TY - THES A1 - Wen, Xi T1 - Distribution patterns and environmental drivers of methane-cycling microorganisms in natural environments and restored wetlands N2 - Methane is an important greenhouse gas contributing to global climate change. Natural environments and restored wetlands contribute a large proportion to the global methane budget. Methanogenic archaea (methanogens) and methane oxidizing bacteria (methanotrophs), the biogenic producers and consumers of methane, play key roles in the methane cycle in those environments. A large number of studies revealed the distribution, diversity and composition of these microorganisms in individual habitats. However, uncertainties exist in predicting the response and feedback of methane-cycling microorganisms to future climate changes and related environmental changes due to the limited spatial scales considered so far, and due to a poor recognition of the biogeography of these important microorganisms combining global and local scales. With the aim of improving our understanding about whether and how methane-cycling microbial communities will be affected by a series of dynamic environmental factors in response to climate change, this PhD thesis investigates the biogeographic patterns of methane-cycling communities, and the driving factors which define these patterns at different spatial scales. At the global scale, a meta-analysis was performed by implementing 94 globally distributed public datasets together with environmental data from various natural environments including soils, lake sediments, estuaries, marine sediments, hydrothermal sediments and mud volcanos. In combination with a global biogeographic map of methanogenic archaea from multiple natural environments, this thesis revealed that biogeographic patterns of methanogens exist. The terrestrial habitats showed higher alpha diversities than marine environments. Methanoculleus and Methanosaeta (Methanothrix) are the most frequently detected taxa in marine habitats, while Methanoregula prevails in terrestrial habitats. Estuary ecosystems, the transition zones between marine and terrestrial/limnic ecosystems, have the highest methanogenic richness but comparably low methane emission rates. At the local scale, this study compared two rewetted fens with known high methane emissions in northeastern Germany, a coastal brackish fen (Hütelmoor) and a freshwater riparian fen (Polder Zarnekow). Consistent with different geochemical conditions and land-use history, the two rewetted fens exhibit dissimilar methanogenic and, especially, methanotrophic community compositions. The methanotrophic community was generally under-represented among the prokaryotic communities and both fens show similarly low ratios of methanotrophic to methanogenic abundances. Since few studies have characterized methane-cycling microorganisms in rewetted fens, this study provides first evidence that the rapid and well re-established methanogenic community in combination with the low and incomplete re-establishment of the methanotrophic community after rewetting contributes to elevated sustained methane fluxes following rewetting. Finally, this thesis demonstrates that dispersal limitation only slightly regulates the biogeographic distribution patterns of methanogenic microorganisms in natural environments and restored wetlands. Instead, their existence, adaption and establishment are more associated with the selective pressures under different environmental conditions. Salinity, pH and temperature are identified as the most important factors in shaping microbial community structure at different spatial scales (global versus terrestrial environments). Predicted changes in climate, such as increasing temperature, changes in precipitation patterns and increasing frequency of flooding events, are likely to induce a series of environmental alterations, which will either directly or indirectly affect the driving environmental forces of methanogenic communities, leading to changes in their community composition and thus potentially also in methane emission patterns in the future. N2 - Methan ist ein wichtiges Treibhausgas, das zum globalen Klimawandel beiträgt. Bedeutend für das globale Methanbudget sind unter anderem natürliche und wiedervernäßte Moore. Methanogene Archaeen (Methanogene) und Methan-oxidierende Bakterien (Methanotrophe) sind die biogenen Produzenten und Konsumenten