichen Ertrag in Beziehung zu setzen. KW - semi-natural habitat KW - agroecology KW - yield KW - pest KW - natural enemies KW - Agrarökologie KW - Nützlinge KW - Schädlinge KW - naturnahe Habitate KW - Ernte Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-519653 ER - TY - THES A1 - Leiser, Rico T1 - Biogeochemical processes governing microplastic transport in freshwater reservoirs N2 - The presented study investigated the influence of microbial and biogeochemical processes on the physical transport related properties and the fate of microplastics in freshwater reservoirs. The overarching goal was to elucidate the mechanisms leading to sedimentation and deposition of microplastics in such environments. This is of importance, as large amounts of initially buoyant microplastics are found in reservoir sediments worldwide. However, the transport processes which lead to microplastics accumulation in sediments, were up to now understudied. The impact of biofilm formation on the density and subsequent sedimentation of microplastics was investigated in the eutrophic Bautzen reservoirs (Chapter 2). Biofilms are complex microbial communities fixed to submerged surfaces through a slimy organic film. The mineral calcite was detected in the biofilms, which led to the sinking of the overgrown microplastic particles. The calcite was of biogenic origin, most likely precipitated by sessile cyanobacteria within the biofilms. Biofilm formation was also studied in the mesotrophic Malter reservoir. Unlike in Bautzen reservoir, biofilm formation did not govern the sedimentation of different microplastics in Malter reservoir (Chapter 3). Instead autumnal lake mixing led to the formation of sinking aggregates of microplastics and iron colloids. Such colloids form when anoxic, iron-rich water from the hypolimnion mixes with the oxygenated epilimnetic waters. The colloids bind organic material from the lake water, which leads to the formation of large and sinking iron-organo flocs. Hence, iron-organo floc formation and their influence on the buoyancy or burial of microplastics into sediments of Bautzen reservoir was studied in laboratory experiments (Chapter 4). Microplastics of different shapes (fiber, fragment, sphere) and sizes were readily incorporated into sinking iron-organo flocs. By this initially buoyant polyethylene microplastics were transported on top of sediments from Bautzen reservoir. Shortly after deposition, the microplastic bearing flocs started to subside and transported the pollutants into deeper sediment layers. The microplastics were not released from the sediments within two months of laboratory incubation. The stability of floc microplastic deposition was further investigated employing experiments with the iron reducing model organism Shewanella oneidensis (Chapter 5). It was shown, that reduction or re-mineralization of the iron minerals did not affect the integrity of the iron-organo flocs. The organic matrix was stable under iron reducing conditions. Hence, no incorporated microplastics were released from the flocs. As similar processes are likely to take place in natural sediments, this might explain the previous described low microplastic release from the sediments. This thesis introduced different mechanisms leading to the sedimentation of initially buoyant microplastics and to their subsequent deposition in freshwater reservoirs. Novel processes such as the aggregation with iron-organo flocs were identified and the understudied issue of biofilm densification through biogenic mineral formation was further investigated. The findings might have implications for the fate of microplastics within the river-reservoir system and outline the role of freshwater reservoirs as important accumulation zone for microplastics. Microplastics deposited in the sediments of reservoirs might not be transported further by through flowing river. Hence the study might contribute to better risk assessment and transport balances of these anthropogenic contaminants. N2 - Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Einfluss mikrobiologischer und biogeochemischer Prozesse auf die physikalischen Transporteigenschaften und den Verbleib von Mikroplastik in Stauseen. Ein Schwerpunkt lag auf der Untersuchung von Mechanismen, welche die Sedimentation von Mikroplastik einleiten. Dies ist von hoher Relevanz, da große Mengen eigentlich schwimmfähigen Mikroplastiks in Stauseesedimenten gefunden werden, aber die Transportprozesse vom Wasser in das Sediment bislang unbekannt waren. In der eutrophen Talsperre Bautzen wurde der Einfluss der Biofilmbildung auf die Dichte und Sedimentation von Mikroplastik untersucht (Kapitel 2). Biofilme sind komplexe mikrobielle Lebensgemeinschaften, welche sich in Form schleimiger Filme auf im Wasser befindlichen Oberflächen bilden. Es konnte ein Zusammenhang zwischen der starken Dichtezunahme beziehungsweise dem Absinken der bewachsenen Partikel und dem Vorhandensein des Minerals Calcit innerhalb des aufwachsenden Biofilms festgestellt werden. Das Calcit war biogenen Ursprungs und wurde infolge der Photosynthese sessiler Cyanobakterien gebildet. In der mesotrophen Talsperre Malter wurde ebenfalls die Biofilmbildung auf Mikroplastik untersucht (Kapitel 3). Dort veränderte die Bildung von mikrobiellen Biofilmen das Sedimentationsverhalten von verschiedenen Mikroplastik-Polymeren nicht. Stattdessen wurde beobachtet, dass die Herbstzirkulation des Sees zur Bildung von Aggregaten aus Mikroplastik und mineralischen Eisenkolloiden führte. Diese Eisenkolloide bilden sich durch die Mischung von eisenreichen, sauerstofffreien Tiefenwasser mit sauerstoffhaltigem Oberflächenwasser. Die Kolloide verbinden sich mit organischem Material aus dem See und formen dadurch größere Flocken. Da die Bildung von eisenhaltigen Flocken ein für geschichtete Stauseen wichtiger Prozess ist, wurde ihr Einfluss auf die Schwimmfähigkeit von Mikroplastik und den darauffolgenden Einbau in die Sedimente untersucht (Kapitel 4). In Laborversuchen konnten verschiedene Formen (Fasern, Fragmente, Kugeln) und Größenklassen von Mikroplastik in die Flocken eingebaut werden. Da die Flocken im Wasser absinken, können sie zuvor schwimmfähiges Polyethylen-Mikroplastik zur Sedimentoberfläche transportieren. Dort angekommen, beginnen die Flocken zusammen mit dem Mikroplastik langsam in das Sediment einzusinken und transportieren es dadurch in tiefere Sedimentschichten. Im Labor konnte innerhalb von zwei Monaten keine signifikante Freisetzung des so transportierten Mikroplastiks aus den Sedimenten beobachtet werden. Die Transformation der Flocken und welchen Einfluss dies auf die Freisetzung von Mikroplastik hat, wurde in Versuchen mit dem eisenreduzierenden Modelorganismus Shewanella oneidensis untersucht (Kapitel 5). Hierbei zeigte sich, dass die Auflösung oder Umwandlung des Eisens beziehungsweise der Eisenminerale innerhalb der Flocken, nicht zur Zerstörung der Flocken führte. Die organische Matrix der Flocken blieb unverändert stabil und umschloss auch weiterhin das eingebaute Mikroplastik. Da im Sediment ähnliche Abbauprozesse ablaufen, gibt dies einen möglichen Hinweis darauf, warum abgelagertes Mikroplastik nicht mehr aus Sedimenten freigesetzt wird. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass in Talsperren unterschiedliche Prozesse zum Absinken und zur Deposition von Mikroplastik führen. Es wurden neuartige Prozesse wie die Aggregation mit eisenhaltigen Flocken identifiziert und ungewöhnliche Aspekte wie die biogene Mineralbildung näher beleuchtet. Dadurch können wichtige Implikationen hinsichtlich des Transports von Mikroplastik in Fluss- Stausee-Systemen abgeleitet werden. Aufgrund der beschriebenen Sedimentationsprozesse sind Stauseen wichtige Akkumulationszonen für Mikroplastik. Im Stausee sedimentierendes Mikroplastik wird potentiell nicht vom aufgestauten Fluss weitertransportiert. Daher könnten die hier beschriebenen Prozesse zu einer Verbesserung von Risikoabschätzungen und Transportbilanzen dieser anthropogenen Belastung führen. KW - microplastics KW - reservoirs KW - calcite KW - iron KW - biofouling KW - sedimentation KW - polyethylene KW - biofilms KW - Mikroplastik KW - Stauhaltungen KW - Kalzit KW - Eisen KW - Sedimentation KW - Polyethylen KW - Biofilme Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-520240 ER - TY - GEN A1 - Gurke, Marie A1 - Vidal-Gorosquieta, Amalia A1 - Pajimans, Johanna L. A. A1 - Wȩcek, Karolina A1 - Barlow, Axel A1 - González-Fortes, Gloria M. A1 - Hartmann, Stefanie A1 - Grandal-d’Anglade, Aurora A1 - Hofreiter, Michael T1 - Insight into the introduction of domestic cattle and the process of Neolithization to the Spanish region Galicia by genetic evidence T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Domestic cattle were brought to Spain by early settlers and agricultural societies. Due to missing Neolithic sites in the Spanish region of Galicia, very little is known about this process in this region. We sampled 18 cattle subfossils from different ages and different mountain caves in Galicia, of which 11 were subject to sequencing of the mitochondrial genome and phylogenetic analysis, to provide insight into the introduction of cattle to this region. We detected high similarity between samples from different time periods and were able to compare the time frame of the first domesticated cattle in Galicia to data from the connecting region of Cantabria to show a plausible connection between the Neolithization of these two regions. Our data shows a close relationship of the early domesticated cattle of Galicia and modern cow breeds and gives a general insight into cattle phylogeny. We conclude that settlers migrated to this region of Spain from Europe and introduced common European breeds to Galicia. KW - Haplogroups KW - Mitochondria KW - Cattle KW - Genomics KW - Domestic animals KW - Livestock KW - Single nucleotide polymorphisms KW - Neolithic period Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-520875 SN - 1866-8372 IS - 4 ER - TY - THES A1 - Bartholomäus, Lisa T1 - Impact of growth-related genes on petal size in Arabidopsis thaliana and the formation of two distinct floral morphs in Amsinckia spectabilis T1 - Einfluss von wachstumsbedingten Genen auf die Petalengröße von Arabidopsis thaliana und die Bildung von zwei unterschiedlichen Blütenmorphologien von Amsinckia spectabilis N2 - Der Lebenszyklus von Pflanzen ist geprägt von sich wiederholenden Wachstums- und Entwicklungsphasen, die auf wiederkehrenden Abläufen, bestehend aus Zellteilung, Zellvergrößerung und Zelldifferenzierung, basieren. Diese Dissertation ist aus zwei Projekten aufgebaut, die sich beide mit unterschiedlichen Blickwinkeln des Zellwachstums