TY - THES A1 - Stark, Markus T1 - Implications of local and regional processes on the stability of metacommunities in diverse ecosystems T1 - Auswirkungen lokaler und regionaler Prozesse auf die Stabilität von Metagemeinschaften in diversen Ökosystemen N2 - Anthropogenic activities such as continuous landscape changes threaten biodiversity at both local and regional scales. Metacommunity models attempt to combine these two scales and continuously contribute to a better mechanistic understanding of how spatial processes and constraints, such as fragmentation, affect biodiversity. There is a strong consensus that such structural changes of the landscape tend to negatively effect the stability of metacommunities. However, in particular the interplay of complex trophic communities and landscape structure is not yet fully understood. In this present dissertation, a metacommunity approach is used based on a dynamic and spatially explicit model that integrates population dynamics at the local scale and dispersal dynamics at the regional scale. This approach allows the assessment of complex spatial landscape components such as habitat clustering on complex species communities, as well as the analysis of population dynamics of a single species. In addition to the impact of a fixed landscape structure, periodic environmental disturbances are also considered, where a periodical change of habitat availability, temporally alters landscape structure, such as the seasonal drying of a water body. On the local scale, the model results suggest that large-bodied animal species, such as predator species at high trophic positions, are more prone to extinction in a state of large patch isolation than smaller species at lower trophic levels. Increased metabolic losses for species with a lower body mass lead to increased energy limitation for species on higher trophic levels and serves as an explanation for a predominant loss of these species. This effect is particularly pronounced for food webs, where species are more sensitive to increased metabolic losses through dispersal and a change in landscape structure. In addition to the impact of species composition in a food web for diversity, the strength of local foraging interactions likewise affect the synchronization of population dynamics. A reduced predation pressure leads to more asynchronous population dynamics, beneficial for the stability of population dynamics as it reduces the risk of correlated extinction events among habitats. On the regional scale, two landscape aspects, which are the mean patch isolation and the formation of local clusters of two patches, promote an increase in $\beta$-diversity. Yet, the individual composition and robustness of the local species community equally explain a large proportion of the observed diversity patterns. A combination of periodic environmental disturbance and patch isolation has a particular impact on population dynamics of a species. While the periodic disturbance has a synchronizing effect, it can even superimpose emerging asynchronous dynamics in a state of large patch isolation and unifies trends in synchronization between different species communities. In summary, the findings underline a large local impact of species composition and interactions on local diversity patterns of a metacommunity. In comparison, landscape structures such as fragmentation have a negligible effect on local diversity patterns, but increase their impact for regional diversity patterns. In contrast, at the level of population dynamics, regional characteristics such as periodic environmental disturbance and patch isolation have a particularly strong impact and contribute substantially to the understanding of the stability of population dynamics in a metacommunity. These studies demonstrate once again the complexity of our ecosystems and the need for further analysis for a better understanding of our surrounding environment and more targeted conservation of biodiversity. N2 - Seit geraumer Zeit prägt der Mensch seine Umwelt und greift in die Struktur von Landschaften ein. In den letzten Jahrzehnten wurde die Landschaftsnutzung intensiviert und Ökosyteme weltweit anthropogen überprägt. Solche Veränderungen der Landschaft sind mit Verantwortlich für den derzeit rapiden Verlust an Biodiversität auf lokaler wie regionaler Ebene. Metagemeinschafts-Modelle versuchen diese beiden Ebenen zu kombinieren und kontinuierlich zu einem besseren mechanistischen Verständnis beizutragen, wie räumliche Prozesse, so z. B. Fragmentierung von Biotopen, die Biodiversität beeinflussen. Es besteht dabei ein großer Konsens, dass sich solche Änderungen der Landschaft tendenziell negativ auf die Stabilität von Metagemeinschaften auswirken. Jedoch ist insbesondere das Zusammenspiel von komplexen trophischen Gemeinschaften und räumlichen Prozessen längst nicht vollständig verstanden. In der vorliegenden Arbeit wird ein Metagemeinschafts-Modellansatz verwendet, der auf einem dynamischen und räumlich expliziten Modell basiert, das Populationsdynamiken auf der lokalen Ebene und Migrationsdynamiken auf der regionalen Ebene integriert. Dieser Ansatz erlaubt die Bewertung komplexer räumlicher Landschaftskomponenten wie z. B. die Auswirkung von Habitatsclustern auf Populationsdynamiken einzelner Arten bis hin zur Diversität komplexer Artengemeinschaften. Zusätzlich zum Einfluss von einzelner konstanter räumlicher Strukturen werden auch periodische Umweltstörungen berücksichtigt, bei der ein Wechsel der Habitatverfügbarkeit, die räumliche Struktur der Landschaft temporär verändert, wie z. B. die Austrocknung eines Gewässers. Auf der lokalen Ebene deuten die Modellergebnisse darauf hin, dass Tierarten mit einer großen Körpermasse, wie z. B. Raubtierarten in höheren trophischen Positionen, in einem Zustand großer Habitat-Isolation stärker vom Aussterben bedroht sind, als Arten mit geringer Körpermasse auf unteren trophischen Ebenen. Arten mit einer geringerer Körpermasse haben einen erhöhten metabolischen Verlust, der zu einer Energielimitierung auf den höheren trophischen Ebenen führt. Dies kann eine Erklärung dafür sein, dass Arten mit großer Körpermasse ein höheres Aussterberisiko in den Modellergebnissen aufweisen. Dieser Effekt ist vor allem in Nahrungsnetzen ausgeprägt, bei denen Arten empfindlicher auf metabolische Verluste durch Migration und eine Veränderung der Habitat Struktur reagieren. Neben der Bedeutung der Zusammensetzung der Arten eines Nahrungsnetzes für die Diversität, haben lokale Fraßinteraktionen ebenfalls Auswirkungen auf die Synchronisierung von Populationsdynamiken. Ein geringerer Fraßdruck führt zu mehr asynchronen Populationsdynamiken, die diese Dynamiken einer Metapopulation stabilisiert, sodass das Risiko von Aussterbeereignissen einzelner Arten sinkt. Auf der regionalen Ebene führen als landschaftliche Aspekte, neben der mittleren Habitat-Isolation, ebenso die Bildung von lokalen Clustern aus zwei Habitaten zu einer Zunahme der Beta-Diversität. Jedoch erklären die individuelle Zusammensetzung und Robustheit der lokalen Arten- gemeinschaft gleichermaßen einen großen Anteil der zu beobachteten Diversitätsmuster. Eine Kombination aus periodischen Umweltstörungen und Habitat-Isolation hat insbesondere einen Einfluss auf die Populationsdynamiken einzelner Arten. Populationsdynamiken können durch periodische Umweltstörungen synchronisiert werden, und dabei die sonst auftauchende asynchronen Populationsdynamiken bei einer größeren Habitat-Isolation überlagern. Die dadurch vereinheitlichen Trends in der Synchronisierung erhöhen das Risiko korrelierter Aussterbeereignisse einer Art. Zusammenfassend lassen sich zwei große Einflussfaktoren auf die lokalen Diversitätsmuster der Metagemeinschaften feststellen. Zum Einen die lokale Artenzusammensetzung und zum Anderen die Interaktionen der Arten. Im Vergleich dazu, haben räumliche Komponenten wie die Fragmentierung der Landschaft einen vernachlässigbaren Einfluss auf die lokalen Diversitätsmuster und gewinnen erst für regionale Diversitätsmuster an Gewicht. Im Gegensatz dazu spielen auf der Ebene der Populationsdynamik besonders regionale Eigenschaften, wie die periodische Umweltstörung und Habitat-Isolation, eine Rolle und tragen wesentlich zum Verständnis der Stabilität von Populationsdynamiken der Metagemeinschaft bei. Diese Untersuchungen zeigen einmal mehr die Komplexität unserer Ökosysteme und die Notwendigkeit weiterer Analysen für ein besseres Verständnis unserer umgebenen Umwelt und gezielteren Schutz der Biodiversität. KW - Fragmentation KW - Ecology KW - Food Web KW - Metacommunity KW - Disturbance KW - Störungen KW - Ökologie KW - Nahrungsnetze KW - Fragmentierung KW - Metagemeinschaften Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-526399 ER - TY - THES A1 - Spinti, Daniela T1 - Proteasomal protein turnover during defense priming in Arabidopsis T1 - Proteasomaler Proteinabbau während der erworbenen Immunantwort in Arabidopsis N2 - The ubiquitin-proteasome-system (UPS) is a cellular cascade involving three enzymatic steps for protein ubiquitination to target them to the 26S proteasome for proteolytic degradation. Several components of the UPS have been shown to be central for regulation of defense responses during infections with phytopathogenic bacteria. Upon recognition of the pathogen, local defense is induced which also primes the plant to acquire systemic resistance (SAR) for enhanced immune responses upon challenging infections. Here, ubiquitinated proteins were shown to accumulate locally and systemically during infections with Psm and after treatment with the SAR-inducing metabolites salicylic acid (SA) and pipecolic acid (Pip). The role of the 26S proteasome in local defense has been described in several studies, but the potential role during SAR remains elusive and was therefore investigated in this project by characterizing the Arabidopsis proteasome mutants rpt2a-2 and rpn12a-1 during