von Methan. Daher nehmen sie global, und speziell in Mooren, eine Schlüsselrolle für das Methanbudget ein. Eine Vielzahl von Studien hat die Verteilung, Vielfalt und Zusammensetzung dieser Mikroorganismen in einzelnen Lebensräumen untersucht. Es bestehen jedoch Unsicherheiten in der Vorhersage, wie sie auf den globalen Wandel und auf die damit verbundenen Umweltveränderungen reagieren werden. Diese Unsicherheiten basieren unter anderem auf bislang fehlenden biogeographischen Untersuchungen, die globale und lokale Skalen kombinieren, und auf einem unzureichenden Verständnis dazu, ob und welche Umweltfaktoren speziell methanogene Gemeinschaften beeinflussen. Zudem gibt es trotz der Bedeutung von Projekten zur Moorwiedervernässung für das regionale und globale Treibhausgasbudget nahezu keine Untersuchungen zur Zusammensetzung und Verbreitung von methanogenen und methanotrophen Gemeinschaften in degradierten wiedervernäßten, eutrophen Niedermooren. Das Ziel dieser Doktorarbeit ist es, unser Verständnis zur Reaktion der am Methanbudget beteiligten mikrobiellen Gemeinschaften auf den globalen Wandel und auf die damit einhergehenden Umweltänderungen zu verbessern. Die Arbeit untersucht daher zum einen die biogeographischen Muster methanogener Gemeinschaften und die ihnen zugrunde liegenden Umweltfaktoren auf verschiedenen räumlichen Skalen. Auf globaler Ebene wurde eine Meta-Analyse durchgeführt, die auf 94 global verteilten, öffentlichen Sequenzdatensätzen sowie den dazugehörigen Umweltdaten aus verschiedenen natürlichen Ökosystemen basiert. Hierzu gehören Böden, Seesedimente, Ästuare, marine Sedimente, hydrothermale Sedimente und Schlammvulkane. In Kombination mit einer globalen biogeographischen Karte zur Verbreitung methanogener Archaeen konnte diese Arbeit zeigen, dass biogeographische Muster von Methanogenen existieren. Terrestrische Ökosysteme zeigen zudem eine höhere Diversität als marine Ökosysteme. Ästuare, Übergangszonen zwischen marinen und terrestrischen/ limnischen Ökosystemen, weisen die größte methanogene Diversität bei jedoch vergleichsweise geringen Methanemissionen auf. Methanoculleus und Methanosaeta (Methanothrix) sind die am häufigsten nachgewiesenen Taxa in marinen Lebensräumen, während Methanoregula in terrestrischen Ökosystemen dominiert. Auf lokaler Ebene wurden in dieser Arbeit zwei wiedervernässte, eutrophe Niedermoore im Nordosten Deutschlands verglichen, das von der Ostsee beeinflusste „Hütelmoor“ und das Durchströmungsmoor „Polder Zarnekow“. Beide Moore sind durch hohe Methanemissionen infolge der Wiedervernässung charakterisiert. Einhergehend mit unterschiedlichen geochemischen Bedingungen und unterschiedlicher Nutzungshistorie weisen diese beiden wiedervernässten Standorte in ihrer Zusammensetzung unterschiedliche methanogene und methanotrophe Gemeinschaften auf lokaler Ebene auf. Zudem ist die Gruppe der Methanotrophen innerhalb der prokaryotischen Gemeinschaften jeweils unterrepräsentiert und beide Moore zeigen ein vergleichbar niedriges Verhältnis von Methanotrophen im Vergleich zu Methanogenen. Diese Arbeit liefert erste Hinweise darauf, dass die schnelle und erfolgreiche Wiederbesiedlung durch Methanogene in Kombination mit einer offenbar schlecht etablierten methanotrophen Gemeinschaft zu den erhöhten Methanflüssen in beiden Mooren nach Wiedervernässung beiträgt. Abschließend zeigt diese Arbeit, dass eine eingeschränkte Migration („dispersal limitation“) die biogeographischen Verteilungsmuster von Methanogenen in natürlichen Ökosystemen kaum beeinflusst. Stattdessen werden Vorkommen und Anpassung von methanogenen Gemeinschaften vor allem durch den selektiven Druck verschiedener Umweltbedingungen reguliert. Die Umweltparameter Salzgehalt, pH-Wert und Temperatur wurden dabei als wichtigste Faktoren identifiziert, die die Verbreitung methanogener Gemeinschaften global bzw. speziell in terrestrischen Standorten beeinflussen. Es ist daher wahrscheinlich, dass prognostizierte Klimaveränderungen wie steigende Temperatur, Änderungen der Niederschlagsmuster und zunehmende Häufigkeit von Überschwemmungsereignissen zu Änderungen in der Zusammensetzung methanogener Gemeinschaften führen, die möglicherweise auch die Methanemissionsmuster beeinflussen werden. T2 - Verteilungsmuster Methan produzierender und Methan oxidierender Mikroorganismen und deren Abhängigkeit von Umweltfaktoren in natürlichen Ökosystemen und