beschäftigen. Im ersten steht die Charakterisierung einer Arabidopsis thaliana Mutante, die eine generelle Zellvergrößerung aufweist, im Vordergrund. Das zweite fokussiert sich auf zwei natürlich vorkommende Blütenmorphologien in Amsinckia spectabilis (Boraginaceae), die sich, aufgrund von Zelllängenunterschieden, in Griffellänge und Höhe der Staubblattposition unterscheiden. Es wurde gezeigt, dass die EMS-Mutante eop1 durch größere Zellen 26% größere Blütenblätter aufweist. Außerdem wurden weitere Phänotypen beschrieben, wie zum Beispiel, vergrößerte Kotyledonen, (ebenfalls aufgrund von Zellvergrößerung), Fruchtblätter, Kelchblätter, Rosettenblätter und Pollen. Die Gesamtwuchshöhe der Mutante zeigte sich ebenfalls erhöht und zusätzliche Trichomäste erklärten den haarigen Phänotyp. Feinkartierung enthüllte eine C zu T Transition des letzten Nukleotids des Introns 7 des INCURVATA 11 (ICU11) Gens, einer 2-oxoglutarat/Fe(II)-abhängigen Dioxygenase, als ursächlichen SNP, welcher missgespleißte mRNA verursacht. Zwei T-DNA Insertionslinien (icu11-2 & icu11-4), ebenfalls mit vergrößerten Blütenblättern, bestätigten ICU11 als kausales Gen, und erlaubten somit die Analyse von drei verschiedenen icu11 Allelen. Ein Vergleich der verursachten molekularen Veränderung durch die jeweiligen Mutationen ermittelte Unterschiede in den drei Mutanten, wie zum Beispiel Überexpression von ICU11, als auch die Modifikation von ICU11 mRNA. Zusammen bildete das die Grundlage für die Untersuchung des molekularen Mechanismus, der für den beobachteten Phänotyp verantwortlich ist. Verschiedene Ansätze ermittelten widersprüchliche Ergebnisse hinsichtlich der Proteinfunktion von ICU11 in den drei Mutanten. So zeigte eine Komplementierungsanalyse, dass alle drei Mutationen austauschbar sind, was, zusammen mit der Beobachtung, dass eine ICU11 Überexpression im Wildtyp zu einem icu11-ähnlichen Phänotyp zeigte, dazu führte, dass die icu11 Mutanten als gain-of-function Mutationen eingeordnet wurden. Im Widerspruch dazu stand die Entdeckung, dass sich icu11-4 durch ein genomisches ICU11 Transgen retten ließ. So wurde ein Model, basierend auf der Annahme, dass eine ICU11 Überexpression die Proteinfunktion ebenso hemmt wie ein nichtfunktionales Protein, vorgeschlagen. Außerdem wurde eine erhöhte Resistenz der icu11-3 (eop1) gegenüber Paclobutrazol, einem Gibberellin (GA)-Inhibitor, und die Aktivierung der Expression von AtGA20ox2, einem Haupt-GA-Biosynthese-Gen, festgestellt. Zusätzlich wurde eine zytoplasmatische Lokalisation von ICU11 detektiert, sodass ein Einfluss von ICU11 auf die GA- Biosynthese und somit auf das Gesamt-GA-Level angenommen wird, der den beobachteten (GA-überdosierten) Phänotyp erklären könnte. Das zweite Projekt strebte die Identifizierung der genetischen Grundlage des S-Locus in Amsinckia spectabilis an, da die Gattung Amsinckia einige untypische Charakteristiken für eine heterostyle Art, wie zum Beispiel das Fehlen einer offensichtlichen Selbstinkompatibilität (SI), sowie die mehrmalige Entwicklung zu Homostyly und 100% autonomem Selbsten, aufweist. Die Analyse basierte auf drei Amsinckia spectabilis Varianten: einer heterostylen Form, bestehend aus zwei Blütenmorphologien mit gegensätzlich positionierten Sexualorganen (S-Morph: hohe Staubblattposition und kurzer Griffel und L-Morph: niedrige Staubblattansätze und langer Griffel), und zwei homostylen Formen, einer großblütigen teilweise selbstenden und einer kleinblütigen voll selbstenden. Natürliche Populationen weisen ungefähr ein 1:1 S:L Morph-Verhältnis auf, welches sich durch vorherrschend disassortative Paarung beider Morphs erklären lasst. Dadurch kann das dominante S-Allel ausschließlich heterozygot auftreten (heterozygot (Ss) im S-morph und homozygot rezessiv (ss) im L-morph). Die Suche nach Morph-spezifischen Phänotypen offenbarte 56% längere L-Morph Griffel und 58% höhere S-Morph Staubblattansätze. Zusätzlich wurden 21% größere S-Morph Pollen, sowie das Fehlen einer offensichtlichen SI gefunden. Dies war die Grundlage für die Annahme, dass der Amsinckia spec. S-Locus mindestens aus G- (Griffel), A- (Staubblatt) und P- (Pollen) Locus besteht. Vergleichende Transkriptom-Analyse beider Morphs offenbarte 22 unterschiedlich exprimierte Marker, die in 2 Contigs der PacBio Genom-Assemblierung eines SS-Individuums lokalisiert werden konnten. Dies erlaubte die genetische Einengung des S-Locus auf einen Bereich von circa 23 Mb. Gegensätzlich zu bisher aufgeklärten S-Loci in anderen Pflanzenarten konnte kein Hinweis auf eine hemizygote Region gefunden werden, die die supprimierte Rekombination am S-Locus erklären könnte, sodass eine Inversion als Ursache dieser vermutet wurde. N2 - The life cycle of higher plants is based on recurring phases of growth and development based on repetitive sequences of cell division, cell expansion and cell differentiation. This dissertation deals with two projects, each of them investigating two different topics that are related to cell expansion. The first project is examining an Arabidopsis thaliana mutant exhibiting overall cell enlargement and the second project is analysing two naturally occurring floral morphs of Amsinckia spectabilis (Boraginaceae) differing (amongst others) in style length and anther heights due to differences in longitudinal cell elongation. The EMS-mutant eop1 was shown to exhibit a petal size increase of 26% caused by cell enlargement. Further phenotypes were detected, such as cotyledon size increase (based on larger cells) as well as increased carpel, sepal, leaf and pollen sizes. Plant height was shown to be increased and more highly branched trichomes explained the hairy eop1 phenotype. Fine mapping revealed the causal SNP to be a C to T transition at the last nucleotide of intron 7 of the INCURVATA11 (ICU11) gene, a 2-oxoglutarate /Fe(II)-dependant dioxygenase, and thus causing missplicing of the mRNA. Two T-DNA insertion lines (icu11-2 & icu11-4) confirmed ICU11 as causal gene by exhibiting increased petal size. A comparison of three icu11 alleles, which possessed different mutation-related changes, either overexpressing ICU11 or modified mRNAs, was the base for investigating the molecular mechanism that underlies the observed phenotype. Different approaches revealed contradictory results regarding ICU11 protein functionality in the icu11 mutants. A complementation assay proved the three mutants to be exchangeable and ICU11 overexpression in the wild-type led to an icu11-like phenotype, arguing for all three icu11 mutants to be GOF mutants. Contradicting this conclusion, the icu11-4 line could be rescued by a genomic ICU11 transgene. A model, based on the assumption that an overexpression of ICU11 is inhibiting the function of the protein, and thus causing the same effect as a LOF protein was proposed. Further, icu11-3 (eop1) mutants were shown to have an increased resistance towards paclobutrazol, a gibberellin (GA) inhibitor and an upregulation of AtGA20ox2, a main GA biosynthesis gene. Additionally, ICU11 subcellular localization was discovered to be cytoplasmic, supporting the assumption, that ICU11 affects GA biosynthesis and overall GA level, possibly explaining the observed (GA-overdose) phenotype. The second project aimed to identify the genetic base of the S-locus in Amsinckia spectabilis, as the Amsinckia genus represents untypical characteristics for a heterostylous species, such as no obvious self-incompatibility (SI) and the repeated transition towards homostylous and fully selfing variants. The work was based on three Amsinckia spectabilis forms: a heterostylous form, consisting of two floral morphs with reciprocal positioning of sexual organs (S-morph: high anthers and a short style and L-morph: low anthers and a long style), and two homostylous forms, one large-flowered and partially selfing and the other small-flowered and fully selfing. The maintenance of the two floral morphs is genetically based on the S-locus region, containing genes that encode for the morph-specific traits, which are marked by a tight linkage due to suppressed recombination. Natural populations are found to possess a 1:1 S:L morph ratio, that can be explained by predominant disassortative mating of the two morphs, causing the occurrence of the dominant S-allele only in the heterozygous state (heterozygous (Ss) for the S-morph and homozygous recessive (ss) for the L-morph). Investigation of morph-specific phenotypes detected 56% elongated L-morph styles and 58% higher positioned S-morph anthers. Approximately 50% of the observed size differences were explained by an increase in cell elongation. Moreover, additional phenotypes were found, such as 21% enlarged S-morph pollen and no obvious SI, confirmed by hand pollinated seed counts, in vivo pollen tube growth and the development of homozygous dominant SS individuals via selfing. The Amsinckia spec. S-locus was assumed to at least consist of the G- (style length), the A- (anther height) and the P- (pollen size) locus. Comparative Transcriptomics of the two morphs revealed 22 differentially expressed markers that were found to be located within two contigs of a SS individual PacBio genome assembly, allowing the localization of the S-locus to be delimited to a region of approximately 23 Mb. Contradictory to revealed S-loci within the plant kingdom, no strong argument for a present hemizygous region was found to be causal for the suppressed recombination of the S-locus, so that an inversion was assumed to be the causal mechanism. KW - INCURVATA11 KW - Amsinckia KW - Arabidopsis thaliana cell size S-morph KW - L-morph KW - style KW - anthers KW - 2-oxoglutarate /FeII-dependant dioxygenases KW - cell size KW - S-morph KW - Zellgröße KW - S-morph KW - L-morph KW - Fruchtknoten KW - Staubblätter KW - 2-oxoglutarat / FeII- abhängige Dioxygenases Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-519861 ER - TY - GEN A1 - Bergholz, Kolja A1 - Kober, Klarissa A1 - Jeltsch, Florian A1 - Schmidt, Kristina A1 - Weiß, Lina T1 - Trait means or variance BT - What determines plant species' local and regional occurrence in fragmented dry grasslands? T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - One of the few laws in ecology is that communities consist of few common and many rare taxa. Functional traits may help to identify the underlying mechanisms of this community pattern, since they correlate with different niche dimensions. However, comprehensive studies are missing that investigate the effects of species mean traits (niche position) and intraspecific trait variability (ITV, niche width) on species abundance. In this study, we investigated fragmented dry grasslands to reveal trait-occurrence relationships in plants at local and regional scales. We predicted that (a) at the local scale, species occurrence is highest for species with intermediate traits, (b) at the regional scale, habitat specialists have a lower species occurrence than generalists, and thus, traits associated with stress-tolerance have a negative effect on species occurrence, and (c) ITV increases species occurrence irrespective of the scale. We measured three plant functional traits (SLA = specific leaf area, LDMC = leaf dry matter content, plant height) at 21 local dry grassland communities (10 m × 10 m) and analyzed the effect of these traits and their variation on species occurrence. At the local scale, mean LDMC had a positive effect on species occurrence, indicating that stress-tolerant species are the most abundant rather than species with intermediate traits (hypothesis 1). We found limited support for lower specialist occurrence at the regional scale (hypothesis 2). Further, ITV of LDMC and plant height had a positive effect on local occurrence supporting hypothesis 3. In contrast, at the regional scale, plants with a higher ITV of plant height were less frequent. We found no evidence that the consideration of phylogenetic relationships in our analyses influenced our findings. In conclusion, both species mean traits (in particular LDMC) and ITV were differently related to species occurrence with respect to spatial scale. Therefore, our study underlines the strong scale-dependency of trait-abundance relationships. