TY - THES A1 - Schedina, Ina-Maria T1 - Comparative genetic and transcriptomic analyses of the amazon molly, poecilia formosa and its parental species, poecilia mexicana and poecilia latipinna Y1 - 2017 ER - TY - THES A1 - Scheich, Christoph T1 - High-throughput evaluation of protein folding conditions and expression constructs for structural genomics N2 - Das E. coli Expressionssystem ist das am häufigsten angewandte hinsichtlich der rekombinante Proteinexpression für strukturelle und funktionelle Analysen aufgrund der hohen erzielten Ausbeuten und der einfachen Handhabbarkeit. Allerdings ist insbesondere die Expression eukaryotischer Proteine in E. coli problematisch, z.B. wenn das Protein nicht korrekt gefaltet ist und in unlöslichen Inclusion Bodies anfällt. In manchen Fällen ist die Analyse von Deletionskonstrukten oder einzelnen Proteindomänen der Untersuchung des Vollängeproteins vorzuziehen. Dies umfasst die Herstellung eines Satzes von Expressionskonstrukten, welche charakterisiert werden müssen. In dieser Arbeit werden Methoden optimiert und evaluiert für die in vitro-Faltung von Inclusion Body-Proteinen sowie die Entwicklung einer Hochdurchsatz-Charakterisierung von Expressionskonstrukten. Die Überführung von Inclusion Body-Proteinen in den nativen Zustand beinhaltet zwei Schritte: (a) Auflösen mit einen chaotropen Reagenz oder starkem ionischen Detergenz und (b) Faltung des Proteins durch Beseitigung des Chaotrops begleitet von dem Transfer in einen geeigneten Puffer. Die Ausbeute an nativ gefaltetem Protein ist oft stark eingeschränkt aufgrund von Aggregation und Fehlfaltung; sie kann allerdings durch die Zugabe bestimmter Additive zum Faltungspuffer erhöht werden. Solche Additive müssen empirisch identifiziert werden. In dieser Arbeit wurde eine Testprozedur für Faltungsbedingungen entwickelt. Zur Reduzierung der möglichen Kombinationen der getesteten Additive wurden sowohl empirische Beobachtungen aus der Literatur als auch bekannte Eigenschaften der Additive berücksichtigt. Zur Verminderung der eingesetzten Proteinmenge und des Arbeitsaufwandes wurde der Test automatisiert und miniaturisiert mittels eines Pipettierroboters. 20 Bedingungen zum schnellen Verdünnen von denaturierten Proteinen werden hierbei getestet und zwei Bedingungen zur Faltung von Proteinen mit dem Detergenz/Cyclodextrin Protein-Faltungssystem von Rozema et al. (1996). 100 µg Protein werden pro Bedingung eingesetzt. Zusätzlich werden acht Bedingungen für die Faltung von His-Tag-Fusionsproteinen (ca. 200 µg), welche an eine Metallchelat-Matrix immobilisiert sind, getestet. Die Testprozedur wurde erfolgreich angewendet zur Faltung eines humanen Proteins, der p22 Untereinheit von Dynactin, welche in E. coli in Inclusion Bodies exprimiert wird. So wie es sich bei vielen Proteinen darstellt, war auch für p22 Dynactin kein biologischer Nachweistest vorhanden, um den Erfolg des Faltungsexperimentes zu messen. Die Löslichkeit des Proteins kann nicht als eindeutiges Kriterium dienen, da neben nativ gefaltetem Protein, lösliche fehlgefaltete Spezies und Mikroaggregate auftreten können. Diese Arbeit evaluiert Methoden zur Detektion kleiner Mengen nativen Proteins nach dem automatisierten Faltungstest. Bevor p22 Dynactin gefaltet wurde, wurden zwei Modellenzyme zur Evaluierung eingesetzt, bovine Carboanhydrase II (CAB) und Malat Dehydrogenase aus Schweineherz-Mitochondrien. Die wiedererlangte Aktivität nach der Rückfaltung wurde korreliert mit verschiedenen biophysikalischen Methoden. Bindungsstudien mit 8-Anilino-1-Naphtalenesulfonsäure ergaben keine brauchbaren Informationen bei der Rückfaltung von CAB aufgrund der zu geringen Sensitivität und da fehlgefaltete Proteine nicht eindeutig von nativem Protein unterschieden werden konnten. Tryptophan Fluoreszenzspektren der rückgefalteten CAB wurden zur Einschätzung des Erfolges der Rückfaltung angewandt. Die Verschiebung des Intensitätsmaximum zu einer niedrigeren Wellenlänge im Vergleich zum denaturiert entfalteten Protein sowie die Fluoreszenzintensität korrelierten mit der wiedererlangten enzymatischen Aktivität. Für beide Modellenzyme war analytische hydrophobe Interaktionschromatographie (HIC) brauchbar zur Identifizierung rückgefalteter Proben mit aktivem Enzym. Kompakt gefaltetes, aktives Enzym eluierte in einem distinkten Peak im abnehmenden Ammoniumsulfat-Gradienten. Das Detektionslimit für analytische HIC lag bei 5 µg. Im Falle von CAB konnte gezeigt werden, dass Tryptophan-Fluoreszenz-Spektroskopie und analytische HIC in Kombination geeignet sind um Falsch-Positive oder Falsch-Negative, welche mit einem der Monitore erhalten wurden, auszuschließen. Diese beiden Methoden waren ebenfalls geeignet zur Identifizierung der Faltungsbedingungen von p22 Dynactin. Tryptophan-Fluoreszenz-Spektroskopie kann jedoch zu Falsch-Positiven führen, da in machen Fällen Spektren von löslichen Mikroaggregaten kaum unterscheidbar sind von Spektren des nativ gefalteten Proteins. Dies zusammenfassend wurde eine schnelle und zuverlässige Testprozedur entwickelt, um Inclusion Body-Proteine einer strukturellen und funktionellen Analyse zugänglich zu machen. In einem separaten Projekt wurden 88 verschiedene E. coli-Expressionskonstrukte für 17 humane Proteindomänen, welche durch Sequenzanalyse identifiziert wurden, mit einer Hochdurchsatzreinigung und –faltungsanalytik untersucht, um für die Strukturanalyse geeignete Kandidaten zu erhalten. Nach Expression in einem Milliliter im 96er Mikrotiterplattenformat und automatisierter Proteinreinigung wurden löslich exprimierte Proteindomänen direkt analysiert mittels 1D ¹H-NMR Spektroskopie. Hierbei zeigte sich, dass insbesondere isolierte Methylgruppen-Signale unter 0.5 ppm sensitive und zuverlässige Sonden sind für gefaltetes Protein. Zusätzlich zeigte sich, dass – ähnlich zur Evaluierung des Faltungstests – analytische HIC effizient eingesetzt werden kann zur Identifizierung von Konstrukten, welche kompakt gefaltetes Protein ergeben. Sechs Konstrukte, welche zwei Domänen repräsentieren, konnten schnell als tauglich für die Strukturanalyse gefunden werden. Die Struktur einer dieser Domänen wurde kürzlich von Mitarbeitern gelöst, die andere Struktur wurde im Laufe dieses Projektes von einer anderen Gruppe veröffentlicht. N2 - For recombinant production of proteins for structural and functional analyses, the E. coli expression system is the most widely used due to high yields and straightforward processing. However, particularly the expression of eukaryotic proteins in E. coli is often problematic, e.g. when the protein is not folded correctly and is deposited in insoluble inclusion bodies. In some cases it is favourable to analyse deletion constructs of a protein or an individual protein domain instead of the full-length protein. This implies the generation of a set of expression constructs that need to be characterised. In this work methods to optimise and evaluate in vitro folding of inclusion body proteins as well as high-throughput characterisation of expression constructs were developed. Transferring inclusion body proteins to their native state involves two steps: (a) solubilisation with a chaotropic reagent or a strong ionic detergent and (b) folding of the protein by removal of the chaotrop accompanied by the transfer into an appropriate buffer. The yield of natively folded protein is often substantially reduced due to aggregation or misfolding; it may, however, be improved by certain additives to the folding buffer. These additives need to be identified empirically. In this thesis a screening procedure for folding conditions was developed. To reduce the number of possible combinations of screening additives, empirical observations documented in the literature as well as well known properties of certain screening additives were considered. To decrease the amount of protein and work invested, the screen was miniaturised and automated using a pipetting robot. Twenty rapid dilution conditions for the denatured protein are tested and two conditions for folding of proteins using the detergent/cyclodextrin protein folding system of Rozema et al. (1996). 100 µg protein is used per condition. In addition, eight conditions can be tested for folding of His-tagged proteins (approx. 200 µg) immobilised on metal chelate resins. The screen was successfully applied to fold a human protein, the p22 subunit of dynactin that is expressed in inclusion bodies in E. coli. For p22 dynactin – as is the case for many proteins – there was no biological assay available to assess the success of the folding screen. Protein solubility can not be used as a stringent criterion because beside natively folded protein, soluble misfolded species and microaggregates may occur. This work evaluates methods to detect small amounts of natively folded protein after automated folding screening. Before folding screening with p22 dynactin, two model enzymes, bovine carbonic anhydrase II (CAB) and pig heart mitochondrial malate dehydrogenase, were used for evaluation. Recovered activity after refolding was correlated to different biophysical methods. 8-anilino-1-naphtalenesulfonic acid binding-experiments gave no useful information when refolding CAB, due to low sensitivity and because misfolded protein could not be readily distinguished from native protein. Tryptophan fluorescence spectra of refolded CAB were used to assess the success of refolding. The shift of the intensity maximum to a shorter wavelength, compared to the denaturant unfolded protein, as well as the fluorescence intensity correlated to recovered enzymatic activity. For both model enzymes, analytical hydrophobic interaction chromatography (HIC) was useful to identify refolded samples that contain active enzyme. Compactly folded, active enzyme eluted in a distinct peak in a decreasing ammonium sulfate gradient. The detection limit of analytical HIC was approx. 5 µg. In case of CAB, tryptophan fluorescence spectroscopy and analytical HIC showed that both methods in combination can be useful to rule out false positives or false negatives obtained with one method. These two methods were also useful to identify conditions for folding of p22 dynactin. However, tryptophan fluorescence spectroscopy can lead to false positives because in some cases spectra of soluble microaggregates are not well distinguishable from spectra of natively folded protein. In summary, a fast and reliable screening procedure was developed to make inclusion body proteins accessible to structural or functional analyses. In a separate project, 88 different E. coli expression constructs for 17 human protein domains that had been identified by sequence analysis were analysed using high-throughput purification and folding analysis in order to obtain candidates suitable for structural analysis. After 96 deep-well microplate expression and automated protein purification, solubly expressed protein domains were directly analysed using 1D ¹H-NMR spectroscopy. It was found that isolated methyl group signals below 0.5 ppm are particularly sensitive and reliable probes for folded protein. In addition – similar to the evaluation of a folding screen – analytical HIC proved to be an efficient tool for identifying constructs that yield compactly folded protein. Both methods, 1D ¹H-NMR spectroscopy and analytical HIC, provided complementary results. Six constructs, representing two domains, could be quickly identified as targets that are well suitable for structural analysis. The structure of one of these domains was solved recently by co-workers, the other structure was published by another group during this project. T2 - High-throughput evaluation of protein folding conditions and expression constructs for structural genomics KW - Strukturproteomics KW - Proteinfaltungstest KW - Proteindomänen KW - structural genomics KW - protein folding screen KW - protein domains Y1 - 2004 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0001552 ER - TY - THES A1 - Scherer, Philipp Cédric T1 - Infection on the move T1 - Infektion in Bewegung BT - individual host movement drives disease persistence in spatially structured landscapes BT - individuelle Der Einfluss von Bewegung von Wirtstieren auf die Persistenz von Krankheiten in räumlich strukturierten Landschaften N2 - Movement plays a major role in shaping population densities and contact rates among individuals, two factors that are particularly relevant for disease outbreaks. Although any differences in movement behaviour due to individual characteristics of the host and heterogeneity in landscape structure are likely to have considerable consequences for disease dynamics, these mechanisms are neglected in most epidemiological studies. Therefore, developing a general understanding how the interaction of movement behaviour and spatial heterogeneity shapes host densities, contact