TY - GEN A1 - Schorn, Sina A1 - Salman-Carvalho, Verena A1 - Littmann, Sten A1 - Ionescu, Danny A1 - Grossart, Hans-Peter A1 - Cypionka, Heribert T1 - Cell architecture of the giant sulfur bacterium achromatium oxaliferum BT - Extra-cytoplasmic localization of calcium carbonate bodies T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Achromatium oxaliferum is a large sulfur bacterium easily recognized by large intracellular calcium carbonate bodies. Although these bodies often fill major parts of the cells' volume, their role and specific intracellular location are unclear. In this study, we used various microscopy and staining techniques to identify the cell compartment harboring the calcium carbonate bodies. We observed that Achromatium cells often lost their calcium carbonate bodies, either naturally or induced by treatments with diluted acids, ethanol, sodium bicarbonate and UV radiation which did not visibly affect the overall shape and motility of the cells (except for UV radiation). The water-soluble fluorescent dye fluorescein easily diffused into empty cavities remaining after calcium carbonate loss. Membranes (stained with Nile Red) formed a network stretching throughout the cell and surrounding empty or filled calcium carbonate cavities. The cytoplasm (stained with FITC and SYBR Green for nucleic acids) appeared highly condensed and showed spots of dissolved Ca2+ (stained with Fura-2). From our observations, we conclude that the calcium carbonate bodies are located in the periplasm, in extra-cytoplasmic pockets of the cytoplasmic membrane and are thus kept separate from the cell's cytoplasm. This periplasmic localization of the carbonate bodies might explain their dynamic formation and release upon environmental changes. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1356 KW - sulfur-bacteria KW - calcium carbonate inclusions KW - extra-cytoplasmic pockets KW - calcite Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-549935 SN - 1866-8372 IS - 2 ER - TY - GEN A1 - Ozcelikay, Goksu A1 - Kurbanoglu, Sevinc A1 - Zhang, Xiaorong A1 - Söz, Çağla Kosak A1 - Wollenberger, Ulla A1 - Ozkan, Sibel A. A1 - Yarman, Aysu A1 - Scheller, Frieder W. T1 - Electrochemical MIP Sensor for Butyrylcholinesterase T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Molecularly imprinted polymers (MIPs) mimic the binding sites of antibodies by substituting the amino acid-scaffold of proteins by synthetic polymers. In this work, the first MIP for the recognition of the diagnostically relevant enzyme butyrylcholinesterase (BuChE) is presented. The MIP was prepared using electropolymerization of the functional monomer o-phenylenediamine and was deposited as a thin film on a glassy carbon electrode by oxidative potentiodynamic polymerization. Rebinding and removal of the template were detected by cyclic voltammetry using ferricyanide as a redox marker. Furthermore, the enzymatic activity of BuChE rebound to the MIP was measured via the anodic oxidation of thiocholine, the reaction product of butyrylthiocholine. The response was linear between 50 pM and 2 nM concentrations of BuChE with a detection limit of 14.7 pM. In addition to the high sensitivity for BuChE, the sensor responded towards pseudo-irreversible inhibitors in the lower mM range. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1138 KW - molecularly imprinted polymers KW - biomimetic sensors KW - butyrylcholinesterase KW - o-phenylenediamine KW - rivastigmine Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-501854 SN - 1866-8372 IS - 1138 ER - TY - GEN A1 - Sowemimo, Oluwakemi T. A1 - Knox-Brown, Patrick A1 - Borcherds, Wade A1 - Rindfleisch, Tobias A1 - Thalhammer, Anja A1 - Daughdrill, Gary W. T1 - Conserved glycines control disorder and function in the cold-regulated protein, COR15A T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Cold-regulated (COR) 15A is an intrinsically disordered protein (IDP) from Arabidopsis thaliana important for freezing tolerance. During freezing-induced cellular dehydration, COR15A transitions from a disordered to mostly alpha-helical structure. We tested whether mutations that increase the helicity of COR15A also increase its protective function. Conserved glycine residues were identified and mutated to alanine. Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy was used to identify residue-specific changes in helicity for wildtype (WT) COR15A and the mutants. Circular dichroism (CD) spectroscopy was used to monitor the coil-helix transition in response to increasing concentrations of trifluoroethanol (TFE) and ethylene glycol. The impact of the COR15A mutants on the stability of model membranes during a freeze-thaw cycle was investigated by fluorescence spectroscopy. The results of these experiments showed the mutants had a higher content of alpha-helical structure and the increased alpha-helicity improved membrane stabilization during freezing. Comparison of the TFE- and ethylene glycol-induced coil-helix transitions support our conclusion that increasing the transient helicity of COR15A in aqueous solution increases its ability to stabilize membranes during freezing. Altogether, our results suggest the conserved glycine residues are important for maintaining the disordered structure of COR15A but are also compatible with the formation of alpha-helical structure during freezing induced dehydration. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1089 KW - COR15A KW - late embryogenesis abundant KW - intrinsically disordered proteins KW - trifluoroethanol KW - nuclear magnetic resonance Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-472217 SN - 1866-8372 IS - 1089 ER - TY - GEN A1 - Schwarz, Maria A1 - Lossow, Kristina A1 - Kopp, Johannes F. A1 - Schwerdtle, Tanja A1 - Kipp, Anna Patricia T1 - Crosstalk of Nrf2 with the Trace Elements Selenium, Iron, Zinc, and Copper T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Trace elements, like Cu, Zn, Fe, or Se, are important for the proper functioning of antioxidant enzymes. However, in excessive amounts, they can also act as pro-oxidants. Accordingly, trace elements influence redox-modulated signaling pathways, such as the Nrf2 pathway. Vice versa, Nrf2 target genes belong to the group of transport and metal binding proteins. In order to investigate whether Nrf2 directly regulates the systemic trace element status, we used mice to study the effect of a constitutive, whole-body Nrf2 knockout on the systemic status of Cu, Zn, Fe, and Se. As the loss of selenoproteins under Se-deprived conditions has been described to further enhance Nrf2 activity, we additionally analyzed the combination of Nrf2 knockout with feeding diets that provide either suboptimal, adequate, or supplemented amounts of Se. Experiments revealed that the Nrf2 knockout partially affected the trace element concentrations of Cu, Zn, Fe, or Se in the intestine, liver, and/or plasma. However, aside from Fe, the other three trace elements were only marginally modulated in an Nrf2-dependent manner. Selenium deficiency mainly resulted in increased plasma Zn levels. One putative mediator could be the metal regulatory transcription factor 1, which was up-regulated with an increasing Se supply and downregulated in Se-supplemented Nrf2 knockout mice. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1081 KW - Nrf2 KW - selenium KW - iron KW - copper KW - zinc KW - homeostasis Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-472873 SN - 1866-8372 IS - 1081 ER - TY - GEN A1 - Schieferdecker, Anne A1 - Wendler, Petra T1 - Structural mapping of missense mutations in the Pex1/Pex6 complex T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Peroxisome biogenesis disorders (PBDs) are nontreatable hereditary diseases with a broad range of severity. Approximately 65% of patients are affected by mutations in the peroxins Pex1 and Pex6. The proteins form the heteromeric Pex1/Pex6 complex, which is important for protein import into peroxisomes. To date, no structural data are available for this AAA+ ATPase complex. However, a wealth of information can be transferred from low-resolution structures of the yeast scPex1/scPex6 complex and homologous, well-characterized AAA+ ATPases. We review the abundant records of missense mutations described in PBD patients with the aim to classify and rationalize them by mapping them onto a homology model of the human Pex1/Pex6 complex. Several mutations concern functionally conserved residues that are implied in ATP hydrolysis and substrate processing. Contrary to fold destabilizing mutations, patients suffering from function-impairing mutations may not benefit from stabilizing agents, which have been reported as potential therapeutics for PBD patients. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1072 KW - Zellweger syndrome spectrum disorder (ZSSD) KW - Zellweger KW - structure KW - Pex1 KW - Pex6 KW - mutation Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-472843 SN - 1866-8372 IS - 1072 ER - TY - THES A1 - He, Hai T1 - Exploring and engineering formaldehyde assimilation N2 - Increasing concerns regarding the environmental impact of our chemical production have shifted attention towards possibilities for sustainable biotechnology. One-carbon (C1) compounds, including methane, methanol, formate and CO, are promising feedstocks for future bioindustry. CO2 is another interesting feedstock, as it can also be transformed using renewable energy to other C1 feedstocks for use. While formaldehyde is not suitable as a feedstock due to its high toxicity, it is a central intermediate in the process of C1 assimilation. This thesis explores formaldehyde metabolism and aims to engineer formaldehyde assimilation in the model organism Escherichia coli for the future C1-based bioindustry. The first chapter of the thesis aims to establish growth of E. coli on formaldehyde via the most efficient naturally occurring route, the ribulose monophosphate pathway. Linear variants of the pathway were constructed in multiple-gene knockouts strains, coupling E. coli growth to the activities of the key enzymes of the pathway. Formaldehyde-dependent growth was achieved in rationally designed strains. In the final strain, the synthetic pathway provides the cell with almost all biomass and energy requirements. In the second chapter, taking advantage of the unique feature of its reactivity, formaldehyde assimilation via condensation