wiedervernäßten Mooren KW - biogeography KW - Biogeographie KW - methanogens KW - methanotrophs KW - Methanogene KW - Methanotrophe KW - distribution pattern KW - Verteilungsmuster KW - methane KW - Methane Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-471770 ER - TY - JOUR A1 - Markschies, Christoph A1 - Päßler, Ulrich A1 - Grote, Mathias A1 - Greenwood MacKinney, Anne A1 - Kusber, Wolf-Henning A1 - Jahn, Regine A1 - Damaschun, Ferdinand A1 - Böhme, Katrin ED - Ette, Ottmar ED - Knobloch, Eberhard ED - Päßler, Ulrich T1 - HiN : Alexander von Humboldt im Netz = Christian Gottfried Ehrenberg BT - Lebensbilder eines Naturforschers N2 - -Christoph Markschies: Geleitwort -Ulrich Päßler: Christian Gottfried Ehrenberg: Lebensbilder eines Naturforschers -Mathias Grote: „Aus dem Kleinen bauen sich die Welten“ – Christian Gottfried Ehrenbergs ökologische Mikrobiologie avant la lettre -Anne Greenwood MacKinney: Die Inszenierung naturforschender Gelehrsamkeit beim Sammeln: Christian Gottfried Ehrenbergs und Wilhelm Hemprichs nordafrikanische Forschungsreise (1820 – 1825) -Ulrich Päßler: Reisen im Nahen Osten. Zeichnungen -Ulrich Päßler: Christian Gottfried Ehrenberg und die Biogeographie: Die russisch-sibirische Reise mit Alexander von Humboldt (1829) -Ulrich Päßler: Russisch-Sibirische Reise. Zeichnungen -Wolf-Henning Kusber, Regine Jahn: Christian Gottfried Ehrenbergs Zeichnungen: Eine frühe wissenschaftliche Dokumentation mikroskopischer Organismen -Ferdinand Damaschun: Christian Gottfried Ehrenberg und die Entwicklung der Mikroskop-Technik im 19. Jahrhundert -Ulrich Päßler: Die Reise ins Kleinste der Natur. Zeichnungen -Katrin Böhme: Das große Ganze: Christian Gottfried Ehrenberg und die Gesellschaft Naturforschender Freunde zu Berlin T3 - HiN : Alexander von Humboldt im Netz ; International Review for Humboldtian Studies - XXII. 2021, 42 KW - Christian Gottfried Ehrenberg KW - Naturgemälde KW - Mikrobiologie KW - Infusionsthierchen KW - Alexander von Humboldt KW - Wissenschaftsgeschichte KW - Forschungsreisen KW - Mikroskopie KW - Ehrenberg KW - Ökologie KW - Cholera KW - Protistologie KW - Infektion KW - Infusorium KW - Wilhelm Hemprich KW - gelehrte Tugenden KW - Sammlungspraxis KW - Dokumentationspraxis KW - wissenschaftliche Zeichnungen KW - Biogeographie KW - Algen KW - Artbeschreibung KW - Biodiversität KW - naturkundliche Sammlung KW - Glas KW - Infusorien KW - Mikrogeologie KW - Chevalier KW - Pistor & Schiek KW - Geschichte der Mikroskopie KW - wissenschaftliche Instrumente KW - Gesellschaft Naturforschender Freunde zu Berlin KW - GNF KW - Infusorienwerke Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-501413 SN - 2568-3543 SN - 1617-5239 VL - XXII IS - 42 PB - Universitätsverlag Potsdam CY - Potsdam ER - TY - THES A1 - Hagemann, Justus T1 - On the molecular evolution of sengis (Macroscelidea) N2 - This thesis focuses on the molecular evolution of Macroscelidea, commonly referred to as sengis. Sengis are a mammalian order belonging to the Afrotherians, one of the four major clades of placental mammals. Sengis currently consist of twenty extant species, all of which are endemic to the African continent. They can be separated in two families, the soft-furred sengis (Macroscelididae) and the giant sengis (Rhynchocyonidae). While giant sengis can be exclusively found in forest habitats, the different soft-furred sengi species dwell in a broad range of habitats, from tropical rain-forests to rocky deserts. Our knowledge on the evolutionary history of sengis is largely incomplete. The high level of superficial morphological resemblance among different sengi species (especially the soft-furred sengis) has for example led to misinterpretations of phylogenetic relationships, based on morphological characters. With the rise of DNA based taxonomic inferences, multiple new genera were defined and new species described. Yet, no full taxon molecular phylogeny exists, hampering the answering of basic taxonomic questions. This lack of knowledge can be to some extent attributed to the limited availability of fresh-tissue samples for DNA extraction. The broad African distribution, partly in political unstable regions and low population densities complicate contemporary sampling approaches. Furthermore, the DNA information available usually covers only short stretches of the mitochondrial genome and thus a single genetic locus with limited informational