priming and infections with Pseudomonas. Bacterial replication assays reveal decreased basal and systemic immunity in both mutants which was verified on molecular level showing impaired activation of defense- and SAR-genes. rpt2a-2 and rpn12a-1 accumulate wild type like levels of camalexin but less SA. Endogenous SA treatment restores local PR gene expression but does not rescue the SAR-phenotype. An RNAseq experiment of Col-0 and rpt2a-2 reveal weak or absent induction of defense genes in the proteasome mutant during priming. Thus, a functional 26S proteasome was found to be required for induction of SAR while compensatory mechanisms can still be initiated. E3-ubiquitin ligases conduct the last step of substrate ubiquitination and thereby convey specificity to proteasomal protein turnover. Using RNAseq, 11 E3-ligases were found to be differentially expressed during priming in Col-0 of which plant U-box 54 (PUB54) and ariadne 12 (ARI12) were further investigated to gain deeper understanding of their potential role during priming. PUB54 was shown to be expressed during priming and /or triggering with virulent Pseudomonas. pub54 I and pub54-II mutants display local and systemic defense comparable to Col-0. The heavy-metal associated protein 35 (HMP35) was identified as potential substrate of PUB54 in yeast which was verified in vitro and in vivo. PUB54 was shown to be an active E3-ligase exhibiting auto-ubiquitination activity and performing ubiquitination of HMP35. Proteasomal turnover of HMP35 was observed indicating that PUB54 targets HMP35 for ubiquitination and subsequent proteasomal degradation. Furthermore, hmp35-I benefits from increased resistance in bacterial replication assays. Thus, HMP35 is potentially a negative regulator of defense which is targeted and ubiquitinated by PUB54 to regulate downstream defense signaling. ARI12 is transcriptionally activated during priming or triggering and hyperinduced during priming and triggering. Gene expression is not inducible by the defense related hormone salicylic acid (SA) and is dampened in npr1 and fmo1 mutants consequently depending on functional SA- and Pip-pathways, respectively. ARI12 accumulates systemically after priming with SA, Pip or Pseudomonas. ari12 mutants are not altered in resistance but stable overexpression leads to increased resistance in local and systemic tissue. During priming and triggering, unbalanced ARI12 levels (i.e. knock out or overexpression) leads to enhanced FMO1 activation indicating a role of ARI12 in Pip-mediated SAR. ARI12 was shown to be an active E3-ligase with auto-ubiquitination activity likely required for activation with an identified ubiquitination site at K474. Mass spectrometrically identified potential substrates were not verified by additional experiments yet but suggest involvement of ARI12 in regulation of ROS in turn regulating Pip-dependent SAR pathways. Thus, data from this project provide strong indications about the involvement of the 26S proteasome in SAR and identified a central role of the two so far barely described E3-ubiquitin ligases PUB54 and ARI12 as novel components of plant defense. N2 - Das Ubiquitin-Proteasom-System (UPS) ist ein in drei Schritten enzymatisch ablaufender Prozess zur Ubiquitinierung von Proteinen, wodurch diese zum proteolytischen Abbau an das 26S Proteasom geschickt werden. Verschiedene Komponenten des UPS sind zentral an der Regulation von Immunantworten während der Infektion mit phytopathogenen Bakterien beteiligt. Beim Erkennen einer Infektion werden lokale Abwehrreaktionen initiiert, wobei auch mobile Signale in distalen Pflanzenteilen verteilt werden, welche die Pflanze primen (vorbereiten). Mit dem Erwerb der systemischen Resistenz (SAR) kann die Immunantwort bei einer zweiten Infektion verstärkt aktiviert werden. Es wurde hier gezeigt, dass ubiquitinierte Proteine in lokalem und systemischem Gewebe akkumulieren, wenn Arabidopsis mit Pseudomonas infiziert oder mit SAR-induzierender Salizylsäure (SA) oder Pipecolinsäure (Pip) behandelt wird. Die genaue Rolle des 26S Proteasoms in der systemischen Immunantwort ist bisher unklar und wurde daher in diesem Projekt mithilfe der Charakterisierung der Proteasommutanten rpt2a-2 und rpn12a-1 während des Primings genauer untersucht. In Bakterienwachstumsversuchen zeigte sich eine lokal und systemisch erhöhte Suszeptibilität der Proteasommutanten, welche auf molekularer Ebene durch ausbleibende Aktivierung von Abwehrgenen verifiziert wurde. Beide Mutanten akkumulieren ähnliche Mengen Camalexin während einer Infektion, sind aber in der Biosynthese von SA gestört. Die endogene Applikation von SA löst lokale PR-Gen Expression aus, kann aber nicht das SAR-Defizit ausgleichen. In einem RNAseq Experiment wurde das Transkriptom von Col-0 und rpt2a-2 während des Primings analysiert und zeigte, dass zentrale Abwehr- und SAR-Gene nicht oder nur schwach induziert werden. Es konnte somit gezeigt werden, dass ein funktionales 26S Proteasom zur vollen Induktion aller Teile der lokalen und systemischen Immunantwort benötigt wird, während ausgleichende Prozesse weiterhin aktiviert werden können. E3-Ubiquitin Ligasen führen den letzten Schritt der Substratubiquitinierung durch und vermitteln dadurch die Spezifität des proteasomalen Proteinabbaus. Mithilfe des RNAseq Experiments konnten 11 differentiell exprimierte Transkripte, annotiert als E3-Ligasen, identifiziert werden. Von diesen wurden PLANT U-BOX 54 (PUB54) und ARIADNE 12 (ARI12) weiter analysiert, um ein tiefergehendes Verständnis ihres Einflusses auf die systemische Immunantwort zu erhalten. PUB54 wird während des Primings und bei Infektionen mit virulenten Pseudomonas exprimiert. Die pub54 I und pub54-II Mutanten zeigen lokal und systemisch eine wildtyp-ähnliche Resistenz. Das „heavy-metal associated protein 35” (HMP35) wurde in Hefe als potentielles Substrat von PUB54 identifiziert und in vitro und in vivo verifiziert. PUB54 ist eine aktive E3-Ligase mit Autoubiquitinierungsaktivität, welche HMP35 ubiquitiniert. HMP35 wird außerdem in planta proteasomal abgebaut, wodurch eine Ubiquitinierung von HMP35 durch PUB54 zum proteasomalen Abbau nahegelegt wird. Des Weiteren wurde gezeigt, dass hmp35 Mutanten von erhöhter Resistenz profitieren. HMP35 agiert möglicherweise als negativer Regulator der Immunantwort und wird zur Aktivierung von Abwehrreaktionen durch PUB54 für den proteasomalen Abbau markiert. ARI12 wird nach Priming oder Infektion mit Pseudomonas transkriptionell aktiviert und nach sekundärer Infektion hyperinduziert, wobei die Behandlung mit SA keine Expression induziert. ARI12 ist jedoch reduziert in npr1 und fmo1 Mutanten, wodurch eine Abhängigkeit der Genexpression von funktionalen SA- und Pip-Signalwegen angedeutet wird. ARI12 akkumuliert in systemischem Gewebe nach lokaler Behandlung mit SA, Pip, oder Pseudomonas. Die ari12 Mutante zeigt wildtypähnliche Resistenz gegenüber bakteriellen Infektionen, wohingegen die Überexpression zu einer verstärkten Resistenz in lokalem und systemischem Gewebe führt. Unausgewogene Level von ARI12 (d.h. knockout oder Überexpression) führen zur erhöhten Expression von FMO1, sodass ARI12 potentiell eine regulatorische Rolle in der Pip-vermittelten systemischen Immunantwort übernimmt. Es konnte gezeigt werden, dass ARI12 eine aktive E3-Ligase mit Autoubiquitinierungsaktivität an Lys474 ist, welche vermutlich für die Aktivierung benötigt wird. Massenspektrometrisch identifizierte, mögliche Substrate von ARI12 konnten noch nicht experimentell bestätigt werden, deuten aber auf eine Rolle von ARI12 in der Regulation von reaktiven Oxygen Spezies (ROS) hin, welche wiederum Pip-anhängige Signalwege regulieren. Zusammengenommen deuten die Daten aus diesem Projekt darauf hin, dass das 26S Proteasom durch den regulierten Proteinabbau zentral ist für die systemische erworbene Resistenz und dass die bisher wenig untersuchten E3-Ligasen PUB54 und ARI12 neue regulatorische Komponenten der pflanzlichen Immunabwehr darstellen. KW - defense priming KW - Arabidopsis KW - Ubiquitin-proteasome-system KW - E3-ubiquitin ligases KW - Arabidopsis KW - E3-Ubiquitin Ligasen KW - Ubiquitin-Proteasom-System KW - erworbene Immunantwort Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-505909 ER - TY - THES A1 - Schaarschmidt, Stephanie T1 - Evaluation and application of omics approaches to characterize molecular responses to abiotic stresses in plants T1 - Evaluierung und Anwendung von Omics-Methoden zur Charakterisierung von abiotischem Stress in Pflanzen auf molekularer Ebene N2 - Aufgrund des globalen Klimawandels ist die Gewährleistung der Ernährungssicherheit für eine wachsende Weltbevölkerung eine große Herausforderung. Insbesondere abiotische Stressoren wirken sich negativ auf Ernteerträge aus. Um klimaangepasste Nutzpflanzen zu entwickeln, ist ein umfassendes Verständnis molekularer Veränderungen in der Reaktion auf unterschiedlich starke Umweltbelastungen erforderlich. Hochdurchsatz- oder "Omics"-Technologien können dazu beitragen, Schlüsselregulatoren und Wege abiotischer Stressreaktionen zu identifizieren. Zusätzlich zur Gewinnung von Omics-Daten müssen auch Programme und statistische Analysen entwickelt und evaluiert werden, um zuverlässige biologische Ergebnisse zu erhalten. Ich habe diese Problemstellung in drei verschiedenen Studien behandelt und dafür zwei Omics-Technologien benutzt. In der ersten Studie wurden Transkript-Daten von den beiden polymorphen Arabidopsis thaliana Akzessionen Col-0 und N14 verwendet, um sieben Programme hinsichtlich ihrer Fähigkeit zur Positionierung und Quantifizierung von Illumina RNA Sequenz-Fragmenten („Reads“) zu evaluieren. Zwischen 92% und 99% der Reads konnten an die Referenzsequenz positioniert werden und die ermittelten Verteilungen waren hoch korreliert für alle Programme. Bei der Durchführung einer differentiellen Genexpressionsanalyse zwischen Pflanzen, die bei 20 °C oder 4 °C (Kälteakklimatisierung) exponiert