TY  - THES
A1  - Pellengahr, Klaus
T1  - Charakterisierung von ausgewählten Protein-Phosphatasen und MATE-Proteinen aus Arabidopsis thaliana
T1  - Characterisation of Protein-Phosphatases and MATE-Proteins of Arabidopsis thaliana
N2  - Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurde die Genexpression der Protein Phosphatase-gene TOPP1, TOPP2, TOPP5, STH1 und STH2 analysiert. Alle fünf ausgewählten Gene kodieren für PP des PP1/PP2A-Typs. Es wurde untersucht, ob homologen PP-Isoformen individuelle Expressionsmuster zugewiesen werden konnten. Besonderes Augenmerk richtete sich dabei auf die Expression von PP-Genen in den Schließzellen von A. thaliana. In mehreren Inhibitorstudien wurde beschrieben, dass PP1/PP2A-Proteine eine wichtige Rolle in der Signaltransduktion pflanzlicher Schließzellen spielen. Bisher konnte allerdings noch keine der entsprechenden katalytischen Untereinheiten auf molekularer Ebene identifiziert werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde zum ersten Mal nachgewiesen, dass mit TOPP1 ein Protein des PP1-Typs präferenziell in den Schließzellen von A. thaliana exprimiert wird. Ein Vergleich der Genexpression von TOPP1, TOPP2 und TOPP5 zeigte für die drei homologen Gene sehr Isoform-spezifische Expressionsmuster. Dies war ein deutlicher Hinweis, dass diese eng verwandten PP trotz großer Übereinstimmung auf Aminosäureebene vermutlich unterschiedliche Funktionen in planta haben.  Die Untersuchung der Genexpression von STH1 und STH2 zeigte, dass die fast identischen Proteine zum Teil in unterschiedlichen Geweben vorkommen. Die Transkripte der beiden Gene, welche eine eigene Untergruppe von PP2A-verwandten Sequenzen bilden, konnten aus EF isoliert werden. Der in dieser Arbeit entwickelte Screeningansatz ermöglichte es, die sehr ähnlichen cDNA-Fragmente eindeutig voneinander zu unterscheiden. Die gefundenen Isoform-spezifischen Expressionsmuster waren ein deutlicher Hinweis auf unterschiedliche Funktionen in planta.  Zur weiteren Untersuchung der PP-Funktionen in planta wurden Pflanzen mit veränderter Genaktivität von TOPP2 oder STH1 untersucht. In Pflanzen mit RNAi-vermittelter Reduktion des TOPP2-Transkriptgehalts ließ sich ein deutlich verändertes Blattwachstum beobachten. Die eingerollten oder asymmetrisch entwickelten Blätter waren vermutlich ein Hinweis, dass diese PP1-Isoform auch in A. thaliana eine Rolle bei der Zellteilung spielt. Für TOPP2-Expression in Hefen wurde diese Funktion schon nachgewiesen. Die Analyse von Insertions-mutanten mit T-DNA Insertionen in beiden STH1-Allelen waren neben den Expressions-studien ein weiterer Hinweis, dass sich STH1 nicht funktionell durch STH2 ersetzen lässt. Die Experimente in dieser Arbeit zeigten, dass das Fehlen der STH1-Genaktivität zu einem deutlichen Blattphänotyp mit gezahnten Blatträndern führte. Für STH2-Insertionsmutanten wurde dieses veränderte Wachstum nicht beschrieben.  Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde das Gen NIC1, welches für ein MATE-Membranprotein kodiert, identifiziert und charakterisiert. Die Sequenzierung des Genoms von A. thaliana hatte gezeigt, dass mindestens 56 MATE-Gene in dieser Pflanze vorhanden sind. Zum Zeitpunkt der Identifikation von NIC1 war keines dieser Gene charakterisiert. Außer für das MATE-Protein ERC1 aus S. cerevisiae gab es keine Studien zu eukaryotischen Mitgliedern dieser großen Familie von Membranproteinen. Anhand NIC1 wurden heterologe Expressionssysteme zur funktionellen Charakterisierung von MATE-Proteinen aus Pflanzen etabliert.  