content. Developments in DNA extraction and library protocols nowadays offer the opportunity to access DNA from museum specimens, collected over the past centuries and stored in natural history museums throughout the world. Thus, the difficulties in fresh-sample acquisition for molecular biological studies can be overcome by the application of museomics, the research field which emerged from those laboratory developments. This thesis uses fresh-tissue samples as well as a vast collection museum specimens to investigate multiple aspects about the macroscelidean evolutionary history. Chapter 4 of this thesis focuses on the phylogenetic relationships of all currently known sengi species. By accessing DNA information from museum specimens in combination of fresh tissue samples and publicly available genetic resources it produces the first full taxon molecular phylogeny of sengis. It confirms the monophyly of the genus Elephantulus and discovers multiple deeply divergent lineages within different species, highlighting the need for species specific approaches. The study furthermore focuses on the evolutionary time frame of sengis by evaluating the impact of commonly varied parameters on tree dating. The results of the study show, that the mitochondrial information used in previous studies to temporal calibrate the Macroscelidean phylogeny led to an overestimation of node ages within sengis. Especially soft-furred sengis are thus much younger than previously assumed. The refined knowledge of nodes ages within sengis offer the opportunity to link e.g. speciation events to environmental changes. Chapter 5 focuses on the genus Petrodromus with its single representative Petrodromus tetradactylus. It again exploits the opportunities of museomics and gathers a comprehensive, multi-locus genetic dataset of P. tetradactylus individuals, distributed across most the known range of this species. It reveals multiple deeply divergent lineages within Petrodromus, whereby some could possibly be associated to previously described sub-species, at least one was formerly unknown. It underscores the necessity for a revision of the genus Petrodromus through the integration of both molecular and morphological evidence. The study, furthermore identifies changing forest distributions through climatic oscillations as main factor shaping the genetic structure of Petrodromus. Chapter 6 uses fresh tissue samples to extent the genomic resources of sengis by thirteen new nuclear genomes, of which two were de-novo assembled. An extensive dataset of more than 8000 protein coding one-to-one orthologs allows to further refine and confirm the temporal time frame of sengi evolution found in Chapter 4. This study moreover investigates the role of gene-flow and incomplete lineage sorting (ILS) in sengi evolution. In addition it identifies clade specific genes of possible outstanding evolutionary importance and links them to potential phenotypic traits affected. A closer investigation of olfactory receptor proteins reveals clade specific differences. A comparison of the demographic past of sengis to other small African mammals does not reveal a sengi specific pattern. N2 - Diese Dissertation untersucht die molekulare Evolution von Macroscelidea, auch als Sengis oder Rüsselspringer bezeichnet. Sengis sind eine Ordnung der Afrotheria, einer der vier Hauptkladen der plazentalen Säugetiere. Aktuell gibt es zwanzig beschriebene Sengiarten, die alle ausschließlich auf dem afrikanischen Kontinent vorkommen. Sengis können in zwei Familien unterteilt werden: die Elephantenspitzmäuse zusammen mit den Rüsselratten bilden die Macroscelididae und die Rüsselhündchen die Rhynchocyonidae. Während Rhynchocyonidae ausschließlich in Waldhabitaten zu finden sind, bewohnen verschiedene Macroscelididaearten ein breites Spektrum von Lebensräumen, von tropischen Regenwäldern bis zu felsigen Wüsten. Unser Wissen über die evolutionäre Geschichte der Sengis ist äußerst unvollständig. Der hohe Grad an morphologischer Ähnlichkeit zwischen verschiedenen Sengiarten (insbesondere innerhalb der Macroscelididae) hat beispielsweise zu Fehlinterpretationen phylogenetischer Beziehungen auf der Grundlage morphologischer Merkmale geführt. Mit dem Aufkommen DNA-basierter taxonomischer Forschung wurden mehrere neue Gattungen definiert und neue Arten beschrieben. Dennoch existiert derzeit keine vollständige molekulare