with glycine and pyruvate by two promiscuous aldolases was explored. Facilitated by these two reactions, the newly designed homoserine cycle is expected to support higher yields of a wide array of products than its counterparts. By dividing the pathway into segments and coupling them to the growth of dedicated strains, all pathway reactions were demonstrated to be sufficiently active. The work paves a way for future implementation of a highly efficient route for C1 feedstocks into commodity chemicals. In the third chapter, the in vivo rate of the spontaneous formaldehyde tetrahydrofolate condensation to methylene-tetrahydrofolate was assessed in order to evaluate its applicability as a biotechnological process. Tested within an E. coli strain deleted in essential genes for native methylene-tetrahydrofolate biosynthesis, the reaction was shown to support the production of this essential intermediate. However, only low growth rates were observed and only at high formaldehyde concentrations. Computational analysis dependent on in vivo evidence from this strain deduced the slow rate of this spontaneous reaction, thus ruling out its substantial contribution to growth on C1 feedstocks. The reactivity of formaldehyde makes it highly toxic. In the last chapter, the formation of thioproline, the condensation product of cysteine and formaldehyde, was confirmed to contribute this toxicity effect. Xaa-Pro aminopeptidase (PepP), which genetically links with folate metabolism, was shown to hydrolyze thioproline-containing peptides. Deleting pepP increased strain sensitivity to formaldehyde, pointing towards the toxicity of thioproline-containing peptides and the importance of their removal. The characterization in this study could be useful in handling this toxic intermediate. Overall, this thesis identified challenges related to formaldehyde metabolism and provided novel solutions towards a future bioindustry based on sustainable C1 feedstocks in which formaldehyde serves as a key intermediate. N2 - Die zunehmende Besorgnis über die Auswirkungen der chemischen Produktion auf die Umwelt hat den Fokus auf die Vorzüge der nachhaltigen Biotechnologie gelenkt. Ein-Kohlenstoff-Verbindungen (C1), wie Methan, Methanol, Formiat und CO, sind vielversprechende Ausgangsstoffe für eine künftige biobasierte Industrie. Darüber hinaus ist CO2 ein weiterer interessanter Rohstoff, da es ebenfalls mit erneuerbarer Energie in andere C1-Verbindungen umgewandelt werden kann. Formaldehyd ist zwar aufgrund seiner Toxizität und Reaktivität nicht als Kohlestoffquelle geeignet, stellt aber ein zentrales Intermediat der C1-Assimilation dar. In dieser Arbeit wurde der Formaldehyd-Stoffwechsel untersucht, um Formaldehyd-Assimilations-Wege im Modellorganismus Escherichia coli für die zukünftige C1-basierte Bioindustrie zu entwickeln. Das erste Kapitel dieser Arbeit zielt darauf ab, das Wachstum von E. coli auf Formaldehyd über den energetisch effizientesten natürlich vorkommenden Weg, den Ribulose-Monophosphat-Weg (RuMP-Weg), zu etablieren. Durch Gendeletionen wurden lineare Varianten des RuMPWeges in E. coli Stämmen konstruiert, um das Wachstum mit der Aktivität der Schlüsselenzyme der Formaldehyd-Assimiliation zu verbinden. So konnte auf Formaldehydabhängiges Wachstum in diesen Stämmen getestet werden. Im finalen Stamm wurde nahezu die gesamte Biomasse und der Energiebedarf der E. coli Zellen über den RuMP-Weg bereitgestellt. Im zweiten Kapitel wurde unter Ausnutzung der einzigartigen Reaktivität des Formaldehyds die Aktivitäten zweier promiskuitiver Aldolasen für die Kondensation von Formaldehyd mit Glycin oder Pyruvat in vivo untersucht. Diese beiden Reaktionen dienen als Schlüsselreaktionen des neu gestalteten Homoserin-Zyklus, der verglichen mit anderen bekannten Assimilierungswegen höhere Ausbeuten einer breiten Palette von Produkten ermöglichen kann. Durch die Unterteilung des Stoffwechselweges in Segmente und deren Selektion in auxotrophen E. coli Stämmen wurde gezeigt, dass alle Reaktionen des Pfades ausreichend aktiv sind. Diese Arbeit ebnet den Weg für die zukünftige Nutzung des Homoserin-Zyklus als hocheffiziente Route für die Umwandlung von C1-Rohstoffen in grundlegende Chemikalien. Im dritten Kapitel wurde die in vivo-Rate der spontanen Kondensation von Formaldehyd mit Tetrahydrofolat zu Methylen-Tetrahydrofolat untersucht, um ihr Potential als Formaldehyd Assimilierungs-Reaktion in einem biotechnologischen Prozess zu bewerten. Die Reaktion wurde in einem E. coli-Stamm getestet, in welchem essentielle Gene für die native Methylen-Tetrahydrofolat-Biosynthese entfernt wurden. Es konnte gezeigt werden, dass die spontane Reaktion die Produktion dieses wesentlichen Zwischenprodukts ermöglicht. Die erreichten Wachstumsraten waren jedoch gering und nur bei hohen Formaldehydkonzentrationen zu beobachten. Eine Computer-gestützte Analyse basierend auf in vivo-Erkenntnissen über diesen Stamm ergab eine langsame Reaktionsgeschwindigkeit dieser spontanen Reaktion und schloss somit ihren wesentlichen Beitrag zum Wachstum auf C1-Einsatzmaterial aus. Seine Reaktivität macht Formaldehyd hochtoxisch. Im letzten Kapitel wurde bestätigt, dass die Bildung von Thioprolin, dem Kondensationsprodukt von Cystein und Formaldehyd, zu dieser Toxizitätswirkung beiträgt. Es wurde gezeigt, dass die Xaa-Pro-Aminopeptidase (PepP), die genetisch mit dem Folat-Stoffwechsel verbunden ist, thioprolinhaltige Peptide hydrolysiert. Die Deletion von PepP erhöhte die Empfindlichkeit des Stammes gegenüber Formaldehyd, was auf die Toxizität der Thioprolin-haltigen Peptide und die Bedeutung ihrer Entfernung hinweist. Diese Studie kann für den Umgang mit der Toxizität von Formaldehyd nützlich sein. Insgesamt identifizierte diese Arbeit Herausforderungen im Zusammenhang mit dem Formaldehyd-Stoffwechsel und lieferte neue Lösungen für eine C1-basierte Bioindustrie, in der Formaldehyd als wichtiges Zwischenprodukt dient. T2 - Erforschung und Entwicklung der Formaldehyd-Assimilierung KW - formaldehyde assimilation KW - ribulose monophosphate pathway KW - metabolic engineering KW - serine cycle KW - auxotrophy KW - methylotrophy KW - Auxotrophie KW - Serin-Zyklus KW - Ribulose-Monophosphat-Weg KW - Methylotrophie KW - metabolisches Engineering KW - Formaldehyd-Assimilierung Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-473867 ER - TY - THES A1 - Guislain, Alexis T1 - Eco-physiological consequences of fluctuating light on phytoplankton T1 - Ökophysiologische Konsequenzen von fluktuierendem Licht auf das Phytoplankton N2 - Phytoplankton growth depends not only on the mean intensity but also on the dynamics of the light supply. The nonlinear light-dependency of growth is characterized by a small number of basic parameters: the compensation light intensity PARcompμ, where production and losses are balanced, the growth efficiency at sub-saturating light αµ, and the maximum growth rate at saturating light µmax. In surface mixed layers, phytoplankton may rapidly move between high light intensities and almost darkness. Because of the different frequency distribution of light and/or acclimation processes, the light-dependency of growth may differ between constant and fluctuating light. Very few studies measured growth under fluctuating light at a sufficient number of mean light intensities to estimate the parameters of the growth-irradiance relationship. Hence, the influence of light dynamics on µmax, αµ and PARcompμ are still largely unknown. By extension, accurate modelling predictions of phytoplankton development under fluctuating light exposure remain difficult to make. This PhD thesis does not intend to directly extrapolate few experimental results to aquatic systems – but rather improving the mechanistic understanding of the variation of the light-dependency of growth under light fluctuations and effects on phytoplankton development. In Lake TaiHu and at the Three Gorges Reservoir (China), we incubated phytoplankton communities in bottles placed either at fixed depths or moved vertically through the water column to mimic vertical mixing. Phytoplankton at fixed depths received only the diurnal changes in light (defined as constant light regime), while phytoplankton received rapidly fluctuating light by superimposing the vertical light gradient on the natural sinusoidal diurnal sunlight. The vertically moved samples followed a circular movement with 20 min per revolution, replicating to some extent the full overturn of typical Langmuir cells. Growth, photosynthesis, oxygen production and respiration of communities (at Lake TaiHu) were measured. To complete these investigations, a physiological experiment was performed in the laboratory on a toxic strain of Microcystis aeruginosa (FACBH 1322) incubated under 20 min period fluctuating light. Here, we measured electron transport rates and net oxygen production at a much higher time resolution (single minute timescale). The present PhD thesis provides evidence for substantial effects of fluctuating light on the eco-physiology of phytoplankton. Both experiments performed under semi-natural conditions in Lake TaiHu and at the Three Gorges Reservoir gave similar results. The significant decline in community growth efficiencies αµ under fluctuating light was caused for a great share by different frequency distribution of light intensities that shortened the effective daylength for production. The remaining gap in community αµ was attributed to species-specific photoacclimation mechanisms and to light-dependent respiratory losses. In contrast, community maximal growth rates µmax were similar between incubations at constant and fluctuating light. At daily growth saturating light supply, differences in losses for biosynthesis between the two light regimes were observed. Phytoplankton experiencing constant light suffered photo-inhibition - leading to photosynthesis foregone and additional respiratory costs for photosystems repair. On the contrary, intermittent exposure to low and high light intensities prevented photo-inhibition of mixed algae but forced them to develop alternative light strategy. They better harvested and exploited surface irradiance by enhancing their photosynthesis. In the laboratory, we showed that Microcystis aeruginosa increased its oxygen consumption by dark respiration in the light few minutes only after exposure to increasing light intensities. More, we proved that within a