Die cDNA von NIC1 wurde nach ihrer Klonierung in X. laevis Oozyten und S. cerevisiae exprimiert. In S. cerevisiae erhöhte die NIC1-Expression die Lithumtoleranz der Hefen und führte zu einer Verminderung der Natriumtoleranz. Parallele Versuche mit NIC2 und NIC4 (in den Diplomarbeiten von Blazej Dolniak und Mandy Kursawe) zeigten, dass auch diese beiden Proteine die Salztoleranz von S. cerevisiae beeinflussten. Während NIC2 die Lithium- und Natriumtoleranz erhöhte, führte NIC4-Expresion zu einer höheren Sensibilität gegenüber diesen beiden Kationen. Die unterschiedlichen Eigenschaften der drei homologen Proteine zeigten sich auch bei ihrer Expression in X. laevis Oozyten. NIC1 induzierte in den Oozyten auswärts gerichtete Chloridströme, die spannungsabhängig waren und durch mikromolare Konzentrationen der trivalenten Kationen Lanthan oder Gadolinium inhibiert werden konnten. NIC4 induzierte Barium-inhibierbare Kaliumströme, die spannungsunabhängig waren. Für NIC2 ließ sich in diesem Expressionssystem keine Aktivität detektieren.  Zur Untersuchung der NIC1-Funktion in planta wurde die Genaktivität in transgenen Pflanzen lokalisiert und reduziert. Die NIC1-Genexpression war hauptsächlich in den vaskulären Geweben der Pflanze detektierbar und einer Verminderung des NIC1-Transkriptgehalts beeinflusste die Entwicklungsgeschwindigkeit der Pflanzen. Sie entwickelten sich deutlich langsamer als der parallel kultivierte Wildtyp. Der deutliche Phänotyp bei Veränderung der Genaktivität von nur einem der mindestens 56 vorhandenen MATE-Gene in A. thaliana zeigte, dass vermutlich keine weitere MATE-Isoform in der Lage ist, die Funktion von NIC1 zu übernehmen.
N2  - Gene expression analysis of the protein phosphatase (PP) genes, TOPP1, TOPP2, TOPP5, STH1 and STH2, of Arabidopsis thaliana was investigated in the first part of this thesis. All five genes encode PP of subgroups PP1 or PP2A. It was determined that homologous isoforms show individual and differing expression patterns. The PP-expression in guard cells was analysed further, because previous inhibitor studies showed an important influence of PP1/PP2A on signal transduction processes in these specialised cells. The previous studies had not addressed molecular identification of the inhibited PP1-/PP2A-subunits. This work demonstrates for the first time a preferential expression of a PP1 isoform, TOPP1, in guard cells. Further analysis of TOPP1, TOPP2 and TOPP5 gene expression also revealed isoform-specific expression patterns, suggesting non-redundant functions in planta.  Characterisation of the nearly identical PP2A-related genes, STH1 and STH2, also revealed individual expression patterns. An established screening approach (this work) for the identification of PP-genes from EF (epidermal fragments; a preparation enriched for guard cells) made it possible to distinguish the cDNAs of STH1 and STH2. The two genes form a subgroup of PP2A-related sequences. Differences in their expression patterns suggest that STH1 and STH2 have different functions in A. thaliana.  The analysis of plants with altered gene expression of TOPP2 and STH1 gave further insights into the roles of individual PP isoforms. The RNAi-mediated reduction of TOPP2-expression led to changed morphology of leaves, which showed curling and asymmetric development. The reason for this phenotype is probably due to changes of the cell cycle in certain parts of the leaf. Previous studies have already shown that heterologously expressed TOPP2 complements yeast cell cycle mutants. The selection and characterisation of plants with insertions in both STH1-allels revealed the individual roles of STH1 and STH2 in planta. Although STH2 was not affected, plants developed an extreme phenotype with reduced growth and altered leave shape. Previous studies with STH2 loss-of-function mutants did not show this morphology.  The second part of this thesis includes the identification and characterisation of a MATE (multidrug and toxic extrusion) membrane protein in plants. Described is NIC1, the first of at least 56 MATE proteins in A. thaliana. Indeed a study of the MATE protein, ERC1, of Saccharomyces cerevisiae was the only description of a eukaryotic member of this large family of membrane proteins.