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1151 KW - LMA KW - niche width KW - plant functional trait KW - scale-dependency KW - species abundance KW - trait-environment relationship Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-519905 SN - 1866-8372 SP - 3357 EP - 3365 ER - TY - THES A1 - Schaarschmidt, Stephanie T1 - Evaluation and application of omics approaches to characterize molecular responses to abiotic stresses in plants T1 - Evaluierung und Anwendung von Omics-Methoden zur Charakterisierung von abiotischem Stress in Pflanzen auf molekularer Ebene N2 - Aufgrund des globalen Klimawandels ist die Gewährleistung der Ernährungssicherheit für eine wachsende Weltbevölkerung eine große Herausforderung. Insbesondere abiotische Stressoren wirken sich negativ auf Ernteerträge aus. Um klimaangepasste Nutzpflanzen zu entwickeln, ist ein umfassendes Verständnis molekularer Veränderungen in der Reaktion auf unterschiedlich starke Umweltbelastungen erforderlich. Hochdurchsatz- oder "Omics"-Technologien können dazu beitragen, Schlüsselregulatoren und Wege abiotischer Stressreaktionen zu identifizieren. Zusätzlich zur Gewinnung von Omics-Daten müssen auch Programme und statistische Analysen entwickelt und evaluiert werden, um zuverlässige biologische Ergebnisse zu erhalten. Ich habe diese Problemstellung in drei verschiedenen Studien behandelt und dafür zwei Omics-Technologien benutzt. In der ersten Studie wurden Transkript-Daten von den beiden polymorphen Arabidopsis thaliana Akzessionen Col-0 und N14 verwendet, um sieben Programme hinsichtlich ihrer Fähigkeit zur Positionierung und Quantifizierung von Illumina RNA Sequenz-Fragmenten („Reads“) zu evaluieren. Zwischen 92% und 99% der Reads konnten an die Referenzsequenz positioniert werden und die ermittelten Verteilungen waren hoch korreliert für alle Programme. Bei der Durchführung einer differentiellen Genexpressionsanalyse zwischen Pflanzen, die bei 20 °C oder 4 °C (Kälteakklimatisierung) exponiert wurden, ergab sich eine große paarweise Überlappung zwischen den Programmen. In der zweiten Studie habe ich die Transkriptome von zehn verschiedenen Oryza sativa (Reis) Kultivaren sequenziert. Dafür wurde die PacBio Isoform Sequenzierungstechnologie benutzt. Die de novo Referenztranskriptome hatten zwischen 38.900 bis 54.500 hoch qualitative Isoformen pro Sorte. Die Isoformen wurden kollabiert, um die Sequenzredundanz zu verringern und danach evaluiert z.B. hinsichtlich des Vollständigkeitsgrades (BUSCO), der Transkriptlänge und der Anzahl einzigartiger Transkripte pro Genloci. Für die hitze- und trockenheitstolerante Sorte N22 wurden ca. 650 einzigartige und neue Transkripte identifiziert, von denen 56 signifikant unterschiedlich in sich entwickelnden Samen unter kombiniertem Trocken- und Hitzestress exprimiert wurden. In der letzten Studie habe ich die Veränderungen in Metabolitprofilen von acht Reissorten gemessen und analysiert, die dem Stress hoher Nachttemperaturen (HNT) ausgesetzt waren und während der Trocken- und Regenzeit im Feld auf den Philippinen angebaut wurden. Es wurden jahreszeitlich bedingte Veränderungen im Metabolitspiegel sowie für agronomische Parameter identifiziert und mögliche Stoffwechselwege, die einen Ertragsrückgang unter HNT-Bedingungen verursachen, vorgeschlagen. Zusammenfassend konnte ich zeigen, dass der Vergleich der RNA-seq Programme den Pflanzenwissenschaftler*innen helfen kann, sich für das richtige Werkzeug für ihre Daten zu entscheiden. Die de novo Transkriptom-Rekonstruktion von Reissorten ohne Genomsequenz bietet einen gezielten, kosteneffizienten Ansatz zur Identifizierung neuer Gene, die durch verschiedene Stressbedingungen reguliert werden unabhängig vom Organismus. Mit dem Metabolomik-Ansatz für HNT-Stress in Reis habe ich stress- und jahreszeitenspezifische Metabolite identifiziert, die in Zukunft als molekulare Marker für die Verbesserung von Nutzpflanzen verwendet werden könnten. N2 - Due to global climate change providing food security for an increasing world population is a big challenge. Especially abiotic stressors have a strong negative effect on crop yield. To develop climate-adapted crops a comprehensive understanding of molecular alterations in the response of varying levels of environmental stresses is required. High throughput or ‘omics’ technologies can help to identify key-regulators and pathways of abiotic stress responses. In addition to obtain omics data also tools and statistical analyses need to be designed and evaluated to get reliable biological results. To address these issues, I have conducted three different studies covering two omics technologies. In the first study, I used transcriptomic data from the two polymorphic Arabidopsis thaliana accessions, namely Col-0 and N14, to evaluate seven computational tools for their ability to map and quantify Illumina single-end reads. Between 92% and 99% of the reads were mapped against the reference sequence. The raw count distributions obtained from the different tools were highly correlated. Performing a differential gene expression analysis between plants exposed to 20 °C or 4°C (cold acclimation), a large pairwise overlap between the mappers was obtained. In the second study, I obtained transcript data from ten different Oryza sativa (rice) cultivars by PacBio Isoform sequencing that can capture full-length transcripts. De novo reference transcriptomes were reconstructed resulting in 38,900 to 54,500 high-quality isoforms per cultivar. Isoforms were collapsed to reduce sequence redundancy and evaluated, e.g. for protein completeness level (BUSCO), transcript length, and number of unique transcripts per gene loci. For the heat and drought tolerant aus cultivar N22, I identified around 650 unique and novel transcripts of which 56 were significantly differentially expressed in developing seeds during combined drought and heat stress. In the last study, I measured and analyzed the changes in metabolite profiles of eight rice cultivars exposed to high night temperature (HNT) stress and grown during the dry and wet season on the field in the Philippines. Season-specific changes in metabolite levels, as well as for agronomic parameters, were identified and metabolic pathways causing a yield decline at HNT conditions suggested. In conclusion, the comparison of mapper performances can help plant scientists to decide on the right tool for their data. The de novo reconstruction of rice cultivars without a genome sequence provides a targeted, cost-efficient approach to identify novel genes responding to stress conditions for any organism. With the metabolomics approach for HNT stress in rice, I identified stress and season-specific metabolites which might be used as molecular markers for crop improvement in the future. KW - Arabidopsis thaliana KW - Oryza sativa KW - RNA-seq KW - PacBio IsoSeq KW - metabolomics KW - high night temperature KW - combined heat and drought stress KW - natural genetic variation KW - differential gene expression KW - Arabidopsis thaliana KW - Oryza sativa KW - PacBio IsoSeq KW - RNA-seq KW - kombinierter Hitze- und Trockenstress KW - erhöhte Nachttemperaturen KW - Differenzielle Genexpression KW - Metabolomik KW - natürliche genetische Variation Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-509630 ER - TY - GEN A1 - Liu, Qingting A1 - Li, Xiaoping A1 - Fettke, Jörg T1 - Starch granules in Arabidopsis thaliana mesophyll and guard cells show similar morphology but differences in size and number T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Transitory starch granules result from complex carbon turnover and display specific situations during starch synthesis and degradation. The fundamental mechanisms that specify starch granule characteristics, such as granule size, morphology, and the number per chloroplast, are largely unknown. However, transitory starch is found in the various cells of the leaves of Arabidopsis thaliana, but comparative analyses are lacking. Here, we adopted a fast method of laser confocal scanning microscopy to analyze the starch granules in a series of Arabidopsis mutants with altered starch metabolism. This allowed us to separately analyze the starch particles in the mesophyll and in guard cells. In all mutants, the guard cells were always found to contain more but smaller plastidial starch granules than mesophyll cells. The morphological properties of the starch granules, however, were indiscernible or identical in both types of leaf cells. