TY - THES A1 - Breuer, David T1 - The plant cytoskeleton as a transportation network T1 - Modellierung des pflanzliche Zytoskeletts als Transportnetzwerk N2 - The cytoskeleton is an essential component of living cells. It is composed of different types of protein filaments that form complex, dynamically rearranging, and interconnected networks. The cytoskeleton serves a multitude of cellular functions which further depend on the cell context. In animal cells, the cytoskeleton prominently shapes the cell's mechanical properties and movement. In plant cells, in contrast, the presence of a rigid cell wall as well as their larger sizes highlight the role of the cytoskeleton in long-distance intracellular transport. As it provides the basis for cell growth and biomass production, cytoskeletal transport in plant cells is of direct environmental and economical relevance. However, while knowledge about the molecular details of the cytoskeletal transport is growing rapidly, the organizational principles that shape these processes on a whole-cell level remain elusive. This thesis is devoted to the following question: How does the complex architecture of the plant cytoskeleton relate to its transport functionality? The answer requires a systems level perspective of plant cytoskeletal structure and transport. To this end, I combined state-of-the-art confocal microscopy, quantitative digital image analysis, and mathematically powerful, intuitively accessible graph-theoretical approaches. This thesis summarizes five of my publications that shed light on the plant cytoskeleton as a transportation network: (1) I developed network-based frameworks for accurate, automated quantification of cytoskeletal structures, applicable in, e.g., genetic or chemical screens; (2) I showed that the actin cytoskeleton displays properties of efficient transport networks, hinting at its biological design principles; (3) Using multi-objective optimization, I demonstrated that different plant cell types sustain cytoskeletal networks with cell-type specific and near-optimal organization; (4) By investigating actual transport of organelles through the cell, I showed that properties of the actin cytoskeleton are predictive of organelle flow and provided quantitative evidence for a coordination of transport at a cellular level; (5) I devised a robust, optimization-based method to identify individual cytoskeletal filaments from a given network representation, allowing the investigation of single filament properties in the network context. The developed methods were made publicly available as open-source software tools. Altogether, my findings and proposed frameworks provide quantitative, system-level insights into intracellular transport in living cells. Despite my focus on the plant cytoskeleton, the established combination of experimental and theoretical approaches is readily applicable to different organisms. Despite the necessity of detailed molecular studies, only a complementary, systemic perspective, as presented here, enables both understanding of cytoskeletal function in its evolutionary context as well as its future technological control and utilization. N2 - Das Zytoskelett ist ein notwendiger Bestandteil lebender Zellen. Es besteht aus verschiedenen Arten von Proteinfilamenten, die ihrerseits komplexe, sich dynamisch reorganisierende und miteinander verknüpfte Netzwerke bilden. Das Zytoskelett erfüllt eine Vielzahl von Funktionen in der Zelle. In Tierzellen bestimmt das Aktin-Zytoskelett maßgeblich die mechanischen Zelleigenschaften und die Zellbewegung. In Pflanzenzellen hingegen kommt dem Aktin-Zytoskelett eine besondere Bedeutung in intrazellulären Transportprozessen zu, bedingt insbesondere durch die starre pflanzliche Zellwand sowie die Zellgröße. Als wesentlicher Faktor für Zellwachstum und somit auch die Produktion von Biomasse, ist Zytoskelett-basierter Transport daher von unmittelbarer ökologischer und ökonomischer Bedeutung. Während das Wissen über die molekularen Grundlagen Zytoskelett-basierter Transportprozesse beständig wächst, sind die zugrunde liegenden Prinzipien zellweiter Organisation bisher weitgehend unbekannt. Diese Dissertation widmet sich daher folgender Frage: Wie hängt die komplexe Architektur des pflanzlichen Zytoskeletts mit seiner intrazellulären Transportfunktion zusammen? Eine Antwort auf diese Frage erfordert eine systemische Perspektive auf Zytoskelettstruktur und -transport. Zu diesem Zweck habe ich Mikroskopiedaten mit hoher raumzeitlicher Auflösung sowie Computer-gestützte Bildanalysen und mathematische Ansätzen der Graphen- und Netzwerktheorie kombiniert. Die vorliegende Dissertation umfasst fünf meiner Publikationen, die sich einem systemischen Verständnis des pflanzlichen Zytoskeletts als Transportnetzwerk widmen: (1) Dafür habe ich Bilddaten-basierte Netzwerkmodelle entwickelt, die eine exakte und automatisierte Quantifizierung der Architektur des Zytoskeletts ermöglichen. Diese Quantifizierung kann beispielsweise in genetischen oder chemischen Versuchen genutzt werden und für eine weitere Erforschung der genetischen Grundlagen und möglicher molekularer Interaktionspartner des Zytoskeletts hilfreich sein; (2) Ich habe nachgewiesen, dass das pflanzliche Aktin-Zytoskelett Eigenschaften effizienter Transportnetzwerk aufweist und Hinweise auf seine evolutionären Organisationsprinzipien liefert; (3) Durch die mathematische Optimierung von Transportnetzwerken konnte ich zeigen, dass unterschiedliche Pflanzenzelltypen spezifische und optimierte Organisationsstrukturen des Aktin-Zytoskeletts aufweisen; (4) Durch quantitative Analyse des Transports von Organellen in Pflanzenzellen habe ich nachgewiesen, dass sich Transportmuster ausgehend von der Struktur des Aktin-Zytoskeletts vorhersagen lassen. Dabei spielen sowohl die Organisation des Zytoskeletts auf Zellebene als auch seine Geometrie eine zentrale Rolle. (5) Schließlich habe ich eine robuste, optimierungs-basierte Methode entwickelt, die es erlaubt, individuelle Filamente eines Aktin-Netzwerks zu identifizieren. Dadurch ist es möglich, die Eigenschaften einzelner Zytoskelettfilamente im zellulären Kontext zu untersuchen. Die im Zuge dieser Dissertation entwickelten Methoden wurden frei