KW  - Biologie
KW  - Molekularbiologie
KW  - molecular biology
Y1  - 2004
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-2500
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kindermann, Liana
T1  - Trees, shrubs, and land-use change
T1  - Bäume, Büsche und Landnutzungswandel
BT  - The future of carbon storage in an African Savanna
BT  - Die Zukunft der Kohlenstoffspeicherung in einer Afrikanischen Savanne
N2  - The global drylands cover nearly half of the terrestrial surface and are home to more than two billion people. In many drylands, ongoing land-use change transforms near-natural savanna vegetation to agricultural land to increase food production. In Southern Africa, these heterogenous savanna ecosystems are also recognized as habitats of many protected animal species, such as elephant, lion and large herds of diverse herbivores, which are of great value for the tourism industry. Here, subsistence farmers and livestock herder communities often live in close proximity to nature conservation areas. Although these land-use transformations are different regarding the future they aspire to, both processes, nature conservation with large herbivores and agricultural intensification, have in common, that they change the vegetation structure of savanna ecosystems, usually leading to destruction of trees, shrubs and the woody biomass they consist of. 
Such changes in woody vegetation cover and biomass are often regarded as forms of land degradation and forest loss. Global forest conservation approaches and international programs aim to stop degradation processes, also to conserve the carbon bound within wood from volatilization into earth’s atmosphere. In search for mitigation options against global climate change savannas are increasingly discussed as potential carbon sinks. Savannas, however, are not forests, in that they are naturally shaped by and adapted to disturbances, such as wildfires and herbivory. Unlike in forests, disturbances are necessary for stable, functioning savanna ecosystems and prevent these ecosystems from forming closed forest stands. Their consequently lower levels of carbon storage in woody vegetation have long been the reason for savannas to be overlooked as a potential carbon sink but recently the question was raised if carbon sequestration programs (such as REDD+) could also be applied to savanna ecosystems. However, heterogenous vegetation structure and chronic disturbances hamper the quantification of carbon stocks in savannas, and current procedures of carbon storage estimation entail high uncertainties due to methodological obstacles. It is therefore challenging to assess how future land-use changes such as agricultural intensification or increasing wildlife densities will impact the carbon storage balance of African drylands.
In this thesis, I address the research gap of accurately quantifying carbon storage in vegetation and soils of disturbance-prone savanna ecosystems. I further analyse relevant drivers for both ecosystem compartments and their implications for future carbon storage under land-use change. Moreover, I show that in savannas different carbon storage pools vary in their persistence to disturbance, causing carbon bound in shrub vegetation to be most likely to experience severe losses under land-use change while soil organic carbon stored in subsoils is least likely to be impacted by land-use change in the future. 
I start with summarizing conventional approaches to carbon storage assessment and where and for which reasons they fail to accurately estimated savanna ecosystem carbon storage. Furthermore, I outline which future-making processes drive land-use change in Southern Africa along two pathways of land-use transformation and how these are likely to influence carbon storage. In the following chapters, I propose a new method of carbon storage estimation which is adapted to the specific conditions of disturbance-prone ecosystems and demonstrate the advantages of this approach in relation to existing forestry methods. Specifically, I highlight sources for previous over- and underestimation of savanna carbon stocks which the proposed methodology resolves. In the following chapters, I apply the new method to analyse impacts of land-use change on carbon storage in woody vegetation in conjunction with the soil compartment. With this interdisciplinary approach, I can demonstrate that indeed both, agricultural intensification and nature conservation with large herbivores, reduce woody carbon storage above- and belowground, but partly sequesters this carbon into the soil organic carbon stock. I then quantify whole-ecosystem carbon storage in different ecosystem compartments (above- and belowground woody carbon in shrubs and trees, respectively, as well as topsoil and subsoil organic carbon) of two savanna vegetation types (scrub savanna and savanna woodland). Moreover, in a space-for-time substitution I analyse how land-use changes impact carbon storage in each compartment and in the whole ecosystem. Carbon storage compartments are found to differ in their persistence to land-use change with carbon bound in shrub biomass being least persistent to future changes and subsoil organic carbon being most stable under changing land-use. I then explore which individual land-use change effects act as drivers of carbon storage through Generalized Additive Models (GAMs) and uncover non-linear effects, especially of elephant browsing, with implications for future carbon storage. In the last chapter, I discuss my findings in the larger context of this thesis and discuss relevant implications for land-use change and future-making decisions in rural Africa.