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1143 KW - starch granules KW - starch metabolism KW - starch granule initiation KW - starch granule number per chloroplast KW - starch morphology KW - mesophyll cell KW - guard cell KW - LCSM KW - Arabidopsis thaliana Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-511067 SN - 1866-8372 IS - 1143 ER - TY - THES A1 - Moga, Akanksha T1 - Reconstitution of molybdenum cofactor biosynthesis in giant vesicles N2 - Bottom-up synthetic biology is used for the understanding of how a cell works. It is achieved through developing techniques to produce lipid-based vesicular structures as cellular mimics. The most common techniques used to produce cellular mimics or synthetic cells is through electroformation and swelling method. However, the abovementioned techniques cannot efficiently encapsulate macromolecules such as proteins, enzymes, DNA and even liposomes as synthetic organelles. This urges the need to develop new techniques that can circumvent this issue and make the artificial cell a reality where it is possible to imitate a eukaryotic cell through encapsulating macromolecules. In this thesis, the aim to construct a cell system using giant unilamellar vesicles (GUVs) to reconstitute the mitochondrial molybdenum cofactor biosynthetic pathway. This pathway is highly conserved among all life forms, and therefore is known for its biological significance in disorders induced through its malfunctioning. Furthermore, the pathway itself is a multi-step enzymatic reaction that takes place in different compartments. Initially, GTP in the mitochondrial matrix is converted to cPMP in the presence of cPMP synthase. Further, produced cPMP is transported across the membrane to the cytosol, to be converted by MPT synthase into MPT. This pathway provides a possibility to address the general challenges faced in the development of a synthetic cell, to encapsulate large biomolecules with good efficiency and greater control and to evaluate the enzymatic reactions involved in the process. For this purpose, the emulsion-based technique was developed and optimised to allow rapid production of GUVs (~18 min) with high encapsulation efficiency (80%). This was made possible by optimizing various parameters such as density, type of oil, the impact of centrifugation speed/time, lipid concentration, pH, temperature, and emulsion droplet volume. Furthermore, the method was optimised in microtiter plates for direct experimentation and visualization after the GUV formation. Using this technique, the two steps - formation of cPMP from GTP and the formation of MPT from cPMP were encapsulated in different sets of GUVs to mimic the two compartments. Two independent fluorescence-based detection systems were established to confirm the successful encapsulation and conversion of the reactants. Alternatively, the enzymes produced using bacterial expression and measured. Following the successful encapsulation and evaluation of enzymatic reactions, cPMP transport across mitochondrial membrane has been mimicked using GUVs using a complex mitochondrial lipid composition. It was found that the cPMP interaction with the lipid bilayer results in transient pore-formation and leakage of internal contents. Overall, it can be concluded that in this thesis a novel technique has been optimised for fast production of functional synthetic cells. The individual enzymatic steps of the Moco biosynthetic pathway have successfully implemented and quantified within these cellular mimics. N2 - Die synthetische Biologie wird in der von unten-nach-oben-Methode eingesetzt, um zu verstehen, wie eine Zelle funktioniert. Dafür werden Techniken zur Herstellung lipidbasierter vesikul rer Strukturen als zellul re Nachahmungen entwickelt. Die gebräuchlichste Technik zur Herstellung von Zellnachahmungen oder synthetischen Zellen ist die Elektroformations- und Schwellmethode. Diese Techniken können jedoch Makromoleküle wie Proteine, Enzyme, DNA und sogar Liposomen nicht effizient als synthetische Organellen einkapseln. Daher ist es dringend erforderlich, neue Techniken zu entwickeln, die dieses Problem umgehen und die künstliche Zelle zu einer Realität machen, in der es möglich ist, eine eukaryotische Zelle durch Einkapselung von Makromolekülen zu imitieren. Das Ziel dieser Arbeit war es, ein komplexes Zellensystemmodel zu konstruieren, bei dem riesige unilamellare Vesikel (GUVs) zur Rekonstruktion des mitochondrialen Molybd n-Kofaktor-Biosynthesewegs verwendet werden. Dieser Stoffwechselweg ist bei allen Lebensformen hoch konserviert und daher aufgrund von St rungen, die durch Fehlfunktionen hervorgerufen werden, für seine biologische Bedeutung relevant. Darüber hinaus ist die Biosynthese selbst eine mehrstufige enzymatische Reaktion, die in verschiedenen Kompartimenten abläuft. Zunächst wird GTP in der mitochondrialen Matrix in Gegenwart von cPMP-Synthase zu cPMP umgewandelt. Anschlie end wird das produzierte cPMP über die Membran zum Zytosol transportiert, wo es von der MPT-Synthase in MPT umgewandelt wird. Dieser Biosyntheseweg bietet eine M glichkeit, den allgemeinen Herausforderungen bei der Entwicklung einer synthetischen Zelle zu begegnen, um große Biomoleküle mit guter Effizienz und Kontrolle zu verkapseln und die am Prozess beteiligten enzymatischen Reaktionen zu bewerten. Zu diesem Zweck wurde die emulsionsbasierte Technik entwickelt und optimiert, die eine schnelle Produktion von GUVs (~18 min) mit hoher Verkapselungseffizienz (80%) ermöglicht. M glich wurde dies durch die Optimierung verschiedener Parameter wie Dichte,  ltyp, Einfluss von Zentrifugationsgeschwindigkeit/-zeit, Lipidkonzentration, pH-Wert, Temperatur und Emulsionstropfenvolumen. Darüber hinaus wurde die Methode in Mikrotiterplatten für das direkte Experimentieren und die Visualisierung nach der GUV-Bildung optimiert. Mit dieser Technik wurden die beiden Schritte, die Bildung von cPMP aus GTP und die Bildung von MPT aus cPMP, in verschiedenen GUVs eingekapselt, um die beiden Kompartimente nachzuahmen. Zwei unabhängige fluoreszenzbasierte Detektionssysteme wurden eingerichtet, um die erfolgreiche Einkapselung und Umwandlung der Reaktanten zu best tigen. Alternativ wurden die Enzyme mittels bakterieller Expression produziert und gemessen. Nach der erfolgreichen Einkapselung und Auswertung der enzymatischen Reaktionen wurde der cPMP-Transport durch die mitochondriale Membran mit Hilfe von GUVs unter Verwendung einer komplexen mitochondrialen Lipidzusammensetzung nachgeahmt. Es wurde festgestellt, dass die cPMP-Wechselwirkung mit der Lipiddoppelschicht zu einer transienten Porenbildung und zum Auslaufen des inneren Inhalts führt. Insgesamt kann der Schluss gezogen werden, dass in dieser Arbeit eine neuartige Technik für die schnelle Herstellung funktioneller synthetischer Zellen optimiert wurde. Einzelne enzymatische Schritte des Moco-Biosynthesewegs wurden in diesen zellul ren Mimiken erfolgreich implementiert und quantifiziert. KW - GUVs KW - Molybdenum cofactor biosynthetic KW - Microscopy KW - Inverted emulsion-based method KW - Mikroskop KW - Biochemie Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-510167 ER - TY - THES A1 - Barchewitz, Tino T1 - Impact of microcystin on the non-canonical localization of RubisCO in the toxic bloom-forming cyanobacterium Microcystis aeruginosa PCC7806 T1 - Einfluss von Microcystin auf die nicht-kanonische Lokalisierung von RubisCO im toxischen Blüten-bildenden Cyanobakterium Microcystis aeruginosa PCC7806 N2 - Cyanobacteria are an abundant bacterial group and are found in a variety of ecological niches all around the globe. They can serve as a real threat for fish or mammals and can restrict the use of lakes or rivers for recreational purposes or as a source of drinking water, when they form blooms. One of the most abundant bloom-forming cyanobacteria is Microcystis aeruginosa. In the first part of the study, the role and possible dynamics of RubisCO in M. aeruginosa during high-light irradiation were examined. Its response was analyzed on the protein and peptide level via immunoblotting, immunofluorescence microscopy and with high performance liquid chromatography (HPLC). It was revealed that large amounts of RubisCO were located outside of carboxysomes under the applied high light stress. RubisCO aggregated mainly underneath the cytoplasmic membrane. There it forms a putative Calvin-Benson-Bassham (CBB) super complex together with other enzymes of photosynthesis. This complex could be part of an alternative carbon-concentrating mechanism (CCM) in M. aeruginosa, which enables a faster, and energy saving adaptation to high light stress of the whole bloom. Furthermore, the re-localization of RubisCO was delayed in the microcystin-deficient mutant ΔmcyB and RubisCO was more evenly distributed over the cell in comparison to the wild type. Since ΔmcyB is not harmed in its growth, possibly other produced cyanopeptides as aeruginosin or cyanopeptolin also play a role in the stabilization of RubisCO and the putative CBB complex, especially in the microcystin-free mutant. In the second part of this work, the possible role of microcystin as an extracellular signaling peptide during the diurnal cycle was studied. HPLC analysis showed a strong increase of extracellular microcystin in the wild type when the population entered nighttime and it resumed into the next day as well. Together with the increase of extracellular microcystin, a strong decrease of protein-bound intracellular microcystin was observed via immunoblot analysis. Interestingly, the signal of the large subunit of RubisCO (RbcL) also diminished when high amounts of microcystin were present in the surrounding medium. Microcystin addition experiments to M. aeruginosa WT and ΔmcyB cultures support this observation, since the immunoblot signal of both subunits of RubisCO and CcmK, a shell protein of carboxysomes, diminished after the addition of microcystin. In addition, the fluctuation of cyanopeptolin during the diurnal cycle indicates a more prominent role of other cyanopeptides besides microcystin as a signaling peptide, intracellularly as well as extracellularly. N2 - Cyanobakterien können weltweit in einer Vielzahl von ökologischen Nischen gefunden werden. Sie stellen eine Gefahr für Eukaryoten wie Fische oder Säugetiere dar, und können auch die Nutzung von Seen oder Flüssen zu Erholungszwecken oder als Trinkwasserquelle beeinträchtigen, wenn sie an der Wasser-Luft Interphase Blüten bilden. Einer der häufigsten blütenbildenden Cyanobakterien ist der Stamm M. aeruginosa PCC7806, welcher in Cyanobakterienblüten auf der ganzen Welt gefunden werden kann. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde die Funktion und mögliche Dynamiken von RubisCO während der Bildung und Aufrechterhaltung von dicht gewachsenen Blüten untersucht. Dafür wurden Schwachlicht-adaptierte M. aeruginosa Zellkulturen Starklicht ausgesetzt und deren Reaktion auf dem Protein- und Peptidlevel analysiert. Verwendete Analysemethoden waren Western Blots, Immunofluoreszenz-mikroskopie und Hochleistungsflüssigkeitschromatografie (HPLC). Es konnte aufgezeigt werden, dass unter der angewendeten Starklichtbehandlung große Mengen RubisCO außerhalb der Carboxysomen lokalisiert waren. Dabei konnte RubisCO hauptsächlich direkt unterhalb der zytoplasmatischen Membran in Form von Aggregaten nachgewiesen werden. Diese Aggregate sind möglicherweise Teil eines hypothetischen Calvin-Benson-Bassham Zyklus (CBB) Superkomplexes zusammen mit anderen Enzymen aus der Photosynthese. Dieser Komplex könnte Teil eines alternativen Kohlenstoff-Konzentrationsmechanismus in M. aeruginosa sein, welcher eine schnellere und energiesparendere Anpassung der Cyanobakterienblüte an Starklichtstress ermöglicht. Weiterhin erfolgte die Relokalisation von RubisCO in der Microcystin-freien Mutante ΔmcyB verzögert und RubisCO war homogener in der Zelle verteilt im Vergleich zum Wildtyp. Die Ergebnisse dieser Arbeit sind im Einklang mit vorherigen Publikationen zu der Funktion von Microcystin als Schutz gegen Proteinabbau in Folge der Bindung von Microcystin an das jeweilige Protein. Da ΔmcyB im Wachstum nicht eingeschränkt war, scheint es möglich, dass andere Cyanopeptoline wie Aeruginosin oder Cyanopeptolin die stabilisierende Funktion von Microcystin gegenüber RubisCO und den hypothetischen CBB Komplex übernehmen, vor allem in der Microcystin-freien Mutante. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde die mögliche extrazelluläre Funktion von Microcystin untersucht. HPLC-Analysen zeigen eine starke Zunahme an extrazellulärem Microcystin im Wildtyp als die Zellkultur in die Nachtphase übergegangen ist. Dieser Trend hat sich auch in den folgenden Tag hinein fortgesetzt. Zusammen mit der Zunahme an extrazellulärem Microcystin wurde eine starke Abnahme an proteingebundenem intrazellulärem Microcystin festgestellt, anhand von Western Blot-Untersuchungen. Interessanterweise verringerte sich die Signalstärke der großen Untereinheit von RubisCO (RbcL) im selben Zeitraum im Western Blot. Microcystin Zugabe-Experimente zu M. aeruginosa WT und ΔmcyB unterstützen diese Beobachtung, da das Western Blot-Signal für sowohl beide Untereinheiten von RubisCO als auch CcmK, ein Hüllenprotein der Carboxysomen, nach der Zugabe von Microcystin stark abnahm. Zusätzlich weist die Fluktuation des Cyanopeptolin-Signals während des Tag-Nacht Zyklus auf eine wichtigere Funktion von Cyanopeptiden abseits von Microcystin hin; als Signalpeptide, sowohl intrazellulär als auch extrazellulär. Diese Dissertation gibt neue Einsichten in Adaptionsprozesse von M. aeruginosa an Starklicht-Bedingungen. Der postulierte alternative Kohlenstoff-Konzentrations-mechanismus, welcher direkt unterhalb der zytoplasmatischen Membran stattfindet, gibt M. aeruginosa einen Vorteil gegenüber anderen Cyanobakterien, welche nur den in der Literatur anerkannten Carboxysomen-basierten Kohlenstoff-Konzentrations-mechanismus besitzen. Des Weiteren stärkt die vorliegende Arbeit die Hypothese, dass die eigentliche extrazelluläre Funktion von Microcystin die eines Signalstoffes ist, und nicht die eines antibiotischen Stoffes. KW - Cyanobacteria KW - Microcystis KW - Microcystin KW - RubisCO KW - Carbon concentrating mechanism KW - Cyanobakterien KW - Microcystin KW - Microcystis KW - Carboxysomen KW - Kohlenstoff-Konzentrationsmechanismus KW - RubisCO Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-508299 ER - TY - THES A1 - Gibert, Arthur T1 - Influence of Amyloid Aggregates on the Trafficking and Signaling of GPCRs T1 - Einfluss von Amyloidaggregaten auf den Transport und die Signalübertragung von G-Protein-gekoppelten Rezeptoren N2 - The prevalence of diseases associated with misfolded proteins increases with age. When cellular defense mechanisms become limited, misfolded proteins form aggregates and may also develop more stable cross-β structures ultimately forming amyloid aggregates. Amyloid aggregates are associated with neurodegenerative diseases such as Alzheimer’s disease and Huntington’s disease. The formation of amyloid deposits, their toxicity and cellular defense mechanisms have been intensively studied. However, surprisingly little is known about the effects of protein aggregates on cellular signal transduction. It is also not understood whether the presence of aggregation-prone, but still soluble proteins affect signal transduction. In this study, the still soluble aggregation-prone HttExon1Q74 and its amyloid aggregates were used to analyze the effect of amyloid aggregates on internalization and receptor activation of G protein-coupled receptors (GPCRs), the largest protein family of mammalian cell surface receptors involved in signal transduction. The aggregated HttExon1Q74, but not its soluble form, could inhibit ligand-induced clathrin-mediated endocytosis (CME) of various GPCRs. Most likely this inhibitory effect is based on a terminal sequestration of the HSC70 chaperone to the aggregates which is necessary for CME. Using the vasopressinV1a receptor (V1aR) and the corticotropin-releasing factor receptor 1 (CRF1R) as a model, it could be shown that the presence of HttExon1Q74 aggregates and the inhibition of ligand-induced CME leads to an accumulation of desensitized receptors at the plasma membrane. In turn, this disrupts Gq-mediated Ca2+ signaling and Gs-mediated cAMP signaling of the V1aR and the CRF1R respectively. In contrast to HttExon1Q74 amyloid aggregates, soluble HttExon1Q74 as well as amorphous aggregates did not inhibit GPCR internalization and signaling demonstrating that cellular signal transduction mechanisms are specifically impaired in response to the formation of amyloid aggregates. In addition, preliminary experiments could show that HttExon1Q74 aggregates provoke an increase in membrane expression of a protein from a structurally and functionally unrelated membrane protein family, namely the serotonin transporter SERT. As SERT is the main pharmacological target to treat depression this could shed light on this commonly occurring comorbidity in neurodegenerative diseases, in particular in early disease states. N2 - Die Prävalenz von Krankheiten, die mit fehlgefalteten Proteinen assoziiert sind, nimmt mit dem Alter zu. Wenn die zellulären Abwehrmechanismen weniger effizient werden, können fehlgefaltete Proteine nicht nur einfache Aggregate bilden, sondern auch stabilere Cross-β-Strukturen, die am Ende zu sogenannten Amyloidaggregaten führen können. Amyloidaggregate sind mit neurodegenerativen Erkrankungen wie z. B. der Alzheimer Erkrankung und dem Huntington-Syndrom assoziiert. Die Bildung von Amyloidablagerungen, ihre Toxizität und die zellulären Abwehrmechanismen wurden in den letzten Jahren intensiv untersucht. Über die Auswirkungen von Proteinaggregaten auf die zelluläre Signaltransduktion ist jedoch überraschend wenig bekannt. Es ist auch nicht bekannt, ob bereits das Vorhandensein von löslichen Vorstadien dieser zur Aggregation neigenden Protein, die Signaltransduktion von Zellen beeinflusst. In dieser Studie wurden Amyloidaggregate des auf dem Huntingtin-Protein basierenden Konstrukts HttExon1Q74 und seine noch löslichen Formen verwendet, um deren Wirkung auf die Internalisierung und Rezeptoraktivierung von G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCRs) zu analysieren. GPCR bilden die größte Proteinfamilie von Oberflächenrezeptoren in Säugerzellen und spielen eine entscheidende Rolle in der zellulären Signaltransduktion. Es konnte gezeigt werden, dass aggregiertes HttExon1Q74, aber nicht seine noch lösliche Form, die ligandeninduzierte Clathrin-vermittelte Endozytose (CME) verschiedener GPCRs hemmt. Höchstwahrscheinlich beruht dieser inhibitorische Effekt auf einer Sequestrierung des HSC70-Chaperons zu den HttExon1Q74-Aggregaten. In früheren Studien konnte bereits gezeigt werden, dass HSC70 die für CME notwendig ist. Unter Verwendung des VasopressinV1a-Rezeptors (V1aR) und des Corticotropin-Releasing-Faktor-Rezeptors 1 (CRF1R) als Modellproteine, konnte in dieser Arbeit ferner gezeigt werden, dass das Vorhandensein von HttExon1Q74-Aggregaten und die Hemmung der ligandeninduzierten CME zu einer Akkumulation desensibilisierter Rezeptoren in der Plasmamembran führt. Dies stört wiederum die Gq-vermittelte Ca2+-Signalisierung und die Gs-vermittelte cAMP-Signalisierung des V1aR bzw. des CRF1R. Im Gegensatz zu HttExon1Q74-Amyloidaggregaten hemmten lösliches HttExon1Q74 sowie amorphe Proteinaggregate die GPCR-Internalisierung und –Signalisierung nicht. Dies zeigt, dass Amyloidaggregate zelluläre Signaltransduktionsmechanismen spezifisch beeinträchtigen können. Darüber hinaus konnten vorläufige Experimente zeigen, dass HttExon1Q74-Aggregate eine Erhöhung der Membranexpression des Serotonintranporters SERT verursachen, eines Membranproteins das strukturell und funktionell nicht mit GPCR verwandt ist. Da SERT das wichtigste pharmakologische Zielmolekül bei der Behandlung von depressiven Syndromen ist, könnten diese Daten dazu beitragen, besser zu verstehen, warum Depressionen in sehr frühen Stadien von neurodegenerativen Erkrankungen gehäuft auftreten. KW - GPCR KW - neurodegenerative KW - disease KW - protein trafficking KW - cell signaling KW - Huntington KW - GPCR KW - Huntington KW - Zellsignalisierung KW - neurodegenerative Erkrankung KW - Proteinhandel Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-506659 ER - TY - THES A1 - Spinti, Daniela T1 - Proteasomal protein turnover during defense priming in Arabidopsis T1 - Proteasomaler Proteinabbau während der erworbenen Immunantwort in Arabidopsis N2 - The ubiquitin-proteasome-system (UPS) is a cellular cascade involving three enzymatic steps for protein ubiquitination to target them to the 26S proteasome for proteolytic degradation. Several components of the UPS have been shown to be central for regulation of defense responses during infections with phytopathogenic bacteria. Upon recognition of the pathogen, local defense is induced which also primes the plant to acquire systemic resistance (SAR) for enhanced immune responses upon challenging infections. Here, ubiquitinated proteins were shown to accumulate locally and systemically during infections with Psm and after treatment with the SAR-inducing metabolites salicylic acid (SA) and pipecolic acid (Pip). The role of the 26S proteasome in local defense has been described in several studies, but the potential role during SAR remains elusive and was therefore investigated in this project by characterizing the Arabidopsis proteasome mutants rpt2a-2 and rpn12a-1 during priming and infections with Pseudomonas. Bacterial replication assays reveal decreased basal and systemic immunity in both mutants which was verified on molecular level showing impaired activation of defense- and SAR-genes. rpt2a-2 and rpn12a-1 accumulate wild type like levels of camalexin but less SA. Endogenous SA treatment restores local PR gene expression but does not rescue the SAR-phenotype. An RNAseq experiment of Col-0 and rpt2a-2 reveal weak or absent induction of defense genes in the proteasome mutant during priming. Thus, a functional 