wurden, ergab sich eine große paarweise Überlappung zwischen den Programmen. In der zweiten Studie habe ich die Transkriptome von zehn verschiedenen Oryza sativa (Reis) Kultivaren sequenziert. Dafür wurde die PacBio Isoform Sequenzierungstechnologie benutzt. Die de novo Referenztranskriptome hatten zwischen 38.900 bis 54.500 hoch qualitative Isoformen pro Sorte. Die Isoformen wurden kollabiert, um die Sequenzredundanz zu verringern und danach evaluiert z.B. hinsichtlich des Vollständigkeitsgrades (BUSCO), der Transkriptlänge und der Anzahl einzigartiger Transkripte pro Genloci. Für die hitze- und trockenheitstolerante Sorte N22 wurden ca. 650 einzigartige und neue Transkripte identifiziert, von denen 56 signifikant unterschiedlich in sich entwickelnden Samen unter kombiniertem Trocken- und Hitzestress exprimiert wurden. In der letzten Studie habe ich die Veränderungen in Metabolitprofilen von acht Reissorten gemessen und analysiert, die dem Stress hoher Nachttemperaturen (HNT) ausgesetzt waren und während der Trocken- und Regenzeit im Feld auf den Philippinen angebaut wurden. Es wurden jahreszeitlich bedingte Veränderungen im Metabolitspiegel sowie für agronomische Parameter identifiziert und mögliche Stoffwechselwege, die einen Ertragsrückgang unter HNT-Bedingungen verursachen, vorgeschlagen. Zusammenfassend konnte ich zeigen, dass der Vergleich der RNA-seq Programme den Pflanzenwissenschaftler*innen helfen kann, sich für das richtige Werkzeug für ihre Daten zu entscheiden. Die de novo Transkriptom-Rekonstruktion von Reissorten ohne Genomsequenz bietet einen gezielten, kosteneffizienten Ansatz zur Identifizierung neuer Gene, die durch verschiedene Stressbedingungen reguliert werden unabhängig vom Organismus. Mit dem Metabolomik-Ansatz für HNT-Stress in Reis habe ich stress- und jahreszeitenspezifische Metabolite identifiziert, die in Zukunft als molekulare Marker für die Verbesserung von Nutzpflanzen verwendet werden könnten. N2 - Due to global climate change providing food security for an increasing world population is a big challenge. Especially abiotic stressors have a strong negative effect on crop yield. To develop climate-adapted crops a comprehensive understanding of molecular alterations in the response of varying levels of environmental stresses is required. High throughput or ‘omics’ technologies can help to identify key-regulators and pathways of abiotic stress responses. In addition to obtain omics data also tools and statistical analyses need to be designed and evaluated to get reliable biological results. To address these issues, I have conducted three different studies covering two omics technologies. In the first study, I used transcriptomic data from the two polymorphic Arabidopsis thaliana accessions, namely Col-0 and N14, to evaluate seven computational tools for their ability to map and quantify Illumina single-end reads. Between 92% and 99% of the reads were mapped against the reference sequence. The raw count distributions obtained from the different tools were highly correlated. Performing a differential gene expression analysis between plants exposed to 20 °C or 4°C (cold acclimation), a large pairwise overlap between the mappers was obtained. In the second study, I obtained transcript data from ten different Oryza sativa (rice) cultivars by PacBio Isoform sequencing that can capture full-length transcripts. De novo reference transcriptomes were reconstructed resulting in 38,900 to 54,500 high-quality isoforms per cultivar. Isoforms were collapsed to reduce sequence redundancy and evaluated, e.g. for protein completeness level (BUSCO), transcript length, and number of unique transcripts per gene loci. For the heat and drought tolerant aus cultivar N22, I identified around 650 unique and novel transcripts of which 56 were significantly differentially expressed in developing seeds during combined drought and heat stress. In the last study, I measured and analyzed the changes in metabolite profiles of eight rice cultivars exposed to high night temperature (HNT) stress and grown during the dry and wet season on the field in the Philippines. Season-specific changes in metabolite levels, as well as for agronomic parameters, were identified and metabolic pathways causing a yield decline at HNT conditions suggested. In conclusion, the comparison of mapper performances can help plant scientists to decide on the right tool for their data. The de novo reconstruction of rice cultivars without a genome sequence provides a targeted, cost-efficient approach to identify novel genes responding to stress conditions for any organism. With the metabolomics approach for HNT stress in rice, I identified stress and season-specific metabolites which might be used as molecular markers for crop improvement in the future. KW - Arabidopsis thaliana KW - Oryza sativa KW - RNA-seq KW - PacBio IsoSeq KW - metabolomics KW - high night temperature KW - combined heat and drought stress KW - natural genetic variation KW - differential gene expression KW - Arabidopsis thaliana KW - Oryza sativa KW - PacBio IsoSeq KW - RNA-seq KW - kombinierter Hitze- und Trockenstress KW - erhöhte Nachttemperaturen KW - Differenzielle Genexpression KW - Metabolomik KW - natürliche genetische Variation Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-509630 ER - TY - THES A1 - Raatz, Larissa T1 - Boon and bane T1 - Segen und Fluch BT - how semi-natural habitats shape biodiversity-driven ecosystem (dis)services in agricultural landscapes BT - wie naturnahe Habitate biodiversitätsbedingte Ökosystemdienstleistungen in Agrarlandschaften beeinflussen N2 - Semi-natural habitats (SNHs) in agricultural landscapes represent important refugia for biodiversity including organisms providing ecosystem services. Their spill-over into agricultural fields may lead to the provision of regulating ecosystem services such as biological pest control ultimately affecting agricultural yield. Still, it remains largely unexplored, how different habitat types and their distributions in the surrounding landscape shape this provision of ecosystem services within arable fields. Hence, in this thesis I investigated the effect of SNHs on biodiversity-driven ecosystem services and disservices affecting wheat production with an emphasis on the role and interplay of habitat type, distance to the habitat and landscape complexity. I established transects from the field border into the wheat field, starting either from a field-to-field border, a hedgerow, or a kettle hole, and assessed beneficial and detrimental organisms and their ecosystem functions as well as wheat yield at several in-field distances. Using this study design, I conducted three studies where I aimed to relate the impacts of SNHs at the field and at the landscape scale on ecosystem service providers to crop production. In the first study, I observed yield losses close to SNHs for all transect types. Woody habitats, such as hedgerows, reduced yields stronger than kettle holes, most likely due to shading from the tall vegetation structure. In order to find the biotic drivers of these yield losses close to SNHs, I measured pest infestation by selected wheat pests as potential ecosystem disservices to crop production in the second study. Besides relating their damage rates to wheat yield of experimental plots, I studied the effect of SNHs on these pest rates at the field and at the landscape scale. Only weed cover could be associated to yield losses, having their strongest impact on wheat yield close to the SNH. While fungal seed infection rates did not respond to SNHs, fungal leaf infection and herbivory rates of cereal leaf beetle larvae were positively influenced by kettle holes. The latter even increased at kettle holes with increasing landscape complexity suggesting a release of natural enemies at isolated habitats within the field interior. In the third study, I found that also ecosystem service providers benefit from the presence of kettle holes. The distance to a SNH decreased species richness of ecosystem service providers, whereby the spatial range depended on species mobility, i.e. arable weeds diminished rapidly while carabids were less affected by the distance to a SNH. Contrarily, weed seed predation increased with distance suggesting that a higher food availability at field borders might have diluted the predation on experimental seeds. Intriguingly, responses to landscape complexity were rather mixed: While weed species richness was generally elevated with increasing landscape complexity, carabids followed a hump-shaped curve with highest species numbers and activity-density in simple landscapes. The latter might give a hint that carabids profit from a minimum endowment of SNHs, while a further increase impedes their mobility. Weed seed predation was affected differently by landscape complexity depending on weed species displayed. However, in habitat-rich landscapes seed predation of the different weed species converged to similar rates, emphasising that landscape complexity can stabilize the provision of ecosystem services. Lastly, I could relate a higher weed seed predation to an increase in wheat yield even though seed predation did not diminish weed cover. The exact mechanisms of the provision of weed control to crop production remain to be investigated in future studies. In conclusion, I found habitat-specific responses of ecosystem (dis)service providers and their functions emphasizing the need to evaluate the effect of different habitat types on the provision of ecosystem services not only at the field scale, but also at the landscape scale. My findings confirm that besides identifying species richness of ecosystem (dis)service providers the assessment of their functions is indispensable to relate the actual delivery of ecosystem (dis)services to crop production. N2 - Naturnahe Habitate, wie zum Beispiel Hecken und Sölle, stellen wichtige Refugien für die Biodiversität