simulated Langmuir cell, the net production at saturating light and the compensation light intensity for production at limiting light are positively related. These results are best explained by an accumulation of photosynthetic products at increasing irradiance and mobilization of these fresh resources by rapid enhancement of dark respiration for maintenance and biosynthesis at decreasing irradiance. At the daily timescale, we showed that the enhancement of photosynthesis at high irradiance for biosynthesis of species increased their maintenance respiratory costs at limiting light. Species-specific growth at saturating light µmax and compensation light intensity for growth PARcompμ of species incubated in Lake TaiHu were positively related. Because of this species-specific physiological tradeoff, species displayed different light affinities to limiting and saturating light - thereby exhibiting a gleaner-opportunist tradeoff. In Lake TaiHu, we showed that inter-specific differences in light acquisition traits (µmax and PARcompμ) allowed coexis¬tence of species on a gradient of constant light while avoiding competitive exclusion. More interestingly we demonstrated for the first time that vertical mixing (inducing fluctuating light supply for phytoplankton) may alter or even reverse the light utilization strategies of species within couple of days. The intra-specific variation in traits under fluctuating light increased the niche space for acclimated species, precluding competitive exclusion. Overall, this PhD thesis contributes to a better understanding of phytoplankton eco-physiology under fluctuating light supply. This work could enhance the quality of predictions of phytoplankton development under certain weather conditions or climate change scenarios. N2 - Das Wachstum von Phytoplankton hängt ab nicht nur von der mittleren Intensität, sondern auch von der Dynamik des verfügbaren Lichts. Die nicht-lineare Lichtabhängigkeit des Wachstums kann durch drei Parameter beschrieben werden: die Kompensationslichtintensität PARcompµ, bei der Bruttoproduktion und Verluste gleich sind, die Wachstumseffizienz bei Lichtlimitation αµ und die maximale Wachstumsrate bei sättigendem Licht µmax. In durchmischten Schichten nahe der Gewässeroberfläche kann das Phytoplankton innerhalb weniger Minuten zwischen Starklicht und nahezu völliger Dunkelheit bewegt werden. Durch die unterschiedliche Häufigkeitsverteilung der Lichtintensitäten und/oder unterschiedliche Anpassungen kann die Lichtabhängigkeit des Wachstums sich bei fluktuierendem Licht von dem bei konstantem Licht unterscheiden. Bislang wurde die Lichtabhängigkeit des Wachstums bei fluktuierendem Licht nur in sehr wenigen Studien für genügend viele Lichtintensitäten gemessen, um die genannten Parameter bestimmen zu können. Entsprechend ist der Einfluss der Lichtdynamik auf die Parameter der Wachstums-Licht-Beziehung noch weitgehend unbekannt. Dies beeinträchtigt auch die Zuverlässigkeit von Modellaussagen zur Phytoplanktondynamik unter Durchmischungsbedingungen. In dieser Dissertation sollen die experimentell gewonnenen Ergebnisse nicht auf ganze Ökosysteme extrapoliert werden; Ziel ist vielmehr ein verbessertes Verständnis der Prozesse, die die Lichtabhängigkeit des Phytoplanktonwachstums unter dynamischen Lichtbedingungen steuern. Hierzu wurden im Tai-See und im Dreischluchten-Stausee (China) Experimente mit Phytoplanktongemeinschaften durchgeführt. Es wurden Proben entweder in konstanten Tiefen exponiert oder mit Liften vertikal zwischen Wasseroberfläche und verschiedenen Tiefen bewegt. Während das Lichtangebot in konstanten Tiefen nur dem Tagesgang der Globalstrahlung folgte (hier als konstantes Licht bezeichnet), war das Phytoplankton in den bewegten Proben zusätzlich raschen Lichtfluktuationen ausgesetzt. Mit der Liftbewegung wurden mittlere Bedingungen in den Außenbahnen von Langmuir-Zellen simuliert, wobei eine Umlaufzeit von 20 Minuten gewählt wurde. Es wurden Wachstum, Photosynthese und (im Tai-See) Respiration gemessen. Zusätzlich wurde in Laborversuchen mit einem toxischen Stamm des Cyanobakteriums Microcystis aeruginosa (FACBH 1322) unter fluktuierendem und konstantem Licht Elektronentransportraten sowie Produktion und Verbrauch von Sauerstoff mit höherer zeitlicher Auflösung (1 min) gemessen. Die Ergebnisse der vorliegenden Dissertation demonstrieren bedeutsame Effekte von Lichtfluktuationen auf die Ökophysiologie von Phytoplankton. Die Experimente unter halb-natürlichen Bedingungen im Tai-See und im Dreischluchten-Stausee zeigten ähnliche Muster. Die Wachstumseffizienz der Gemeinschaften nahm durch fluktuierendes Licht deutlich ab, überwiegend durch die veränderte Häufigkeitsverteilung der Lichtintensitäten, die zu verkürzten effektiven Taglängen führte. Zudem verringerten artspezifische Anpassungsmechanismen und lichtabhängige Verluste durch Respiration die Wachstumseffizienz bei fluktuierendem Licht. Die maximalen Wachstumsraten der Gemeinschaft unterschieden sich hingegen nicht zwischen den Ansätzen mit konstantem und fluktuierendem Licht. Bei Lichtsättigung des Wachstums unterschieden sich die Aufwendungen für die Biosynthese zwischen den beiden Lichtregimen. Unter konstantem Starklicht wurden die Photosynthese gehemmt und die Respiration zur Reparatur der Photosysteme erhöht. Fluktuierendes Licht hingegen vermied Lichthemmung, zwang die vertikal bewegten Algen aber zu alternativen Strategien der Lichtnutzung. Durch eine erhöhte Photosynthesekapazität konnten sie Starklicht nahe der Wasseroberfläche besser nutzen. Microcystis aeruginosa verbrauchte im Labor mehr Sauerstoff durch Respiration bei abnehmenden Lichtintensitäten kurz nach Starklicht. Innerhalb eines Lichtzyklus von 20 min stieg die Kompensationslichtintensität mit steigender Nettoproduktion bei Lichtsättigung. Diese Beobachtungen sind am besten durch eine Anreicherung von Photosyntheseprodukten bei ansteigender Lichtintensität und deren sofortige verstärkte Respiration für Erhaltungsumsatz und Biosynthese bei abnehmender Lichtintensität erklärbar. Im Tagesmittel führte eine verstärkte Photosynthese bei Lichtsättigung zu erhöhter Respiration bei Schwachlicht. Die Kompensationslichtintensitäten dominanter Arten im Tai-See stiegen mit deren artspezifischen maximalen Wachstumsraten. Durch diesen artspezifischen physiologischen Kompromiss unterschieden sich die dominanten Arten im See bezüglich ihrer Lichtoptima. Unterschiedliche Strategien der Lichtnutzung (höhere maximale Wachstumsraten oder niedrigere Lichtansprüche) ermöglichten die Koexistenz verschiedener Arten entlang eines Gradienten der Intensität konstanten Lichts im Tai-See. Durch vertikale Durchmischung änderten sich die Strategien der Lichtnutzung innerhalb weniger Tage komplett. Die unterschiedlichen Anpassungsstrategien an fluktuierendes Licht vergrößerten die ökologischen Nischen der dominanten Arten und verhinderten ihre gegenseitige Verdrängung. Insgesamt trägt diese Dissertation zum besseren Verständnis der Ökophysiologie von Phytoplankton unter Durchmischungsbedingungen bei. Dadurch werden verlässlichere Prognosen der Phytoplanktonentwicklung möglich, kurzzeitig in Kombination mit Wettervorhersagen und über lange Zeiträume durch Kopplung mit Klimaszenarien. KW - Lake TaiHu KW - Three Gorges reservoir KW - functional traits KW - tradeoff KW - fluctuating light KW - pPhytoplankton photoacclimation KW - effective daylength KW - photosynthesis KW - respiration KW - niche partitioning KW - non-equilibrium coexistence KW - TaiHu KW - Dreischluchten-Stausee KW - funktionelle Eigenschaften KW - Zielkonflikte KW - fluktuierendes Licht KW - Lichtanpassung KW - Photosynthese KW - Respiration KW - Nischen-Aufteilung KW - Koexistenz unter wechselnden Bedingungen Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-469272 ER - TY - THES A1 - Zemella, Anne T1 - Fluoreszenzmarkierung und Modifizierung von komplexen Proteinen in eukaryotischen zellfreien Systemen durch die Etablierung von orthogonalen tRNA/Aminoacyl-tRNA-Synthetase-Paaren T1 - Fluorescent labeling and modification of complex proteins in eukaryotic cell-free systems by establishing orthogonal tRNA/aminoacyl-tRNA-synthetase pairs N2 - Die funktionelle Charakterisierung von therapeutisch relevanten Proteinen kann bereits durch die Bereitstellung des Zielproteins in adäquaten Mengen limitierend sein. Dies trifft besonders auf Membranproteine zu, die aufgrund von zytotoxischen Effekten auf die Produktionszelllinie und der Tendenz Aggregate zu bilden, in niedrigen Ausbeuten an aktivem Protein resultieren können. Der lebende Organismus kann durch die Verwendung von translationsaktiven Zelllysaten umgangen werden- die Grundlage der zellfreien Proteinsynthese. Zu Beginn der Arbeit wurde die ATP-abhängige Translation eines Lysates auf der Basis von kultivierten Insektenzellen (Sf21) analysiert. Für diesen Zweck wurde ein ATP-bindendes Aptamer eingesetzt, durch welches die Translation der Nanoluziferase reguliert werden konnte. Durch die dargestellte Applizierung von Aptameren, könnten diese zukünftig in zellfreien Systemen für die Visualisierung der Transkription und Translation eingesetzt werden, wodurch zum Beispiel komplexe Prozesse validiert werden können. Neben der reinen Proteinherstellung können Faktoren wie posttranslationale Modifikationen sowie eine Integration in eine lipidische Membran essentiell für die Funktionalität des Membranproteins sein. Im zweiten Abschnitt konnte, im zellfreien Sf21-System, für den G-Protein-gekoppelten Rezeptor Endothelin B sowohl eine Integration in die endogen vorhandenen Endoplasmatisch Retikulum-basierten Membranstrukturen als auch Glykosylierungen, identifiziert werden. Auf der Grundlage der erfolgreichen Synthese des ET-B-Rezeptors wurden verschiedene Methoden zur Fluoreszenzmarkierung des Adenosin-Rezeptors A2a (Adora2a) angewandt und optimiert. Im dritten Abschnitt wurde der Adora2a mit Hilfe einer vorbeladenen tRNA, welche an eine fluoreszierende Aminosäure gekoppelt war, im zellfreien Chinesischen Zwerghamster Ovarien (CHO)-System markiert. Zusätzlich konnte durch den Einsatz eines modifizierten tRNA/Aminoacyl-tRNA-Synthetase-Paares eine nicht-kanonische Aminosäure an Position eines integrierten Amber-Stopcodon in die Polypeptidkette eingebaut und die funktionelle Gruppe im Anschluss an einen Fluoreszenzfarbstoff gekoppelt werden. Aufgrund des offenen Charakters eignen sich zellfreie Proteinsynthesesysteme