und quelloffen als Werkzeuge zur Beantwortung verwandter Fragestellung zugänglich gemacht. Insgesamt liefern die hier präsentierten Ergebnisse und entwickelten Methoden quantitative, systemische Einsichten in die Transportfunktion des Zytoskeletts. Die hier etablierte Kombination von experimentellen und theoretischen Ansätzen kann, trotz des Fokusses auf das pflanzliche Zytoskelett, direkt auf andere Organismen angewendet werden. Als Ergänzung molekularer Studien bildet ein systemischer Blickwinkel, wie er hier entwickelt wurde, die Grundlage für ein Verständnis sowohl des evolutionären Kontextes als auch zukünftiger Kontroll- und Nutzungsmöglichkeiten des pflanzlichen Zytoskeletts. KW - systems biology KW - mathematical modeling KW - cytoskeleton KW - plant science KW - graph theory KW - image analysis KW - Systembiologie KW - mathematische Modellierung KW - Zytoskelett KW - Zellbiologie KW - Graphtheorie KW - Bildanalyse Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-93583 ER - TY - THES A1 - Nietzsche, Madlen T1 - Identifizierung und Charakterisierung neuer Komponenten der SnRK1-Signaltransduktion in Arabidopsis thaliana T1 - Identification and characterization of novel components of SnRK1-Signalling in Arabidopsis thaliana N2 - Für alle Organismen ist die Aufrechterhaltung ihres energetischen Gleichgewichts unter fluktuierenden Umweltbedingungen lebensnotwendig. In Eukaryoten steuern evolutionär konservierte Proteinkinasen, die in Pflanzen als SNF1-RELATED PROTEIN KINASE1 (SnRK1) bezeichnet werden, die Adaption an Stresssignale aus der Umwelt und an die Limitierung von Nährstoffen und zellulärer Energie. Die Aktivierung von SnRK1 bedingt eine umfangreiche transkriptionelle Umprogrammierung, die allgemein zu einer Repression energiekonsumierender Prozesse wie beispielsweise Zellteilung und Proteinbiosynthese und zu einer Induktion energieerzeugender, katabolischer Stoffwechselwege führt. Wie unterschiedliche Signale zu einer generellen sowie teilweise gewebe- und stressspezifischen SnRK1-vermittelten Antwort führen ist bisher noch nicht ausreichend geklärt, auch weil bislang nur wenige Komponenten der SnRK1-Signaltransduktion identifiziert wurden. In dieser Arbeit konnte ein Protein-Protein-Interaktionsnetzwerk um die SnRK1αUntereinheiten aus Arabidopsis AKIN10/AKIN11 etabliert werden. Dadurch wurden zunächst Mitglieder der pflanzenspezifischen DUF581-Proteinfamilie als Interaktionspartner der SnRK1α-Untereinheiten identifiziert. Diese Proteine sind über ihre konservierte DUF581Domäne, in der ein Zinkfinger-Motiv lokalisiert ist, fähig mit AKIN10/AKIN11 zu interagieren. In planta Ko-Expressionsanalysen zeigten, dass die DUF581-Proteine eine Verschiebung der nucleo-cytoplasmatischen Lokalisierung von AKIN10 hin zu einer nahezu ausschließlichen zellkernspezifischen Lokalisierung begünstigen sowie die Ko-Lokalisierung von AKIN10 und DUF581-Proteinen im Nucleus. In Bimolekularen Fluoreszenzkomplementations-Analysen konnte die zellkernspezifische Interaktion von DUF581-Proteinen mit SnRK1α-Untereinheiten in planta bestätigt werden. Außerhalb der DUF581-Domäne weisen die Proteine einander keine große Sequenzähnlichkeit auf. Aufgrund ihrer Fähigkeit mit SnRK1 zu interagieren, dem Fehlen von SnRK1Phosphorylierungsmotiven sowie ihrer untereinander sehr variabler gewebs-, entwicklungs- und stimulusspezifischer Expression wurde für DUF581-Proteine eine Funktion als Adaptoren postuliert, die unter bestimmten physiologischen Bedingungen spezifische Substratproteine in den SnRK1-Komplex rekrutieren. Auf diese Weise könnten DUF581Proteine die Interaktion von SnRK1 mit deren Zielproteinen modifizieren und eine Feinjustierung der SnRK1-Signalweiterleitung ermöglichen. Durch weiterführende Interaktionsstudien konnten DUF581-interagierende Proteine darunter Transkriptionsfaktoren, Proteinkinasen sowie regulatorische Proteine gefunden werden, die teilweise ebenfalls Wechselwirkungen mit SnRK1α-Untereinheiten aufzeigten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eines dieser Proteine für das eine Beteiligung an der SnRK1Signalweiterleitung als Transkriptionsregulator vermutet wurde näher charakterisiert. STKR1 (STOREKEEPER RELATED 1), ein spezifischer Interaktionspartner von DUF581-18, gehört zu einer pflanzenspezifischen Leucin-Zipper-Transkriptionsfaktorfamilie und interagiert in Hefe sowie in planta mit SnRK1. Die zellkernspezifische Interaktion von STKR1 und AKIN10 in Pflanzen unterstützt die Vermutung der kooperativen Regulation von Zielgenen. Weiterhin stabilisierte die Anwesenheit von AKIN10 die Proteingehalte von STKR1, das wahrscheinlich über das 26S Proteasom abgebaut wird. Da es sich bei STKR1 um ein Phosphoprotein mit SnRK1-Phosphorylierungsmotiv handelt, stellt es sehr wahrscheinlich ein SnRK1-Substrat dar. Allerdings konnte eine SnRK1-vermittelte Phosphorylierung von STKR1 in dieser Arbeit nicht gezeigt werden. Der Verlust von einer Phosphorylierungsstelle beeinflusste die Homo- und Heterodimerisierungsfähigkeit von STKR1 in Hefeinteraktionsstudien, wodurch eine erhöhte Spezifität der Zielgenregulation ermöglicht werden könnte. Außerdem wurden Arabidopsis-Pflanzen mit einer veränderten STKR1-Expression phänotypisch, physiologisch und molekularbiologisch charakterisiert. Während der Verlust der STKR1-Expression zu Pflanzen führte, die sich kaum von Wildtyp-Pflanzen unterschieden, bedingte die konstitutive Überexpression von STKR1 ein stark vermindertes Pflanzenwachstum sowie Entwicklungsverzögerungen hinsichtlich der Blühinduktion und Seneszenz ähnlich wie sie auch bei SnRK1α-Überexpression beschrieben wurden. Pflanzen dieser Linien waren nicht in der Lage Anthocyane zu akkumulieren und enthielten geringere Gehalte an Chlorophyll und Carotinoiden. Neben einem erhöhten nächtlichen Stärkeumsatz waren die Pflanzen durch geringere Saccharosegehalte im Vergleich zum Wildtyp gekennzeichnet. Eine Transkriptomanalyse ergab, dass in den STKR1-überexprimierenden Pflanzen unter Energiemangelbedingungen, hervorgerufen durch eine verlängerte Dunkelphase, eine größere Anzahl an Genen im Vergleich zum Wildtyp differentiell reguliert war als während der Lichtphase. Dies spricht für eine Beteiligung von STKR1 an Prozessen, die während der verlängerten