rates and ultimately pathogen spread is a key question in ecological and epidemiological research. In my thesis, I address this gap using both theoretical and empirical modelling approaches. In the theoretical part of my thesis, I investigated bottom-up effects of individual movement behaviour and landscape structure on host density, contact rates, and ultimately disease dynamics. I extended an established agent-based model that simulates ecological and epidemiological key processes to incorporate explicit movement of host individuals and landscape complexity. Neutral landscape models are a powerful basis for spatially-explicit modelling studies to imitate the complex characteristics of natural landscapes. In chapter 2, the first study of my thesis, I introduce two complementary R packages, NLMR and landscapetools, that I have co-developed to simplify the workflow of simulation and customization of such landscapes. To demonstrate the use of the packages I present a case study using the spatially explicit eco-epidemiological model and show that landscape complexity per se increases the probability of disease persistence. By using simple rules to simulate explicit host movement, I highlight in chapter 3 how disease dynamics are affected by population-level properties emerging from different movement rules leading to differences in the realized movement distance, spatiotemporal host density, and heterogeneity in transmission rates. As a consequence, mechanistic movement decisions based on the underlying landscape or conspecific competition led to considerably higher probabilities than phenomenological random walk approaches due directed movement leading to spatiotemporal differences in host densities. The results of these two chapters highlight the need to explicitly consider spatial heterogeneity and host movement behaviour when theoretical approaches are used to assess control measures to prevent outbreaks or eradicate diseases. In the empirical part of my thesis (chapter 4), I focus on the spatiotemporal dynamics of Classical Swine Fever in a wild boar population by analysing epidemiological data that was collected during an outbreak in Northern Germany persisting for eight years. I show that infection risk exhibits different seasonal patterns on the individual and the regional level. These patterns on the one hand show a higher infection risk in autumn and winter that may arise due to onset of mating behaviour and hunting intensity, which result in increased movement ranges. On the other hand, the increased infection risk of piglets, especially during the birth season, indicates the importance of new susceptible host individuals for local pathogen spread. The findings of this chapter underline the importance of different spatial and temporal scales to understand different components of pathogen spread that can have important implications for disease management. Taken together, the complementary use of theoretical and empirical modelling in my thesis highlights that our inferences about disease dynamics depend heavily on the spatial and temporal resolution used and how the inclusion of explicit mechanisms underlying hosts movement are modelled. My findings are an important step towards the incorporation of spatial heterogeneity and a mechanism-based perspective in eco-epidemiological approaches. This will ultimately lead to an enhanced understanding of the feedbacks of contact rates on pathogen spread and disease persistence that are of paramount importance to improve predictive models at the interface of ecology and epidemiology. N2 - Bewegung nimmt eine zentrale Rolle bei der Entstehung von Populationsdichten und Kontaktraten zwischen Individuen ein, zwei Faktoren, die bei einem Krankheitsausbruch von besonderer Bedeutung sind. Obwohl Unterschiede im Bewegungsverhalten aufgrund individueller Merkmale des Wirtes und der Heterogenität der Landschaftsstruktur erhebliche Auswirkungen auf Krankheitsdynamiken haben, werden diese Mechanismen in den meisten epidemiologischen Studien vernachlässigt. Daher ist die Frage, wie das Zusammenspiel von Bewegungsverhalten mit räumlicher Heterogenität die Wirtsdichte und die Kontaktraten und somit letztlich die Ausbreitung von Krankheitserregern beeinflusst, eine Schlüsselfrage in der ökologisch-epidemiologischen Forschung. In meiner Dissertation gehe ich diese Frage mit theoretischen und empirischen Modellierungs-ansätzen an. Im theoretischen Teil meiner Arbeit untersuchte ich die Effekte des individuellen Bewegungsverhaltens und der Landschaftsstruktur auf die Wirtsdichte, die Kontaktraten und letztendlich auf Krankheitsdynamiken. Dafür habe ich ein etabliertes agentenbasiertes Modell angepasst, das ökologische und epidemiologische Prozesse simuliert, um die genaue Bewegung von Wirtsindividuen und die Komplexität der Landschaft zu berücksichtigen. Dabei sind sogenannte „Neutrale Landschaftsmodelle“ eine objektive Grundlage, um die komplexen Eigenschaften von natürlichen Landschaften nachzuahmen. In Kapitel 2, der ersten Studie in meiner Dissertation, stelle ich zwei komplementäre Erweiterungen für die Programmiersprache R vor, NLMR und landscapetools, die ich entscheidend mitentwickelt habe, um die Simulation und Modifizierung solcher Landschaften zu vereinfachen. Um die Verwendung dieser Erweiterungen zu demonstrieren, stelle ich eine Fallstudie basierend auf dem ökologisch-epidemiologischen Simulationsmodell vor und zeige, dass heterogene Landschaften per se die Wahrscheinlichkeit der Persistenz von Krankheiten erhöhen. Im dritten Kapitel zeige ich, wie großskalige Dynamiken während eines Krankheitsausbruchs durch verschiedene Bewegungsregeln der Wirtstiere beeinflusst werden. Diese verschiedenen Bewegungsregeln hatten dabei Bewegungs- und Kontaktmuster mit Unterschieden in der realisierten Bewegungsdistanz, der raumzeitlichen Verteilung von Wirtstieren, sowie der Übertragungsraten zwischen den Habitaten zur Folge. Infolgedessen führten mechanistische Bewegungsentscheidungen, die auf Eigenschaften der Landschaft oder der Intensität der Konkurrenz beruhten, zu deutlich höheren Wahrscheinlichkeiten als phänomenologische Zufallslauf („random walk“)-Ansätze. Die Ergebnisse dieser beiden Kapitel verdeutlichen die Notwendigkeit, die räumliche Heterogenität und das Bewegungsverhalten der Wirte explizit zu berücksichtigen, wenn solche theoretischen Modelle in der Praxis Anwendung finden sollen, z. B. um Strategien zur Eindämmung von Seuchenzügen in Wildtieren zu entwickeln. Im empirischen Teil meiner Arbeit (Kapitel 4) konzentriere ich mich auf die raumzeitliche Dynamik eines Ausbruchs der Klassischen Schweinepest in einer Wildschweinpopulation mittels Analyse epidemiologischer Daten, die während eines Ausbruchs in Norddeutschland über acht Jahre aufgenommen wurden. Das Infektionsrisiko auf individueller und regionaler Ebene wies dabei unterschiedliche saisonale Muster auf. Diese Muster zeigen einerseits ein erhöhtes regionales Infektionsrisiko im Herbst und Winter, das womöglich aufgrund erhöhter Bewegungsraten der Wirtstiere auftritt, und durch das Paarungsverhalten und der Jagdintensität während dieser Zeitausgelöst wird. Andererseits unterstreicht das erhöhte individuelle Infektionsrisiko von Frisch-lingen, insbesondere während der Geburtszeit, die Auswirkungen von lokal erhöhten Wirtsdichten auf die lokale Ausbreitung von Krankheitserregern. Die Ergebnisse dieses Kapitels zeigen die Bedeutung verschiedener räumlicher und zeitlicher Skalen für das Verständnis verschiedener Komponenten von Epidemien, die wichtige Auswirkungen auf das Krankheitsmanagement haben können. Zusammenfassend unterstreicht der komplementäre Einsatz theoretischer und empirischer Modellierung in meiner Arbeit, dass es unerlässlich ist, die mechanistische Basis der Wirts-Kontakt-raten zu berücksichtigen, nämlich räumliche Heterogenität und Bewegungsverhalten der Wirtstiere, um ein Verständnis über Krankheitsverläufe in Wildtierbeständen zu erlangen und Schluss-folgerungen über das Persistenzgeschehen ziehen zu können. Meine Ergebnisse sind ein erster wichtiger Schritt in diese Richtung. KW - movement ecology KW - disease ecology KW - landscape heterogeneity KW - Rstats KW - agent-based model KW - disease persistence KW - wild boar KW - classical swine fever KW - Bewegungsökologie KW - Krankheitsökologie KW - Landschaftsheterogenität KW - R (Programmiersprache) KW - agentenbasiertes Modell KW - Krankheitsausbruch KW - Wildschwein KW - klassische Schweinepest Y1 - 2019 ER - TY - THES A1 - Schiffers, Katja T1 - Plant community response to small-scale disturbances lessons from a molehill meadow Y1 - 2008 CY - Potsdam ER - TY - THES A1 - Schirmack, Janosch T1 - Activity of methanogenic archaea under simulated Mars analog conditions T1 - Aktivität methanogener Archaeen unter simulierten Marsanalogen Bedingungen N2 - Assumed comparable environmental conditions of early Mars and early Earth in 3.7 Ga ago – at a time when first fossil records of life on Earth could be found – suggest the possibility of life emerging on both planets in parallel. As conditions changed, the hypothetical life on Mars either became extinct or was able to adapt and might still exist in biological niches. The controversial discussed detection of methane on Mars led to the assumption, that it must have a recent origin – either abiotic through active volcanism or chemical processes, or through biogenic production. Spatial and seasonal variations in the detected methane concentrations and correlations between the presence of water vapor and geological features such as subsurface hydrogen, which are occurring together with locally increased detected concentrations of methane, gave fuel to the hypothesis of a possible biological source of the methane on Mars. Therefore the phylogenetically old methanogenic archaea, which have evolved under early Earth conditions, are often used as model-organisms in astrobiological studies to investigate the potential of life to exist in possible extraterrestrial habitats on our neighboring planet. In this thesis methanogenic archaea originating from two extreme environments on Earth were investigated to test their ability to be active under simulated Mars analog conditions. These extreme environments – the Siberian permafrost-affected soil and the chemoautotrophically based terrestrial ecosystem of Movile cave, Romania – are regarded as analogs for possible Martian (subsurface) habitats. Two novel species of methanogenic archaea isolated from these environments were described within the frame of this thesis. It could be shown that concentrations up to 1 wt% of Mars regolith analogs added to the growth media had a positive influence on the methane production rates of the tested methanogenic archaea, whereas higher concentrations resulted in decreasing rates. Nevertheless it was possible for the organisms to metabolize when incubated on water-saturated soil matrixes made of Mars regolith analogs without any additional nutrients. Long-term desiccation resistance of more than 400 days was proven with reincubation and indirect counting of viable cells through a combined treatment with propidium monoazide (to inactivate DNA of destroyed cells) and quantitative PCR. Phyllosilicate rich regolith analogs seem to be the best soil mixtures for the tested methanogenic archaea to be active under Mars analog conditions. Furthermore, in a simulation chamber experiment the activity of the permafrost methanogen strain Methanosarcina soligelidi SMA-21 under Mars subsurface analog conditions could be proven. Through real-time wavelength modulation spectroscopy measurements the increase in the methane concentration at temperatures down to -5 °C could be detected. The results presented in this thesis contribute to the understanding of the activity potential of methanogenic archaea under Mars analog conditions and therefore provide insights to the possible habitability of present-day Mars (near) subsurface environments. Thus, it contributes also to the data interpretation of future life detection missions on that planet. For example the ExoMars mission of the European Space Agency (ESA) and Roscosmos which is planned to be launched in 2018 and is aiming to drill in the Martian subsurface. N2 - Die Vermutung vergleichbarer Umweltbedingungen des frühen Mars und der frühen Erde vor 3,7 Mrd. Jahren – der Zeitpunkt, zu dem die ersten fossilen Spuren des Lebens auf der Erde gefunden werden konnten – weisen auf die Möglichkeit hin, dass das Leben auf beiden Planeten parallel entstanden sein könnte. Als die Bedingungen auf dem Mars schlechter wurden, ist das hypothetische Leben dort entweder ausgestorben, oder es war in der Lage sich anzupassen und könnte noch heute in biologischen Nischen auf dem Planeten existieren. Die kontrovers diskutierte Detektion von Methan auf dem Mars führte zu der Annahme, dass dieses einen rezenten Ursprung haben muss – entweder abiotisch durch aktiven Vulkanismus oder chemische Prozesse oder aber durch biogene Produktion. Räumliche und saisonale Schwankungen der durch Fernerkundung gemessenen Methankonzentrationen, sowie die Korrelation zwischen dem Auftreten von Wasserdampf und im Untergrund detektiertem Wasserstoff zusammen mit lokal erhöhten Konzentrationen von Methan, befürworten die Hypothese einer biologischen Methanquelle auf dem Mars. Daher werden methanogene Archaeen, welche sich unter den Bedingungen der frühen Erde entwickelt haben, oft als Modellorganismen in astrobiologischen Studien zu potentiellem Leben auf unserem benachbarten Planeten Mars verwendet. In dieser Dissertation wurden methanogene Archaeen aus zwei extremen Habitaten auf der Erde auf ihre Fähigkeiten hin untersucht, unter simulierten Mars-analogen Bedingungen aktiven Metabolismus zu zeigen. Die beiden extremen Habitate – der active layer des sibirischen Permafrosts und das auf Chemoautotrophie basierende terrestrische Ökosystem der Movile Höhle in Rumänien – gelten als Analoga für mögliche Habitate auf dem Mars. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei neue Arten von methanogenen Archaeen beschrieben, die aus den beiden genannten extremen Habitaten isoliert worden sind. In dieser Studie konnte gezeigt werden, dass Mars-Regolith-Analoga, in Konzentrationen bis zu 1 Gew.-% zum Wachstumsmedium hinzugefügt, einen positiven Einfluss auf die Methanbildungsraten der getesteten Archaeen hatten, während höhere zugefügte Konzentrationen sinkende Raten verursachten. Dennoch war es den Organismen möglich, auf wassergesättigten künstlichen Böden aus Mars-Regolith-Analoga Methan zu produzieren, auch ohne Zugabe jeglicher weiterer Nährstoffe. Die Resistenz gegenüber Langzeit-Austrocknung von mehr als 400 Tagen wurde mittels Reinkubation sowie indirekter Zellzahlbestimmung von lebensfähigen Zellen nachgewiesen. Dies erfolgte durch eine Kombinationsbehandlung mit Propidium-Monoazide (zur Inaktivierung der DNA aus Zellen mit zerstörter Membran) und quantitativer PCR. Regolith-Analoga mit einem hohen Anteil an Phyllosilikaten schienen die besten Bodenmischungen für die metabolische Aktivität der getesteten methanogenen Archaeen unter Marsanalogen Bedingungen zu liefern. Des Weiteren konnte mittels einer Simulationskammer für den Permafrost-Stamm Methanosarcina soligelidi SMA-21 Methanbildung unter Bedingungen analog zum Marsuntergrund nachgewiesen werden. Durch Wellenlängen-Modulations-Spektroskopie konnte die Zunahme der Methankonzentration bei Temperaturen bis zu -5 °C gemessen werden. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse erweitern das Verständnis des Potenzials der methanogenen Archaeen, unter Mars-analogen Bedingungen aktiv sein zu können und vermitteln Einblicke in die mögliche Habitabilität vom heutigen Marsuntergrund. Außerdem tragen sie zur Interpretation der Daten von zukünftigen Marsmissionen zur Erkundung von möglichem Leben auf dem Planeten bei. Ein Beispiel hierfür könnte die ExoMars-Mission der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) und Roskosmos sein, welche im Jahr 2018 gestartet werden soll und bestrebt ist, in den Marsuntergrund zu bohren. KW - methanogenic archaea KW - Mars KW - simulation experiments KW - long-term desiccation KW - Martian regolith analogs KW - methanogene Archaeen KW - Mars KW - Marsanaloge Regolithe KW - Simulationsexperimente KW - Langzeitaustrocknung Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-73010 ER - TY - THES A1 - Schirmer, Annika T1 - Consistent individual differences in movement-related behaviour as equalising and/or stabilising mechanisms for species coexistence T1 - Konstante individuelle Unterschiede in Bewegungs-relevanten Verhaltensweisen als stabilisierende und/oder angleichende Mechanismen für die Koexistenz von Arten N2 - The facilitation of species coexistence has been a central theme in ecological research for years, highlighting two key aspects: ecological niches and competition between species. According to the competitive exclusion principle, the overlap of species niches predicts the amount of shared resources and therefore competition between species, determining their ability to coexist. Only if niches of two species are sufficiently different, thus niche overlap is low, competition within species is higher than competition between species and stable coexistence is possible. Thereby, differences in species mean traits are focused on and conspecific individuals are assumed to be interchangeable. This approach might be outdated since behaviour, as a key aspect mediating niche differentiation between species, is individual based. Individuals from one species consistently differ across time and situations in their behavioural traits. Causes and consequences of consistent behavioural differences have been thoroughly investigated stimulating their recent incorporation into ecological interactions and niche theory. Spatial components have so far been largely overlooked, although animal movement is strongly connected to several aspects of ecological niches and interactions between individuals. Furthermore, numerous movement aspects haven been proven to be crucially influenced by consistent individual differences. Considering spatial parameters could therefore crucially broaden our understanding of how individual niches are formed and ecological interactions are shaped. Furthermore, extending established concepts on species interactions by an individual component could provide new insights into how species coexistence is facilitated and local biodiversity is maintained. The main aim of this thesis was to test whether consistent inter-individual differences can facilitate the coexistence of ecological similar species. Therefore, the effects of consistent inter-individual differences on the spatial behaviour of two rodent species, the bank vole (Myodes glareolus) and the striped field mouse (Apodemus agrarius), were investigated and put in the context of: (i) individual spatial niches, (ii) interactions between species, and (iii) the importance of different levels of behavioural variation within species for their interactions. Consistent differences of study animals in boldness and exploration were quantified with the same tests in all presented studies and always combined with observations of movement and space use via automated VHF radio telemetry. Consequently, results are comparable throughout the thesis and the methods provide a common denominator for all chapters. The first two chapters are based on observations of free-ranging rodents in natural populations, while chapter III represents an experimental approach under semi-natural conditions. Chapter I focusses on the effect of consistent differences in boldness and exploration on movement and space use of bank voles and their contribution to individual spatial niche separation. Results show boldness to be the dominating predictor for spatial parameters in bank voles. Irrespective of sex, bolder individuals had larger home ranges, moved longer distances, had less spatial interactions with conspecifics and occupied different microhabitats compared to shy individuals. The same boldness-dependent spatial patterns could be observed in striped field mice which is reported in chapter II. Therefore, both study species showed individual spatial niche occupation. Chapter II builds on findings from the first chapter, investigating the effect of boldness driven individual spatial niche occupation on the interactions between species. Irrespective of species and sex, bolder individuals had more interspecific spatial interactions, but less intraspecific interactions, compared to shy individuals. Due to individual niches occupation the competitive environment individuals experience is not random. Interactions are restricted to individuals of similar behavioural type with presumably similar competitive ability, which could balance differences on the species level and support coexistence. In chapter III the experimental populations were either comprised of only shy or only bold bank voles, while striped field mice varied, creating either a shy- or bold-biased competitive community. Irrespective of behavioural type, striped field mice had more intraspecific interactions in bold-biased competitive communities. Only in a shy-biased competitive community, bolder striped field mice had less interspecific interactions compared to shy individuals. Bank voles showed no difference in intra- or interspecific interactions between populations. Chapter III highlights, that not only consistent inter-individual differences per se are important for interactions within and between species, but also the amount of behavioural variation within coexisting species. Overall, this thesis highlights the importance of considering consistent inter-individual differences in a spatial context and their connection to individual spatial niche occupation, as well as the resulting effects on interactions within and between species. Individual differences are discussed in the context of similarity of individuals, individual and species niche width, and individual and species niche overlap. Thereby, this thesis makes one step further from the existing research on individual niches towards integrating consistent inter-individual differences into the larger framework of species coexistence. N2 - Ein zentrales Thema in der Ökologie ist die Koexistenz von Arten. Zwei Aspekte sind dabei von großer Bedeutung: ökologische Nischen und zwischenartliche Konkurrenz. Das Konkurrenz-Ausschlussprinzip besagt, dass der Überlappungsgrad der Nischen zweier Arten bestimmt, wie viele Ressourcen sie teilen und damit wie stark die Konkurrenz zwischen ihnen ist. Eine stabile Koexistenz zweier Arten ist nur dann möglich, wenn ihre Nischen unterschiedlich genug sind und eine geringe Überlappung vorliegt. In diesem Fall ist die innerartliche Konkurrenz größer als die zwischenartliche, und die Bedingungen für eine langfristig stabile Koexistenz sind gegeben. Traditionell werden hierbei nur mittlere Unterschiede zwischen den Fokusarten verglichen und der Einfluss von Unterschieden zwischen Individuen nicht beachtet. Ein wesentlicher Aspekt, der die Nischendifferenzierung zwischen Tierarten beeinflusst ist deren Verhalten. Dieses ist jedoch nachweislich individuell geprägt, folglich könnte der oben erwähnte Ansatz zur Koexistenz von Arten eventuell veraltet sein. Zwischen Individuen einer Art gibt es konstante Verhaltensunterschiede, die stabil bleiben über die Zeit und zwischen verschiedenen Situationen. Ursachen und Effekte dieser Unterschiede wurden bereits in zahlreichen Tierarten untersucht, wodurch ebenfalls die Integration von individuellen Verhaltensunterschieden in das Konzept der ökologischen Nische angestoßen wurde. Aspekte der Raumnutzung von Tieren fanden hierbei bislang kaum Beachtung, obwohl sie für eine Vielzahl von Parametern, die mit Nischen in Verbindung stehen, essentiell sind. Räumliches Verhalten von Tieren wird stark durch individuelle Verhaltensunterschiede beeinflusst, weswegen es eine wichtige Rolle im Zusammenhang mit individuellen Nischen spielen sollte. Hinsichtlich der Formation individueller Nischen und ökologischer Interaktionen hat die Einbeziehung von räumlichen Aspekten das Potential entscheidende Impulse zu erbringen. Die Erweiterung bestehender Theorien zu Artinteraktionen, um eine individuelle Komponente, kann neue Einblicke schaffen wie Koexistenz zwischen Arten vermittelt und örtliche Biodiversität erhalten wird. Die hier vorliegende Arbeit befasst sich mit den Einflüssen von stabilen, individuellen Verhaltensunterschieden auf die Raumnutzung von Individuen. Dies wurde exemplarisch an zwei Nagerarten untersucht, der Rötelmaus (Myodes glareolus) und der Brandmaus (Apodemus agrarius). Dabei wird der Fokus auf die folgenden Aspekte gelegt: (i) individuelle Nischen, (ii) Interaktionen zwischen Arten, und (iii) Auswirkungen verschiedener Variationsgrade stabiler Verhaltensunterschiede auf die Interaktionen innerhalb und zwischen Arten. Alle Kapitel basieren auf der gleichen Methodik in der Datenaufnahme, da individuelle Verhaltensunterschiede stets mit dem gleichen Test quantifiziert und mit räumlichen Mustern in Zusammenhang gebracht wurden, die mit Hilfe automatischer VHF Radiotelemetrie aufgezeichnet wurden. Ergebnisse sind somit auch kapitelübergreifend vergleichbar. Kapitel eins und zwei umfassen Studien an freilebenden Nagetieren aus natürlichen Populationen, während das dritte Kapitel eine experimentelle Studie unter naturnahen Bedingungen darstellt. Das erste Kapitel handelt von den Effekten stabiler Verhaltensunterschiede in der Risikobereitschaft und dem Explorationsverhalten von Rötelmäusen