besonders für eine Integration von exogenen Komponenten in den Translationsprozess. Mit Hilfe der Fluoreszenzmarkierung wurde eine ligandvermittelte Konformationsänderung im Adora2a über einen Biolumineszenz-Resonanzenergietransfer detektiert. Durch die Etablierung der Amber-Suppression wurde darüber hinaus das Hormon Erythropoetin pegyliert, wodurch Eigenschaften wie Stabilität und Halbwertszeit des Proteins verändert wurden. Zu guter Letzt wurde ein neues tRNA/Aminoacyl-tRNA-Synthetase-Paar auf Basis der Methanosarcina mazei Pyrrolysin-Synthetase etabliert, um das Repertoire an nicht-kanonischen Aminosäuren und den damit verbundenen Kopplungsreaktionen zu erweitern. Zusammenfassend wurden die Potenziale zellfreier Systeme in Bezug auf der Herstellung von komplexen Membranproteinen und der Charakterisierung dieser durch die Einbringung einer positionsspezifischen Fluoreszenzmarkierung verdeutlicht, wodurch neue Möglichkeiten für die Analyse und Funktionalisierung von komplexen Proteinen geschaffen wurden. N2 - The functional characterization of therapeutically relevant proteins can be limited due to the provision of the target protein in adequate amounts. In particular membrane proteins belong to the so called “difficult-to-express” proteins because of possible cytotoxic side effects and a susceptibility to aggregation. The living organism can be circumvented by using cell lysates – the basic for cell-free protein synthesis. In the beginning of the thesis the ATP-dependent translation process in a cell lysate based on cultured insect (Sf21) cells was analyzed. For this purpose the translation of a nanoluciferase was regulated by the addition of an ATP-binding aptamer. The demonstrated application of aptamers in cell-free systems might enable a visualization of transcription and translation and following a potential validation process for high-throughput syntheses. In addition to the protein synthesis, factors such as posttranslational modifications and a correct integration into a lipid membrane are essential for the functionality of membrane proteins. Therefore, in the second part, integration of the G protein-coupled Endothelin receptor type B (ET-B) into the endogenous endoplasmic reticulum derived membranes and glycosylation were shown to be possible in a Sf21 cell-free system. Following to the successful synthesis of the ET-B receptor different fluorescent labeling strategies were applied to the adenosine receptor A2a (Adora2a). The first strategy applied precharged tRNAs, coupled to a fluorescently labeled amino acid, to the translation process in a Chinese Hamster Ovary cells (CHO) cell-free system. The second strategy utilized a modified tRNA/aminoacyl-tRNA-synthetase pair to incorporate a non-canonical amino acid at an integrated amber stop codon with a subsequently fluorescent labeling. The open character of cell-free systems enables a feasible integration of exogenous components into the translation process. The site-specific fluorescent labeling was the basis for the detection of a ligand-induced conformational change in the Adora2a by a bioluminescence resonance energy transfer. Additionally the amber suppression technique was transferred to the hormone Erythropoietin (EPO) to modify EPO´s stability and half-life period by coupling polyethylene glycol. Last but not least a novel tRNA/aminoacyl-tRNA-synthetase pair based on the Methanosarcina mazei pyrrolysine synthetase was developed to further increase the repertoire of non-canonical amino acids and copper-free click reactions. Summarizing in the present thesis the potentials of cell-free protein systems related to the synthesis of “difficult-to-express” proteins and the characterization of these proteins with site-specific fluorescence labeling are depicted, thereby establishing new methods for the analysis and functionalization of complex proteins. KW - Zellfreie Proteinsynthese KW - nicht-kanonische Aminosäuren KW - Klick-Chemie KW - Fluoreszenzmarkierung KW - GPCRs KW - Proteinmodifizierung KW - cell-free protein synthesis KW - non-canonical amino acids KW - click chemistry KW - fluorescent labeling KW - GPCRs KW - protein modification Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-442361 ER - TY - THES A1 - Hoang, Yen T1 - De novo binning strategy to analyze and visualize multi-dimensional cytometric data T1 - De novo Binning-Ansatz zur Untersuchung und Visualisierung von multidimensionalen Zytrometriedaten BT - engineering of combinatorial variables for supervised learning approaches N2 - Since half a century, cytometry has been a major scientific discipline in the field of cytomics - the study of system’s biology at single cell level. It enables the investigation of physiological processes, functional characteristics and rare events with proteins by analysing multiple parameters on an individual cell basis. In the last decade, mass cytometry has been established which increased the parallel measurement to up to 50 proteins. This has shifted the analysis strategy from conventional consecutive manual gates towards multi-dimensional data processing. Novel algorithms have been developed to tackle these high-dimensional protein combinations in the data. They are mainly based on clustering or non-linear dimension reduction techniques, or both, often combined with an upstream downsampling procedure. However, these tools have obstacles either in comprehensible interpretability, reproducibility, computational complexity or in comparability between samples and groups. To address this bottleneck, a reproducible, semi-automated cytometric data mining workflow PRI (pattern recognition of immune cells) is proposed which combines three main steps: i) data preparation and storage; ii) bin-based combinatorial variable engineering of three protein markers, the so called triploTs, and subsequent sectioning of these triploTs in four parts; and iii) deployment of a data-driven supervised learning algorithm, the cross-validated elastic-net regularized logistic regression, with these triploT sections as input variables. As a result, the selected variables from the models are ranked by their prevalence, which potentially have discriminative value. The purpose is to significantly facilitate the identification of meaningful subpopulations, which are most distinguish between two groups. The proposed workflow PRI is exemplified by a recently published public mass cytometry data set. The authors found a T cell subpopulation which is discriminative between effective and ineffective treatment of breast carcinomas in mice. With PRI, that subpopulation was not only validated, but was further narrowed down as a particular Th1 cell population. Moreover, additional insights of combinatorial protein expressions are revealed in a traceable manner. An essential element in the workflow is the reproducible variable engineering. These variables serve as basis for a clearly interpretable visualization, for a structured variable exploration and as input layers in neural network constructs. PRI facilitates the determination of marker levels in a semi-continuous manner. Jointly with the combinatorial display, it allows a straightforward observation of correlating patterns, and thus, the dominant expressed markers and cell hierarchies. Furthermore, it enables the identification and complex characterization of discriminating subpopulations due to its reproducible and pseudo-multi-parametric pattern presentation. This endorses its applicability as a tool for unbiased investigations on cell subsets within multi-dimensional cytometric data sets. N2 - Massen- und Durchflusszytometrie-Messungen ermöglichen die detaillierte Einteilung von Zellgruppen nach Eigenschaften vor allem in der Diagnostik und in der Grundlagenforschung anhand der Erfassung von biologischen Informationen auf Einzelzellebene. Sie unterstützen die detaillierte Analyse von komplexen, zellulären Zusammenhängen, um physiologische und pathophysiologische Prozesse zu erkennen, und funktionelle oder krankheitsspezifische Characteristika und rare Zellgruppen genauer zu spezifizieren und zu extrahieren. In den letzten Jahren haben zytometrische Technologien einen enormen Innovationssprung erfahren, sodass heutzutage bis zu 50 Proteine pro Zelle parallel gemessen werden können. Und das mit einem Durchsatz von Hunderttausenden bis mehreren Millionen von Zellen aus einer Probe. Bei der Zunahme der Messparameter steigen jedoch die Dimensionen der kombinierten Parameter exponentiell, sodass eine komplexe Kombinatorik entsteht, die mit konventionellen, manuellen Untersuchungen von bi-axialen Diagrammen nicht mehr durchführbar sind. Derzeit gibt es schon viele neue Datenanalyse-Ansätze, die vorranging auf Cluster- bzw. Dimensionsreduktionstechniken basieren und meist mit einem vorgeschalteten Downsampling in Kombination eingesetzt werden. Diese Tools produzieren aber komplexe Ergebnisse, die größtenteils nicht reproduzierbar sind oder Proben- und Gruppenvergleiche erschweren. Um dieses Problem anzugehen wurde in dieser Dissertation ein reproduzierbarer, halbautomatisierter Datenanalyse-Workflow namens PRI entwickelt, was für pattern recognition of immune cells (Mustererkennung von Immunzellen) steht. Dieser Workflow ist in drei Hauptteile untergliedert: die Datenvorbereitung und -Ablage; die Entwicklung innovativer, bin-basierter Merkmale von drei kombinierten Parametern namens TriploTs und dessen weiterführende Einteilung in vier gleich große TriploT-Areale; und die Anwendung von einem maschinellen Lernansatz basierend auf der Information von diesen Arealen. Als Ergebnis bekommt man eine Selektion der Areale, die am häufigsten von den überwachten Modellen ausgewählt wurden. Dies soll dem Wissenschaftler entscheidend dabei helfen, Zellpopulationen zu identifizieren, die am besten zwischen zwei Gruppen unterscheiden. Der vorgestellte Workflow PRI ist exemplarisch an einem kürzlich veröffentlichten Massenzytometrie-Datensatz validiert worden. Die von den Originalautoren hervorgehobene Zellpopulation konnte nicht nur identifiziert werden, sondern sogar wesentlich weiter spezifiziert werden. Außerdem wurden weitere Erkenntnisse von relevanten, kombinatorischen Proteinexpressionen festgestellt. Die Entwicklung der reproduzierbaren TriploTs führt dazu, dass sie als Basis für verständliche und leicht interpretierbare Visualisierungen, für eine strukturierte Erforschung der Daten