Dunkelphase aktiv sind. Ein solcher ist beispielsweise die SnRK1-Signaltransduktion, die unter energetischem Stress aktiviert wird. Die STKR1Überexpression führte zudem zu einer verstärkten transkriptionellen Induktion von Abwehrassoziierten Genen sowie NAC- und WRKY-Transkriptionsfaktoren nach verlängerter Dunkelphase. Die Transkriptomdaten deuteten auf eine stimulusunabhängige Induktion von Abwehrprozessen hin und konnten eine Erklärung für die phänotypischen und physiologischen Auffälligkeiten der STKR1-Überexprimierer liefern. N2 - For all living organism maintenance of energy homeostasis under changing environmental conditions is indispensable. In eukaryotes, evolutionary conserved protein kinases, such as the SNF1-RELATED PROTEIN KINASE1 (SnRK1) in plants, integrate environmental stress signals, nutrient availability and energy depletion during adaptational responses. Activation of SnRK1 triggers a broad transcriptional reprogramming, which in general represses energy consuming processes such as proliferation and protein biosynthesis and induces energy producing catabolic pathways. Although SnRK1 acts as a convergent point for many different environmental and metabolic signals to control growth and development, it is currently unknown how these many different signals could be translated into a cell-type or stimulusspecific response. This is also due to the fact that only a few proteins participating in SnRK1 signal transduction have yet been identified. In this work, a protein-protein interaction network of the Arabidopsis SnRK1α-subunits AKIN10/AKIN11 was established. Thereby, members of the plant specific DUF581 protein family were identified as SnRK1α interacting proteins. The highly conserved DUF581 domain possesses a zinc finger motif and mediates the interaction with AKIN10/AKIN11. In planta co-expression of AKIN10 with DUF581 proteins leads to a shift of subcellular localization from a nucleo-cytoplasmic distribution of both proteins to a nearly exclusive nuclear localization and show that AKIN10 and DUF581 proteins co-localize in nuclei of plant cells. Bimolecular fluorescence complementation analysis revealed that SnRK1α-subunits interact with DUF581 proteins in plants. Apart from their DUF581 domain there is no strong sequence similarity between DUF581 proteins. Because of their ability to interact with SnRK1, the absence of SnRK1-target motifs and their highly variable transcriptional regulation in a tissue-, development- or stimuli-specific manner, it is possible that DUF581 proteins act as adaptor proteins recruiting substrate proteins into the SnRK1 complex under defined physiological conditions. That said, DUF581 could modify the interaction of SnRK1 with its target proteins and facilitate fine-tuning of SnRK1 signal transduction. Additional interaction studies revealed further DUF581 interacting proteins such as transcription factors, protein kinases and regulatory proteins that in part were also able to interact with SnRK1α. One of these proteins which is supposed to be involved in SnRK1 signaling as a transcriptional regulator was characterized in more detail: Arabidopsis STKR1 (STOREKEPPER RELATED 1) a DUF581-18 interaction partner belongs to a plant specific leucine zipper transcription factor family and is able to interact with SnRK1 in yeast and in planta. Co-operative regulation of target genes by STKR1 and AKIN10 is supported by the specific interaction of these proteins inside the plant nucleus. Furthermore, AKIN10 seems to stabilize protein levels of STKR1 in that it attenuates its proteasomal turnover. Due to the fact that STKR1 is a phosphoprotein with putative SnRK1 target motives it is likely a SnRK1 substrate. However, SnRK1 mediated phosphorylation of STKR1 could not be shown in this work. Though, interaction studies in yeast revealed that a loss of putative phosphorylation sites influences the ability of homo- and hetero-dimerization of STKR1, possibly allowing a higher specificity during target gene regulation. Another part of this work was the phenotypic, physiological and molecular characterization of Arabidopsis plants with altered expression of STKR1. Whereas the absence of STKR1 expression results in plants without strong phenotypic abnormality compared to wildtype the overexpression leads to a strong decrease in plant growth as well as developmental retardations regarding to the induction of flowering and senescence reminiscent of SnRK1overexpressing plants. Plants of these lines were not able to accumulate anthocyanins and also contain reduced levels of chlorophyll and carotenoids. Besides a higher starch turnover in dark, these plants displayed lower sucrose contents. Microarray analysis revealed that under energy deficit stress, induced by extended darkness, a higher number of genes were differentially regulated in plants overexpressing STKR1 compared to wildtype than during the light period. This observation argues for a participation of STKR1 in processes, which are active under extended darkness, being the case for SnRK1 signaling which is strongly activated under energy deficient stress. Overexpression of STKR1 also leads to transcriptional induction of genes associated with defense like NAC and WRKY transcription factors after an extended dark. Results of transcriptome data analysis indicate a stimulus independent induction of defense associated processes and are suitable to explain phenotypical and physiological abnormality of the STKR1 overexpressing lines. KW - SnRK1 KW - Proteinkinase KW - Phosphorylierung KW - Arabidopsis thaliana KW - Energiemangel KW - phosphorylation KW - energy starvation KW - protein kinase Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-98678 ER - TY - THES A1 - Kloß, Lena T1 - The link between genetic diversity and species diversity BT - patterns and processes in plants of agriculturally managed grassland Y1 - 2016 ER - TY - THES A1 - Bolger, Anthony T1 - Sequencing the Genome of the stress-tolerant wild tomato Solanum pennellii and Novel Algorithms motivated thereby Y1 - 2016 ER - TY - THES A1 - Dotzek, Jana T1 - Mitochondria in the genus Oenothera - Non-Mendelian inheritance patterns, in vitro structure and evolutionary dynamics Y1 - 2016 ER - TY - THES A1 - Beltran, Juan Camilo Moreno T1 - Characterization of the Clp protease complex and identification of putative substrates in N. tabacum Y1 - 2016 ER - TY - THES A1 - Klauschies, Toni T1 - Revealing causes and consequences of functional diversity using trait-based models Y1 - 2016 ER - TY - THES A1 - Zhang, Youjun T1 - Investigation of the TCA cycle and glycolytic metabolons and their physiological impacts in plants Y1 - 2016 ER - TY - THES A1 - Reinecke, Antje Adriana T1 - Impact of protein structure on the mechanics and assembly of mytilus byssal threads Y1 - 2016 ER - TY - THES A1 - Shahnejat-Bushehri, Sara T1 - Unravelling the role of the Arabidopsis NAC transcription factor JUNGBRUNNEN1 (JUB1) for the regulation of growth and stress responses Y1 - 2016 ER - TY - THES A1 - Makower, Katharina T1 - The roles of secondary metabolites in microcystis inter-strain interactions T1 - Die Rolle von Sekundärmetaboliten in den Wechselbeziehungen zwischen Microcystis-Stämmen N2 - Among the bloom-forming and potentially harmful cyanobacteria, the genus Microcystis represents a most diverse taxon, on the genomic as well as on morphological and secondary metabolite levels. Microcystis communities are composed of a variety of diversified strains. The focus of this study lies on potential interactions between Microcystis representatives and the roles of secondary metabolites in these interaction processes. The role of secondary metabolites functioning as signaling molecules in the investigated interactions is demonstrated exemplary for the prevalent hepatotoxin microcystin. The extracellular and intracellular roles of microcystin are tested in microarray-based transcriptomic approaches. While an extracellular effect of microcystin on Microcystis transcription is confirmed and connected to a specific gene cluster of another secondary metabolite in this study, the intracellularly occurring microcystin is related with several pathways of the primary metabolism. A clear correlation of a microcystin knockout and the SigE-mediated regulation of carbon metabolism is found. According to the acquired transcriptional data, a model is proposed that postulates the regulating effect of microcystin on transcriptional regulators such as the alternative sigma factor SigE, which in return captures an essential role in sugar catabolism and redox-state regulation. For the purpose of simulating community conditions as found in the field, Microcystis colonies are isolated from the eutrophic lakes near Potsdam, Germany and established as stably growing under laboratory conditions. In co-habitation simulations, the recently isolated field strain FS2 is shown to specifically induce nearly immediate aggregation reactions in the axenic lab strain Microcystis aeruginosa PCC 7806. In transcriptional studies via microarrays, the induced expression program in PCC 7806 after aggregation induction is shown to involve the reorganization of cell envelope structures, a highly altered nutrient uptake balance and the reorientation of the aggregating cells to a heterotrophic carbon utilization, e.g. via glycolysis. These transcriptional changes are discussed as mechanisms of niche adaptation and acclimation in order to prevent competition for resources. N2 - Die Gattung Microcystis stellt unter den blüten-bildenden Cyanobakterien ein Taxon besonderer Diversität dar. Dies gilt sowohl für die Genomstruktur als auch für morphologische Charakteristika und Sekundärmetabolite. Microcystis-Communities weisen eine Zusammensetzung aus einer Vielzahl von diversifizierten Stämmen auf. Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit lag darauf, potentielle Wechselwirkungen zwischen Microcystis-Vertretern zu charakterisieren und die Rolle von Sekundärmetaboliten in Interaktions-Prozessen zu untersuchen. Die Rolle von Sekundärmetaboliten als Signalstoffe in Microcystis-Interaktionen wurde exemplarisch für das Hepatotoxin Microcystin demonstriert. Sowohl die extrazelluläre als auch die intrazellulare Funktion von Microcystin wurde anhand von Microarray-basierten Transkriptomstudien getestet. Dabei konnte eine extrazelluläre Wirkung von Microcystin bestätigt werden und mit der Transkription eines spezifischen anderen Sekundärmetaboliten in Verbindung gebracht werden. Intrazellulär vorkommendes Microcystin wurde hingegen mit verschiedenen Stoffwechselwegen des Primärstoffwechsels verknüpft. Es konnte ein deutlicher Zusammenhang zwischen einem Microcystin-Knockout und der SigE-vermittelten Regulation des Kohlenstoffmetabolismus festgestellt werden. Anhand der erworbenen Transkriptionsdaten wurde ein Modell vorgeschlagen, das eine regulierende Wirkung von Microcystin auf Transkriptionsfaktoren wie den alternativen Sigmafaktor SigE postuliert, welcher seinerseits eine zentrale Rolle in Zuckerabbauprozessen und zellulärer Redoxregulation einnimmt. Mit dem Ziel, Community-ähnliche Bedingungen zu simulieren, wurden Microcystis-Freiland-Kolonien aus eutrophen Gewässern in der Umgebung von Potsdam isoliert und ein stabiles Wachstum unter Laborbedingungen etabliert. Es konnte gezeigt werden, dass der frisch isolierte Freilandstamm FS2 spezifisch eine starke Zellaggregation in Microcystis aeruginosa PCC 7806 (einem axenischen Labortstamm) auslösen konnte. In Transkriptionsstudien mit Hilfe von Microarrays wurden Expressionsprogramme gefunden, die sowohl einen Umbau von Zellhüllstrukturen, als auch einen stark veränderten transmembranen Nährstofftransport beinhalteten. Darüber hinaus konnte in den aggregierenden PCC 7806-Zellen eine Verlagerung zu heterotrophen Kohlenstoffabbauprozessen wie der Glykolyse gefunden werden. Die transkriptionellen Veränderungen wurden als Akklimationsmechanismen zur Positionierung in ökologische Nischen diskutiert, um Konkurrenzen um Ressourcen zu vermeiden. KW - microcystis KW - microcystin KW - secondary metabolites KW - transcriptomics KW - interactions KW - Sekundärmetabolite KW - Transkriptomik KW - Wechselwirkungen Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-93916 ER - TY - THES A1 - Rolke, Daniel T1 - Räumliche und zeitliche Expressionsmuster sowie Funktionen der Serotonin-Rezeptor-Subtypen der Honigbiene, Apis mellifera L., 1758 T1 - Spatial and temporal