auf deren Bewegungsmuster. Letztere wurden nur durch die Risikobereitschaft der Individuen beeinflusst, aber nicht durch deren Explorationsverhalten. Risikofreudigere Individuen hatten größere Streifgebiete, legten längere Strecken zurück, hatten weniger innerartliche Interaktionen und bewohnten andere Mikrohabitate als risikoscheue Individuen. Gleiche Muster konnten für die Brandmäuse gefunden werden, werden jedoch erst im zweiten Kapitel dargestellt. Beide Arten besetzen somit individuelle räumliche Nischen. Kapitel zwei baut auf dem Resultat des ersten Kapitels auf und beschäftigt sich mit den Auswirkungen von individuellen räumlichen Nischen auf die Interaktionen zwischen zwei Arten. Hierbei konnte gezeigt werden, dass unabhängig von Art und Geschlecht, risikofreudigere Individuen weniger innerartliche Interaktionen haben, dafür aber mehr zwischenartliche im Vergleich zu risikoscheuen Individuen. Die Besetzung individueller Nischen hat somit zur Folge, dass das Konkurrenz-Umfeld der Individuen abhängig von ihrem Verhaltenstyp ist. Daraus folgt, dass die Interaktionen zwischen Individuen zweier Arten beschränkt sind auf solche Individuen, die sich in ihrem Verhaltenstyp, und damit ihrer Konkurrenzkraft, ähneln. Etwaige Artunterschiede in der Konkurrenzkraft könnten dadurch ausgeglichen werden und die Koexistenz der Arten vermitteln. Im letzten Kapitel wurden experimentelle Populationen aus beiden Versuchsarten zusammengestellt. Diese unterschieden sich darin, dass die Rötelmäuse entweder ausschließlich risikoscheu oder risikobereit waren, während die Brandmäuse in ihrem Verhaltenstyp variierten. Dadurch wurden Artgemeinschaften erstellt, die entweder ein vorwiegend risikoscheues oder risikobereites Konkurrenz-Umfeld hatten. Eine reduzierte Variationsbreite der individuellen Verhaltensunterschiede in einer von zwei koexistierenden Arten führt dazu, dass sich die Interaktionsmuster innerhalb und zwischen den Arten, im Vergleich zu denen aus natürlichen Populationen verändern. Brandmäuse in einem risikobereiten Konkurrenz-Umfeld hatten mehr innerartliche Interaktionen als solche in einem risikoscheuen Konkurrenz-Umfeld, unabhängig davon ob die Brandmäuse selber risikoscheu oder risikofreudig waren. Die zwischenartlichen Interaktionen dagegen wurden nur in einem risikoscheuen Konkurrenz-Umfeld von risikobereiten Brandmäusen reduziert im Gegensatz zu risikoscheuen Individuen. Währenddessen zeigen Rötelmäuse weder in den inner- noch in den zwischenartlichen Interaktionen einen Unterschied aufgrund ihres Konkurrenz-Umfeldes. Das dritte Kapitel zeigt damit deutlich, dass nicht nur stabile individuelle Unterschiede für inner- und zwischenartliche Interaktionen von Bedeutung sind, sondern dass auch die Variationsbreite der Verhaltensunterschiede innerhalb der Arten eine entscheidende Rolle spielt. Zusammenfassend verdeutlicht die vorliegende Arbeit wie wichtig die Berücksichtigung von stabilen individuellen Verhaltensunterschieden im Hinblick auf räumliche Parameter ist. Darüber hinaus zeigen die vorliegenden Ergebnisse, dass individuelle Verhaltensunterschiede für die Besetzung individueller Nischen und damit für inner- und zwischenartlichen Interaktionen von großer Bedeutung sind. Innerhalb dieser Arbeit werden individuelle Verhaltensunterschiede in Zusammenhang mit der Ähnlichkeit von Arten, der Breite von individuellen Nischen und Artnischen, sowie deren Überlappung gebracht. Diese Arbeit stellt somit eine Erweiterung des bisherigen Forschungstandes hinsichtlich der Einbeziehung von individuellen Verhaltensunterschieden in die Theorie der Koexistenz von Arten dar. KW - ecological interactions KW - inter-individual differences KW - animal personality KW - movement ecology KW - space use Y1 - 2019 ER - TY - THES A1 - Schiro, Gabriele T1 - Spatial distribution of phyllosphere fungi in topographically heterogeneous wheat fields BT - an analysis of abiotic and biotic driving factors Y1 - 2019 ER - TY - THES A1 - Schlossarek, Dennis T1 - Identification of dynamic protein-metabolite complexes in saccharomyces cerevisiae using co-fractionation mass spectrometry T1 - Identifikation von dynamischen Protein-Metabolit Komplexes in Saccharomyces cerevisiae unter Nutzung der Co-Fraktionierungs Massenspektrometrie N2 - Cells are built from a variety of macromolecules and metabolites. Both, the proteome and the metabolome are highly dynamic and responsive to environmental cues and developmental processes. But it is not their bare numbers, but their interactions that enable life. The protein-protein (PPI) and protein-metabolite interactions (PMI) facilitate and regulate all aspects of cell biology, from metabolism to mitosis. Therefore, the study of PPIs and PMIs and their dynamics in a cell-wide context is of great scientific interest. In this dissertation, I aim to chart a map of the dynamic PPIs and PMIs across metabolic and cellular transitions. As a model system, I study the shift from the fermentative to the respiratory growth, known as the diauxic shift, in the budding yeast Saccharomyces cerevisiae. To do so, I am applying a co-fractionation mass spectrometry (CF-MS) based method, dubbed protein metabolite interactions using size separation (PROMIS). PROMIS, as well as comparable methods, will be discussed in detail in chapter 1. Since PROMIS was developed originally for Arabidopsis thaliana, in chapter 2, I will describe the adaptation of PROMIS to S. cerevisiae. Here, the obtained results demonstrated a wealth of protein-metabolite interactions, and experimentally validated 225 previously predicted PMIs. Applying orthogonal, targeted approaches to validate the interactions of a proteogenic dipeptide, Ser-Leu, five novel protein-interactors were found. One of those proteins, phosphoglycerate kinase, is inhibited by Ser-Leu, placing the dipeptide at the regulation of glycolysis. In chapter 3, I am presenting PROMISed, a novel web-tool designed for the analysis of PROMIS- and other CF-MS-datasets. Starting with raw fractionation profiles, PROMISed enables data pre-processing, profile deconvolution, scores differences in fractionation profiles between experimental conditions, and ultimately charts interaction networks. PROMISed comes with a user-friendly graphic interface, and thus enables the routine analysis of CF-MS data by non-computational biologists. Finally, in chapter 4, I applied PROMIS in combination with the isothermal shift assay to the diauxic shift in S. cerevisiae to study changes in the PPI and PMI landscape across this metabolic transition. I found a major rewiring of protein-protein-metabolite complexes, exemplified by the disassembly of the proteasome in the respiratory phase, the loss of interaction of an enzyme involved in amino acid biosynthesis and its cofactor, as well as phase and structure specific interactions between dipeptides and enzymes of central carbon metabolism. In chapter 5, I am summarizing the presented results, and discuss a strategy to unravel the potential patterns of dipeptide accumulation and binding specificities. Lastly, I recapitulate recently postulated guidelines for CF-MS experiments, and give an outlook of protein interaction studies in the near future. N2 - Die Zelle besteht aus einer Vielzahl von großen und kleinen Molekülen, und sowohl das Proteom als auch das Metabolom passen sich dynamisch den vorherrschenden Umweltbedingungen oder zellulären Anforderungen an. Allerdings ist es nicht die bloße Menge an biologischen Molekülen, sondern deren Interaktionen miteinander, die das Leben erst ermöglichen. Protein-Protein (PPI) und Protein-Metabolit Interaktionen (PMI) vollbringen und regulieren alle Aspekte der Zelle, vom Stoffwechsel bis zur Mitose. Die Studie dieser Interaktionen ist daher von fundamentalem wissenschaftlichem Interesse. In dieser Dissertation strebe ich an, eine Karte der Protein-Protein und Protein-Metabolit Interaktionen zu zeichnen, die den Übergang vom fermentativen zum respiratioschen Stoffwechsel in der Hefe Saccharomyces cerevisiae umfasst. Zu diesem Zweck nutze ich PROMIS (egl. protein metabolite interactions using size separation), eine auf der co-Fraktionierungs Massensprektrometrie (CF-MS) aufbauende Methode. PROMIS, und ähnliche Methoden zur Untersuchung von Protein-Interkationen, werden ausgiebig in Kapitel 1 vorgestellt. Da PROMIS ursprünglich für die Modellpflanze Arabadopsis thaliana entwickelt wurde, beschreibe ich in Kapitel 2 zunächst die erste Anwendung der Methode in S. cerevisiae. Die Ergebnisse stellen eine Fülle an Protein-Metabolit Interaktionen dar, und 225 zuvor prognostizierte Interaktionen wurden das erste Mal experimentell beschrieben. Mit Hilfe orthogonaler Methoden wurde außerdem eine inhibitorische Interaktion zwischen dem proteinogenen Dipeptid Ser-Leu und einem Enzym der Glykolyse gefunden. In Kapitel 3 präsentiere ich PROMISed, eine neue Web-Anwendung zur Auswertung von Daten von PROMIS oder anderen CF-MS Experimente. PROMISed kann genutzt werden um in rohen Fraktionierungs-Profile lokale Maxima zu finden, aus denen ein Interaktions-Netzwerk basierend auf Korrelationen erstellt wird. Außerdem kann die Anwendung Unterschiede in den Profilen zwischen verschiedenen experimentellen Bedingungen bewerten. PROMISed umfasst eine benutzerfreundliche grafische Oberfläche und bedarf daher keiner Programmierkenntnisse zur Nutzung. In Kapitel 4 benutze ich schließlich PROMIS und ItSA (engl. isothermal shift assay) um PPI und PMI während des Übergangs vom fermentativen zum respiratorischen Stoffwechsel in Hefe zu untersuchen. Hier beschreibe ich eine zellweite Umbildung der Protein-Metabolit-Komplexe, bespielhaft beschrieben anhand des Auseinanderfallens des Proteasoms im respiratorischen Stoffwechsel, des Verlustes der Interaktion zwischen einem Enzym des Aminosäure Stoffwechsels mit seinem Cofaktor und spezifischen Interaktionen zwischen Dipeptiden und Enzymen des zentralen Stoffwechsels. In Kapitel 5 fasse ich die gefundenen Ergebnisse zusammen und stelle eine Strategie zur Untersuchung der Spezifität sowohl der Bildung als auch der Protein-Interaktionen von Dipeptiden vor. Zu aller letzt rekapituliere ich Richtlinien für CF-MS Experimente und gebe einen Ausblick auf die nahe Zukunft der Studien der Protein-Interkationen. KW - Protein KW - Metabolit KW - Interaktion KW - Interaktions Netzwerk KW - Stoffwechsel KW - Saccharomyces cerevisiae KW - protein KW - metabolite KW - interaction KW - interaction network KW - metabolism KW - saccharomyces cerevisiae KW - interactomics KW - proteomics KW - metabolomics Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-582826 ER - TY - THES A1 - Schmidt, Ulrike T1 - Characterisation of the guard cell-specific phosphoenolpyruvate carboxylase and PEPC kinases from Solanum tuberosum Y1 - 2002 ER - TY - THES A1 - Schmidtke, Andrea T1 - Biodiversity effects on the performance of terrestrial plant and phytoplankton communities T1 - Der Effekt der Biodiversität auf die Performance von terrestrischen Pflanzen und Phytoplankton-Gemeinschaften N2 - Die Ökosysteme unserer Erde sind durch das rasante Artensterben infolge von Umweltveränderungen durch den Menschen und des globalen Klimawandels stark betroffen. Mit den Auswirkungen dieses Artenverlustes und der damit einhergehenden Veränderung der Diversität beschäftigt sich die heutige Biodiversitätsforschung. Spezieller wird der Effekt der Diversität auf Ökosystemprozesse wie beispielsweise den Biomasseaufbau von Primärproduzenten oder der Resistenz einer Gemeinschaft gegen die Einwanderung neuer Arten untersucht. Die Quantifizierung des Einflusses der Diversität auf die Primärproduktion und das Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen ist von besonderer Wichtigkeit. In terrestrischen Pflanzengemeinschaften wurde bereits ein positiver Diversitätseffekt auf die Gemeinschaftsbiomasse beobachtet. Dies wird hauptsächlich durch den Komplementaritäts- und/oder den Dominanzeffekt erklärt. Die Komplementarität zwischen Arten ist beispielsweise bei Unterschieden in der Ressourcenausnutzung gegeben (z.B. unterschiedliche Wurzeltiefen). Diese kann zu einer besseren Nährstoffausnutzung in diverseren Gemeinschaften führen, die letztlich deren höhere Biomassen erklärt. Der Dominanzeffekt hingegen beruht auf der in diverseren Gemeinschaften höheren Wahrscheinlichkeit, eine hochproduktive Art anzutreffen, was letztlich die höhere Biomasse der Gemeinschaft verursacht. Diversitätseffekte auf Ökosystemprozesse wurden bisher hauptsächlich auf der Gemeinschaftsebene untersucht. Analysen über die Reaktionen, die alle Arten einer Gemeinschaft einschließen, fehlen bisher. Daher wurde der Einfluss der Diversität auf die individuelle Performance von Pflanzenarten innerhalb des Biodiversitätsprojektes „Das Jena Experiment“ untersucht. Dieses Experiment umfasst 60 Arten, die charakteristisch für Mitteleuropäische