in Agrarlandschaften dar, weil aus diesen Habitaten Organismen in die Agrarflächen einwandern und dort regulierende Ökosystemdienstleistungen, wie zum Beispiel biologische Schädlingsbekämpfung, erbringen können. Weitgehend unerforscht ist bisher, in welcher Art und Weise die verschiedenen Habitattypen und ihre Verteilung in der umgebenden Landschaft die Bereitstellung dieser Ökosystemdienstleistungen, die letztlich auch einen Einfluss auf die landwirtschaftlichen Erträge haben können, beeinflussen. Daher habe ich den Einfluss von naturnahen Habitattypen auf biodiversitätsbedingte Ökosystemdienstleistungen und ihre Auswirkung auf die Weizenproduktion untersucht. Der Schwerpunkt meiner Arbeit lag auf dem Einfluss und dem Zusammenspiel von Habitattyp, Entfernung zum naturnahen Habitat und der umgebenden Landschaftsvielfalt. Auf intensiv bewirtschafteten Weizenfeldern habe ich entlang von Transekten von der Feldgrenze in das Feld hinein Nützlinge und Schädlinge, Ökosystemfunktionen sowie den Weizenertrag ermittelt. In der ersten Studie habe ich am Feldrand für alle Habitattypen einen Ertragsverlust im Vergleich zur Feldmitte beobachtet, wobei Hecken die stärkste Ertragsreduktion aufwiesen. Dieses Resultat führe ich auf die Beschattung durch die hohe Vegetationsstruktur zurück. Um Ertragsverluste besser zu verstehen, habe ich in der zweiten Studie den Schädlingsbefall durch ausgewählte Weizenschädlinge sowie den direkten Einfluss der naturnahen Habitate auf die Schädlingsraten auf der Feld- und Landschaftsskala untersucht. Nur die Unkrautbedeckung konnte mit dem Ertragsverlust in Verbindung gebracht werden, wobei sie einen stärkeren Einfluss auf die Ernteerträge in der Nähe der naturnahen Habitate hatte. Darüber hinaus konnte ich zeigen, dass die Befallsraten von Blattpathogenen und die Fraßraten der Larven des Getreidehähnchens an Söllen erhöht waren. Letzteres stieg sogar an Söllen mit zunehmender Landschaftsvielfalt an, was auf den Wegfall natürlicher Feinde an isolierten Habitaten im Feldinneren, wie Söllen, schließen lässt. In meiner dritten Studie fand ich heraus, dass auch Ökosystemdienstleister, wie Laufkäfer sowie die Samenprädation von Unkräutern, von Söllen profitieren. Die Entfernung zu einem naturnahen Habitat verringerte den Artenreichtum der Ökosystemdienstleister, im Gegensatz zur Samenprädation, welche zur Feldmitte zunahm. Dies deutet darauf hin, dass eine höhere Nahrungsverfügbarkeit an Feldrändern die Prädation von Versuchssamen abgeschwächt haben könnte. Während mit zunehmender Landschaftsvielfalt die Artenanzahl an Unkräutern anstieg, war bei den Laufkäfern die höchste Artenzahl und Aktivitätsdichte in Landschaften mit geringer Vielfalt zu beobachten. Das lässt den Schluss zu, dass eine Minimalausstattung an naturnahen Habitaten für Laufkäfer vorteilhaft ist, während ein zu großer Anteil an naturnahen Habitaten ihre Mobilität behindern könnte. Die ausgelegten Samen wurden in habitatarmen Landschaften unterschiedlich stark gefressen, wohingegen sie sich in habitatreichen Landschaften anglichen. Dieses Resultat unterstreicht, dass Landschaftsvielfalt die Bereitstellung von Ökosystemdienstleistungen stabilisieren kann. Abschließend konnte ich zeigen, dass mit ansteigender Samenprädation von Unkräutern ein Anstieg des Weizenertrages einherging, wenn auch die Unkrautbedeckung nicht verringert wurde. Die genauen Mechanismen der Bereitstellung von natürlicher Unkrautbekämpfung für die Pflanzenproduktion sollten in zukünftigen Studien weiter untersucht werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die untersuchten Ökosystemdienstleister und ihre Schädlings- sowie Prädationsraten Habitatpräferenzen aufwiesen. Diese Tatsache unterstreicht die Notwendigkeit, die Auswirkungen verschiedener Habitattypen auf die Bereitstellung von Ökosystemdienstleistungen nicht nur auf der Feldskala, sondern auch auf der Landschaftsskala zu bewerten. Meine Ergebnisse bestätigen, dass neben der Aufnahme des Artenreichtums von Ökosystemdienstleistern die Bewertung ihrer Funktionen unerlässlich ist, um die tatsächliche Bereitstellung von Ökosystemdienstleistungen mit dem landwirtschaftlichen Ertrag in Beziehung zu setzen. KW - semi-natural habitat KW - agroecology KW - yield KW - pest KW - natural enemies KW - Agrarökologie KW - Nützlinge KW - Schädlinge KW - naturnahe Habitate KW - Ernte Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-519653 ER - TY - THES A1 - Möser, Christin T1 - Modular DNA constructs for oligovalent bio-enhancement and functional screening T1 - Modulare DNA-Konstrukte für oligovalente Bio-Verstärkung und funktionelles Screening N2 - Deoxyribonucleic acid (DNA) nanostructures enable the attachment of functional molecules to nearly any unique location on their underlying structure. Due to their single-base-pair structural resolution, several ligands can be spatially arranged and closely controlled according to the geometry of their desired target, resulting in optimized binding and/or signaling interactions. This dissertation covers three main projects. All of them use variations of functionalized DNA nanostructures that act as platform for oligovalent presentation of ligands. The purpose of this work was to evaluate the ability of DNA nanostructures to precisely display different types of functional molecules and to consequently enhance their efficacy according to the concept of multivalency. Moreover, functionalized DNA structures were examined for their suitability in functional screening assays. The developed DNA-based compound ligands were used to target structures in different biological systems. One part of this dissertation attempted to bind pathogens with small modified DNA nanostructures. Pathogens like viruses and bacteria are known for their multivalent attachment to host cells membranes. By blocking their receptors for recognition and/or fusion with their targeted host in an oligovalent manner, the objective was to impede their ability to adhere to and invade cells. For influenza A, only enhanced binding of oligovalent peptide-DNA constructs compared to the monovalent peptide could be observed, whereas in the case of respiratory syncytial virus (RSV), binding as well as blocking of the target receptors led to an increased inhibition of infection in vitro. In the final part, the ability of chimeric DNA-peptide constructs to bind to and activate signaling receptors on the surface of cells was investigated. Specific binding of DNA trimers, conjugated with up to three peptides, to EphA2 receptor expressing cells was evaluated in flow cytometry experiments. Subsequently, their ability to activate these receptors via phosphorylation was assessed. EphA2 phosphorylation was significantly increased by DNA trimers carrying three peptides compared to monovalent peptide. As a result of activation, cells underwent characteristic morphological changes, where they "round up" and retract their periphery. The results obtained in this work comprehensively prove the capability of DNA nanostructures to serve as stable, biocompatible, controllable platforms for the oligovalent presentation of functional ligands. Functionalized DNA nanostructures were used to enhance biological effects and as tool for functional screening of bio-activity. This work demonstrates that modified DNA structures have the potential to improve drug development and to unravel the activation of signaling pathways. N2 - Desoxyribonukleinsäure (DNS, engl. DNA) - Nanostrukturen ermöglichen die Anbringung funktioneller Moleküle an nahezu jede einzigartige Stelle der zugrunde liegenden Struktur. Aufgrund der Basenpaar-Strukturauflösung von DNA können mehrere Moleküle (z.B. Liganden) entsprechend der Geometrie ihres gewünschten Ziels räumlich angeordnet und genau kontrolliert werden, was zu optimierten Bindungs- und/oder Signalwechselwirkungen führt. Diese Dissertation umfasst drei Hauptprojekte. Alle Projekte verwenden Varianten von funktionalisierten DNA-Nanostrukturen, die als Plattform für die oligovalente Präsentation von Liganden dienen. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Fähigkeit von DNA-Nanostrukturen zur präzisen Positionierung verschiedener Arten von funktionellen Molekülen zu evaluieren und folglich die Wirksamkeit der Moleküle gemäß dem Konzept der Multivalenz zu erhöhen. Außerdem wurde untersucht, wie funktionalisierte DNA-Strukturen in verschiedenen Verfahren zur Erforschung von biologischen Interaktionen eingesetzt werden können. Die entwickelten DNA-basierten Liganden wurden verwendet, um Strukturen auf verschiedenen biologischen Systemen gezielt zu binden. In einem Teil dieser Dissertation wurde versucht, Krankheitserreger mit kleinen modifizierten DNA-Nanostrukturen zu binden. Pathogene, wie Viren und Bakterien, sind für ihre multivalente Anheftung an Wirtszellmembranen bekannt. Durch die oligovalente Blockierung ihrer Rezeptoren für die Erkennung und/oder Fusion mit ihrem Wirt sollte ihre Fähigkeit, sich an Zielzellen anzuheften und in diese einzudringen, beeinträchtigt werden. Bei Influenza A Viren konnte nur eine verstärkte Bindung von oligovalenten Peptid-DNA-Konstrukten im Vergleich zu monovalenten Peptiden beobachtet werden, wohingegen bei Respiratorischen Synzytial-Viren (RSV) sowohl die Bindung als auch die Blockierung der Zielrezeptoren zu einer verstärkten Hemmung der Infektion in vitro führte. Im letzten Teil wurden chimäre DNA-Peptidkonstrukte auf ihre Fähigkeit, an Signalrezeptoren auf der Oberfläche von Zellen zu binden und diese zu aktivieren, getestet. Die spezifische Bindung von mit bis zu drei Peptiden konjugierten DNA-Trimeren an EphA2-Rezeptor-exprimierende Zellen wurde in Durchflusszytometrie-Experimenten untersucht. Anschließend wurde ihre Fähigkeit, diese Rezeptoren durch Phosphorylierung zu aktivieren, beurteilt. Die Phosphorylierung von EphA2 war durch DNA-Trimere, die drei Peptide trugen, im Vergleich zu monovalenten Peptiden signifikant erhöht. Infolge der