expression patterns as well as functions of the serotonin-receptor-subtypes in the honey bee, Apis mellifera L., 1758 N2 - Das biogene Amin Serotonin (5-Hydroxytryptamin, 5-HT) agiert als wichtiger chemischer Botenstoff bei einer Vielzahl von Organismen. Das durch 5 HT vermittelte Signal wird dabei durch spezifische Rezeptoren wahrgenommen und in eine zelluläre Reaktion umgesetzt. Diese 5 HT Rezeptoren gehören überwiegend zur Familie der G Protein gekoppelten Rezeptoren (GPCRs). Die Honigbiene Apis mellifera bietet unter anderem aufgrund ihrer eusozialen Lebensweise vielfältige Ansatzpunkte zur Erforschung der Funktionen des serotonergen Systems in Insekten. Bei A. mellifera wurden bereits vier 5-HT-Rezeptor-Subtypen beschrieben und molekular sowie pharmakologisch charakterisiert: Am5 HT1A, Am5 HT2α, Am5 HT2β und Am5 HT7. Ziel dieser Arbeit war es, gewebespezifische sowie alters- und tageszeitabhängige Expressionsmuster der 5 HT Rezeptor-Subtypen zu untersuchen, um zu einem umfassenden Verständnis des serotonergen Systems der Honigbiene beizutragen und eine Basis zur Hypothesenentwicklung für mögliche physiologische Funktionen zu schaffen. Es wurde die Expression der 5 HT Rezeptorgene sowohl im zentralen Nervensystem, als auch in Teilen des Verdauungs-, Exkretions- und Speicheldrüsensystems gemessen. Dabei konnte gezeigt werden, dass die untersuchten 5-HT-Rezeptor-Subtypen generell weit im Organismus der Honigbiene verbreitet sind. Interessanterweise unterschieden sich die untersuchten Gewebe hinsichtlich der mRNA-Expressionsmuster der untersuchten Rezeptoren. Während beispielsweise im Gehirn Am5 ht1A und Am5 ht7 stärker als Am5 ht2α und Am5 ht2β exprimiert wurden, zeigte sich in Darmgewebe ein umgekehrtes Muster. Es war bereits bekannt, dass es bei der Expression der Am5-ht2-Gene zu alternativem Spleißen kommt. Dies führt zur Entstehung der verkürzten mRNA-Varianten Am5 ht2αΔIII und Am5 ht2βΔII. Die daraus resultierenden Proteine können nicht als funktionelle GPCRs agieren. Es konnte gezeigt werden, dass diese verkürzten Spleißvarianten dennoch ubiquitär in der Honigbiene exprimiert werden. Bemerkenswerterweise wurden gewebeübergreifende Ähnlichkeiten der Expressionsmuster der Spleißvarianten gegenüber deren zugehörigen Volllängenvarianten festgestellt, welche auf Funktionen der verkürzten Varianten in vivo hindeuten. Im Hinblick auf die bei A. mellifera hauptsächlich altersbedingte Arbeitsteilung wurde die Expression der 5 HT Rezeptor-Subtypen in Gehirnen von unterschiedlich alten Arbeiterinnen mit unterschiedlichen sozialen Rollen verglichen. Während auf mRNA-Ebene keines der vier 5 HT Rezeptor-Subtypen eine altersabhängig unterschiedliche Expression zeigte, konnte für das Am5-HT1A-Protein eine höhere Konzentration in den Gehirnen älterer Tiere gefunden werden. Dies deutet auf eine posttranskriptionale Regulation der 5 HT1A Rezeptorexpression hin, welche im Zusammenhang mit der Arbeitsteilung stehen könnte. Es erfolgte die Untersuchung tageszeitlicher Änderungen sowohl der Expression der 5 HT Rezeptor-Subtypen, als auch des biogenen Amins 5 HT selbst. Während es in den Gehirnen von Arbeiterinnen, welche unter natürlichen Bedingungen gehalten wurden, zu keiner tageszeitabhängigen Veränderung des 5 HT-Titers kam, zeigte die mRNA-Expression von Am5-ht2α und Am5-ht2β eine periodische Oszillation mit Zunahme während des Tages und Abnahme während der Nacht. Diese Regulation wird durch externe Faktoren hervorgerufen und ist nicht auf einen endogenen circadianen Rhythmus zurückzuführen. Dies ging aus der Wiederholung der Expressionsmessungen an Gehirnen von Bienen, welche unter konstanten Laborbedingungen gehalten wurden, hervor. Weiterhin wurde die Beteiligung des serotonergen Systems an der Steuerung von Aspekten des circadianen lokomotorischen Aktivitätsrhythmus anhand von Verhaltensexperimenten untersucht. Mit 5 HT gefütterte Arbeiterinnen zeigten dabei unter konstanten Bedingungen eine längere Periode des Aktivitätsrhythmus als Kontrolltiere. Dies deutet auf einen Einfluss von 5 HT auf die Modulation der Synchronisation der inneren Uhr hin. Die vorliegenden Ergebnisse tragen wesentlich zum tieferen Verständnis des serotonergen Systems der Honigbiene bei und bieten Ansatzpunkte für weitergehende Studien zur Funktion von 5 HT im Zusammenhang mit der Modulation von physiologischen Prozessen, Arbeitsteilung und circadianen Rhythmen. N2 - The biogenic amine serotonin (5-hydroxytryptamine, 5-HT) acts as an important chemical messenger in a variety of organisms. The 5 HT-mediated signal is perceived by specific receptors and converted to a cellular response. This 5 HT receptors mainly belong to the family of G protein-coupled receptors (GPCRs). The honeybee offers various starting points to explore the functions of the serotonergic system in insects, among other things because of their eusocial lifestyle. In A. mellifera four 5-HT receptor subtypes have been described and molecularly and pharmacologically characterized: Am5 HT1A, Am5 HT2α, Am5 HT2β and Am5 HT7. The aim of this study was to investigate the tissue-specific and age- and daytime-dependent expression patterns of the 5 HT receptor subtypes in order to contribute to a comprehensive understanding of the serotonergic system in A. mellifera. The expression of the 5 HT receptor genes was measured in the central nervous system, as well as in parts of the digestive, excretory and salivary system. It was shown that the investigated 5-HT receptor subtypes are widely distributed in the honeybee. Interestingly, the tissues examined differed with regard to the mRNA expression pattern of the studied receptors. While in the brain the expression of Am5 ht1A and Am5 ht7 was higher than that of Am5 ht2α and Am5 ht2β, the opposite held true for intestinal tissue. It was already known that alternative splicing occurs in the expression of both Am5-ht2 genes. This leads to the formation of the truncated mRNA variants Am5 ht2αΔIII and Am5 ht2βΔII. The resulting proteins cannot act as functional GPCRs. However, it was demonstrated that these truncated splice variants are still ubiquitously expressed in the honeybee. Remarkably, similarities in the expression patterns of the shortened splice variants towards their