26S proteasome was found to be required for induction of SAR while compensatory mechanisms can still be initiated. E3-ubiquitin ligases conduct the last step of substrate ubiquitination and thereby convey specificity to proteasomal protein turnover. Using RNAseq, 11 E3-ligases were found to be differentially expressed during priming in Col-0 of which plant U-box 54 (PUB54) and ariadne 12 (ARI12) were further investigated to gain deeper understanding of their potential role during priming. PUB54 was shown to be expressed during priming and /or triggering with virulent Pseudomonas. pub54 I and pub54-II mutants display local and systemic defense comparable to Col-0. The heavy-metal associated protein 35 (HMP35) was identified as potential substrate of PUB54 in yeast which was verified in vitro and in vivo. PUB54 was shown to be an active E3-ligase exhibiting auto-ubiquitination activity and performing ubiquitination of HMP35. Proteasomal turnover of HMP35 was observed indicating that PUB54 targets HMP35 for ubiquitination and subsequent proteasomal degradation. Furthermore, hmp35-I benefits from increased resistance in bacterial replication assays. Thus, HMP35 is potentially a negative regulator of defense which is targeted and ubiquitinated by PUB54 to regulate downstream defense signaling. ARI12 is transcriptionally activated during priming or triggering and hyperinduced during priming and triggering. Gene expression is not inducible by the defense related hormone salicylic acid (SA) and is dampened in npr1 and fmo1 mutants consequently depending on functional SA- and Pip-pathways, respectively. ARI12 accumulates systemically after priming with SA, Pip or Pseudomonas. ari12 mutants are not altered in resistance but stable overexpression leads to increased resistance in local and systemic tissue. During priming and triggering, unbalanced ARI12 levels (i.e. knock out or overexpression) leads to enhanced FMO1 activation indicating a role of ARI12 in Pip-mediated SAR. ARI12 was shown to be an active E3-ligase with auto-ubiquitination activity likely required for activation with an identified ubiquitination site at K474. Mass spectrometrically identified potential substrates were not verified by additional experiments yet but suggest involvement of ARI12 in regulation of ROS in turn regulating Pip-dependent SAR pathways. Thus, data from this project provide strong indications about the involvement of the 26S proteasome in SAR and identified a central role of the two so far barely described E3-ubiquitin ligases PUB54 and ARI12 as novel components of plant defense. N2 - Das Ubiquitin-Proteasom-System (UPS) ist ein in drei Schritten enzymatisch ablaufender Prozess zur Ubiquitinierung von Proteinen, wodurch diese zum proteolytischen Abbau an das 26S Proteasom geschickt werden. Verschiedene Komponenten des UPS sind zentral an der Regulation von Immunantworten während der Infektion mit phytopathogenen Bakterien beteiligt. Beim Erkennen einer Infektion werden lokale Abwehrreaktionen initiiert, wobei auch mobile Signale in distalen Pflanzenteilen verteilt werden, welche die Pflanze primen (vorbereiten). Mit dem Erwerb der systemischen Resistenz (SAR) kann die Immunantwort bei einer zweiten Infektion verstärkt aktiviert werden. Es wurde hier gezeigt, dass ubiquitinierte Proteine in lokalem und systemischem Gewebe akkumulieren, wenn Arabidopsis mit Pseudomonas infiziert oder mit SAR-induzierender Salizylsäure (SA) oder Pipecolinsäure (Pip) behandelt wird. Die genaue Rolle des 26S Proteasoms in der systemischen Immunantwort ist bisher unklar und wurde daher in diesem Projekt mithilfe der Charakterisierung der Proteasommutanten rpt2a-2 und rpn12a-1 während des Primings genauer untersucht. In Bakterienwachstumsversuchen zeigte sich eine lokal und systemisch erhöhte Suszeptibilität der Proteasommutanten, welche auf molekularer Ebene durch ausbleibende Aktivierung von Abwehrgenen verifiziert wurde. Beide Mutanten akkumulieren ähnliche Mengen Camalexin während einer Infektion, sind aber in der Biosynthese von SA gestört. Die endogene Applikation von SA löst lokale PR-Gen Expression aus, kann aber nicht das SAR-Defizit ausgleichen. In einem RNAseq Experiment wurde das Transkriptom von Col-0 und rpt2a-2 während des Primings analysiert und zeigte, dass zentrale Abwehr- und SAR-Gene nicht oder nur schwach induziert werden. Es konnte somit gezeigt werden, dass ein funktionales 26S Proteasom zur vollen Induktion aller Teile der lokalen und systemischen Immunantwort benötigt wird, während ausgleichende Prozesse weiterhin aktiviert werden können. E3-Ubiquitin Ligasen führen den letzten Schritt der Substratubiquitinierung durch und vermitteln dadurch die Spezifität des proteasomalen Proteinabbaus. Mithilfe des RNAseq Experiments konnten 11 differentiell exprimierte Transkripte, annotiert als E3-Ligasen, identifiziert werden. Von diesen wurden PLANT U-BOX 54 (PUB54) und ARIADNE 12 (ARI12) weiter analysiert, um ein tiefergehendes Verständnis ihres Einflusses auf die systemische Immunantwort zu erhalten. PUB54 wird während des Primings und bei Infektionen mit virulenten Pseudomonas exprimiert. Die pub54 I und pub54-II Mutanten zeigen lokal und systemisch eine wildtyp-ähnliche Resistenz. Das „heavy-metal associated protein 35” (HMP35) wurde in Hefe als potentielles Substrat von PUB54 identifiziert und in vitro und in vivo verifiziert. PUB54 ist eine aktive E3-Ligase mit Autoubiquitinierungsaktivität, welche HMP35 ubiquitiniert. HMP35 wird außerdem in planta proteasomal abgebaut, wodurch eine Ubiquitinierung von HMP35 durch PUB54 zum proteasomalen Abbau nahegelegt wird. Des Weiteren wurde gezeigt, dass hmp35 Mutanten von erhöhter Resistenz profitieren. HMP35 agiert möglicherweise als negativer Regulator der Immunantwort und wird zur Aktivierung von Abwehrreaktionen durch PUB54 für den proteasomalen Abbau markiert. ARI12 wird nach Priming oder Infektion mit Pseudomonas transkriptionell aktiviert und nach sekundärer Infektion hyperinduziert, wobei die Behandlung mit SA keine Expression induziert. ARI12 ist jedoch reduziert in npr1 und fmo1 Mutanten, wodurch eine Abhängigkeit der Genexpression von funktionalen SA- und Pip-Signalwegen angedeutet wird. ARI12 akkumuliert in systemischem Gewebe nach lokaler Behandlung mit SA, Pip, oder Pseudomonas. Die ari12 Mutante zeigt wildtypähnliche Resistenz gegenüber bakteriellen Infektionen, wohingegen die Überexpression zu einer verstärkten Resistenz in lokalem und systemischem Gewebe führt. Unausgewogene Level von ARI12 (d.h. knockout oder Überexpression) führen zur erhöhten Expression von FMO1, sodass ARI12 potentiell eine regulatorische Rolle in der Pip-vermittelten systemischen Immunantwort übernimmt. Es konnte gezeigt werden, dass ARI12 eine aktive E3-Ligase mit Autoubiquitinierungsaktivität an Lys474 ist, welche vermutlich für die Aktivierung benötigt wird. Massenspektrometrisch identifizierte, mögliche Substrate von ARI12 konnten noch nicht experimentell bestätigt werden, deuten aber auf eine Rolle von ARI12 in der Regulation von reaktiven Oxygen Spezies (ROS) hin, welche wiederum Pip-anhängige Signalwege regulieren. Zusammengenommen deuten die Daten aus diesem Projekt darauf hin, dass das 26S Proteasom durch den regulierten Proteinabbau zentral ist für die systemische erworbene Resistenz und dass die bisher wenig untersuchten E3-Ligasen PUB54 und ARI12 neue regulatorische Komponenten der pflanzlichen Immunabwehr darstellen. KW - defense priming KW - Arabidopsis KW - Ubiquitin-proteasome-system KW - E3-ubiquitin ligases KW - Arabidopsis KW - E3-Ubiquitin Ligasen KW - Ubiquitin-Proteasom-System KW - erworbene Immunantwort Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-505909 ER - TY - THES A1 - Möser, Christin T1 - Modular DNA constructs for oligovalent bio-enhancement and functional screening T1 - Modulare DNA-Konstrukte für oligovalente Bio-Verstärkung und funktionelles Screening N2 - Deoxyribonucleic acid (DNA) nanostructures enable the attachment of functional molecules to nearly any unique location on their underlying structure. Due to their single-base-pair structural resolution, several ligands can be spatially arranged and closely controlled according to the geometry of their desired target, resulting in optimized binding and/or signaling interactions. This dissertation covers three main projects. All of them use variations of functionalized DNA nanostructures that act as platform for oligovalent presentation of ligands. The purpose of this work was to evaluate the ability of DNA nanostructures to precisely display different types of functional molecules and to consequently enhance their efficacy according to the concept of multivalency. Moreover, functionalized DNA structures were examined for their suitability in functional screening assays. The developed DNA-based compound ligands were used to target structures in different biological systems. One part of this dissertation attempted to bind pathogens with small modified DNA nanostructures. Pathogens like viruses and bacteria are known for their multivalent attachment to host cells membranes. By blocking their receptors for recognition and/or fusion with their targeted host in an oligovalent manner, the objective was to impede their ability to adhere to and invade cells. For influenza A, only enhanced binding of oligovalent peptide-DNA constructs compared to the monovalent peptide could be observed, whereas in the case of respiratory syncytial virus (RSV), binding as well as blocking of the target receptors led to an increased inhibition of infection in vitro. In the final part, the ability of chimeric DNA-peptide constructs to bind to and activate signaling receptors on the surface of cells was investigated. Specific binding of DNA trimers, conjugated with up to three peptides, to EphA2 receptor expressing cells was evaluated in flow cytometry experiments. Subsequently, their ability to activate these receptors via phosphorylation was assessed. EphA2 phosphorylation was significantly increased by DNA trimers carrying three peptides compared to monovalent peptide. As a result of activation, cells underwent characteristic morphological changes, where they "round up" and retract their periphery. The results obtained in this work comprehensively prove the capability of DNA nanostructures to serve as stable, biocompatible, controllable platforms for the oligovalent presentation of functional ligands. Functionalized DNA nanostructures were used to enhance biological effects and as tool for functional screening of bio-activity. This work demonstrates that modified DNA structures have the potential to improve drug development and to unravel the activation of signaling pathways. N2 - Desoxyribonukleinsäure (DNS, engl. DNA) - Nanostrukturen ermöglichen die Anbringung funktioneller Moleküle an nahezu jede einzigartige Stelle der zugrunde liegenden Struktur. Aufgrund der Basenpaar-Strukturauflösung von DNA können mehrere Moleküle (z.B. Liganden) entsprechend der Geometrie ihres gewünschten Ziels räumlich angeordnet und genau kontrolliert werden, was zu optimierten Bindungs- und/oder Signalwechselwirkungen führt. Diese Dissertation umfasst drei Hauptprojekte. Alle Projekte verwenden Varianten von funktionalisierten DNA-Nanostrukturen, die als Plattform für die oligovalente Präsentation von Liganden dienen. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Fähigkeit von DNA-Nanostrukturen zur präzisen Positionierung verschiedener Arten von funktionellen Molekülen zu evaluieren und folglich die Wirksamkeit der Moleküle gemäß dem Konzept der Multivalenz zu erhöhen. Außerdem wurde untersucht, wie funktionalisierte DNA-Strukturen in verschiedenen Verfahren zur Erforschung von biologischen Interaktionen eingesetzt werden können. Die entwickelten DNA-basierten Liganden wurden verwendet, um Strukturen auf verschiedenen biologischen Systemen gezielt zu binden. In einem Teil dieser Dissertation wurde versucht, Krankheitserreger mit kleinen modifizierten DNA-Nanostrukturen zu binden. Pathogene, wie Viren und Bakterien, sind für ihre multivalente Anheftung an Wirtszellmembranen bekannt. Durch die oligovalente Blockierung ihrer Rezeptoren für die Erkennung und/oder Fusion mit ihrem Wirt sollte ihre Fähigkeit, sich an Zielzellen anzuheften und in diese einzudringen, beeinträchtigt werden. Bei Influenza A Viren konnte nur eine verstärkte Bindung von oligovalenten Peptid-DNA-Konstrukten im Vergleich zu monovalenten Peptiden beobachtet werden, wohingegen bei Respiratorischen Synzytial-Viren (RSV) sowohl die Bindung als auch die Blockierung der Zielrezeptoren zu einer verstärkten Hemmung der Infektion in vitro führte. Im letzten Teil wurden chimäre DNA-Peptidkonstrukte auf ihre Fähigkeit, an Signalrezeptoren auf der Oberfläche von Zellen zu binden und diese zu aktivieren, getestet. Die spezifische Bindung von mit bis zu drei Peptiden konjugierten DNA-Trimeren an EphA2-Rezeptor-exprimierende Zellen wurde in Durchflusszytometrie-Experimenten untersucht. Anschließend wurde ihre Fähigkeit, diese Rezeptoren durch Phosphorylierung zu aktivieren, beurteilt. Die Phosphorylierung von EphA2 war durch DNA-Trimere, die drei Peptide trugen, im Vergleich zu monovalenten Peptiden signifikant erhöht. Infolge der Aktivierung kommt es zu charakteristischen morphologischen Veränderungen der Zellen, bei denen diese ihre Peripherie "abrunden" und zurückziehen. Die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse beweisen umfassend die Fähigkeit von DNA-Nanostrukturen, als stabile, biokompatible, kontrollierbare Plattformen für die oligovalente Präsentation funktioneller Liganden zu fungieren. Funktionalisierte DNA-Nanostrukturen wurden zur Verstärkung biologischer Effekte und als Werkzeug für das funktionelle Screening von biologischen Interaktionen verwendet. Diese Arbeit zeigt, dass modifizierte DNA-Strukturen das Potenzial haben, die Medikamentenentwicklung zu verbessern und die Aktivierung von Signalwegen zu entschlüsseln. KW - DNA KW - multivalency KW - influenza KW - respiratory syncytial virus KW - nanostructure KW - ephrin KW - DNA KW - Ephrin KW - Influenza KW - Multivalenz KW - Nanostruktur KW - Respiratorisches Synzytial-Virus KW - DNS Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-507289 ER - TY - THES A1 - Ceulemans, Ruben T1 - Diversity effects on ecosystem functions of tritrophic food webs T1 - Diversität beeinflusst Ökosystemfunktionen tritrophischer Nahrungsnetze N2 - There is a general consensus that diverse ecological communities are better equipped to adapt to changes in their environment, but our understanding of the mechanisms by which they do so remains incomplete. Accurately predicting how the global biodiversity crisis affects the functioning of ecosystems, and the services they provide, requires extensive knowledge about these mechanisms. Mathematical models of food webs have been successful in uncovering many aspects of the link between diversity and ecosystem functioning in small food web modules, containing at most two adaptive trophic levels. Meaningful extrapolation of this understanding to the functioning of natural food webs remains difficult, due to the presence of complex interactions that are not always accurately captured by bitrophic descriptions of food webs. In this dissertation, we expand this approach to tritrophic food web models by including the third trophic level. Using a functional trait approach, coexistence of all species is ensured using fitness-balancing trade-offs. For example, the defense-growth trade-off implies that species may be defended against predation, but this defense comes at the cost of a lower maximal growth rate. In these food webs, the functional diversity on a given trophic level can be varied by modifying the trait differences between the species on that level. In the first project, we find that functional diversity promotes high biomass on the top level, which, in turn, leads to a reduction in the temporal variability due to compensatory dynamical patterns governed by the top level. Next, these results are generalized by investigating the average behavior of tritrophic food webs, for wide intervals of all parameters describing species interactions in the food web. We find that the diversity on the top level is most important for determining the biomass and temporal variability of all other trophic levels, and show how biomass is only transferred efficiently to the top level when diversity is high everywhere in the food web. In the third project, we compare the response of a simple food chain against a nutrient pulse perturbation, to that of a food web with diversity on every trophic level. By joint consideration of the resistance, resilience, and elasticity, we uncover that the response is efficiently buffered when biomass on the top level is high, which is facilitated by functional diversity on every trophic level in the food web. Finally, in the fourth project, we show that even in a simple consumer-resource model without any diversity, top-down control on the intermediate level frequently causes the phase difference between the intermediate and basal level to deviate from the quarter-cycle lag rule. By adding a top predator, we show that these deviations become even more likely, and anti-phase cycles are often observed. The combined results of these projects show how the properties of the top trophic level, including its functional diversity, have a decisive influence on the functioning of tritrophic food webs from a mechanistic perspective. Because top species are often among the most vulnerable to extinction, our results emphasize the importance of their conservation in ecosystem management and restoration strategies. N2 - Wissenschaftliche Erkenntnisse über die in natürlichen Ökoystemen beobachtete Artenvielfalt hat gezeigt, dass die Artenvielfalt fast überall auf der Erde rapide abnimmt. Dieser Rückgang ist hauptsächlich auf den zunehmenden menschlichen Einfluss auf die Umwelt zurückzuführen. Insbesondere die zunehmende Landnutzung z. B. für die Landwirtschaft, die Verschmutzung und die überfischung wirken sich negativ auf die Biodiversität aus. Den Einfluss von Biodiversität auf die Funktion von natürlichen Ökosystemen ist ein sehr aktives Forschungsgebiet der Ökologie. Insbesondere hat sich herausgestellt, dass die Biodiversität einen entscheidenden Einfluss auf wichtige Eigenschaften von Ökosystemen hat, wie z.B. die Menge an Biomasse, die sich etablieren kann, wie groß die Schwankungen der Biomasse im Laufe der Zeit sind, wie effizient Energie durch das gesamte Ökosystem übertragen wird und wie es auf Umweltstörungen reagiert. In dieser Dissertation wird der Zusammenhang zwischen Biodiversität und Ökosystemfunktionen mit Hilfe mathematischer Modelle von Nahrungsnetzen untersucht um mit Hilfe dieses Ansatz wichtige Eigenschaften und deren Relevanz zu ermitteln. Ein Nahrungsnetz beschreibt einen zentralen Teil dessen, wie Arten in einem Ökosystem miteinander interagieren, nämlich wer wen frisst. Unsere Modelle enthalten drei trophische Ebenen: eine basale Ebene (z.B. Pflanzen), die einer mittleren Ebene (Pflanzenfresser) als Nahrungsquelle dient, die wiederum von einer oberen Ebene (Fleischfresser) gefressen werden. Die Koexistenz mehrerer Arten auf einer trophischen Ebene ist über Trade-offs zwischen wichtigen Merkmalen der Arten sichergestellt. Ein Trade-off zwischen Fraßschutz und Wachstum bedeutet zum Beispiel, dass jeder Mechanismus, mit dem sich eine Art vor Fressfeinden schützen kann (z. B. die Bildung von Stacheln), mit einer geringeren Wachstumsrate erkauft wird (die Pflanze muss Energie für die Bildung der Stacheln aufgewendet werden). Auf diese Weise ist die Koexistenz mehrerer Arten möglich: kein Fraßschutz und eine hohe Wachstumsrate, gegenüber hohem Fraßschutz und einer niedrigen Wachstumsrate. Wir zeigen, dass die Eigenschaften der obersten trophischen Ebene, wie z. B. ihr Biomasseanteil und ihre Diversität, einen sehr großen Einfluss auf die Eigenschaften aller anderen trophischen Ebenen im Nahrungsnetz ausüben. Insbesondere beobachten wir, dass eine hohe Biomasse und Diversität auf der obersten trophischen Ebene zu einem Nahrungsnetz führt, das zeitlich stabiler ist, die verfügbaren anorganischen Nährstoffe besser ausnutzt und die erhöhte Produktivität der basalen trophischen Ebene effizienter an die Spitze des Nahrungsnetzes weitergibt. Darüber hinaus stellen wir fest, dass die oberste trophische Ebene eine Schlüsselrolle bei der Abschwächung von Auswirkungen auf ein Nahrungsnetz durch externe Störungen spielt. Zudem verstärkt sich dieser Effekt der obersten trophischen Ebene, wenn die anderen trophischen Ebenen ebenfalls eine hohe Diversität aufzeigen. Unsere Ergebnisse unterstreichen somit die Bedeutung von Diversität in allen Nahrungsnetzen, um einen Fortbestand von Ökosystemdienstleistungen zu gewährleisten, auf die wir angewiesen sind. KW - food webs KW - trait variation KW - trait diversity KW - Nahrungsnetze KW - Merkmalsvielfalt KW - Merkmalsvariation Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-503259 ER - TY - THES A1 - Egli, Lukas T1 - Stabilizing agricultural systems through diversity N2 - In the light of climate change, rising demands for agricultural products and the intensification and specialization of agricultural systems, ensuring an adequate and reliable supply of food is fundamental for food security. Maintaining diversity and