Aktivierung kommt es zu charakteristischen morphologischen Veränderungen der Zellen, bei denen diese ihre Peripherie "abrunden" und zurückziehen. Die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse beweisen umfassend die Fähigkeit von DNA-Nanostrukturen, als stabile, biokompatible, kontrollierbare Plattformen für die oligovalente Präsentation funktioneller Liganden zu fungieren. Funktionalisierte DNA-Nanostrukturen wurden zur Verstärkung biologischer Effekte und als Werkzeug für das funktionelle Screening von biologischen Interaktionen verwendet. Diese Arbeit zeigt, dass modifizierte DNA-Strukturen das Potenzial haben, die Medikamentenentwicklung zu verbessern und die Aktivierung von Signalwegen zu entschlüsseln. KW - DNA KW - multivalency KW - influenza KW - respiratory syncytial virus KW - nanostructure KW - ephrin KW - DNA KW - Ephrin KW - Influenza KW - Multivalenz KW - Nanostruktur KW - Respiratorisches Synzytial-Virus KW - DNS Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-507289 ER - TY - THES A1 - Moreno Curtidor, Catalina T1 - Elucidating the molecular basis of enhanced growth in the Arabidopsis thaliana accession Bur-0 N2 - The life cycle of flowering plants is a dynamic process that involves successful passing through several developmental phases and tremendous progress has been made to reveal cellular and molecular regulatory mechanisms underlying these phases, morphogenesis, and growth. Although several key regulators of plant growth or developmental phase transitions have been identified in Arabidopsis, little is known about factors that become active during embryogenesis, seed development and also during further postembryonic growth. Much less is known about accession-specific factors that determine plant architecture and organ size. Bur-0 has been reported as a natural Arabidopsis thaliana accession with exceptionally big seeds and a large rosette; its phenotype makes it an interesting candidate to study growth and developmental aspects in plants, however, the molecular basis underlying this big phenotype remains to be elucidated. Thus, the general aim of this PhD project was to investigate and unravel the molecular mechanisms underlying the big phenotype in Bur-0. Several natural Arabidopsis accessions and late flowering mutant lines were analysed in this study, including Bur-0. Phenotypes were characterized by determining rosette size, seed size, flowering time, SAM size and growth in different photoperiods, during embryonic and postembryonic development. Our results demonstrate that Bur-0 stands out as an interesting accession with simultaneously larger rosettes, larger SAM, later flowering phenotype and larger seeds, but also larger embryos. Interestingly, inter-accession crosses (F1) resulted in bigger seeds than the parental self-crossed accessions, particularly when Bur-0 was used as the female parental genotype, suggesting parental effects on seed size that might be maternally controlled. Furthermore, developmental stage-based comparisons revealed that the large embryo size of Bur-0 is achieved during late embryogenesis and the large rosette size is achieved during late postembryonic growth. Interestingly, developmental phase progression analyses revealed that from germination onwards, the length of developmental phases during postembryonic growth is delayed in Bur-0, suggesting that in general, the mechanisms that regulate developmental phase progression are shared across developmental phases. On the other hand, a detailed physiological characterization in different tissues at different developmental stages revealed accession-specific physiological and metabolic traits that underlie accession-specific phenotypes and in particular, more carbon resources during embryonic and postembryonic development were found in Bur-0, suggesting an important role of carbohydrates in determination of the bigger Bur-0 phenotype. Additionally, differences in the cellular organization, nuclei DNA content, as well as ploidy level were analyzed in different tissues/cell types and we found that the large organ size in Bur-0 can be mainly attributed to its larger cells and also to higher cell proliferation in the SAM, but not to a different ploidy level. Furthermore, RNA-seq analysis of embryos at torpedo and mature stage, as well as SAMs at vegetative and floral transition stage from Bur-0 and Col-0 was conducted to identify accession-specific genetic determinants of plant phenotypes, shared across tissues and developmental stages during embryonic and postembryonic growth. Potential candidate genes were identified and further validation of transcriptome data by expression analyses of candidate genes as well as known key regulators of organ size and growth during embryonic and postembryonic development confirmed that the high confidence transcriptome datasets generated in this study are reliable for elucidation of molecular mechanisms regulating plant growth and accession-specific phenotypes in Arabidopsis. Taken together, this PhD project contributes to the plant development research field providing a detailed analysis of mechanisms underlying plant growth and development at different levels of biological organization, focusing on Arabidopsis accessions with remarkable phenotypical differences. For this, the natural accession Bur-0 was an ideal outlier candidate and different mechanisms at organ and tissue level, cell level, metabolism, transcript and gene expression level were identified, providing a better understanding of different factors involved in plant growth regulation and mechanisms underlying different growth patterns in nature. N2 - Der Lebenszyklus blühender Pflanzen ist ein dynamischer Prozess, der das erfolgreiche Durchlaufen mehrerer Entwicklungsphasen impliziert. Es wurden enorme Fortschritte gemacht, um zelluläre und molekulare Regulationsmechanismen zu entschlüsseln, die diesen Phasen, der Morphogenese und dem Wachstum zu Grunde liegen. Obwohl mehrere Schlüsselregulatoren des Pflanzenwachstums oder der Entwicklungsphasenübergänge in Arabidopsis identifiziert wurden, ist nur wenig über Faktoren bekannt, die sowohl während der Embryogenese als auch während der Samenentwicklung und dem weiteren Wachstum aktiv werden. Noch viel weniger ist über akzessionspezifische Faktoren bekannt, die die Pflanzenarchitektur und Organgröße bestimmen. Bur-0 wurde als eine natürliche Arabidopsis-Akzession mit außergewöhnlich großen Samen und großer Blattrosette beschrieben. Ihr Phänotyp macht sie zu einem interessanten Kandidaten für die Untersuchung von Wachstums- und Entwicklungsaspekten in Pflanzen, jedoch muss die molekulare Basis, die diesem großen Phänotyp unterliegt, noch entschlüsselt werden. Daher war das allgemeine Ziel dieser Doktorarbeit, die molekularen Mechanismen, die dem großen Phänotyp in Bur-0 zu Grunde liegen, zu entschlüsseln und zu verstehen. Mehrere natürliche Arabidopsis-Akzessionen und spät blühende Mutantenlinien wurden in dieser Studie analysiert, so auch Bur-0. Die Phänotypen wurden durch eine detaillierte Analyse der Rosettengröße, der Samengröße, der Blütezeit, der Sprossapikalmeristemgröße und des Wachstums in verschiedenen Photoperioden, während der embryonalen und postembryonalen Entwicklung charakterisiert. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Bur-0 als interessanter Akzession mit gleichzeitig größeren Blattrosetten, größerem Sprossapikalmeristem (SAM), späterem Blühphänotyp und größeren Samen, aber auch größeren Embryonen auffällt. Interessanterweise führten Kreuzungen zwischen den Akzessionen (F1) zu größeren Samen als die elterlichen selbstgekreuzten Akzessionen, insbesondere wenn Bur-0 als weiblicher elterlicher Genotyp verwendet wurde, was auf elterliche Effekte auf die Samengröße hindeutet, die möglicherweise mütterlicherseits kontrolliert werden. Darüber hinaus ergaben Vergleiche auf Basis von Entwicklungsstadien, dass die große Embryogröße von Bur-0 während der späten Embryogenese erreicht wird und die große Blattrosette während des späten postembryonalen Wachstums. Interessanterweise ergaben Analysen der Entwicklungsphasenprogression, dass ab der Keimung die Länge der Entwicklungsphasen während des postembryonalen Wachstums bei Bur-0 verzögert ist, was darauf hindeutet, dass im Allgemeinen die Mechanismen, die die Entwicklungsphasenprogression regulieren, über die Entwicklungsphasen hinweg geteilt werden. Andererseits ergab eine detaillierte physiologische Charakterisierung in verschiedenen Geweben in unterschiedlichen Entwicklungsstadien akzession-spezifische physiologische und metabolische Merkmale, die den akzession-spezifischen Phänotypen zu Grunde liegen. Insbesondere wurden mehr Kohlenstoff-Ressourcen, während der embryonalen und postembryonalen Entwicklung in Bur-0 gefunden, was auf eine wichtige Rolle von Kohlenhydraten bei der Bestimmung des größeren Bur-0-Phänotyps hindeutet. Zusätzlich wurden Unterschiede in der zellulären Organisation, dem DNA-Gehalt der Nuklei sowie dem Ploidiegrad in verschiedenen Geweben/Zelltypen analysiert und wir fanden heraus, dass die größere Organgröße in Bur-0 hauptsächlich auf die größeren Zellen und auch auf eine höhere Zellproliferation im SAM zurückzuführen ist, aber nicht auf einen anderen Ploidiegrad. Darüber hinaus wurden RNA-seq-Analysen von Embryonen im Torpedo- und Reifestadium sowie SAMs im vegetativen und Florenübergangsstadium von Bur-0 und Col-0 durchgeführt, um akzession-spezifische genetische Faktoren für Pflanzenphänotypen zu identifizieren, die in allen Geweben und Entwicklungsstadien während des embryonalen und postembryonalen Wachstums auftreten. Potenzielle Kandidatengene wurden identifiziert und eine weitere Validierung der Transkriptomdaten durch Expressionsanalysen neuartiger Kandidatengene sowie bekannter Schlüsselregulatoren für Organgröße und -wachstum während der embryonalen und postembryonalen Entwicklung bestätigte, dass die in dieser Studie generierten