corresponding full length variants were found throughout different tissues that indicate in vivo functions of the shortened variants. In view of the mainly age related division of labor in A. mellifera, the expression of the 5 HT receptor subtypes was compared in brains of different aged workers with different social roles. While none of the four 5 HT receptor subtypes showed an age-dependent differential expression at the mRNA level, a higher concentration in the brains of older animals could be found for the Am5-HT1A protein. This points to a post-transcriptional regulation of 5 HT1A receptor expression, which could be associated with the division of labor. It was carried out the investigation of diurnal changes in both the expression of the 5 HT receptor subtypes, and of the biogenic amine 5 HT itself. While in the brains of workers, which were kept under natural conditions, no daytime-dependent changes of the 5 HT titer could be found, the mRNA expression of Am5 ht2α and Am5-ht2β showed a periodic oscillation with an increase during the day and a decrease at night. This regulation is caused by external factors and not due to an endogenous circadian rhythm. That was shown by the repetition of the expression measurements on brains of bees, which were kept under constant laboratory conditions. Furthermore, the involvement of the serotonergic system in controlling aspects of circadian locomotor activity rhythm was investigated in behavioral experiments. Under constant conditions, worker bees which were fed with 5 HT showed a longer period of locomotor rhythm than control animals. This suggests an influence of 5 HT in the modulation of the synchronization of the internal clock. In conclusion, the present results contribute to a more detailed understanding of the serotonergic system of the honeybee and provide a basis for further studies on the function of 5 HT in connection with the modulation of physiological processes, division of labor and circadian rhythms. KW - Serotonin KW - Rezeptor KW - Honigbiene KW - serotonin KW - receptors KW - honey bee Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-96667 ER - TY - THES A1 - Orf, Isabel T1 - Photorespiratory metabolism in the cyanobacterial model Synechocystis sp. strain PCC 6803 BT - a systems biology approach Y1 - 2016 ER - TY - THES A1 - Geyer, Juliane T1 - Adapting biodiversity conservation management to climate change Y1 - 2016 ER - TY - THES A1 - Pellizzer, Tommaso T1 - A novel approach to identify plastidic factors for plastome genome incompatibility and evidence for the central involvement of the chloroplast in leaf shaping Y1 - 2016 ER - TY - THES A1 - Korkuć, Paula T1 - Spatial investigations of protein structures with regard to compound binding and post-translational modifications Y1 - 2016 ER - TY - THES A1 - Sokolowska, Ewelina Maria T1 - Implementation of a plasmodesmata gatekeeper system, and its effect on intercellular transport Y1 - 2016 ER - TY - THES A1 - Sin, Celine T1 - Post-transcriptional control of gene expression T1 - Post-Transkription Steuerung der Genexpression N2 - Gene expression describes the process of making functional gene products (e.g. proteins or special RNAs) from instructions encoded in the genetic information (e.g. DNA). This process is heavily regulated, allowing cells to produce the appropriate gene products necessary for cell survival, adapting production as necessary for different cell environments. Gene expression is subject to regulation at several levels, including transcription, mRNA degradation, translation and protein degradation. When intact, this system maintains cell homeostasis, keeping the cell alive and adaptable to different environments. Malfunction in the system can result in disease states and cell death. In this dissertation, we explore several aspects of gene expression control by analyzing data from biological experiments. Most of the work following uses a common mathematical model framework based on Markov chain models to test hypotheses, predict system dynamics or elucidate network topology. Our work lies in the intersection between mathematics and biology and showcases the power of statistical data analysis and math modeling for validation and discovery of biological phenomena. N2 - Das „zentrale Dogma der Molekularbiologie“ besagt, dass der Fluss genetischer Information mit der DNS startet, die dann auf die RNS kopiert und in Proteine übersetzt wird (Crick 1970). Dieses System der Informationsübertragung bietet zwei natürliche Eingriffspunkte, an denen Genausprägungen manipuliert werden können -- entweder auf dem Level der mRNS (z.B. durch Kontrolle der Transkriptions- oder mRNS- Degradationsprozesse) oder auf dem Level des Proteins (z.B. durch Kontrolle der Translations- oder Proteindegradationsprozesse). An jedem Eingriffspunkt sind eine Vielzahl unterschiedlicher Prozesse zeitgleich aktiv, um die Konzentrationen von mRNS und Proteinen präzise einzustellen. All diese Prozesse tragen dazu bei, die Zelle intern im stationäzen Zustand zu halten, denn eine Fehlfunktion im System kann zu Krankheitszuständen oder zum Zelltot führen. In dieser Arbeit untersuchen wir verschiedene Aspekte der Kontrolle der Genausprägungs, indem wir Daten biologischer Experimente analysieren. Unsere Arbeit liegt hierbei zwischen den Bereichen der mathematischer Modellierung und der Biologie und zeigt den immensen Nutzen von statistischen Analysemethoden und mathematischer Modellbildung zur Validierung und Neuentdeckung biologischer Phänomene auf. KW - mRNA degradation KW - protein degradation KW - gene expression control KW - mathematical modeling KW - stochastic modeling KW - data analysis and statistics KW - next generation sequencing (NGS) KW - ribosome KW - Datenanalyse und Statistik KW - Regulierung der Genexpression KW - mRNA Degradierung KW - mathematisches Modellierung KW - Proteindegradierung KW - Ribosom KW - stochastische Modellierung Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-102469 ER - TY - THES A1 - Shikangalah, Rosemary Ndawapeka T1 - An ecohydrological impact assessment in urban areas BT - urban water erosion in Windhoek, Namibia N2 - Over the last decades, the world’s population has been growing at a faster rate, resulting