Phylogenie, was die Beantwortung grundlegender taxonomischer Fragen und tiefergehende evolutionsbiologische Analysen erschwert. Dieser Mangel an Wissen kann zum Teil auf die begrenzte Verfügbarkeit von frischen Gewebeproben für die DNA-Extraktion zurückgeführt werden. Die weite Verbreitung in Afrika, teilweise in politisch instabilen Regionen und geringe Populationssdichten von Sengis erschweren das Sammeln von frischem Probenmaterial, was für die Extraktion von DNA genutzt werden kann. Darüber hinaus deckt die bis jetzt verfügbare DNA-Information über Sengis häufig nur kurze Abschnitte des mitochondrialen Genoms ab und damit einen einzelnen genetischen Lokus mit begrenztem Informationsgehalt. Fortentwicklungen von DNA-Extraktions-Protokollen und Library-Protokollen bieten heutzutage die Möglichkeit, auf DNA von Museumsexemplaren zuzugreifen, die über die letzten Jahrhunderte gesammelt und in Naturkundemuseen weltweit aufbewahrt werden. Somit können die Schwierigkeiten bei der Beschaffung von Frischproben für molekularbiologische Studien überwunden werden. Diese Dissertation verwendet sowohl Frischgewebeproben als auch eine umfangreiche Sammlung von Museumssproben, um verschiedene Aspekte der evolutionären Geschichte der Sengis molekularbiologisch zu untersuchen. Kapitel 4 dieser Dissertation konzentriert sich auf die phylogenetischen Beziehungen aller derzeit bekannten Sengiarten. Durch das Generieren von DNA-Information aus Museumsexemplaren in Kombination mit Frischgewebeproben und öffentlich verfügbaren genetischen Ressourcen wird die erste vollständige molekulare Phylogenie aller Rüsselspringer erzeugt. Die Studie bestätigt die Monophylie der Gattung Elephantulus und entdeckt mehrere tief divergente Linien innerhalb verschiedener Arten, was die Notwendigkeit speziesbezogener Ansätze verdeutlicht. Die Studie konzentriert sich außerdem auf den Zeitrahmen der Sengi-Evolution, indem sie die Auswirkungen häufig variierter Parameter auf die Datierung von Stammbäumen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die mitochondriale Information, die in früheren Studien zur zeitlichen Kalibrierung der Macroscelidean-Phylogenie verwendet wurde, zu einer Überschätzung des Alters von Arttrennungen innerhalb der Rüsselspringer geführt hat. Insbesondere die Macroscelididae sind daher viel jünger als zuvor angenommen. Das präzisere Wissen über das evolutionäre Alter von Rüsselspringern bietet die Möglichkeit, beispielsweise Artaufspaltungen mit Umweltveränderungen zu verknüpfen. Kapitel 5 konzentriert sich auf die Gattung Petrodromus mit ihrem einzigen Vertreter Petrodromus tetradactylus. Es nutzt erneut die Museomics und sammelt einen umfassenden, genetischen Datensatz von P. tetradactylus-Individuen, die über den größten Teil des bekannten Verbreitungsgebiets dieser Art verteilt sind. Es zeigt mehrere tief divergente Linien innerhalb von Petrodromus auf, wobei einige mit zuvor beschriebenen Unterarten in Verbindung gebracht werden könnten, mindestens eine aber zuvor unbekannt war. Die Ergebnisse verdeutlichen die Notwendigkeit einer taxonomischen Überarbeitung der Gattung Petrodromus durch das Zusammenführen sowohl molekularer als auch morphologischer Indizien. Die Studie identifizier außerdem sich ändernde Waldverteilungen durch klimatische Schwankungen als Hauptfaktor, der die genetische Struktur von Petrodromus formt. Kapitel 6 verwendet Frischgewebeproben, um die genomischen Ressourcen der Rüsselspringer durch dreizehn neue nukleare Genome zu erweitern, von denen zwei de-novo assembliert wurden. Ein umfangreicher Datensatz von mehr als 8000 protein-kodierenden 1:1-Orthologen ermöglicht es, den zeitlichen Rahmen der Rüsselspringerevolution, der in Kapitel 4 gefunden wurde, weiter zu verfeinern und zu bestätigen. Diese Studie untersucht außerdem die Rolle von Genfluss auf die Evolution der Rüsselspringer. Darüber hinaus identifiziert sie für bestimmte Kladen spezifische Gene von möglicherweise herausragender evolutionärer Bedeutung und verknüpft diese mit potenziell betroffenen phänotypischen Merkmalen. Eine genauere Untersuchung von Geruchsrezeptorproteinen zeigt kladespezifische Unterschiede auf. KW - sengis KW - evolution KW - molecular dating KW - biogeography KW - comparative genomics KW - Biogeographie KW - vergleichende Genomik KW - Evolution KW - molekulare Datierung KW - Sengis Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-641975 ER -