Transkriptomdatensätze mit hoher Zuverlässigkeit für die Aufklärung molekularer Mechanismen zur Regulierung des Pflanzenwachstums und akzessionspezifischer Phänotypen in Arabidopsis geeignet sind. Insgesamt trägt diese Doktorarbeit zur Forschung im Bereich der Pflanzenentwicklung bei, indem sie eine detaillierte Analyse der Mechanismen liefert, die dem Wachstum und der Entwicklung auf verschiedenen Ebenen der biologischen Organisation zu Grunde liegen, wobei der Schwerpunkt auf Arabidopsis-Akzessionen mit bemerkenswerten phänotypischen Unterschieden liegt. Dafür war die natürliche Akzession Bur-0 ein idealer Ausreißerkandidat und es wurden verschiedene Mechanismen auf Organ- und Gewebeebene, Zellebene, Stoffwechsel, Transkript- und Genexpressionsniveau identifiziert, was ein besseres Verständnis der verschiedenen Faktoren, die an der Regulierung des Pflanzenwachstums beteiligt sind, und der Mechanismen, die den verschiedenen Wachstumsmustern in der Natur zu Grunde liegen, ermöglicht. KW - Plant development KW - Plant growth KW - Arabidopsis thaliana KW - Phenotype KW - Transcriptome KW - Pflanzenentwicklung KW - Pflanzenwachstum KW - Arabidopsis thaliana KW - Phänotyp KW - Transkriptom Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-526814 ER - TY - THES A1 - Moga, Akanksha T1 - Reconstitution of molybdenum cofactor biosynthesis in giant vesicles N2 - Bottom-up synthetic biology is used for the understanding of how a cell works. It is achieved through developing techniques to produce lipid-based vesicular structures as cellular mimics. The most common techniques used to produce cellular mimics or synthetic cells is through electroformation and swelling method. However, the abovementioned techniques cannot efficiently encapsulate macromolecules such as proteins, enzymes, DNA and even liposomes as synthetic organelles. This urges the need to develop new techniques that can circumvent this issue and make the artificial cell a reality where it is possible to imitate a eukaryotic cell through encapsulating macromolecules. In this thesis, the aim to construct a cell system using giant unilamellar vesicles (GUVs) to reconstitute the mitochondrial molybdenum cofactor biosynthetic pathway. This pathway is highly conserved among all life forms, and therefore is known for its biological significance in disorders induced through its malfunctioning. Furthermore, the pathway itself is a multi-step enzymatic reaction that takes place in different compartments. Initially, GTP in the mitochondrial matrix is converted to cPMP in the presence of cPMP synthase. Further, produced cPMP is transported across the membrane to the cytosol, to be converted by MPT synthase into MPT. This pathway provides a possibility to address the general challenges faced in the development of a synthetic cell, to encapsulate large biomolecules with good efficiency and greater control and to evaluate the enzymatic reactions involved in the process. For this purpose, the emulsion-based technique was developed and optimised to allow rapid production of GUVs (~18 min) with high encapsulation efficiency (80%). This was made possible by optimizing various parameters such as density, type of oil, the impact of centrifugation speed/time, lipid concentration, pH, temperature, and emulsion droplet volume. Furthermore, the method was optimised in microtiter plates for direct experimentation and visualization after the GUV formation. Using this technique, the two steps - formation of cPMP from GTP and the formation of MPT from cPMP were encapsulated in different sets of GUVs to mimic the two compartments. Two independent fluorescence-based detection systems were established to confirm the successful encapsulation and conversion of the reactants. Alternatively, the enzymes produced using bacterial expression and measured. Following the successful encapsulation and evaluation of enzymatic reactions, cPMP transport across mitochondrial membrane has been mimicked using GUVs using a complex mitochondrial lipid composition. It was found that the cPMP interaction with the lipid bilayer results in transient pore-formation and leakage of internal contents. Overall, it can be concluded that in this thesis a novel technique has been optimised for fast production of functional synthetic cells. The individual enzymatic steps of the Moco biosynthetic pathway have successfully implemented and quantified within these cellular mimics. N2 - Die synthetische Biologie wird in der von unten-nach-oben-Methode eingesetzt, um zu verstehen, wie eine Zelle funktioniert. Dafür werden Techniken zur Herstellung lipidbasierter vesikul rer Strukturen als zellul re Nachahmungen entwickelt. Die gebräuchlichste Technik zur Herstellung von Zellnachahmungen oder synthetischen Zellen ist die Elektroformations- und Schwellmethode. Diese Techniken können jedoch Makromoleküle wie Proteine, Enzyme, DNA und sogar Liposomen nicht effizient als synthetische Organellen einkapseln. Daher ist es dringend erforderlich, neue Techniken zu entwickeln, die dieses Problem umgehen und die künstliche Zelle zu einer Realität machen, in der es möglich ist, eine eukaryotische Zelle durch Einkapselung von Makromolekülen zu imitieren. Das Ziel dieser Arbeit war es, ein komplexes Zellensystemmodel zu konstruieren, bei dem riesige unilamellare Vesikel (GUVs) zur Rekonstruktion des mitochondrialen Molybd n-Kofaktor-Biosynthesewegs verwendet werden. Dieser Stoffwechselweg ist bei allen Lebensformen hoch konserviert und daher aufgrund von St rungen, die durch Fehlfunktionen hervorgerufen werden, für seine biologische Bedeutung relevant. Darüber hinaus ist die Biosynthese selbst eine mehrstufige enzymatische Reaktion, die in verschiedenen Kompartimenten abläuft. Zunächst wird GTP in der mitochondrialen Matrix in Gegenwart von cPMP-Synthase zu cPMP umgewandelt. Anschlie end wird das produzierte cPMP über die Membran zum Zytosol transportiert, wo es von der MPT-Synthase in MPT umgewandelt wird. Dieser Biosyntheseweg bietet eine M glichkeit, den allgemeinen Herausforderungen bei der Entwicklung einer synthetischen Zelle zu begegnen, um große Biomoleküle mit guter Effizienz und Kontrolle zu verkapseln und die am Prozess beteiligten enzymatischen Reaktionen zu bewerten. Zu diesem Zweck wurde die emulsionsbasierte Technik entwickelt und optimiert, die eine schnelle Produktion von GUVs (~18 min) mit hoher Verkapselungseffizienz (80%) ermöglicht. M glich wurde dies durch die Optimierung verschiedener Parameter wie Dichte,  ltyp, Einfluss von Zentrifugationsgeschwindigkeit/-zeit, Lipidkonzentration, pH-Wert, Temperatur und Emulsionstropfenvolumen. Darüber hinaus wurde die Methode in Mikrotiterplatten für das direkte Experimentieren und die Visualisierung nach der GUV-Bildung optimiert. Mit dieser Technik wurden die beiden Schritte, die Bildung von cPMP aus GTP und die Bildung von MPT aus cPMP, in verschiedenen GUVs eingekapselt, um die beiden Kompartimente nachzuahmen. Zwei unabhängige fluoreszenzbasierte Detektionssysteme wurden eingerichtet, um die erfolgreiche Einkapselung und Umwandlung der Reaktanten zu best tigen. Alternativ wurden die Enzyme mittels bakterieller Expression produziert und gemessen. Nach der erfolgreichen Einkapselung und Auswertung der enzymatischen Reaktionen wurde der cPMP-Transport durch die mitochondriale Membran mit Hilfe von GUVs unter Verwendung einer komplexen mitochondrialen Lipidzusammensetzung nachgeahmt. Es wurde festgestellt, dass die cPMP-Wechselwirkung mit der Lipiddoppelschicht zu einer transienten Porenbildung und zum Auslaufen des inneren Inhalts führt. Insgesamt kann der Schluss gezogen werden, dass in dieser Arbeit eine neuartige Technik für die schnelle Herstellung funktioneller synthetischer Zellen optimiert wurde. Einzelne enzymatische Schritte des Moco-Biosynthesewegs wurden in diesen zellul ren Mimiken erfolgreich implementiert und quantifiziert. KW - GUVs KW - Molybdenum cofactor biosynthetic KW - Microscopy KW - Inverted emulsion-based method KW - Mikroskop KW - Biochemie Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-510167 ER - TY - THES A1 - Leiser, Rico T1 - Biogeochemical processes governing microplastic transport in freshwater reservoirs N2 - The presented study investigated the influence of microbial and biogeochemical processes on the physical transport related properties and the fate of microplastics in freshwater reservoirs. The overarching goal was to elucidate the mechanisms leading to sedimentation and deposition of microplastics in such environments. This is of importance, as large amounts of initially buoyant microplastics are found in reservoir sediments worldwide. However, the transport processes which lead to microplastics accumulation in sediments, were up to now understudied. The impact of biofilm formation on the density and subsequent sedimentation of microplastics was investigated in the eutrophic Bautzen reservoirs (Chapter 2). Biofilms are complex microbial communities fixed to submerged surfaces through a slimy organic film. The mineral calcite was detected in the biofilms, which led to the sinking of the overgrown microplastic particles. The calcite was of biogenic origin, most likely precipitated by sessile cyanobacteria within the biofilms. Biofilm formation was also studied in the mesotrophic Malter reservoir. Unlike in Bautzen reservoir, biofilm formation did not govern the sedimentation of different microplastics in Malter reservoir (Chapter 3). Instead autumnal lake mixing led to the formation of sinking aggregates of microplastics and iron colloids. Such colloids form when anoxic, iron-rich water from the hypolimnion mixes with the oxygenated epilimnetic waters. The colloids bind organic material from the lake water, which leads to the formation of large and sinking iron-organo flocs. Hence, iron-organo floc formation and their influence on the buoyancy or burial of microplastics into sediments of Bautzen reservoir was studied in laboratory