redundancy has been postulated as one generic principle to increase the resilience of agricultural production and other ecosystem services. For example, if one crop fails due to climate instability and extreme events, others can compensate the losses. Crop diversity might be particularly important if different crops show asynchronous production trends. Furthermore, spatial heterogeneity has been suggested to increase stability at larger scales as production losses in some areas can be buffered by surpluses in undisturbed ones. Besides systematically investigating the mechanisms underlying stability, identifying transformative pathways that foster them is important. In my thesis, I aim at answering the following questions: (i) How does yield stability differ between nations, regions and farms, and what is the effect of crop diversity on yield stability in relation to agricultural inputs, climate heterogeneity, climate instability and time at the national, regional or farm level? (ii) Is asynchrony between crops a better predictor of production stability than crop diversity? (iii) What is the effect of asynchrony between and within crops on stability and how is it related to crop diversity and space, respectively? (iv) What is the state of the art and what are knowledge gaps in exploring resilience and its multidimensionality in ecological and social-ecological systems with agent-based models and what are potential ways forward? In the first chapter, I provide the theoretical background for the subsequent analyses. I stress the need to better understand the resilience of social-ecological systems and particularly the stability of agricultural production. Moreover, I introduce diversity and spatial heterogeneity as two prominently discussed resilience mechanisms and describe approaches to assess resilience. In the second chapter, I combined agriculture and climate data at three levels of organization and spatial extents to investigate yield stability patterns and their relation to crop diversity, fertilizer, irrigation, climate heterogeneity and instability and time of nations globally, regions in Europe and farms in Germany using statistical analyses. Yield stability decreased from the national to the farm level. Several nations and regions substantially contributed to larger-scale stability. Crop diversity was positively associated with yield stability across all three levels of organization. This effect was typically more profound at smaller scales and in variable climates. In addition to crop diversity, climate heterogeneity was an important stabilizing mechanism especially at larger scales. These results confirm the stabilizing effect of crop diversity and spatial heterogeneity, yet their importance depends on the scale and agricultural management. Building on the findings of the second chapter, I deepened in the third chapter my research on the effect of crop diversity at the national level. In particular, I tested if asynchrony between crops, i.e. between the temporal production patterns of different crops, better predicts agricultural production stability than crop diversity. The stabilizing effect of asynchrony was multiple times higher than the effect of crop diversity, i.e. asynchrony is one important property that can explain why a higher diversity supports the stability of national food production. Therefore, strategies to stabilize agricultural production through crop diversification also need to account for the asynchrony of the crops considered. The previous chapters suggest that both asynchrony between crops and spatial heterogeneity are important stabilizing mechanisms. In the fourth chapter, I therefore aimed at better understanding the relative importance of asynchrony between and within crops, i.e. between the temporal production patterns of different crops and between the temporal production patterns of different cultivation areas of the same crop. Better understanding their relative importance is important to inform agricultural management decisions, but so far this has been hardly assessed. To address this, I used crop production data to study the effect of asynchrony between and within crops on the stability of agricultural production in regions in Germany and nations in Europe. Both asynchrony between and within crops consistently stabilized agricultural production. Adding crops increased asynchrony between crops, yet this effect levelled off after eight crops in regions in Germany and after four crops in nations in Europe. Combining already ten farms within a region led to high asynchrony within crops, indicating distinct production patters, while this effect was weaker when combining multiple regions within a nation. The results suggest, that both mechanisms need to be considered in agricultural management strategies that strive for more resilient farming systems. The analyses in the foregoing chapters focused at different levels of organization, scales and factors potentially influencing agricultural stability. However, these statistical analyses are restricted by data availability and investigate correlative relationships, thus they cannot provide a mechanistic understanding of the actual processes underlying resilience. In this regard, agent-based models (ABM) are a promising tool. Besides their ability to measure different properties and to integrate multiple situations through extensive manipulation in a fully controlled system, they can capture the emergence of system resilience from individual interactions and feedbacks across different levels of organization. In the fifth chapter, I therefore reviewed the state of the art and potential knowledge gaps in exploring resilience and its multidimensionality in ecological and social-ecological systems with ABMs. Next, I derived recommendations for a more effective use of ABMs in resilience research. The review suggests that the potential of ABMs is not utilized in most models as they typically focus on a single dimension of resilience and are mostly limited to one reference state, disturbance type and scale. Moreover, only few studies explicitly test the ability of different mechanisms to support resilience. To solve real-world problems related to the resilience of complex systems, ABMs need to assess multiple stability properties for different situations and under consideration of the mechanisms that are hypothesized to render a system resilient. In the sixth chapter, I discuss the major conclusions that can be drawn from the previous chapters. Moreover, I showcase the use of simulation models to identify management strategies to enhance asynchrony and thus stability, and the potential of ABMs to identify pathways to implement such strategies. The results of my thesis confirm the stabilizing effect of crop diversity, yet its importance depends on the scale, agricultural management and climate. Moreover, strategies to stabilize agricultural production through crop diversification also need to account for the asynchrony of the crops considered. As spatial heterogeneity and particularly asynchrony within crops strongly enhances stability, integrated management approaches are needed that simultaneously address multiple resilience mechanisms at different levels of organization, scales and time horizons. For example, the simulation suggests that only increasing the number of crops at both the pixel and landscape level avoids trade-offs between asynchrony between and within crops. If their potential is better exploited, agent-based models have the capacity to systematically assess resilience and to identify comprehensive pathways towards resilient farming systems. N2 - In Anbetracht des Klimawandels, steigender Nachfrage nach landwirtschaftlichen Produkten und der weitgehenden Intensivierung und Spezialisierung landwirtschaftlicher Systeme ist eine ausreichende und zuverlässige Nahrungsmittelproduktion zentral für die Ernährungssicherheit. Eine hohe Nutzpflanzenvielfalt und räumliche Heterogenität können helfen, die Resilienz bzw. Widerstandsfähigkeit der landwirtschaftlichen Produktion zu stärken. Fällt zum Beispiel die Ernte einer Nutzpflanze aufgrund einer Dürre aus, können andere die Verluste ausgleichen. Außerdem können Produktionsverluste in einigen Gebieten durch Überschüsse in anderen Gebieten kompensiert werden. In meiner Arbeit habe ich mittels umfassender Landwirtschafts- und Klimadaten und statistischer Analysen untersucht, wie sich insbesondere Nutzpflanzenvielfalt und Klimaheterogenität auf zeitliche Ertragsstabilität auswirken. Zudem habe ich evaluiert, ob asynchrone Produktionstrends unterschiedlicher Nutzpflanzen den stabilisierenden Effekt einer hohen Nutpflanzenvielfalt erklären können. Außerdem habe ich den Effekt asynchroner Produktionstrends unterschiedlicher Nutzpflanzen und von unterschiedlichen Anbaugebieten derselben Nutzpflanze in Bezug auf Produktionsstabilität verglichen und mit einer Computersimulation eruiert, wie diese Mechanismen durch Diversifizierung verändert werden. Zum Schluss habe ich untersucht, wie umfassend die Resilienz ökologischer und sozioökologischer Systeme mittels agentenbasierter Modelle bislang erforscht wurde. Die Untersuchungen dieser Arbeit zeigen, dass Nutzpflanzenvielfalt die landwirtschaftliche Produktion auf sämtlichen untersuchten Organisationsebenen stabilisiert. Asynchrone Produktionstrends unterschiedlicher Nutzpflanzen können erklären, warum eine höhere Diversität die Produktion stabilisiert. Daneben sind asynchrone Produktionstrends unterschiedlicher Anbaugebiete besonders wichtig. Meine Simulation zeigt, dass nur eine Diversifizierung auf Feld- und Landschaftsebene asynchrone Produktionsmuster zwischen Nutpflanzen und Anbaugebieten gleichzeitig erhöht oder zumindest keine der beiden Mechanismen verringert. Agentenbasierte Modelle bieten die Möglichkeit, Resilienz systematisch zu untersuchen und Wege aufzuzeigen, die zu resilienteren Anbausystemen führen. Meine Ergebnisse unterstreichen die Notwendigkeit umfassenderer Ansätze um eine resiliente, produktive und nachhaltige landwirtschaftliche Produktion in Zeiten globaler Veränderungsprozesse zu erreichen. Dies beinhaltet insbesondere eine Diversifizierung der Nutzpflanzen auf unterschiedlichen Ebenen unter Berücksichtigung der zeitlichen Produktionstrends sowie eine nachhaltige Nutzung landwirtschaftlicher Betriebsmittel. T2 - Stabilisierung landwirtschaftlicher Systeme durch Diversität KW - Agent-based models KW - Agroecology KW - Resilience KW - Social-ecological systems KW - Sustainability KW - Agentenbasierte Modelle KW - Agrarökologie KW - Resilienz KW - Sozialökologische Systeme KW - Nachhaltigkeit Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-496848 ER -