Graslandschaften sind. Die Arten wurden in die 4 funktionellen Gruppen Gräser, kleine Kräuter, große Kräuter und Leguminosen eingeteilt. Im Freilandversuch zeigte sich, dass mit steigender Artenzahl die individuelle Pflanzenhöhe zunahm, während die individuelle oberirdische Biomasse sank. Der positive Diversitätseffekt auf die pflanzliche Gemeinschaftsbiomasse kann folglich nicht auf der individuellen oberirdischen Biomassezunahme beruhen. Überdies reagierten die einzelnen funktionellen Gruppen und sogar die einzelnen Arten innerhalb einer funktionellen Gruppe unterschiedlich auf Diversitätsveränderungen. Folglich ist zu vermuten, dass einige Ökosystemprozesse auf Gemeinschaftsebene durch die Reaktionen von bestimmten funktionellen Gruppen bzw. Arten hervorgerufen werden. Diversitätseffekte auf Gemeinschaftsbiomassen wurden bislang hauptsächlich mit terrestrischen Pflanzen und weniger mit frei-schwebenden Algenarten (Phytoplankton) erforscht. Demzufolge wurde der Einfluss der Diversität auf die Biomasse von Phytoplankton-Gemeinschaften experimentell untersucht, wobei es sowohl zu negativen als auch positiven Diversitätseffekten kam. Eine negative Beziehung zwischen Diversität und Gemeinschaftsbiomasse zeigte sich, wenn schnell-wüchsige Algenarten nur geringe Biomassen in Mono- und Mischkultur aufbauten. Die vorhandenen Nährstoffe in der Mischkultur wurden von den schnell-wüchsigen Arten monopolisiert und folglich standen sie den langsam-wüchsigen Algenarten, welche viel Biomasse in Monokultur aufbauten, nicht mehr zur Verfügung. Zu einem positiven Diversitätseffekt auf die Gemeinschaftsbiomasse kam es, wenn die Artengemeinschaft eine positive Beziehung zwischen Wachstumsrate und Biomasse in Monokultur zeigte, sodass die schnell-wüchsige Algenarten viel Biomasse aufbauten. Da diese schnell-wüchsigen Algen in der Mischkultur dominant wurden, bestand die Gemeinschaft letztlich aus hoch-produktiven Algenarten, was zu einer erhöhten Gesamtbiomasse führte. Diese beiden Versuchsansätze verdeutlichen Mechanismen für die unterschiedlichen Reaktionen der Gemeinschaften auf Diversitätsveränderungen, welche auch für terrestrische Pflanzengemeinschaften gefunden wurden. Ein anderer wichtiger Ökosystemprozess, der von der Diversität beeinflusst wird, ist die Anfälligkeit von Gemeinschaften gegenüber invasiven Arten (Invasibilität). Die Invasibilität wird von einer Vielzahl von Faktoren beeinflusst und demzufolge wurde der Effekt der Diversität und der Produktivität (Nährstoffgehalt) auf die Invasibilität von Phytoplankton-Gemeinschaften in An- und Abwesenheit eines Herbivoren untersucht. Die zwei funktionell unterschiedlichen invasiven Arten waren die Blaualge Cylindrospermopsis raciborskii (schlecht fressbar) und der Phytoflagellat Cryptomonas sp. (gut fressbar). Es zeigte sich, dass der Fraßdruck, welcher selber durch die Produktivität beeinflusst wurde, einen bedeutenden Effekt auf die Invasibilität von Phytoplankton-Gemeinschaften hat. Die funktionellen Eigenschaften der invasiven und residenten Arten waren zudem bedeutender als die Artenzahl. N2 - To date, positive relationships between diversity and community biomass have been mainly found, especially in terrestrial ecosystems due to the complementarity and/or dominance effect. In this thesis, the effect of diversity on the performance of terrestrial plant and phytoplankton communities was investigated to get a better understanding of the underlying mechanisms in the biodiversity-ecosystem functioning context. In a large grassland biodiversity experiment, the Jena Experiment, the effect of community diversity on the individual plant performance was investigated for all species. The species pool consisted of 60 plant species belonging to 4 functional groups (grasses, small herbs, tall herbs, legumes). The experiment included 82 large plots which differed in species richness (1-60), functional richness (1-4), and community composition. Individual plant height increased with increasing species richness suggesting stronger competition for light in more diverse communities. The aboveground biomass of the individual plants decreased with increasing species richness indicating stronger competition in more species-rich communities. Moreover, in more species-rich communities plant individuals were less likely to flower out and had fewer inflorescences which may be resulting from a trade-off between resource allocation to vegetative height growth and to reproduction. Responses to changing species richness differed strongly between functional groups and between species of similar functional groups. To conclude, individual plant performance can largely depend on the diversity of the surrounding community. Positive diversity effects on biomass have been mainly found for substrate-bound plant communities. Therefore, the effect of diversity on the community biomass of phytoplankton was studied using microcosms. The communities consisted of 8 algal species belonging to 4 functional groups (green algae, diatoms, cyanobacteria, phytoflagellates) and were grown at different functional richness levels (1-4). Functional richness and community biomass were negatively correlated and all community biomasses were lower than their average monoculture biomasses of the component species, revealing community underyielding. This was mainly caused by the dominance of a fast-growing species which built up low biomasses in monoculture and mixture. A trade-off between biomass and growth rate in monoculture was found for all species, and thus fast-growing species built up low biomasses and slow-growing species reached high biomasses in monoculture. As the fast-growing, low-productive species monopolised nutrients in the mixtures, they became the dominant species resulting in the observed community underyielding. These findings suggest community overyielding when biomasses of the component species are positively correlated with their growth rates in monocultures. Aquatic microcosm experiments with an extensive design were performed to get a broad range of community responses. The phytoplankton communities differed in species diversity (1, 2, 4, 8, and 12), functional diversity (1, 2, 3, and 4) and community composition. The species/functional diversity positively affected community biomass, revealing overyielding in most of the communities. This was mainly caused by a positive complementarity effect which can be attributed to resource use complementarity and/or facilitative interaction among the species. Overyielding of more diverse communities occurred when the biomass of the component species was correlated positively with their growth rates in monoculture and thus, fast-growing and high-productive species were dominant in mixtures. This and the study mentioned above generated an emergent pattern for community overyielding and underyielding from the relationship between biomass and growth rate in monoculture as long as the initial community structure prevailed. Invasive species can largely affect ecosystem processes, whereas invasion is also influenced by diversity. To date, studies revealed negative and positive diversity effects on the invasibility (susceptibility of a community to the invasion by new species). The effect of productivity (nutrient concentration ranging from 10 to 640 µg P L-1), herbivory (presence/absence of the generalist feeder) and diversity (3, 4, 6 species were randomly chosen from the resident species pool) on the invasibility of phytoplankton communities consisting of 10 resident species was investigated using semi-continuous microcosms. Two functionally diverse invaders were chosen: the filamentous and less-edible cynaobacterium C. raciborskii and the unicellular and well-edible phytoflagellate Cryptomonas sp. The phytoflagellate indirectly benefited from grazing pressure of herbivores whereas C. raciborskii suffered more from it. Diversity did not affect the invasibility of the phytoplankton communities. Rather, it was strongly influenced by the functional traits of the resident and invasive species. KW - Artenzahl KW - funktionelle Diversität KW - Ökosystemfunktion KW - Performance KW - Primärproduzenten KW - Species number KW - functional diversity KW - ecosystem functioning KW - performance KW - primary producer Y1 - 2009 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-38936 ER - TY - THES A1 - Schmitt, Clemens Nikolaus Zeno T1 - The role of protein metal complexes in the mechanics of Mytilus californianus byssal threads T1 - Der Einfluss von Protein-Metall-Komplexen auf die mechanischen Eigenschaften der Byssusfäden von Mytilus californianus N2 - Protein-metal coordination complexes are well known as active centers in enzymatic catalysis, and to contribute to signal transduction, gas transport, and to hormone function. Additionally, they are now known to contribute as load-bearing cross-links to the mechanical properties of several biological materials, including the jaws of Nereis worms and the byssal threads of marine mussels. The primary aim of this thesis work is to better understand the role of protein-metal cross-links in the mechanical properties of biological materials, using the mussel byssus as a model system. Specifically, the focus is on histidine-metal cross-links as sacrificial bonds in the fibrous core of the byssal thread (Chapter 4) and L-3,4-dihydroxyphenylalanine (DOPA)-metal bonds in the protective thread cuticle (Chapter 5). Byssal threads are protein fibers, which mussels use to attach to various substrates at the seashore. These relatively stiff fibers have the ability to extend up to about 100 % strain, dissipating large amounts of mechanical energy from crashing waves, for example. Remarkably, following damage from cyclic loading, initial mechanical properties are subsequently recovered by a material-intrinsic self-healing capability. Histidine residues coordinated to transition metal ions in the proteins comprising the fibrous thread core have been suggested as reversible sacrificial bonds that contribute to self-healing; however, this remains to be substantiated in situ. In the first part of this thesis, the role of metal coordination bonds in the thread core was investigated using several spectroscopic methods. In particular, X-ray absorption spectroscopy (XAS) was applied to probe the coordination environment of zinc in Mytilus californianus threads at various stages during stretching and subsequent healing. Analysis of the extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) suggests that tensile deformation of threads is correlated with the rupture of Zn-coordination bonds and that self-healing is connected with the reorganization of Zn-coordination bond topologies rather than the mere reformation of Zn-coordination bonds. These findings have interesting implications for the design of self-healing metallopolymers. The byssus cuticle is a protective coating surrounding the fibrous thread core that is both as hard as an epoxy and extensible up to 100 % strain before cracking. It was shown previously that cuticle stiffness and hardness largely depend on the presence of Fe-DOPA coordination bonds. However, the byssus is known to concentrate a large variety of metals from seawater, some of which are also capable of binding DOPA (e.g. V). Therefore, the question arises whether natural variation of metal composition can affect the mechanical performance of the byssal thread cuticle. To investigate this hypothesis, nanoindentation and confocal Raman spectroscopy were applied to the cuticle of native threads, threads with metals removed (EDTA treated), and threads in which the metal ions in the native tissue were replaced by either Fe or V. Interestingly, replacement of metal ions with either Fe or V leads to the full recovery of native mechanical properties with no statistical difference between each other or the native properties. This likely indicates that a fixed number of metal coordination sites are maintained within the byssal thread cuticle – possibly achieved during thread formation – which may provide an evolutionarily relevant mechanism for maintaining reliable mechanics in an unpredictable environment. While the dynamic exchange of bonds plays a vital role in the mechanical behavior and self-healing in the thread core by allowing them to act as reversible sacrificial bonds, the compatibility of DOPA with other metals allows an inherent adaptability of the thread cuticle to changing circumstances. The requirements to both of these materials can be met by the dynamic nature of the protein-metal cross-links, whereas covalent cross-linking would fail to provide the adaptability of the cuticle and the self-healing of the core. In summary, these studies of the thread core and the thread cuticle serve to underline the important and dynamic roles of protein-metal