experiments (Chapter 4). Microplastics of different shapes (fiber, fragment, sphere) and sizes were readily incorporated into sinking iron-organo flocs. By this initially buoyant polyethylene microplastics were transported on top of sediments from Bautzen reservoir. Shortly after deposition, the microplastic bearing flocs started to subside and transported the pollutants into deeper sediment layers. The microplastics were not released from the sediments within two months of laboratory incubation. The stability of floc microplastic deposition was further investigated employing experiments with the iron reducing model organism Shewanella oneidensis (Chapter 5). It was shown, that reduction or re-mineralization of the iron minerals did not affect the integrity of the iron-organo flocs. The organic matrix was stable under iron reducing conditions. Hence, no incorporated microplastics were released from the flocs. As similar processes are likely to take place in natural sediments, this might explain the previous described low microplastic release from the sediments. This thesis introduced different mechanisms leading to the sedimentation of initially buoyant microplastics and to their subsequent deposition in freshwater reservoirs. Novel processes such as the aggregation with iron-organo flocs were identified and the understudied issue of biofilm densification through biogenic mineral formation was further investigated. The findings might have implications for the fate of microplastics within the river-reservoir system and outline the role of freshwater reservoirs as important accumulation zone for microplastics. Microplastics deposited in the sediments of reservoirs might not be transported further by through flowing river. Hence the study might contribute to better risk assessment and transport balances of these anthropogenic contaminants. N2 - Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Einfluss mikrobiologischer und biogeochemischer Prozesse auf die physikalischen Transporteigenschaften und den Verbleib von Mikroplastik in Stauseen. Ein Schwerpunkt lag auf der Untersuchung von Mechanismen, welche die Sedimentation von Mikroplastik einleiten. Dies ist von hoher Relevanz, da große Mengen eigentlich schwimmfähigen Mikroplastiks in Stauseesedimenten gefunden werden, aber die Transportprozesse vom Wasser in das Sediment bislang unbekannt waren. In der eutrophen Talsperre Bautzen wurde der Einfluss der Biofilmbildung auf die Dichte und Sedimentation von Mikroplastik untersucht (Kapitel 2). Biofilme sind komplexe mikrobielle Lebensgemeinschaften, welche sich in Form schleimiger Filme auf im Wasser befindlichen Oberflächen bilden. Es konnte ein Zusammenhang zwischen der starken Dichtezunahme beziehungsweise dem Absinken der bewachsenen Partikel und dem Vorhandensein des Minerals Calcit innerhalb des aufwachsenden Biofilms festgestellt werden. Das Calcit war biogenen Ursprungs und wurde infolge der Photosynthese sessiler Cyanobakterien gebildet. In der mesotrophen Talsperre Malter wurde ebenfalls die Biofilmbildung auf Mikroplastik untersucht (Kapitel 3). Dort veränderte die Bildung von mikrobiellen Biofilmen das Sedimentationsverhalten von verschiedenen Mikroplastik-Polymeren nicht. Stattdessen wurde beobachtet, dass die Herbstzirkulation des Sees zur Bildung von Aggregaten aus Mikroplastik und mineralischen Eisenkolloiden führte. Diese Eisenkolloide bilden sich durch die Mischung von eisenreichen, sauerstofffreien Tiefenwasser mit sauerstoffhaltigem Oberflächenwasser. Die Kolloide verbinden sich mit organischem Material aus dem See und formen dadurch größere Flocken. Da die Bildung von eisenhaltigen Flocken ein für geschichtete Stauseen wichtiger Prozess ist, wurde ihr Einfluss auf die Schwimmfähigkeit von Mikroplastik und den darauffolgenden Einbau in die Sedimente untersucht (Kapitel 4). In Laborversuchen konnten verschiedene Formen (Fasern, Fragmente, Kugeln) und Größenklassen von Mikroplastik in die Flocken eingebaut werden. Da die Flocken im Wasser absinken, können sie zuvor schwimmfähiges Polyethylen-Mikroplastik zur Sedimentoberfläche transportieren. Dort angekommen, beginnen die Flocken zusammen mit dem Mikroplastik langsam in das Sediment einzusinken und transportieren es dadurch in tiefere Sedimentschichten. Im Labor konnte innerhalb von zwei Monaten keine signifikante Freisetzung des so transportierten Mikroplastiks aus den Sedimenten beobachtet werden. Die Transformation der Flocken und welchen Einfluss dies auf die Freisetzung von Mikroplastik hat, wurde in Versuchen mit dem eisenreduzierenden Modelorganismus Shewanella oneidensis untersucht (Kapitel 5). Hierbei zeigte sich, dass die Auflösung oder Umwandlung des Eisens beziehungsweise der Eisenminerale innerhalb der Flocken, nicht zur Zerstörung der Flocken führte. Die organische Matrix der Flocken blieb unverändert stabil und umschloss auch weiterhin das eingebaute Mikroplastik. Da im Sediment ähnliche Abbauprozesse ablaufen, gibt dies einen möglichen Hinweis darauf, warum abgelagertes Mikroplastik nicht mehr aus Sedimenten freigesetzt wird. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass in Talsperren unterschiedliche Prozesse zum Absinken und zur Deposition von Mikroplastik führen. Es wurden neuartige Prozesse wie die Aggregation mit eisenhaltigen Flocken identifiziert und ungewöhnliche Aspekte wie die biogene Mineralbildung näher beleuchtet. Dadurch können wichtige Implikationen hinsichtlich des Transports von Mikroplastik in Fluss- Stausee-Systemen abgeleitet werden. Aufgrund der beschriebenen Sedimentationsprozesse sind Stauseen wichtige Akkumulationszonen für Mikroplastik. Im Stausee sedimentierendes Mikroplastik wird potentiell nicht vom aufgestauten Fluss weitertransportiert. Daher könnten die hier beschriebenen Prozesse zu einer Verbesserung von Risikoabschätzungen und Transportbilanzen dieser anthropogenen Belastung führen. KW - microplastics KW - reservoirs KW - calcite KW - iron KW - biofouling KW - sedimentation KW - polyethylene KW - biofilms KW - Mikroplastik KW - Stauhaltungen KW - Kalzit KW - Eisen KW - Sedimentation KW - Polyethylen KW - Biofilme Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-520240 ER - TY - THES A1 - Krumbholz, Julia T1 - Identification of chemical mediators that regulate the specialized metabolism in Nostoc punctiforme T1 - Identifizierung chemischer Mediatoren, die den spezialisierten Metabolismus in Nostoc punctiforme regulieren N2 - Specialized metabolites, so-called natural products, are produced by a variety of different organisms, including bacteria and fungi. Due to their wide range of different biological activities, including pharmaceutical relevant properties, microbial natural products are an important source for drug development. They are encoded by biosynthetic gene clusters (BGCs), which are a group of locally clustered genes. By screening genomic data for genes encoding typical core biosynthetic enzymes, modern bioinformatical approaches are able to predict a wide range of BGCs. To date, only a small fraction of the predicted BGCs have their associated products identified. The phylum of the cyanobacteria has been shown to be a prolific, but largely untapped source for natural products. Especially multicellular cyanobacterial genera, like Nostoc, harbor a high amount of BGCs in their genomes. A main goal of this study was to develop new concepts for the discovery of natural products in cyanobacteria. Due to its diverse setup of orphan BGCs and its amenability to genetic manipulation, Nostoc punctiforme PCC 73102 (N. punctiforme) appeared to be a promising candidate to be established as a model organism for natural product discovery in cyanobacteria. By utilizing a combination of genome-mining, bioactivity-screening, variations of culture conditions, as well as metabolic engineering, not only two new polyketides were discovered, but also first-time insights into the regulation of the specialized metabolism in N. punctiforme were gained during this study. The cultivation of N. punctiforme to very high densities by utilizing increasing light intensities and CO2 levels, led to an enhanced metabolite production, causing rather complex metabolite extracts. By utilizing a library of CFP reporter mutant strains, each strain reporting for one of the predicted BGCs, it was shown that eight out of 15 BGCs were upregulated under high density (HD) cultivation conditions. Furthermore, it could be demonstrated that the supernatant of an HD culture can increase the expression of four of the influenced BGCs, even under conventional cultivation conditions. This led to the hypothesis that a chemical mediator encoded by one of the affected BGCs is accumulating in the HD supernatant and is able to increase the expression of other BGCs as part of a cell-density dependent regulatory circuit. To identify which of the BGCs could be a main trigger of the presumed regulatory circuit, it was tried to activate four BGCs (pks1, pks2, ripp3, ripp4) selectively by overexpression of putative pathway-specific regulatory genes that were found inside the gene clusters. Transcriptional analysis of the mutants revealed that only the mutant strain targeting the pks1 BGC, called AraC_PKS1, was able to upregulate the expression of its associated BGC. From an RNA sequencing study of the AraC_PKS1 mutant strain, it was discovered that beside pks1, the orphan BGCs ripp3 and ripp4 were also upregulated in the mutant strain. Furthermore, it was observed that secondary metabolite production in the AraC_PKS1 mutant strain is further enhanced under high-light and high-CO2 cultivation conditions. The increased production of the pks1 regulator NvlA also had an impact on other regulatory factors, including sigma factors and the RNA chaperone Hfq. Analysis of the AraC_PKS1 cell and supernatant extracts led to the discovery of two novel polyketides, nostoclide and nostovalerolactone, both encoded by the pks1 BGC. Addition