N2  - Weltweit bedecken Trockengebiete fast die Hälfte der Erdoberfläche und sind die Heimat von mehr als zwei Milliarden Menschen. In vielen Regionen wird durch den fortschreitenden Landnutzungswandel die naturnahe Savannenvegetation in landwirtschaftliche Flächen umgewandelt, um die Nahrungsmittelproduktion zu steigern. Im südlichen Afrika sind diese diversen Savannenökosysteme auch als Lebensraum für viele geschützte Tierarten wie Elefanten, Löwen und große Herden vielfältiger Pflanzenfresser bekannt, die großen Wert für die Tourismusbranche haben. Im Umfeld vieler großer Schutzgebiete leben Kleinbauern und Viehhirten oft in unmittelbarer Nachbarschaft zu diesen – oft gefährlichen – Tieren. Obwohl sich beide Landnutzungen im Hinblick darauf unterscheiden welche Zukunftsvision verfolgt wird, haben sie doch beide gemeinsam, dass sowohl Schutzgebiete mit großen Pflanzenfressern wie Elefanten als auch die Landwirtschaft, die Vegetationsstruktur von Savannenökosystemen verändern. In der Regel reduzieren beide Prozesse die holzige Biomasse im Ökosystem, indem Bäume und Sträucher entfernt, zerstört oder durch Fraßverhalten und Holzeinschlag geschädigt werden. 
Solche Veränderungen der holzigen Vegetationsschicht samt Einflüssen auf die Biomasse werden oft als Formen von Umweltzerstörung oder Waldverlust betrachtet. Globale Waldschutzkonzepte und internationale Programme zielen darauf ab, solche Degradationsprozesse zu stoppen und den im Holz gebundenen Kohlenstoff vor der Verflüchtigung in die Erdatmosphäre zu bewahren. Auf der Suche nach Möglichkeiten zur Eindämmung des globalen Klimawandels werden Savannen zunehmend als potenzielle Kohlenstoffsenken diskutiert. Savannen sind von Wäldern jedoch fundamental verschieden, da sie von Natur aus durch starke Störungen, wie z. B. Elefantenfraß und Buschfeuer, geprägt und an diese evolutionär angepasst sind. Anders als in Wäldern sind hier Störungen für Funktion und Stabilität von offenen Savannenökosysteme notwendig und verhindern, dass sie sich zu geschlossenen Waldbeständen oder undurchdringlichen Gestrüppen entwickeln. Folglich ist die Kohlenstoffspeicherung in der holzigen Vegetation in Savannen geringer als in Wäldern und dies war lange Zeit der Grund dafür, dass Savannen keine Beachtung als potenzielle Kohlenstoffsenke fanden. In letzter Zeit wurde jedoch zunehmend die Frage aufgeworfen, ob Programme zur Kohlenstoffbindung (wie REDD+) auch auf Savannenökosysteme angewendet werden könnten. Die heterogene Vegetationsstruktur und chronischen Störungen erschweren jedoch erheblich die Quantifizierung der Kohlenstoffvorräte in Savannen, so dass die derzeitigen Verfahren zur Schätzung der Kohlenstoffspeicherung aufgrund methodischer Hindernisse mit großen Unsicherheiten verbunden sind. Daher ist es auch schwierig abzuschätzen, wie sich künftige Landnutzungsänderungen wie die Intensivierung der Landwirtschaft oder die Erhöhung von Wildtierdichten auf die Kohlenstoffspeicher der afrikanischen Trockengebiete auswirken werden.