in increased urbanisation, especially in developing countries. More than half of the global population currently lives in urbanised areas with an increasing tendency. The growth of cities results in a significant loss of vegetation cover, soil compaction and sealing of the soil surface which in turn results in high surface runoff during high-intensity storms and causes the problem of accelerated soil water erosion on streets and building grounds. Accelerated soil water erosion is a serious environmental problem in cities as it gives rise to the contamination of aquatic bodies, reduction of ground water recharge and increase in land degradation, and also results in damages to urban infrastructures, including drainage systems, houses and roads. Understanding the problem of water erosion in urban settings is essential for the sustainable planning and management of cities prone to water erosion. However, in spite of the vast existence of scientific literature on water erosion in rural regions, a concrete understanding of the underlying dynamics of urban erosion still remains inadequate for the urban dryland environments. This study aimed at assessing water erosion and the associated socio-environmental determinants in a typical dryland urban area and used the city of Windhoek, Namibia, as a case study. The study used a multidisciplinary approach to assess the problem of water erosion. This included an in depth literature review on current research approaches and challenges of urban erosion, a field survey method for the quantification of the spatial extent of urban erosion in the dryland city of Windhoek, and face to face interviews by using semi-structured questionnaires to analyse the perceptions of stakeholders on urban erosion. The review revealed that around 64% of the literatures reviewed were conducted in the developed world, and very few researches were carried out in regions with extreme climate, including dryland regions. Furthermore, the applied methods for erosion quantification and monitoring are not inclusive of urban typical features and they are not specific for urban areas. The reviewed literature also lacked aspects aimed at addressing the issues of climate change and policies regarding erosion in cities. In a field study, the spatial extent and severity of an urban dryland city, Windhoek, was quantified and the results show that nearly 56% of the city is affected by water erosion showing signs of accelerated erosion in the form of rills and gullies, which occurred mainly in the underdeveloped, informal and semi-formal areas of the city. Factors influencing the extent of erosion in Windhoek included vegetation cover and type, socio-urban factors and to a lesser extent slope estimates. A comparison of an interpolated field survey erosion map with a conventional erosion assessment tool (the Universal Soil Loss Equation) depicted a large deviation in spatial patterns, which underlines the inappropriateness of traditional non-urban erosion tools to urban settings and emphasises the need to develop new erosion assessment and management methods for urban environments. It was concluded that measures for controlling water erosion in the city need to be site-specific as the extent of erosion varied largely across the city. The study also analysed the perceptions and understanding of stakeholders of urban water erosion in Windhoek, by interviewing 41 stakeholders using semi-structured questionnaires. The analysis addressed their understanding of water erosion dynamics, their perceptions with regards to the causes and the seriousness of erosion damages, and their attitudes towards the responsibilities for urban erosion. The results indicated that there is less awareness of the process as a phenomenon, instead there is more awareness of erosion damages and the factors contributing to the damages. About 69% of the stakeholders considered erosion damages to be ranging from moderate to very serious. However, there were notable disparities between the private householders and public authority groups. The study further found that the stakeholders have no clear understanding of their responsibilities towards the management of the control measures and payment for the damages. The private householders and local authority sectors pointed fingers at each other for the responsibilities for erosion damage payments and for putting up prevention measures. The reluctance to take responsibility could create a predicament for areas affected, specifically in the informal settlements where land management is not carried out by the local authority and land is not owned by the occupants. The study concluded that in order to combat urban erosion, it is crucial to understand diverse dynamics aggravating the process of urbanisation from different scales. Accordingly, the study suggests that there is an urgent need for the development of urban-specific approaches that aim at: (a) incorporating the diverse socio-economic-environmental aspects influencing erosion, (b) scientifically improving natural cycles that influence water storages and nutrients for plants in urbanised dryland areas in order to increase the amount of vegetation cover, (c) making use of high resolution satellite images to improve the adopted methods for assessing urban erosion, (d) developing water erosion policies, and (e) continuously monitoring the impact of erosion and the influencing processes from local, national and international levels. N2 - In den letzten Jahrzehnten ist die Erdbevölkerung mit großer Geschwindigkeit gewachsen. Das hatte eine verstärkte Urbanisierung zur Folge, insbesondere in den Entwicklungsländern. Zurzeit lebt über die Hälfte der globalen Bevölkerung in Stadtgebieten, mit steigender Tendenz. Städtewachstum geht mit einem signifikanten Verlust von Vegetationsbedeckung, sowie mit Bodenverdichtung und -versiegelung einher. Diese Faktoren führen bei Starkregenereignissen zu einem hohen Oberflächenabfluss, und zu Problemen durch beschleunigte wasserbedingte Bodenerosion in Straßen und auf Baugelände. In Städten ist eine beschleunigte wasserbedingte Bodenerosion ist ein ernstzunehmendes Umweltproblem, denn sie verursacht eine Verschmutzung der Gewässer, eine verminderte