mithilfe der Selektion der Areale, und für neuronale Netzwerkkonstrukte genutzt werden können. PRI ermöglicht eine optimierte, semi-kontinuierliche Bestimmung der Expressionsstufen, die die Identifizierung von dominant vorherrschenden und diskriminierenden Proteinen in Zellsubpopulationen wesentlich erleichtert. Darüberhinaus erlaubt es die intuitive Erfassung von korrelierenden Mustern durch die innovative, reproduzierbare Darstellung der Proteinkombinationen und hilft bei der Erforschung von Zellsubpopulationen. KW - machine learning KW - feature engineering KW - machinelles Lernen KW - Feature Engineering Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-443078 ER - TY - GEN A1 - Raatz, Larissa A1 - Bacchi, Nina A1 - Pirhofer Walzl, Karin A1 - Glemnitz, Michael A1 - Müller, Marina E. H. A1 - Jasmin Radha, Jasmin A1 - Scherber, Christoph T1 - How much do we really lose? BT - Yield losses in the proximity of natural landscape elements in agricultural landscapes T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Natural landscape elements (NLEs) in agricultural landscapes contribute to biodiversity and ecosystem services, but are also regarded as an obstacle for large‐scale agricultural production. However, the effects of NLEs on crop yield have rarely been measured. Here, we investigated how different bordering structures, such as agricultural roads, field‐to‐field borders, forests, hedgerows, and kettle holes, influence agricultural yields. We hypothesized that (a) yield values at field borders differ from mid‐field yields and that (b) the extent of this change in yields depends on the bordering structure. We measured winter wheat yields along transects with log‐scaled distances from the border into the agricultural field within two intensively managed agricultural landscapes in Germany (2014 near Göttingen, and 2015–2017 in the Uckermark). We observed a yield loss adjacent to every investigated bordering structure of 11%–38% in comparison with mid‐field yields. However, depending on the bordering structure, this yield loss disappeared at different distances. While the proximity of kettle holes did not affect yields more than neighboring agricultural fields, woody landscape elements had strong effects on winter wheat yields. Notably, 95% of mid‐field yields could already be reached at a distance of 11.3 m from a kettle hole and at a distance of 17.8 m from hedgerows as well as forest borders. Our findings suggest that yield losses are especially relevant directly adjacent to woody landscape elements, but not adjacent to in‐field water bodies. This highlights the potential to simultaneously counteract yield losses close to the field border and enhance biodiversity by combining different NLEs in agricultural landscapes such as creating strips of extensive grassland vegetation between woody landscape elements and agricultural fields. In conclusion, our results can be used to quantify ecocompensations to find optimal solutions for the delivery of productive and regulative ecosystem services in heterogeneous agricultural landscapes. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 811 KW - crop production KW - ecosystem services KW - land sharing vs. land sparing KW - natural habitats KW - edge effect KW - winter wheat Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-443313 SN - 1866-8372 IS - 811 ER - TY - THES A1 - Grafe, Marianne Erika T1 - Analysis of supramolecular assemblies of NE81, the first lamin protein in a non-metazoan organism T1 - Analyse von supramolekularen Komplexen von NE81, dem ersten Lamin in einem nicht-metazoischen Organismus N2 - Lamine sind Proteine an der inneren Kernhülle und bilden zusammen mit verbundenen Proteinen die nukleäre Lamina. Dieses Netzwerk sorgt für die Stabilität des Zellkerns und unterstützt die Organisation des Zell-Zytoskeletts. Zusätzlich sind Lamine und ihre verbundenen Proteine in viele Prozesse wie Genregulation und Zelldifferenzierung involviert. Bis 2012 war der Stand der Forschung, dass nur bei mehrzelligen Organismen eine nukleäre Lamina zu finden ist. NE81 ist das erste lamin-ähnliche Protein, das in einem nicht-mehrzelligen Organismus (Dictyostelium discoideum) entdeckt wurde. Es hat viele Eigenschaften und Strukturmerkmale mit Laminen gemeinsam. Dazu zählt der dreiteilige Aufbau des Proteins, eine Phosphorylierungsstelle für ein Zellzyklus-abhängiges Enzym, ein Kernlokalisationssignal, wodurch das Protein in den Kern transportiert wird, sowie eine C-terminale Sequenz zur Verankerung des Proteins in der Kernhülle. In dieser Arbeit wurden verschiedene Methoden zur vereinfachten Untersuchung von Laminstrukturen getestet, um zu zeigen, dass sich NE81 wie bereits bekannte Lamin-Proteine verhält und supramolekulare Netzwerke aus Laminfilamenten bildet. Zur Analyse der Struktur supramolekularer Anordnungen wurde das Protein durch Entfernen des Kernlokalisationssignals auf der äußeren Kernhülle von Dictyostelium gebildet. Die anschließende Untersuchung der Oberfläche der Kerne mit einem Rasterelektronenmikroskop zeigte, dass NE81 Strukturen in der Größe von Laminen bildet, allerdings nicht in regelmäßigen filamentösen Anordnungen. Um die Entstehung der Laminfilamente zu untersuchen, wurde lösliches NE81 aus Dictyostelium aufgereinigt und mit verschiedenen mikroskopischen Methoden untersucht. Dabei wurde festgestellt, dass NE81 unter Niedrigsalz-Bedingungen dünne, fadenförmige Strukturen und Netzwerke ausbildet, die denen von Säugetier-Laminen sehr ähnlich sind. Die Mutation der Phosphorylierungsstelle von NE81 zu einer imitierenden dauerhaften Phosphorylierung von NE81 in der Zelle, zeigte zunächst ein gelöstes Protein, das überraschenderweise unter Blaulichtbestrahlung der Zelle wieder lamin-ähnliche Anordnungen formte. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass NE81 echte Laminstrukturen ausbilden kann und hebt Dictyostelium als Nicht-Säugetier-Modellorganismus mit einer gut charakterisierten Kernhülle, mit allen relevanten, aus tierischen Zellen bekannten Proteinen, hervor. N2 - Nuclear lamins are nucleus-specific intermediate filaments forming a network located at the inner nuclear membrane of the nuclear envelope. They form the nuclear lamina together with proteins of the inner nuclear membrane regulating nuclear shape and gene expression, among others. The amoebozoan Dictyostelium NE81 protein is a suitable candidate for an evolutionary conserved lamin protein in this non-metazoan organism. It shares the domain organization of metazoan lamins and is fulfilling major lamin functions in Dictyostelium. Moreover, field-emission scanning electron microscopy (feSEM) images of NE81 expressed on Xenopus oocytes nuclei revealed filamentous structures with an overall appearance highly reminiscent to that of metazoan Xenopus lamin B2. For the classification as a lamin-like or a bona fide lamin protein, a better understanding of the supramolecular NE81 structure was necessary. Yet, NE81 carrying a large N-terminal GFP-tag turned out as unsuitable source for protein isolation and characterization; GFP-NE81 expressed in Dictyostelium NE81 knock-out cells exhibited an abnormal distribution, which is an indicator for an inaccurate assembly of GFP-tagged NE81. Hence, a shorter 8×HisMyc construct was the tag of choice to investi-gate formation and structure of NE81 assemblies. One strategy was the structural analysis of NE81 in situ at the outer nuclear membrane in Dictyostelium cells; NE81 without a func-tional nuclear localization signal (NLS) forms assemblies at the outer face of the nucleus. Ultrastructural feSEM pictures of NE81ΔNLS nuclei showed a few filaments of the expected size but no repetitive filamentous structures. The former strategy should also be established for metazoan lamins in order to facilitate their structural analysis. However, heterologously expressed Xenopus and C. elegans lamins showed no uniform localization at the outer nucle-ar envelope of Dictyostelium and hence, no further ultrastructural analysis was undertaken. For in vitro assembly experiments a Dictyostelium mutant was generated, expressing NE81 without the NLS and the membrane-anchoring isoprenylation site (HisMyc-NE81ΔNLSΔCLIM). The cytosolic NE81 clusters were soluble at high ionic strength and were purified from Dictyostelium extracts using Ni-NTA Agarose. Widefield immunofluorescence microscopy, super-resolution light microscopy and electron microscopy images of purified NE81 showed its capability to form filamentous structures at low ionic strength, as described previously for metazoan lamins. Introduction of a phosphomimetic point mutation (S122E) into the CDK1-consensus sequence of NE81 led to disassembled NE81 protein in vivo, which could be reversibly stimulated to form supramolecular assemblies by blue light exposure. The results of this work reveal that NE81 has to be considered a bona fide lamin, since it is able to form filamentous assemblies. Furthermore, they highlight Dictyostelium as a non-mammalian model organism with a well-characterized nuclear envelope containing all rele-vant protein components known in animal cells. KW - lamin KW - NE81 KW - Dictyostelium KW - nuclear envelope KW - nuclear lamina KW - expansion microscopy KW - Lamin KW - NE81 KW - Dictyostelium KW - Kernhülle KW - nukleäre Lamina KW - Expansions-Mikroskopie Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-441802 ER - TY - GEN A1 - Schälicke, Svenja A1 - Teubner, Johannes A1 - Martin-Creuzburg, Dominik A1 - Wacker, Alexander T1 - Fitness response variation within and among consumer species can be co-mediated by food quantity and biochemical quality T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - In natural heterogeneous environments, the fitness of animals is strongly influenced by the availability and composition of food. Food quantity and biochemical quality constraints may affect individual traits of consumers differently, mediating fitness response variation within and among species. Using a multifactorial experimental approach, we assessed population growth rate, fecundity, and survival of six strains of the two closely related freshwater rotifer species Brachionus calyciflorus sensu stricto and Brachionus fernandoi. Therefore, rotifers fed low and high concentrations of three algal species differing in their biochemical food quality. Additionally, we explored the potential of a single limiting biochemical nutrient to mediate variations in population growth response. Therefore, rotifers fed a sterol-free alga, which we supplemented with cholesterol-containing liposomes. Co-limitation by food quantity and biochemical food quality resulted in differences in population growth rates among strains, but not between species, although effects on fecundity and survival differed between species. The effect of cholesterol supplementation on population growth was strain-specific but not species-specific. We show that fitness response variations within and among species can be mediated by biochemical food quality. Dietary constraints thus may act as evolutionary drivers on physiological traits of consumers, which may have strong implications for various ecological interactions. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 806 KW - Polyunsaturated Fatty-Acids KW - Life-History Consequences KW - 2 Different Strains KW - Population-Growth KW - Resource Competition KW - Body-Size KW - Egg Size KW - Rotifier KW - Limitation KW - Carbon Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-442256 SN - 1866-8372 IS - 806 ER - TY - GEN A1 - Geißler, Katja A1 - Heblack, Jessica A1 - Uugulu, Shoopala A1 - Wanke, Heike A1 - Blaum, Niels T1 - Partitioning of Water Between Differently Sized Shrubs and Potential Groundwater Recharge in a Semiarid Savanna in Namibia T2 - Postprints der Universität Potsdam Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Introduction: Many semiarid regions around the world are presently experiencing significant changes in both climatic conditions and vegetation. This includes a disturbed coexistence between grasses and bushes also known as bush encroachment, and altered precipitation patterns with larger rain events. Fewer, more intense precipitation events might promote groundwater recharge, but depending on the structure of the vegetation also encourage further woody encroachment. Materials and Methods: In this study, we investigated how patterns and sources of water uptake of Acacia mellifera (blackthorn), an important encroaching woody plant in southern African savannas, are associated with the intensity of rain events and the size of individual shrubs. The study was conducted at a commercial cattle farm in the semiarid Kalahari in Namibia (MAP 250 mm/a). We used soil moisture dynamics in different depths and natural stable isotopes as markers of water sources. Xylem water of fifteen differently sized individuals during eight rain events was extracted using a Scholander pressure bomb. Results and Discussion: Results suggest the main rooting activity zone of A. mellifera in 50 and 75 cm soil depth but a reasonable water uptake from 10 and 25 cm. Any apparent uptake pattern seems to be driven by water availability, not time in the season. Bushes prefer the deeper soil layers after heavier rain events, indicating some evidence for the classical Walter’s two-layer hypothesis. However, rain events up to a threshold of 6 mm/day cause shallower depths of use and suggest several phases of intense competition with perennial grasses. The temporal uptake pattern does not depend on shrub size, suggesting a fast upwards water flow inside. d2H and d18O values in xylem water indicate that larger shrubs rely less on upper and very deep soil water than smaller shrubs. It supports the hypothesis that in environments where soil moisture is highly variable in the upper soil layers, the early investment in a deep tap-root to exploit deeper, more reliable water sources could reduce the probability of mortality during the establishment phase. Nevertheless, independent of size and time in the season, bushes do not compete with potential groundwater recharge. In a savanna encroached by A. mellifera, groundwater will most likely be affected indirectly. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 798 KW - bush encroachment KW - groundwater recharge KW - rooting depth KW - Savannas KW - stable isotopes KW - shrub size KW - Acacia mellifera KW - rain event depth Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-441110 SN - 1866-8372 IS - 798 ER - TY - GEN A1 - Paraskevopoulou, Sofia A1 - Dennis, Alice B. A1 - Weithoff, Guntram A1 - Hartmann, Stefanie A1 - Tiedemann, Ralph T1 - Within species expressed genetic variability and gene expression response to different temperatures in the rotifer Brachionus calyciflorus sensu stricto T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Genetic divergence is impacted by many factors, including phylogenetic history, gene flow, genetic drift, and divergent selection. Rotifers are an important component of aquatic ecosystems, and genetic variation is essential to their ongoing adaptive diversification and local adaptation. In addition to coding sequence divergence, variation in gene expression may relate to variable heat tolerance, and can impose ecological barriers within species. Temperature plays a significant role in aquatic ecosystems by affecting species abundance, spatio-temporal distribution, and habitat colonization. Recently described (formerly cryptic) species of the Brachionus calyciflorus complex exhibit different temperature tolerance both in natural and in laboratory studies, and show that B. calyciflorus sensu stricto (s.s.) is a thermotolerant species. Even within B. calyciflorus s.s., there is a tendency for further temperature specializations. Comparison of expressed genes allows us to assess the impact of stressors on both expression and sequence divergence among disparate populations within a single species. Here, we have used RNA-seq to explore expressed genetic diversity in B. calyciflorus s.s. in two mitochondrial DNA lineages with different phylogenetic histories and differences in thermotolerance. We identify a suite of candidate genes that may underlie local adaptation, with a particular focus on the response to sustained high or low temperatures. We do not find adaptive divergence in established candidate genes for thermal adaptation. Rather, we detect divergent selection among our two lineages in genes related to metabolism (lipid metabolism, metabolism of xenobiotics). T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 796 Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-441050 SN - 1866-8372 IS - 796 ER - TY - THES A1 - Kolk, Jens T1 - The long-term legacy of historical land cover changes T1 - Die Langzeitfolgen historischer Landbedeckungsveränderungen BT - patterns and dynamics in herb-layer species richness in deciduous forests of the Prignitz region (NE Germany) BT - Muster und Dynamik der Artenvielfalt von Waldpflanzengemeinschaften in Laubwäldern der Prignitz (Nordostdeutschland) N2 - Over the last years there is an increasing awareness that historical land cover changes and associated land use legacies may be important drivers for present-day species richness and biodiversity due to time-delayed extinctions or colonizations in response to historical environmental changes. Historically altered habitat patches may therefore exhibit an extinction debt or colonization credit and can be expected to lose or gain species in the future. However, extinction debts and colonization credits are difficult to detect and their actual magnitudes or payments have rarely been quantified because species richness patterns and dynamics are also shaped by recent environmental conditions and recent environmental changes. In this thesis we aimed to determine patterns of herb-layer species richness and recent species richness dynamics of forest herb layer plants and link those patterns and dynamics to historical land cover changes and associated land use legacies. The study was conducted in the Prignitz, NE-Germany, where the forest distribution remained stable for the last ca. 100 years but where a) the deciduous forest area had declined by more than 90 per cent (leaving only remnants of "ancient forests"), b) small new forests had been established on former agricultural land ("post-agricultural forests"). Here, we analyzed the relative importance of land use history and associated historical land cover changes for herb layer species richness compared to recent environmental factors and determined magnitudes of extinction debt and colonization credit and their payment in ancient and post-agricultural forests, respectively. We showed that present-day species richness patterns were still shaped by historical land cover changes that ranged back to more than a century. Although recent environmental conditions were largely comparable we found significantly more forest specialists, species with short-distance dispersal capabilities and clonals in ancient forests than in post-agricultural forests. Those species richness differences were largely contingent to a colonization credit in post-agricultural forests that ranged up to 9 species (average 4.7), while the extinction debt in ancient forests had almost completely been paid. Environmental legacies from historical agricultural land use played a minor role for species richness differences. Instead, patch connectivity was most important. Species richness in ancient forests was still dependent on historical connectivity, indicating a last glimpse of an extinction debt, and the colonization credit was highest in isolated post-agricultural forests. In post-agricultural forests that were better connected or directly adjacent to ancient forest patches the colonization credit was way smaller and we were able to verify a gradual payment of the colonization credit from 2.7 species to 1.5 species over the last six decades. N2 - In den vergangenen Jahren reift immer mehr die Erkenntnis, dass historische Landnutzungsveränderungen und deren Folgewirkungen einen wichtigen Einfluss auf die heutige Artenvielfalt und Biodiversität haben können. In Habitaten, deren Landnutzung und Fläche sich in historischer Zeit verändert hat kann aufgrund von verzögerten Aussterbe- und Einwanderungsprozessen eine erhöhte oder verringerte Artenvielfalt vorliegen, die nicht den heutigen Umweltbedingungen entspricht. Es liegen Aussterbeschulden oder Einwanderungs- bzw. Kolonisierungskredite vor, welcher über die Zeit mit Artverlusten oder Zugewinnen von Arten bezahlt werden. Aussterbeschulden oder Einwanderungskredite und deren Bezahlung sind schwierig zu ermitteln, da einerseits Informationen zu historischen Landnutzungsveränderungen oft fehlen und andererseits auch heutige Umweltfaktoren einen wichtigen