of the polyketides to N. punctiforme WT demonstrated that the pks1-derived compounds are able to partly reproduce the effects on secondary metabolite production found in the AraC_PKS1 mutant strain. This indicates that both compounds are acting as extracellular signaling factors as part of a regulatory network. Since not all transcriptional effects that were found in the AraC_PKS1 mutant strain could be reproduced by the pks1 products, it can be assumed that the regulator NvlA has a global effect and is not exclusively specific to the pks1 pathway. This study was the first to use a putative pathway specific regulator for the specific activation of BGC expression in cyanobacteria. This strategy did not only lead to the detection of two novel polyketides, it also gave first-time insights into the regulatory mechanism of the specialized metabolism in N. punctiforme. This study illustrates that understanding regulatory pathways can aid in the discovery of novel natural products. The findings of this study can guide the design of new screening strategies for bioactive compounds in cyanobacteria and help to develop high-titer production platforms for cyanobacterial natural products. N2 - Sekundärmetabolite, auch Naturstoffe genannt, werden von einer Vielzahl an Organismen, darunter Bakterien und Pilzen, hergestellt. Aufgrund ihrer Vielzahl an verschiedenen Bioaktivitäten, einschließlich pharmakologisch relevanter Wirkungen, sind mikrobielle Naturstoffe eine wichtige Grundlage für die Arzneimittelentwicklung. Naturstoffe werden durch eine Ansammlung lokal gruppierter Gene, sogenannten Biosynthese-Genclustern (BGC), im Genom kodiert. Moderne bioinformatische Methoden durchsuchen Genom-Daten nach Genen, die typische biosynthetische Enzyme kodieren. Auf Grundlage dessen können verschiedenste BGCs vorhergesagt werden. Bislang konnte allerdings nur für einen kleinen Teil der vorhergesagten BGCs das dazugehörige Produkt identifiziert und charakterisiert werden. Cyanobakterien sind nachweislich eine reichhaltige, aber weitestgehend unerschlossene Quelle für Naturstoffe. Insbesondere mehrzellige Gattungen, wie Nostoc, tragen eine Vielzahl an BGCs in ihren Genomen. Ein Hauptziel dieser Studie war es, neue Konzepte für die Entdeckungen von Naturstoffen in Cyanobakterien zu entwickeln. Nostoc punctiforme PCC 73102 (N. punctiforme) erwies sich als besonders geeigneter Stamm für diese Aufgabe, da er eine Vielzahl weitestgehend ununtersuchter Gencluster besitzt und zugänglich für genetische Modifikationen ist. Eine Kombination aus Genome Mining, Bioaktivitäts-Screening, verschiedenen Kultivierungsbedingungen und Metabolic Engineering führte zur Entdeckung zweier neuer Polyketide und gewährte im Verlauf der Studie erstmals Einblicke in den spezialisierten Metabolismus von N. punctiforme. Die Kultivierung von N. punctiforme in sehr hohen Zelldichten, ermöglicht durch sehr hohe Lichtintensitäten und erhöhte CO2-Verfügbarkeit, führte zu einer verstärkten Metabolitproduktion und komplexen Metabolitextrakten. Unter Verwendung einer Bibliothek von CFP-Reportermutanten, bei der jede Mutante eines der vorhergesagten BGCs repräsentiert, konnte gezeigt werden, dass 8 von 15 BGCs unter Hochzelldichte-Kultivierungsbedingungen hochreguliert wurden. Zudem zeigte sich, dass der Überstand einer dichten Kultur, auch unter konventionellen Kultivierungsbedingungen, vier der regulierten BGCs beeinflussen kann. Dies lässt vermuten, dass sich unter Hochzelldichte-Kultivierungsbedingungen ein chemischer Mediator, welcher von einem der beeinflussten BGCs produziert wird, im Überstand anhäuft und die Expression anderer BGCs als Teil eines zelldichte-abhängigen Regelkreises kontrollieren kann. Um herauszufinden, welches der BGCs ein Hauptauslöser des vermuteten Regelkreises sein könnte, wurde versucht die Expression von vier BGCs (pks1, pks2, ripp3, ripp4) mittels Überexpression von potentiell biosynthese-spezifischen regulatorischen Genen zu aktivieren. Eine transkriptionelle Analyse der Mutanten ergab, dass nur der Stamm, welcher das pks1 BGC aktivieren sollte (AraC_PKS1), einen positiven Effekt auf die Expression des zu erwartenden BGCs hatte. Eine RNA-Sequenzierungsstudie ergab, dass in der AraC_PKS1 Mutante neben dem pks1 BGC auch die kryptischen BGCs ripp3 und ripp4 eine erhöhte Transkription aufwiesen. Zudem wurde beobachtet, dass sich die Sekundärmetabolitproduktion in der Mutante durch Kultivierung unter erhöhten Licht-Intensitäten und CO2-Leveln erweitern lässt. Unabhängig von den Kultivierungsbedingungen, hat die erhöhte Produktion des pks1 Regulators NvlA in der Mutante einen Einfluss auf andere regulatorische Faktoren, wie Sigma-Faktoren und das RNA-Chaperon Hfq. Die Analyse des Zell- und Überstandsextrakts der AraC_PKS1 Mutante führte zur Entdeckung zweier neuer Polyketide, Nostoclid und Nostovalerolacton, welche beide vom pks1 BGC codiert werden. Die Zugabe dieser Polyketide zum N. punctiforme Wildtyp zeigte, dass diese in der Lage sind einen Teil der Sekundärmetabolit-Effekte der AraC_PKS1 Mutante zu reproduzieren. Dies lässt darauf schließen, dass beide Polyketide als Signalstoffe innerhalb eines regulatorischen Netzwerks agieren. Da nicht alle transkriptionellen Effekte der AraC_PKS1 Mutante durch die Zugabe der pks1 Produkte reproduziert werden konnten, ist anzunehmen, dass der Regulator NvlA einen globalen Effekt hat und nicht ausschließlich die pks1 Biosynthese reguliert. Diese Studie war die erste, welche einen potentiell biosynthese-spezifischen Regulator für die gezielte Aktivierung von BGC-Expression in Cyanobakterien verwendet hat. Diese Strategie führte neben der Entdeckung zweier neuer Polyketide, zu ersten Einblicken in den regulatorischen Mechanismus, der den spezialisierten Metabolismus in N. punctiforme kontrolliert. Diese Studie veranschaulicht, dass das Verstehen regulatorischer Mechanismen für die Entdeckung neuer Naturstoffe hilfreich sein kann. Die Studien-Ergebnisse können die Entwicklung neuer Screening-Strategien für bioaktive Metabolite in Cyanobakterien anregen und können dabei helfen Hochtiter-Produktionsplattformen für cyanobakterielle Naturstoffe zu entwickeln. KW - cyanobacteria KW - natural products KW - specialized metabolites KW - gene cluster activation KW - Nostoc punctiforme KW - Cyanobakterien KW - Sekundärmetabolite KW - Naturstoffe KW - Gencluster-Aktivierung Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-540240 ER - TY - THES A1 - Hasnat, Muhammad Abrar T1 - A-Type Carrier Proteins are involved in [4Fe-4S] Cluster insertion into the Radical S-adenosylmethionine (SAM) Protein MoaA and other molybdoenzymes N2 - Iron-sulfur clusters are essential enzyme cofactors. The most common and stable clusters are [2Fe-2S] and [4Fe-4S] that are found in nature. They are involved in crucial biological processes like respiration, gene regulation, protein translation, replication and DNA repair in prokaryotes and eukaryotes. In Escherichia coli, Fe-S clusters are essential for molybdenum cofactor (Moco) biosynthesis, which is a ubiquitous and highly conserved pathway. The first step of Moco biosynthesis is catalyzed by the MoaA protein to produce cyclic pyranopterin monophosphate (cPMP) from 5’GTP. MoaA is a [4Fe-4S] cluster containing radical S-adenosyl-L-methionine (SAM) enzyme. The focus of this study was to investigate Fe-S cluster insertion into MoaA under nitrate and TMAO respiratory conditions using E. coli as a model organism. Nitrate and TMAO respiration usually occur under anaerobic conditions, where oxygen is depleted. Under these conditions, E. coli uses nitrate and TMAO as terminal electron. Previous studies revealed that Fe-S cluster insertion is performed by Fe-S cluster carrier proteins. In E. coli, these proteins are known as A-type carrier proteins (ATC) by phylogenomic and genetic studies. So far, three of them have been characterized in detail in E. coli, namely IscA, SufA, and ErpA. This study shows that ErpA and IscA are involved in Fe-S cluster insertion into MoaA under nitrate and TMAO respiratory conditions. ErpA and IscA can partially replace each other in their role to provide [4Fe-4S] clusters for MoaA. SufA is not able to replace the functions of IscA or ErpA under nitrate respiratory conditions. Nitrate reductase is a molybdoenzyme that coordinates Moco and Fe-S clusters. Under nitrate respiratory conditions, the expression of nitrate reductase is significantly increased in E. coli. Nitrate reductase is encoded in narGHJI genes, the expression of which is regulated by the transcriptional regulator, fumarate and nitrate reduction (FNR). The activation of FNR under conditions of nitrate respiration requires one [4Fe-4S] cluster. In this part of the study, we analyzed the insertion of Fe-S cluster into FNR for the expression of narGHJI genes in E. coli. The results indicate that ErpA is essential for the FNR-dependent expression of the narGHJI genes, a role that can be replaced partially by IscA and SufA when they are produced sufficiently under the conditions tested. This observation suggests that ErpA is indirectly regulating nitrate reductase expression via inserting Fe-S clusters into FNR. Most molybdoenzymes are complex multi-subunit and multi-cofactor-containing enzymes that coordinate Fe-S clusters, which are functioning as electron transfer chains for catalysis. In E. coli, periplasmic aldehyde oxidoreductase (PaoAC) is a heterotrimeric molybdoenzyme that consists of flavin, two [2Fe-2S], one [4Fe-4S] cluster and Moco. In the last part of this study, we investigated the insertion of Fe-S clusters into E. coli periplasmic aldehyde oxidoreductase (PaoAC). The results show that SufA and ErpA are involved in inserting [4Fe-4S] and [2Fe-2S] clusters into PaoABC, respectively under aerobic respiratory conditions. KW - enzyme KW - gene KW - iron sulfur clusters KW - Enzyme KW - Gen KW - Eisen-Schwefel-Cluster Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-530791 ER -