coordination in the mechanical function of load-bearing protein fibers, such as the mussel byssus. N2 - Protein-Metall Bindungen sind vor allem durch ihre Rolle in physiologischen Prozessen bekannt. Vor kurzem jedoch wurde eine völlig andere Funktion dieser chemischen Bindungen, als lasttragendes Vernetzungselement in Kieferzangen mariner Ringelwürmer der Gattung Nereis und Byssusfäden mariner Muscheln der Gattung Mytilus (Miesmuscheln) entdeckt. Ziel dieser Dissertation ist es, am Beispiel von M. californianus Byssusfäden, ein besseres Verständnis des Einflusses von Protein-Metall Komplexen auf die mechanischen Eigenschaften biologischer Materialien zu erlangen. Byssusfäden sind Proteinfasern, welche Miesmuscheln zur sicheren Befestigung verwenden. Diese relativ steifen Fäden können bis zu 100 % gedehnt zu werden, ohne zu brechen. Bei sofortiger Wiederbelastung zeigt sich jedoch eine Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften des Materials. Erstaunlicherweise können sich die mechanischen Eigenschaften der Fäden hiervon wieder erholen. Es wird angenommen, dass im Faserkern der Byssusfäden die Aminosäure Histidin Bindungen mit Metallionen eingeht, welche als reversible Opferbindungen fungieren können und so einen Selbstheilungsprozess ermöglichen. In dieser Arbeit wurde der Beitrag von Protein-Zink Bindungen zur Mechanik der Byssusfäden mittels Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS), untersucht. Die ermittelten Daten legen nahe, dass Zn-Aminosäure Bindungen unter Dehnung der Byssusfäden brechen. Des Weiteren scheint der Selbstheilungsprozess nicht auf der bloßen Wiederherstellung dieser Bindungen zu beruhen, sondern viel mehr auf der Regenerierung der anfänglichen Bindungsstruktur und -verteilung. Diese Erkenntnisse stellen interessante Konzepte für die Entwicklung von selbstheilenden Metallopolymeren bereit. Die relativ harte Hülle der Byssusfäden schützt den Faserkern vor Abrieb. Laut Literatur basiert ihre Härte und Steifigkeit hauptsächlich auf der Quervernetzung durch Fe-DOPA (eine modifizierte Aminosäure) Bindungen. Jedoch können verschiedene Metalle aus dem Meerwasser in Byssusfäden aufgenommen werden und auch Bindungen mit DOPA bilden. Daher stellt sich die Frage, nach dem Zusammenhang zwischen mechanischen Eigenschaften und der Metallzusammensetzung der Byssushülle. Um dieser Frage nachzugehen, wurden die Metallionen aus der Hülle natürlicher Byssusfäden entfernt, und durch entweder Fe oder V ersetzt. Anschließend wurden die mechanischen Eigenschaften der Hüllen der behandelten und unbehandelten Byssusfäden mittels Nanoindentierung bestimmt. Interessanterweise besteht kein Unterschied der mechanischen Eigenschaften der natürlichen und modifizierten Hüllen der Byssusfäden, was dafür spricht, dass in der Hülle der Byssusfäden eine feste Anzahl an Protein-Metall Quervernetzungspunkten vorhanden ist, die möglicherweise durch den speziellen Produktionsprozess der Fäden festgelegt wird. Dies könnte eine evolutionäre Anpassung des Byssus darstellen, um eine verlässliche Verankerung des Organismus in verschiedenen Umgebungen zu gewährleisten. Während die Dynamik der Protein-Metall Bindungen ihnen eine Rolle als chemische Opferbindung im selbstheilenden Faserkern erlaubt, ermöglicht sie die Funktion der Hülle unter Verwendung verschiedener Metalle. Andere nicht-kovalente Wechselwirkungen haben sicherlich eine ähnliche Dynamik, und kovalente Bindungen sind stabiler, aber nur Protein-Metall Bindungen erlauben eine stabile und dynamische Quervernetzung, ohne die weder das Anpassungsvermögen der Hülle, noch das Selbstheilungsvermögen des Faserkerns möglich wären. Die Untersuchungen der Hülle und des Faserkerns der Byssusfäden verdeutlichen die Wichtigkeit der Protein-Metall Bindungen und ihrer Dynamik für die mechanische Funktion lasttragender Proteinfasern, wie dem Byssus der Miesmuscheln. KW - biomaterials KW - self-healing materials KW - protein-metal interaction KW - Biomaterialien KW - selbstheilende Materialien KW - Protein-Metall-Wechselwirkung Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-74216 ER - TY - THES A1 - Schreiber, J. A1 - Stahn, R. A1 - Schenk, Jörg A. A1 - Karsten, U. A1 - Pecher, Gabriele T1 - Binding of tumor antigen mucin (MUC1) derived peptides to the heat shock protein DnaK Y1 - 2000 ER - TY - THES A1 - Schudoma, Christian T1 - Bioinformatic approaches to sequence-structure relationships in RNA loops Y1 - 2011 CY - Potsdam ER - TY - THES A1 - Schulte, Luise T1 - Dynamics of Larix (Mill.) species in Siberia during the last 50,000 years inferred from sedimentary ancient DNA T1 - Die Dynamik sibirischer Lärchenarten (Larix Mill.) während der der letzten 50.000 Jahre, untersucht mittels sedimentärer alter DNA N2 - The deciduous needle tree larch (Larix Mill.) covers more than 80% of the Asian boreal forests. Only a few Larix species constitute the vast forests and these species differ markedly in their ecological traits, most importantly in their ability to grow on and stabilize underlying permafrost. The pronounced dominance of the summergreen larches makes the Asian boreal forests unique, as the rest of the northern hemisphere boreal forests is almost exclusively dominated by evergreen needle-leaf forests. Global warming is impacting the whole world but is especially pronounced in the arctic and boreal regions. Although adapted to extreme climatic conditions, larch forests are sensitive to varying climatic conditions. By their sheer size, changes in Asian larch forests as range shifts or changes in species composition and the resulting vegetation-climate feedbacks are of global relevance. It is however still uncertain if larch forests will persist under the ongoing warming climate or if they will be replaced by evergreen forests. It is therefore of great importance to understand how these ecosystems will react to future climate warmings and if they will maintain their dominance. One step in the better understanding of larch dynamics is to study how the vast dominant forests developed and why they only established in northern Asia. A second step is to study how the species reacted to past changes in the climate. The first objective of this thesis was to review and identify factors promoting Asian larch dominance. I achieved this by synthesizing and comparing reported larch occurrences and influencing components on the northern hemisphere continents in the present and in the past. The second objective was to find a possibility to directly study past Larix populations in Siberia and specifically their genetic variation, enabling the study of geographic movements. For this, I established chloroplast enrichment by hybridization capture from sedimentary ancient DNA (sedaDNA) isolated from lake sediment records. The third objective was to use the established method to track past larch populations, their glacial refugia during the Last Glacial Maximum (LGM) around 21,000 years before present (ka BP), and their post-glacial migration patterns. To study larch promoting factors, I compared the present state of larch species ranges, areas of dominance, their bioclimatic niches, and the distribution on different extents and thaw depths of permafrost. The species comparison showed that the bioclimatic niches greatly overlap between the American and Asian species and that it is only in the extremely continental climates in which only the Asian larch species can persist. I revealed that the area of dominance is strongly connected to permafrost extent but less linked to permafrost seasonal thaw depths. Comparisons of the paleorecord of larch between the continents suggest differences in the recolonization history. Outside of northern Asia and Alaska, glacial refugial populations of larch were confined to the southern regions and thus recolonization could only occur as migration from south to north. Alaskan larch populations could not establish wide-range dominant forest which could be related to their own genetically depletion as separated refugial population. In Asia, it is still unclear whether or not the northern refugial populations contributed and enhanced the postglacial colonization or whether they were replaced by populations invading from the south in the course of climate warming. Asian larch dominance is thus promoted partly by adaptions to extremely continental climates and by adaptations to grow on continuous permafrost but could be also connected to differences in glacial survival and recolonization history of Larix species. Except for extremely rare macrofossil findings of fossilized cones, traditional methods to study past vegetation are not able to distinguish between larch species or populations. Within the scope of this thesis, I therefore established a method to retrieve genetic information of past larch populations to distinguish between species. Using the Larix chloroplast genome as target, I successfully applied the method of DNA target enrichment by hybridization capture on sedaDNA samples from lake records and showed that it is able to distinguish between larch species. I then used the method on samples from lake records from across Siberia dating back up to 50 ka BP. The results allowed me to address the question of glacial survival and post-glacial recolonization mode in Siberian larch species. The analyzed pattern showed that LGM refugia were almost exclusively constituted by L. gmelinii, even in sites of current L. sibirica distribution. For included study sites, L. sibirica migrated into its extant northern distribution area only in the Holocene. Consequently, the post-glacial recolonization of L. sibirica was not enhanced by northern glacial refugia. In case of sites in extant distribution area of L. gmelinii, the absence of a genetic turn-over point to a continuous population rather than an invasion of southern refugia. The results suggest that climate has a strong influence on the distribution of Larix species and that species may also respond differently to future climate warming. Because species differ in their ecological characteristics, species distribution is also relevant with respect to further feedbacks between vegetation and climate. With this thesis, I give an overview of present and past larch occurrences and evaluate which factors promote their dominance. Furthermore, I provide the tools to study past Larix species and give first important insights into the glacial history of Larix populations. N2 - Der sommergrüne Nadelbaum Lärche (Larix Mill.) bedeckt mehr als 80 % der Fläche der borealen Wälder Asiens. Nur wenige Lärchenarten bilden ausgedehnte Wälder und diese Arten unterscheiden sich deutlich in ihren ökologischen Eigenschaften, vor allem in ihrer Fähigkeit, auf Permafrost zu wachsen und diesen zu stabilisieren. Die ausgeprägte Dominanz der sommergrünen Lärchen macht die asiatischen borealen Wälder einzigartig, da der Rest der borealen Wälder der Nordhalbkugel fast ausschließlich von immergrünen Nadelwäldern dominiert wird. Die Klimaerwärmung wirkt sich auf die ganze Welt aus, ist aber in den arktischen und borealen Regionen besonders ausgeprägt. Obwohl die Lärchenwälder an extreme klimatische Bedingungen angepasst sind, reagieren sie empfindlich auf klimatische Schwankungen. Aufgrund ihrer schieren Größe sind Veränderungen in asiatischen Lärchenwäldern, wie z. B. Verschiebungen des Verbreitungsgebiets oder Veränderungen in der Artenzusammensetzung und die daraus resultierenden Rückkopplungen zwischen Vegetation und Klima, von globaler Bedeutung. Es ist jedoch noch ungewiss, ob die Lärchenwälder unter der fortschreitenden Klimaerwärmung bestehen bleiben oder durch immergrüne Wälder ersetzt werden. Es ist daher von großer Bedeutung zu verstehen, wie diese Ökosysteme auf die künftige Klimaerwärmung reagieren werden und ob sie ihre Dominanz behalten werden. Ein Schritt zum besseren Verständnis der Lärchendynamik besteht darin, zu untersuchen, wie die riesigen dominanten Wälder von heute entstanden sind und warum sie sich nur in Nordasien etabliert haben. In einem zweiten Schritt soll untersucht werden, wie die Art auf vergangene Klimaveränderungen reagiert hat. Das erste Ziel dieser Arbeit bestand darin, die Faktoren zu ermitteln, die die Dominanz der asiatischen Lärche begünstigen. Dies erreichte ich, indem ich die dokumentierten Lärchenvorkommen und die sie beeinflussenden Komponenten auf den Kontinenten der nördlichen Hemisphäre in der Gegenwart und in der Vergangenheit gesammelt und verglichen habe. Das zweite Ziel bestand darin, eine Möglichkeit zu finden, frühere Lärchenpopulationen in Sibirien und insbesondere ihre genetische Variation direkt zu studieren, um geografische Bewegungen untersuchen zu können. Dafür etablierte ich die Methode der Anreicherung von Chloroplasten durch Hybridisierung von alter sedimentärer DNA (sedaDNA) isoliert aus Seesedimenten. Das