In dieser Arbeit fasse ich zunächst die konventionellen Ansätze zur Quantifizierung von Kohlenstoffspeichern zusammen und zeige auf, wo und aus welchen Gründen sie in Savannenökosystemen versagen. Darüber hinaus skizziere ich entlang zweier Pfade der Landnutzungsänderung, welche Zukunftsvorstellungen den Landnutzungswandel im südlichen Afrika vorantreiben und wie diese voraussichtlich die Kohlenstoffspeicherung beeinflussen werden. In den folgenden Kapiteln entwickele ich eine neue Methode zur Schätzung der Kohlenstoffspeicherung, die an die spezifischen Bedingungen störungsanfälliger Ökosysteme angepasst ist, und zeige die Vorteile dieses Ansatzes gegenüber den bisherigen forstwirtschaftlichen Methoden auf. In den beiden daran anschließenden Kapiteln wende ich die neue Methode an, um die Auswirkungen von Landnutzungsänderungen auf die Kohlenstoffspeicherung zu analysieren und berücksichtige dabei auch das Verhältnis von holziger Biomasse zu im Boden gespeichertem Kohlenstoff. Mit diesem interdisziplinären Ansatz kann ich zeigen, dass sowohl die Intensivierung der Landwirtschaft als auch der Naturschutz mit großen Pflanzenfressern die ober- und unterirdische Kohlenstoffspeicherung in Büschen und Bäumen verringern, dieser Kohlenstoff jedoch nicht verloren geht, sondern teilweise in den organischen Kohlenstoffbestand des Bodens eingelagert wird. Anschließend quantifiziere ich die Kohlenstoffspeicherung im gesamten Ökosystem sowie in verschiedenen Ökosystemkompartimenten (ober- und unterirdischer Holzkohlenstoff in Sträuchern bzw. Bäumen sowie organischer Kohlenstoff im Ober- und Unterboden) von zwei verschiedenen Vegetationstypen der Studienregion. Darüber hinaus analysiere ich in einer Raum-Zeit-Substitution, wie sich zukünftige Landnutzungsänderungen auf die Kohlenstoffspeicherung in jedem Kompartiment und im gesamten Ökosystem auswirken. Die hier untersuchten Kohlenstoffspeicher unterscheiden sich in ihrer Beständigkeit gegenüber Landnutzungsänderungen, wobei jener Kohlenstoff, der in der Strauchbiomasse gebunden ist sich als am wenigsten beständig gegenüber künftigen Änderungen herausgestellt hat; demgegenüber ist der organische Kohlenstoff im Unterboden bei veränderter Landnutzung am stabilsten. Anschließend untersuche ich mit Hilfe von statistischen Modellen (Generalized Additive Models, GAMs), welche individuellen Landnutzungsfaktoren die Kohlenstoffspeicherung beeinflussen, und decke nichtlineare Effekte auf. Insbesondere Elefantenfraß kann zunächst positive Auswirkungen auf die Kohlenstoffspeicherung haben, die sich bei weiterer Intensivierung jedoch ins Gegenteil verkehrt. Dies muss bei zukünftigen Planungen berücksichtigt werden. Im letzten Kapitel diskutiere ich meine Ergebnisse im größeren Kontext dieser Arbeit und erörtere relevante Implikationen für Landnutzungsänderungen und zukünftige Entscheidungen.
KW  - biology
KW  - plant ecology
KW  - carbon storage
KW  - savanna
KW  - woodland
KW  - vegetation ecology
KW  - disturbance ecology
KW  - soil organic carbon
KW  - Biologie
KW  - Kohlenstoffspeicherung
KW  - Störungsökologie
KW  - Pflanzenökologie
KW  - Savanne
KW  - Organischer Bodenkohlenstoff
KW  - Vegetationsökologie
KW  - Baumsavanne
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-648943
ER  -