Einfluss auf die Artenvielfalt haben. Das Ziel dieser Arbeit war es die heutigen Muster der Artenvielfalt von Waldbodenpflanzen in Laub- und Mischwäldern und deren Veränderungen über die letzten 60 Jahre zu ermitteln und diese Muster im Hinblick auf historische Landnutzungsveränderungen zu untersuchen. Das Studiengebiet umfasst große Teile der Prignitz (Brandenburg und angrenzende Teile von Sachsen-Anhalt), ein Gebiet, dessen Waldanteil sich in den letzten 100 Jahren kaum verändert hat, in dem sich jedoch seit dem Ende des 19ten Jahrhunderts der Anteil historisch alter Wälder (ohne historische nachgewiesene agrarliche Nutzung) um mehr als 90% reduziert hat, während an anderer Stelle wenige neue Wälder auf vorigen Agrarflächen etabliert wurden. Im Rahmen dieser Studie wurde zunächst die Artenvielfalt und deren aktuelle Veränderung in historisch-alten Wäldern und neu etablierten Wäldern untersucht und verglichen. Um den Einfluss von historischen Landnutzungsveränderungen auf die Artenvielfalt zu ermittlen, wurde die historische und heutige Vernetzung der Waldflächen analysiert, die Umweltbedingungen in historisch-alten Wäldern und neu etablierten Wäldern verglichen und der Umfang und die Bezahlung der Aussterbeschulden und der Kolonisierungskredite ermittelt. Die Arbeit zeigt, dass historische Landnutzungsveränderungen die heutige Artenvielfalt noch immer beeinflussen. Obwohl die heutigen Umweltbedingungen in historisch-alten und neu etablierten Wäldern vergleichbar waren, war die Gesamtartenzahl in historisch-alten Wäldern signifikant höher und in diesen Wäldern wurden insbesondere mehr Waldspezialisten und sich nur über kurze Enfernung ausbreitende Pflanzenarten gefunden. Die Unterschiede in den Artenzahlen sind vor allem auf einen Kolonisierungskredit in neu etablierten Wäldern zurückzuführen, während die Aussterbeschulden in historisch-alten Wäldern weitgehend bezahlt wurden. Der Kolonisierungskredits war am höchsten in isoliert gelegenen Waldflächen und belief sich auf bis zu 9 Arten (im Mittel 4,7). Der Kolonisierungskredit in besser vernetzten und in direkt an historisch-alten Wäldern angrenzenden Flächen war deutlich geringer. In diesen Wäldern konnte eine Verringerung des Kolonisierungskredites von im Mittel 2,7 zu 1,5 Arten über die letzten sechs Jahrzehnte nachgewiesen werden. KW - ecology KW - plant science KW - extinction debt KW - colonization credit KW - species richness KW - land use history KW - Ökologie KW - Pflanzenwissenschaften KW - Botanik KW - Aussterbeschuld KW - Einwanderungskredit KW - Biodiversität KW - Landnutzungshistorie Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-439398 ER - TY - THES A1 - Schäfer, Merlin T1 - Understanding and predicting global change impacts on migratory birds T1 - Verständnis und Vorhersage von Auswirkungen des globalen Wandels auf Zugvögel N2 - This is a publication-based dissertation comprising three original research stud-ies (one published, one submitted and one ready for submission; status March 2019). The dissertation introduces a generic computer model as a tool to investigate the behaviour and population dynamics of animals in cyclic environments. The model is further employed for analysing how migratory birds respond to various scenarios of altered food supply under global change. Here, ecological and evolutionary time-scales are considered, as well as the biological constraints and trade-offs the individual faces, which ultimately shape response dynamics at the population level. Further, the effect of fine-scale temporal patterns in re-source supply are studied, which is challenging to achieve experimentally. My findings predict population declines, altered behavioural timing and negative carry-over effects arising in migratory birds under global change. They thus stress the need for intensified research on how ecological mechanisms are affected by global change and for effective conservation measures for migratory birds. The open-source modelling software created for this dissertation can now be used for other taxa and related research questions. Overall, this thesis improves our mechanistic understanding of the impacts of global change on migratory birds as one prerequisite to comprehend ongoing global biodiversity loss. The research results are discussed in a broader ecological and scientific context in a concluding synthesis chapter. N2 - Dies ist eine publikationsbasierte Dissertation, welche aus drei wissenschaftlichen Originalstudien (eine publiziert, eine eingereicht und eine einreichbar; Stand März 2019) besteht. Die Dissertation stellt ein generisches Computermodell bereit, um das Verhalten und die Populationsdynamik von Tieren zu untersuchen, welche saisonale Umweltbedingungen erfahren. Mit diesem Computermodell untersuche ich in der vorliegenden Thesis, wie Zugvögel auf verschiedene Szenarien veränderter Nahrungsverfügbarkeit reagieren, welche im Rahmen des globalen Wandels wahrscheinlich sind. Dabei werden ökologische und evolutionäre Zeitskalen berücksichtigt. Außerdem werden biologisch bedingte Einschränkungen und Zielkonflikte einbezogen, welche das einzelne Individuum erfährt, die aber letztendlich auch das Geschehen auf Populationsebene bestimmen. Weiterhin studiere ich mit dem erstellten Computermodell am Beispiel des Weißstorchs, wie sich feinskalige Zeitmuster in der Nahrungsverfügbarkeit auf Zugvögel auswirken. Solche Studien würden eine enorme experimentelle Herausforderung darstellen. Die im Rahmen dieser Dissertation entstandene frei verfügbare Modellierungs-Software kann nun für andere Taxa und verwandte Forschungsfragen eingesetzt werden. Nach meinen Ergebnissen ist im Zuge des globalen Wandels mit verstärkten Populationsabnahmen bei Zugvögeln zu rechnen, sowie mit Änderungen im zeitlichen Verhaltensablauf und nichtlinearen negativen Carry-over-Effekten. Dies verdeutlicht, wie wichtig es ist, die vom globalen Wandel betroffenen ökologischen Mechanismen näher zu erforschen sowie effektive Schutzmaßnahmen für Zugvögel zu entwickeln. Allgemein erhöht die Dissertation unser mechanistisches Verständnis davon, wie sich der globale Wandel auf bedrohte Zugvogelarten auswirkt und damit die globale Biodiversität beeinflusst. Die Forschungsergebnisse werden in einem abschließenden Synthese-Kapitel zusammenführend diskutiert. KW - global change KW - migratory birds KW - life-history theory KW - movement ecology KW - bird migration KW - optimal annual routine model KW - stochastic dynamic programming KW - full annual cycle KW - population dynamics KW - carry-over effects KW - white stork KW - behavioural ecology KW - adaptation KW - mechanistic model KW - energetics KW - behavioural timing KW - reproduction KW - globaler Wandel KW - Zugvögel KW - Lebenszyklustheorie KW - Bewegungsökologie KW - Vogelzug KW - "Optimal annual routine"-Modell KW - stochastisch-dynamische Optimierung KW - vollständiger Jahreszyklus KW - Populationsdynamik KW - Carry-over-Effekte KW - Weißstorch KW - Verhaltensökologie KW - Anpassung KW - mechanistisches Modell KW - Energetik KW - Verhaltens-Timing KW - Reproduktion Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-439256 ER - TY - GEN A1 - Romero-Mujalli, Daniel A1 - Jeltsch, Florian A1 - Tiedemann, Ralph T1 - Elevated mutation rates are unlikely to evolve in sexual species, not even under rapid environmental change T2 - Postprints der Universität Potsdam Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Background Organisms are expected to respond to changing environmental conditions through local adaptation, range shift or local extinction. The process of local adaptation can occur by genetic changes or phenotypic plasticity, and becomes especially relevant when dispersal abilities or possibilities are somehow constrained. For genetic changes to occur, mutations are the ultimate source of variation and the mutation rate in terms of a mutator locus can be subject to evolutionary change. Recent findings suggest that the evolution of the mutation rate in a sexual species can advance invasion speed and promote adaptation to novel environmental conditions. Following this idea, this work uses an individual-based model approach to investigate if the mutation rate can also evolve in a sexual species experiencing different conditions of directional climate change, under different scenarios of colored stochastic environmental noise, probability of recombination and of beneficial mutations. The color of the noise mimicked investigating the evolutionary dynamics of the mutation rate in different habitats. Results The results suggest that the mutation rate in a sexual species experiencing directional climate change scenarios can evolve and reach relatively high values mainly under conditions of complete linkage of the mutator locus and the adaptation locus. In contrast, when they are unlinked, the mutation rate can slightly increase only under scenarios where at least 50% of arising mutations are beneficial and the rate of environmental change is relatively fast. This result is robust under different scenarios of stochastic environmental noise, which supports the observation of no systematic variation in the mutation rate among organisms experiencing different habitats. Conclusions Given that 50% beneficial mutations may be an unrealistic assumption, and that recombination is ubiquitous in sexual species, the evolution of an elevated mutation rate in a sexual species experiencing directional climate change might be rather unlikely. Furthermore, when the percentage of beneficial mutations and the population size are small, sexual species (especially multicellular ones) producing few offspring may be expected to react to changing environments not by adaptive genetic change, but mainly through plasticity. Without the ability for a plastic response, such species may become – at least locally – extinct. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 776 KW - Individual-based models KW - sexual species KW - Beneficial mutations KW - Mutation rate KW - Mutator locus KW - Directional climate change KW - Recombination Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-439058 SN - 1866-8372 IS - 776 ER - TY - GEN A1 - Maaß, Stefanie A1 - Hückelheim, Ronja A1 - Rillig, Matthias C. T1 - Collembola laterally move biochar particles T2 - Postprints der Universität Potsdam Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Biochar is being discussed as a soil amendment to improve soil fertility and mitigate climate change. While biochar interactions with soil microbial biota have been frequently studied, interactions with soil mesofauna are understudied. We here present an experiment in which we tested if the collembolan Folsomia candida I) can transport biochar particles, II) if yes, how far the particles are distributed within 10 days, and III) if it shows a preference among biochars made from different feedstocks, i.e. pine wood, pine bark and spelt husks. In general, biochar particles based on pine bark and pine wood were consistently distributed significantly more than those made of spelt husks, but all types were transported more than 4cm within 10 days. Additionally, we provide evidence that biochar particles can become readily attached to the cuticle of collembolans and hence be transported, potentially even over large distances. Our study shows that the soil mesofauna can indeed act as a vector for the transport of biochar particles and show clear preferences depending on the respective feedstock, which would need to be studied in more detail in the future. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 770 Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-438839 SN - 1866-8372 IS - 770 ER - TY - GEN A1 - Dahmani, Ismail A1 - Ludwig, Kai A1 - Chiantia, Salvatore T1 - Influenza A matrix protein M1 induces lipid membrane deformation via protein multimerization T2 - Postprints der Universität Potsdam Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - The matrix protein M1 of the Influenza A virus (IAV) is supposed to mediate viral assembly and budding at the plasma membrane (PM) of infected cells. In order for a new viral particle to form, the PM lipid bilayer has to bend into a vesicle toward 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. In the present study, we use a combination of fluorescence microscopy, cryogenic transmission electron microscopy (cryo-TEM), cryo-electron tomography (cryo-ET) and scanning fluorescence correlation spectroscopy (sFCS) to investigate M1-induced membrane deformation in biophysical models of the PM. Our results indicate that M1 is indeed able to cause membrane curvature in lipid bilayers containing negatively charged lipids, in the absence of other viral components. Furthermore, we prove that protein binding is not sufficient to induce membrane restructuring. Rather, it appears that stable M1–M1 interactions and multimer formation are required in order to alter the bilayer three-dimensional structure, through the formation of a protein scaffold. Finally, our results suggest that, in a physiological context,M1-induced membrane deformation might be modulated by the initial bilayer curvature and the lateral organization of membrane components (i.e. the presence of lipid domains). T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 768 KW - confocal microscopy KW - influenza KW - lipid membranes KW - membranes KW - protein-protein interactions KW - viral matrix proteins Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-438689 SN - 1866-8372 IS - 768 ER - TY - THES A1 - Lozada Gobilard, Sissi Donna T1 - From genes to communities: Assessing plant diversity and connectivity in kettle holes as metaecosystems in agricultural landscapes T1 - Von Genen zu Gemeinschaften: Bewertung der Pflanzenvielfalt und Konnektivität in Söllen als Metaökosystem in Agrarlandschaften N2 - Species assembly from a regional pool into local metacommunities and how they colonize and coexist over time and space is essential to understand how communities response to their environment including abiotic and biotic factors. In highly disturbed landscapes, connectivity of isolated habitat patches is essential to maintain biodiversity and the entire ecosystem functioning. In northeast Germany, a high density of the small water bodies called kettle holes, are good systems to study metacommunities due to their condition as “aquatic islands” suitable for hygrophilous species that are surrounded by in unsuitable matrix of crop fields. The main objective of this thesis was to infer the main ecological processes shaping plant communities and their response to the environment, from biodiversity patterns and key life-history traits involved in connectivity using ecological and genetic approaches; and to provide first insights of the role of kettle holes harboring wild-bee species as important mobile linkers connecting plant communities in this insular system. t a community level, I compared plant diversity patterns and trait composition in ephemeral vs. permanent kettle holes). My results showed that types of kettle holes act as environmental filers shaping plant diversity, community-composition and trait-distribution, suggesting species sorting and niche processes in both types of kettle holes. At a population level, I further analyzed the role of dispersal and reproductive strategies of four selected species occurring in permanent kettle holes. Using microsatellites, I found that breeding system (degree of clonality), is the main factor shaping genetic diversity and genetic divergence. Although, higher gene flow and lower genetic differentiation among populations in wind vs. insect pollinated species was also found, suggesting that dispersal mechanisms played a role related to gene flow and connectivity. For most flowering plants, pollinators play an important role connecting communities. Therefore, as a first insight of the potential mobile linkers of these plant communities, I investigated the diversity wild-bees occurring in these kettle holes. My main results showed that local habitat quality (flower resources) had a positive effect on bee diversity, while habitat heterogeneity (number of natural landscape elements surrounding kettle holes 100–300m), was negatively correlated. This thesis covers from genetic flow at individual and population level to plant community assembly. My results showed how patterns of biodiversity, dispersal and reproduction strategies in plant population and communities can be used to infer ecological processes. In addition, I showed the importance of life-history traits and the relationship between species and their abiotic and biotic interactions. Furthermore, I included a different level of mobile linkers (pollinators) for a better understanding of another level of the system. This integration is essential to understand how communities respond to their surrounding environment and how disturbances such as agriculture, land-use and climate change might affect them. I highlight the need to integrate many scientific areas covering from genes to ecosystems at different spatiotemporal scales for a better understanding, management and conservation of our ecosystems. N2 - Die Zusammenstellung regionaler Artgemeinschaften in eine lokale Metagemeinschaft ist essentiell für das Verständnis artspezifischer Reaktionen auf ihre biotische und abiotische Umwelt als auch, wie sie diese in zeitlichem und räumichem Umfang besiedeln und koexistieren. In fragmentierten Landschaften ist die Verknüpfung isolierter Habitate (Konnektivität) nötig, um die Biodiversität und Funktionalität von Ökosystemen aufrecht zu erhalten. Der Nordosten Deutschlands ist durch eine hohe Dichte von Kleinstgewässern, die solch isolierte Habitate darstellen, charakterisiert. In einer Matrix aus Agrarfeldern dienen diese sogenannten Sölle aquatischen Arten als „Habitatsinsel“. Aufgrund dieser Landschaftsstruktur stellen sie ein geeignetes Untersuchungsgebiet für Metagemeinschaften dar. Das Ziel diser Arbeit ist es ökologische Prozesse zu untersuchen, die zur Vegetationszusammensetzung und deren Reaktion auf sich ändernde Umweltbedingungen führen. Mittels ökologscher und genetischer Methoden wird dies auf der Grundlage von Biodiversitätsmustern und Lebenszyklusmerkmalen untersucht, die in die Konnektivität involviert sind. Auf Pflanzengemeinschaftsebene wurden Diversitätsmuster und Merkmalszusammensetzungen in ephemeren und permanenten Söllen verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass die unterschiedlichen Typen von Söllen als Umweltfilter agieren, die die pflanzliche Artenvielfalt, Gemeinschaftszusammensetzung und Merkmalsverteilung beeinflussen. Dies führt zu der Schlussfolgerung, dass „Species-sorting“ und Prozesse der Nichenbildung in beiden Typen von Söllen vorkommen. Auf Populationsebene wird der Ausbreitungsmeachnismus sowie die Reproduktionsstrategie vier verschiedener Pflanzenarten untersucht. Durch Mikrosatellitenanalysen wird gezeigt, dass der Grad der Klonalität den größten Einfluss auf die genetischen Diversität und den Genfluss hat. Zusätzlich weisen molekulare Analysen auf ein geringes Maß an genetischen Unterschieden zwischen Populationen windbestäubter Arten im Vergleich zu insektenbestäubter Arten hin. Dies bedeutet, dass der Ausbreitungsmechanismus einer Art einen grundlegenden Einfluss auf den Genfluss und die Konnektivität von Populationen hat. Für viele blühende Pflanzen, spielen Bestäuber, wie Wildbienen, eine wesentliche Rolle bei der Vernetzung isolierter Habitate. Um das Potential dieser mobilen Linker zu untersuchen, wird die Wildbienendiversität verschiedener Sölle analysiert. Dadurch konnte gezeigt werden, dass die lokale Habitatsqualität (Blütenressourcen) einen positiven Effekt auf die Artenvielfalt hat, während die Habitatsheterogenität (Anzahl von natürlichen Landschaftselementen in unmittelbarer Nähe) eine negative Korrelation aufweist. Diese Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung von Wildbienenpopulationen als mobile Linker zwischen isolierten Habitaten. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, wie durch Biodiversitätsmuster, Verbreitungs- und Reproduktionsstrategien pflanzlicher Gemeinschaften auf ökologische Prozesse rückgeschlossen werden kann. Des Weiteren ist die Wichtigkeit der Lebenszyklusmerkmale zwischen Arten und deren Umweltinteraktionen verdeutlicht. Die Berücksichtigung mobiler Linker (Bestäuber) ermöglicht eine zusätzliche Betrachtungsebene. Durch diese Arbeit wird die Notwendigkeit hervorgehoben, verschiedene wissenschaftliche Bereiche, wie Genetik und Ökologie, zu vereinen, um ein allumfassendes Verständnis unserer Ökosysteme zu erlangen und somit zu ihrem Schutz beizutragen. KW - connectivity KW - Konnektivität KW - plant diversity KW - Pflanzendiversitaet Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-437684 ER -