Grundwasserneubildung und erhöhte Landdegradierung. Darüber hinaus kommt es zu erosionsbedingten Schäden in der städtischen Infrastruktur, inklusive der Entwässerungssysteme, sowie an Häusern und Straßen. Für ein nachhaltiges Planen und Management von erosionsanfälligen Städten ist es von essentieller Bedeutung, die Probleme der Wassererosion in städtischen Gebieten zu verstehen. Trotz der großen Anzahl wissenschaftlicher Studien über Wassererosion in ländlichen Gegenden bleibt unser Verständnis der zu Grunde liegenden Erosionsdynamiken in urbanen Trockengebieten unzureichend. Diese Studie zielt darauf ab, Wassererosion, sowie die dazu beitragenden sozio-ökologischen Faktoren, in einem typischen urbanen Trockengebiet zu erfassen. Hierzu wurde ein fachübergreifender Ansatz am Fallbeispiel der Stadt Windhoek, Namibia, gewählt. Die Arbeit umfasst eine detaillierte Literaturanalyse der aktuellen Forschungsansätze zur urbanen Wassererosion und den damit verbundenen Herausforderungen. Außerdem wurde eine feldstudienbasierte Methode entwickelt, mit der das Ausmaß der Wassererosion in der Stadt Windhoek quantifiziert und räumlich erfasst wurde. Schließlich wurden persönliche Befragungen mit halbstrukturierten Fragebögen durchgeführt, um die Wahrnehmung der verschiedenen Interessenvertreter zum Thema Erosion in Stadtgebieten zu analysieren. Die Literaturanalyse hat gezeigt, dass 64% der untersuchten Studien in der entwickelten Welt durchgeführt wurden und nur sehr wenige Regionen mit extremen Klimabedingungen, einschließlich Trockengebieten, untersucht wurden. Hinzu kommt, dass die verwendeten Methoden zur Erosionsquantifizierung und -beobachtung die für urbane Gebiete typischen Merkmale nicht beinhalten und dafür auch nicht ausgerichtet sind. Des Weiteren mangelt es der untersuchten Literatur an Ansätzen, die den Einfluss des Klimawandels und politische Aspekte in Bezug auf Erosion in Stadtgebieten thematisieren. In einer Feldstudie wurde das Ausmaß von Wassererosion in der trocken gelegenen Stadt Windhoek quantifiziert und räumlich erfasst. Beinahe 56% der Stadt waren von Wassererosion betroffen und wiesen Anzeichen beschleunigter Erosion in Form von Rinnen und Rillen auf. Letztere traten vor allem in den unterentwickelten, informellen und semi-formellen Stadtgebieten auf. Das Ausmaß der Erosion in Windhoek wurde unter anderem von der Vegetationsbedeckung und dem Vegetationstyp, von sozial-urbanen Faktoren, und zu einem geringeren Grad von dem geschätzten Gefälle bestimmt. Der Vergleich einer interpolierten feldstudienbasierten Erosionskarte mit Ergebnissen, die auf einer konventionellen Methode zur Erosionserfassung (der Allgemeinen Bodenabtragsgleichung (ABAG)) basieren, ergab eine starke Abweichung in den räumlichen Mustern. Das verdeutlicht die Unzulänglichkeit einer direkten Übertragung von traditionellen nicht-urbanen Methoden zur Erosionserfassung auf ein urbanes Umfeld und betont die Notwendigkeit, neue Methoden sowohl zur Erfassung als auch zum Management von Erosion für urbane Gebiete zu entwickeln. Aus der großen Variabilität des Erosionsausmaßes innerhalb der Stadt lässt sich folgern, dass Methoden zur Kontrolle von Wassererosion in Städten standortspezifisch sein sollten. Anhand von halbstrukturierten Fragebögen wurde in einem weiteren Teil der Arbeit die Wahrnehmung und das Verständnis der unterschiedlichen Interessenvertreter zum Thema urbane Wassererosion in Windhoek untersucht. Insgesamt wurden 41 Interessenvertreter zu ihrem Verständnis der Wassererosionsdynamiken, zu ihrer Wahrnehmung in Bezug auf mögliche Ursachen und zum Ausmaß der Erosionsschäden, sowie zu ihrer Einstellung zur Verantwortlichkeit für die Erosion in der Stadt befragt. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass es eine geringe Wahrnehmung für das Phänomen der Erosion als Prozess gibt, dafür aber eine im Vergleich erhöhte Wahrnehmung der Erosionsschäden und der Faktoren, die zu den Schäden beitragen. Ungefähr 69% der Interessenvertreter stuften die Erosionsschäden als moderat bis sehr ernsthaft ein. Dabei gab es erkennbare Differenzen zwischen der Gruppe der privaten Haushalte und der der öffentlichen Behörden. Des Weiteren hat die Untersuchung ergeben, dass die Interessenvertreter kein klares Verständnis ihrer Verantwortung in Bezug auf das Management der Kontrollmaßnahmen, sowie ihrer finanziellen Verantwortung für die Schäden haben. Die privaten Haushalte und die örtlichen Behörden wiesen sich gegenseitig die Zahlungsverantwortung für die Erosionsschäden und für vorbeugende Maßnahmen zu. Der Unwille der einzelnen Akteure, Verantwortung zu übernehmen, könnte eine Zwickmühle für die betroffenen Gebiete werden. Dies gilt insbesondere für die informellen Siedlungen, in denen von den örtlichen Behörden kein Landmanagement durchgeführt wird, das Land aber auch nicht Eigentum der Bewohnern ist. Abschließend hat die Studie ergeben, dass es für eine effektive Erosionsbekämpfung in der Stadt von ausschlaggebender Bedeutung ist, die verschiedenen, den Prozess der Urbanisierung auf negative Weise verstärkenden Dynamiken, auf ihren unterschiedlichen Skalen zu verstehen. Auf Grundlage der hier präsentierten Ergebnisse wird eine Entwicklung speziell auf Stadtgebiete ausgerichteter Ansätze mit folgenden Zielen dringend nahegelegt: (a) Einer Integration von diversen sozio-ökonomisch-ökologischen Aspekten, die sich auf Erosion auswirken; (b) Einer wissenschaftlich begründeten Verbesserung der natürlichen Kreisläufe, die sich positiv auf die Wasserspeicherung im Boden und die Nährstoffverfügbarkeit für Pflanzen auswirken, um dadurch einen höheren Vegetationsbedeckungsgrad zu erreichen; (c) Der Nutzung hoch aufgelöster Satellitendaten, um die Methoden zur Erosionserfassung für urbane Gebiete zu verbessern; (d) Der Entwicklung politischer Maßnahmen zur Bekämpfung von Wassererosion. KW - urban soil erosion KW - water erosion KW - risk mapping KW - urbane Bodenerosion KW - Wassererosion KW - Risikoabbildung Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-102356 ER - TY - THES A1 - Reichel, Victoria Eleonore T1 - Biomedical applications and multifunctional nanostructures based on magnetite nanoparticles synthesized in presence of biological additives Y1 - 2016 ER -