dritte Ziel bestand darin, die etablierte Methode zu nutzen, um vergangene Lärchenpopulationen, ihre eiszeitlichen Refugien während des letzten glazialen Maximums (LGM) um ca. 21.000 Jahre vor der Gegenwart (ka BP) und ihre nacheiszeitlichen Migrationsmuster zu verfolgen. Um die Faktoren zu untersuchen, die die Ausbreitung der Lärche begünstigen, verglich ich den gegenwärtigen Stand der Verbreitungsgebiete der Lärchenarten, die Gebiete, in denen sie vorherrschen, ihre bioklimatischen Nischen und die Verteilung auf verschiedene Ausdehnungen und Auftautiefen des Permafrosts. Der Artenvergleich zeigte, dass sich die bioklimatischen Nischen der amerikanischen und asiatischen Arten stark überschneiden und dass nur in den extrem kontinentalen Klimazonen ausschließlich die asiatischen Lärchenarten überleben können. Es zeigte sich, dass das Verbreitungsgebiet stark mit der Permafrostausdehnung zusammenhängt, aber weniger mit der saisonalen Auftautiefe des Permafrosts. Der Vergleich vergangener Lärchenvorkommen zwischen den Kontinenten deutet auf Unterschiede in der Rekolonisationsgeschichte hin. Außerhalb Nordasiens und Alaskas waren die eiszeitlichen Lärchenpopulationen auf die südlichen Regionen beschränkt, so dass die Wiederbesiedlung nur als Wanderung von Süden nach Norden erfolgen konnte. Die Lärchenpopulationen in Alaska konnten keinen weiträumig dominanten Wald etablieren, was mit ihrer eigenen genetischen Verarmung als abgeschiedene Refugialpopulation zusammenhängen könnte. In Asien ist noch unklar, ob die nördlichen Refugialpopulationen zur nacheiszeitlichen Besiedlung beigetragen und diese verstärkt haben oder ob sie im Zuge der Klimaerwärmung durch von Süden eindringende Populationen ersetzt wurden. Die Dominanz der asiatischen Lärche wird also zum Teil durch Anpassungen an das extrem kontinentale Klima und durch Anpassungen an das Wachstum auf kontinuierlichem Permafrost begünstigt, könnte aber auch mit Unterschieden in der glazialen Überlebens- und Rekolonisationsgeschichte der Larix-Arten zusammenhängen. Abgesehen von den äußerst seltenen Makrofossilienfunden versteinerter Zapfen sind die herkömmlichen Methoden zur Untersuchung der vergangenen Vegetation nicht in der Lage, zwischen Lärchenarten oder -populationen zu unterscheiden. Im Rahmen dieser Arbeit habe ich daher eine Methode zur Gewinnung genetischer Informationen früherer Lärchenpopulationen entwickelt, um zwischen den Arten zu unterscheiden. Unter Verwendung des Larix-Chloroplastengenoms habe ich die Methode der DNA-Anreicherung durch Hybridisierung erfolgreich auf sedaDNA-Proben aus See-sedimentbohrkernen angewandt und gezeigt, dass die Methode erlaubt zwischen Lärchenarten zu unterscheiden. Anschließend wendete ich die Methode auf Proben aus Seen in ganz Sibirien an, die bis zu 50 ka BP zurückreichen. Anhand der Ergebnisse konnte ich zur Beantwortung der Frage beitragen, welche sibirische Lärchenarten während des LGM überlebten und wie die postglaziale Wiederbesiedlung stattfand. Das analysierte Muster zeigte, dass die LGM-Refugien fast ausschließlich von L. gmelinii gebildet wurden, selbst an Orten, an denen heute L. sibirica verbreitet ist. In den untersuchten Gebieten ist L. sibirica erst im Holozän in ihr heutiges nördliches Verbreitungsgebiet eingewandert. Folglich wurde die nacheiszeitliche Wiederbesiedlung von L. sibirica nicht durch nördliche eiszeitliche Refugien gefördert. Im Falle der Standorte im heutigen Verbreitungsgebiet von L. gmelinii deutet das Fehlen eines Wechsels genetischer Variation eher auf eine kontinuierliche Population als auf eine Invasion aus südlichen Refugien hin. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Klima einen starken Einfluss auf die Verbreitung von Larix-Arten hat und die Arten auch auf zukünftige Klimaerwärmung unterschiedlich reagieren könnten. Da die Arten sich in ihren ökologischen Eigenschaften unterscheiden, ist eine Änderung in der Verbreitung der Arten auch im Hinblick auf weitere Rückkopplungen zwischen Vegetation und Klima relevant. In dieser Arbeit gebe ich einen Überblick über die heutigen und früheren Lärchenvorkommen und bewerte, welche Faktoren ihre Dominanz begünstigen. Darüber hinaus stelle ich eine Methode zur Untersuchung vergangener Lärchenarten bereit und gebe erste wichtige Einblicke in ihre glaziale Geschichte. KW - ancient DNA KW - ancient sedimentary DNA KW - Larix KW - larch KW - glacial refugia KW - postglacial recolonization KW - phylogeography KW - hybridization capture KW - target enrichment KW - shotgun sequencing KW - chloroplast KW - Siberia KW - Larix KW - Sibirien KW - alte DNA KW - alte sedimentäre DNA KW - Chloroplast KW - glaziale Refugien KW - Lärche KW - Phylogeographie KW - nacheiszeitliche Wiederbesiedlung KW - Shotgun Sequenzierung Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-558782 ER - TY - THES A1 - Schulz, Elisa T1 - The role of flavonols and anthocyanins in the cold an UV-B acclimation of Arabidopsis thaliana (L.) Y1 - 2014 ER - TY - THES A1 - Schulze, Torsten T1 - Changes in structure and function of the fish community in a mesotrophic lake ecosystem after stocking a non- native top predator Y1 - 2005 ER - TY - THES A1 - Schumacher, Julia T1 - Regulation and function of STERILE APETALA in Arabidopsis flower development N2 - STERILE APETALA (SAP) is known to be an essential regulator of flower development for over 20 years. Loss of SAP function in the model plant Arabidopsis thaliana is associated with a reduction of floral organ number, size and fertility. In accordance with the function of SAP during early flower development, its spatial expression in flowers is confined to meristematic stages and to developing ovules. However, to date, despite extensive research, the molecular function of SAP and the regulation of its spatio-temporal expression still remain elusive. In this work, amino acid sequence analysis and homology modeling revealed that SAP belongs to the rare class of plant F-box proteins with C-terminal WD40 repeats. In opisthokonts, this type of F-box proteins constitutes the substrate binding subunit of SCF complexes, which catalyze the ubiquitination of proteins to initiate their proteasomal degradation. With LC-MS/MS-based protein complex isolation, the interaction of SAP with major SCF complex subunits was confirmed. Additionally, candidate substrate proteins, such as the growth repressor PEAPOD 1 and 2 (PPD1/2), could be revealed during early stages of flower development. Also INDOLE-3-BUTYRIC ACID RESPONSE 5 (IBR5) was identified among putative interactors. Genetic analyses indicated that, different from substrate proteins, IBR5 is required for SAP function. Protein complex isolation together with transcriptome profiling emphasized that the SCFSAP complex integrates multiple biological processes, such as proliferative growth, vascular development, hormonal signaling and reproduction. Phenotypic analysis of sap mutant and SAP overexpressing plants positively correlated SAP function with plant growth during reproductive and vegetative development. Furthermore, to elaborate on the transcriptional regulation of SAP, publicly available ChIP-seq data of key floral homeotic proteins were reanalyzed. Here, it was shown that the MADS-domain transcription factors APETALA 1 (AP1), APETALA 3 (AP3), PISTILLATA (PI), AGAMOUS (AG) and SEPALLATA 3 (SEP3) bind to the SAP locus, which indicates that SAP is expressed in a floral organ-specific manner. Reporter gene analyses in combination with CRISPR/Cas9-mediated deletion of putative regulatory regions further demonstrated that the intron contains major regulatory elements of SAP in Arabidopsis thaliana. In conclusion, these data indicate that SAP is a pleiotropic developmental regulator that acts through tissue-specific destabilization of proteins. The presumed transcriptional regulation of SAP by the floral MADS-domain transcription factors could provide a missing link between the specification of floral organ identity and floral organ growth pathways. KW - STERILE APETALA KW - SAP KW - flower development KW - organ size KW - F-box KW - WD40 KW - SCF complex KW - ubiquitin KW - proteasomal degradation KW - MADS Y1 - 2019 ER - TY - THES A1 - Schumann, Anne T1 - Development of GIPR antagonists for targeted radiotherapy in neuroendocrine neoplasms N2 - Die Theorie der zielgerichteten Radiotherapie basiert auf der Überexpression von spezifischen Rezeptoren auf der Oberfläche von entarteten Zellen. In präklinischen Studien konnte der Gastric inhibitory polypeptide receptor (GIPR) in besonders hoher Dichte in neuroendokrinen Neoplasien (NENs) identifiziert werden, wohingegen er in gesundem Gewebe kaum vorkommt (Waser 2012). Die Verwendung von Somatostatinrezeptor 2 (SSTR2) bindenden Molekülen, welche mit radioaktiven Isotopen verbunden sind, wird in der klinischen Praxis zur Diagnose und Therapie (Theranostik) von NEN´s eingesetzt, wodurch die Tumorzellen gezielt sichtbar gemacht oder zerstört werden können. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung von Molekülen mit besonders hoher Affinität gegenüber dem GIPR zum Einsatz in der zielgerichteten Radiotherapie. Es sollte die Hypothese überprüft werden, ob ein neuartiger GIPR Antagonist bei der Detektion von GIPR-positiven Tumoren, bessere Ergebnisse als der GIPR Agonist GIP(1-30) generieren kann. (Reubi 2017). Darüber hinaus wurde auch ein direkter Vergleich mit dem SSTR2 Agonist DOTATATE und Antagonist JR11 für die Detektion von NENs angestellt. Die im Rahmen der Arbeit entwickelten neuen GIPR-bindenden Antagonisten sind nicht von GIP abgeleitet. Die Konjugation mit DOTA erlaubt die Komplexbildung mit diagnostischen (z.B. 111In) und therapeutischen Radionukliden (z.B. 177Lu). Unter der Vielzahl entwickelten Verbindungen, war das Molekül 3BP-3775 der vielversprechendste Kandidat für eine klinische Weiterentwicklung. Es zeigte sich ein hohe GIPR Affinität und langanhaltende Rezeptorbindung in vitro und darüber hinaus bei in vivo Versuchen eine starke und persistente Aufnahme in den Tumor. Die geringe Verteilung in den Nieren repräsentiert dabei die herausragenden Eigenschaften von 3BP-3775 im Gegensatz zu bereits publizierten Daten mit GIP abgeleiteten Verbindungen (Gourni 2014). Mit 177Lu-3BP-3775 konnte zum ersten Mal eine therapeutische Wirksamkeit eines GIPR-Binders nachgewiesen werden. Mittels in vitro Rezeptor Autoradiographie wurde zudem gezeigt, dass ein neu entwickelter GIPR Antagonist (111In-3BP-3626) eine 6-fach höhere Bindung an gastroenteropankreatische (GEP) und bronchiale NENs zeigt als der heute klinisch relevanteste SSTR2 Agonist DOTATATE. Zwar war die Bindung des SSTR2 Antagonist JR11 vergleichbar stark, jedoch wurde bei JR11 eine deutlich höhere Bindung in gesundem Gewebe detektiert, weshalb sich für 3BP-3626 ein zu favorisierendes Tumor-zu-Hintergrund Bindungsverhältnis errechnen ließ. Die Bindung des GIPR Agonisten 111In GIP(1 30) war in allen untersuchten Proben sehr gering. Anhand der Ergebnisse ergab sich folgende Reihenfolge bei der Beurteilung der untersuchten Verbindung und ihrer Fähigkeit NENs gezielt zu detektieren: 111In 3BP 3626 ~ 111In-JR11> 111In-DOTATATE > 111In-GIP(1-30). Die erfolgreiche Entwicklung von neuartigen Molekülen für zielgerichtete Anwendungen gegen den GIPR bildet das Kernstück der vorliegenden Arbeit. Die erzielten in vitro und in vivo Ergebnisse sind die Grundlage für die Weiterentwicklung des GIPR Antagonisten 3BP-3775 um dessen klinischen Einsatz in der Radiotherapie von GEP- und bronchialen NENs zu realisieren. N2 - Receptors predominantly expressed on tumor cells represent one of the key prerequisites of targeted radiotherapy. The gastric inhibitory polypeptide receptor (GIPR) has emerged as a promising target due to its substantial overexpression in neuroendocrine neoplasms (NENs) and virtual absence in healthy tissues (Waser 2012). So far, only radiolabeled peptides targeting the somatostatin receptor 2 (SSTR2) are approved for targeted radiotherapy of inoperable, metastatic NENs. The aim of this thesis was to develop highly affine GIPR tracers for targeted radiotherapy by continuous in vitro and in vivo characterization of peptide sequence modifications. It was hypothesized that a GIPR antagonist might increase the sensitivity to detect GIPR-positive tumors relative to the agonist GIP(1-30), as shown for SSTR2 tracers (Reubi 2017). Further comparison to the SSTR2 agonist and antagonist (DOTATATE, JR11) should allow compound ranking regarding their ability to detect NENs. The novel GIPR-targeting antagonists were conjugated to DOTA, enabling complexation of diagnostic (e. g. 111In) and therapeutic radionuclides (e. g. 177Lu). Among the high number of compounds screened, 3BP-3775 proved to be the most promising candidate for further preclinical and clinical development. High GIPR affinity and long receptor residence time in vitro were reflected in strong tumor uptake and retention in vivo. Low initial kidney accumulation and fast subsequent clearance represented a major advantage relative to previously described GIPR-targeting molecules (Gourni 2014). Furthermore, administration of 177Lu-3BP-3775 demonstrated for the first time strong therapeutic efficacy of a GIPR-targeting compound. In vitro receptor autoradiography with 111In-3BP-3626 (GIPR antagonist) demonstrated up to 6-fold higher signals in gastroenteropancreatic and bronchial NENs, relative to the clinically utilized SSTR2 agonist 111In-DOTATATE. Both receptor antagonists, however, revealed similar signal strength. In contrast to 111In-JR11, 111In-3BP-3626 showed no binding to non-target tissues, which led to higher tumor-to-background ratios for 111In-3BP-3626. Signal strength of the GIPR agonist 111In-GIP(1-30) was close to background in all investigated tumor samples. The ranking of compounds according to their ability to detect NENs based on autoradiographic signal intensities was determined to be: 111In-3BP-3626 ~ 111In-JR11> 111In-DOTATATE > 111In GIP(1-30). In summary, this thesis proposes the application of the GIPR antagonist 3BP-3775 for a targeted radiotherapy in GEP- and bronchial NENs. KW - Theranostic KW - Neuroendocrine tumors KW - targeted therapy KW - gastric inhibitory polypeptide receptor Y1 - 2022 ER - TY - THES A1 - Schurr, Frank Martin T1 - From genes to species ranges : demographic studies of plant dynamics at multiple scales Y1 - 2009 CY - Potsdam ER - TY - THES A1 - Schuster, Maja T1 - High resolution decoding of the tobacco chloroplast translatome and its dynamics during light-intensity acclimation N2 - Chloroplasts are the photosynthetic organelles in plant and algae cells that enable photoautotrophic growth. Due to their prokaryotic origin, modern-day chloroplast genomes harbor 100 to 200 genes. These genes encode for core components of the photosynthetic complexes and the chloroplast gene expression machinery, making most of them essential for the viability of the organism. The regulation of those genes is predominated by translational adjustments. The powerful technique of ribosome profiling was successfully used to generate highly resolved pictures of the translational landscape of Arabidopsis thaliana cytosol, identifying translation of upstream open reading frames and long non-coding transcripts. In addition, differences in plastidial translation and ribosomal pausing sites were addressed with this method. However, a highly resolved picture of the chloroplast translatome is missing. Here, with the use of chloroplast isolation and targeted ribosome affinity purification, I generated highly enriched ribosome profiling datasets of the chloroplasts translatome for Nicotiana tabacum in the dark and light. Chloroplast isolation was found unsuitable for the unbiased analysis of translation in the chloroplast but adequate to identify potential co-translational import. Affinity purification was performed for the small and large ribosomal subunit independently. The enriched datasets mirrored the results obtained from whole-cell ribosome profiling. Enhanced translational activity was detected for psbA in the light. An alternative translation initiation mechanism was not identified by selective enrichment of small ribosomal subunit footprints. In sum, this is the first study that used enrichment strategies to obtain high-depth ribosome profiling datasets of chloroplasts to study ribosome subunit distribution and chloroplast associated translation. Ever-changing light intensities are challenging the photosynthetic capacity of photosynthetic organism. Increased light intensities may lead to over-excitation of photosynthetic reaction centers resulting in damage of the photosystem core subunits. Additional to an expensive repair mechanism for the photosystem II core protein D1, photosynthetic organisms developed various features to reduce or prevent photodamage. In the long-term, photosynthetic complex contents are adjusted for the efficient use of experienced irradiation. However, the contribution of chloroplastic gene expression in the acclimation process remained largely unknown. Here, comparative transcriptome and ribosome profiling was performed for the early time points of high-light acclimation in Nicotiana tabacum chloroplasts in a genome-wide scale. The time- course data revealed stable transcript level and only minor changes in translational activity of specific chloroplast genes during high-light acclimation. Yet, psbA translation was increased by two-fold in the high light from shortly after the shift until the end of the experiment. A stress-inducing shift from low- to high light exhibited increased translation only of psbA. This study indicate that acclimation fails to start in the observed time frame and only short-term responses to reduce photoinhibition were observed. N2 - Chloroplasten sind die photosynthetischen Organellen in Pflanzen- und Algenzellen, die photoautotrophes Wachstum ermöglichen. Aufgrund ihrer prokaryotischen Herkunft besitzen moderne Chloroplasten ein Genom mit 100 bis 200 Gene. Diese kodieren für zentrale Komponenten der Photosynthesekomplexe und des Genexpressionsapparates, was sie für die Lebensfähigkeit des gesamten Organismus essenziell macht. Die leistungsstarke Methode Ribosome Profiling wurde bereits erfolgreich eingesetzt, um hochaufgelöste Bilder der zytosolischen Translationslandschaft von Arabidopsis thaliana zu erstellen, wobei Translation von der Hauptsequenz vorgelagerten, kodierenden Sequenzen und langen, nicht-kodierenden Transkripten identifiziert wurde. Ferner wurden mit dieser Technik Regulationen der Plastidentranslation und spezifische Regionen mit unterschiedlicher Elongationsgeschwindigkeit aufgedeckt. Es fehlen jedoch hochaufgelöste Datensätze des Chloroplasten-Translatoms. Chloroplastenisolation und Affinitätsaufreinigung chloroplastidiärer Ribosomen wurde verwendet, um hochangereicherte Ribosome Profiling-Datensätze des Chloroplastentranslatoms für Nicotiana tabacum im Dunkeln und unter Licht zu erzeugen. Wenngleich sich die Chloroplastenisolation als ungeeignet für eine unverfälschte Analyse der Translation im Chloroplast erwies, ermöglichte sie die Identifizierung von potentiellem co-translationalen Proteinimport. Die entsprechenden Datensätze spiegelten die Ergebnisse des zellulären Ribosome Profilings wider. Für psbA wurde im Licht erhöhte Translationsaktivität festgestellt. Alternative Initiationsmechanismen konnten durch spezifische Anreicherung der kleinen ribosomalen Untereinheit nicht verifiziert werden. Zusammenfassend, dies ist die erste Studie, die mittels Anreicherungsstrategien hochaufgelöste Ribosome Profiling-Datensätze zur Analyse von Ribosomuntereinheitsverteilungen und Chloroplast-assoziierter Translation nutzte. Ständig wechselnde Lichtintensitäten stellen die Photosynthesekapazität von photosynthetischen Organismen auf die Probe. Erhöhte Lichtintensitäten können zu einer Überreizung der photosynthetischen Reaktionszentren führen, was Beschädigungen von zentralen Komplexeinheiten der Photosysteme verursacht. Neben einem aufwändigen Reparaturmechanismus für das Photosystem II-Protein D1 entwickelte der photosynthetische Organismus verschiedene Mechanismen um lichtinduzierte Schäden zu reduzieren oder zu verhindern. Langfristig kommt es zu einer Anreicherung spezifischer Photosynthesekomplexen um eine effiziente Ausnutzung der erhöhten Strahlung zu gewährleisten. Der Beitrag der chloroplastidiäeren Genexpressionsregulation zum Akklimatisierungsprozess ist jedoch weitgehend unbekannt. Hier wurde ein vergleichendes Transkript- und Ribosomen Profiling für die frühen Zeitpunkte der Akklimatisierung unter Starklicht in Tabakchloroplasten in einem genomweiten Maßstab durchgeführt. Die Zeitverlaufsdaten zeigten ein unverändertes Transkriptniveau und nur geringe Änderungen der translationalen Aktivität von chloroplastidiären Genen im Hochlicht im Vergleich zu Kontrollproben. Die psbA-Translation war jedoch unter Hochlicht schon kurz nach Beginn bis zum Ende des Experiments um etwa das Zweifache erhöht. Der stressinduzierende Wechsel von Schwach- zu Hochlicht bewirkte ebenfalls eine auf psbA-beschränkt, erhöhte Translation. Die Ergebnisse zeigen, dass die Akklimatisierung im beobachteten Zeitrahmen nicht begonnen hatte und nur kurzfristige Reaktionen zur Verringerung der Photoinhibition wirksam gewesen sein konnten. KW - translation KW - chloroplast KW - high light KW - ribosome profiling Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-512680 ER - TY - THES A1 - Schwager, Monika T1 - Climate change, variable colony sizes and temporal autocorrelation : consequences of living in changing environments T1 - Klimawandel, variable Koloniegrößen und zeitliche Autokorrelation : Leben in einer variablen Umwelt N2 - Natural and human induced environmental changes affect populations at different time scales. If they occur in a spatial heterogeneous way, they cause spatial variation in abundance. In this thesis I addressed three topics, all related to the question, how environmental changes influence population dynamics. In the first part, I analysed the effect of positive temporal autocorrelation in environmental noise on the extinction risk of a population, using a simple population model. The effect of autocorrelation depended on the magnitude of the effect of single catastrophic events of bad environmental conditions on a population. If a population was threatened by extinction only, when bad conditions occurred repeatedly, positive autocorrelation increased extinction risk. If a population could become extinct, even if bad conditions occurred only once, positive autocorrelation decreased extinction risk. These opposing effects could be explained by two features of an autocorrelated time series. On the one hand, positive autocorrelation increased the probability of series of bad environmental conditions, implying a negative effect on populations. On the other hand, aggregation of bad years also implied longer periods with relatively good conditions. Therefore, for a given time period, the overall probability of occurrence of at least one extremely bad year was reduced in autocorrelated noise. This can imply a positive effect on populations. The results could solve a contradiction in the literature, where opposing effects of autocorrelated noise were found in very similar population models. In the second part, I compared two approaches, which are commonly used for predicting effects of climate change on future abundance and distribution of species: a "space for time approach", where predictions are based on the geographic pattern of current abundance in relation to climate, and a "population modelling approach" which is based on correlations between demographic parameters and the inter-annual variation of climate. In this case study, I compared the two approaches for predicting the effect of a shift in mean precipitation on a population of the sociable weaver Philetairus socius, a common colonially living passerine bird of semiarid savannahs of southern Africa. In the space for time approach, I compared abundance and population structure of the sociable weaver in two areas with highly different mean annual precipitation. The analysis showed no difference between the two populations. This result, as well as the wide distribution range of the species, would lead to the prediction of no sensitive response of the species to a slight shift in mean precipitation. In contrast, the population modelling approach, based on a correlation between reproductive success and rainfall, predicted a sensitive response in most model types. The inconsistency of predictions was confirmed in a cross-validation between the two approaches. I concluded that the inconsistency was caused, because the two approaches reflect different time scales. On a short time scale, the population may respond sensitively to rainfall. However, on a long time scale, or in a regional comparison, the response may be compensated or buffered by a variety of mechanisms. These may include behavioural or life history adaptations, shifts in the interactions with other species, or differences in the physical environment. The study implies that understanding, how such mechanisms work, and at what time scale they would follow climate change, is a crucial precondition for predicting ecological consequences of climate change. In the third part of the thesis, I tested why colony sizes of the sociable weaver are highly variable. The high variation of colony sizes is surprising, as in studies on coloniality it is often assumed that an optimal colony size exists, in which individual bird fitness is maximized. Following this assumption, the pattern of bird dispersal should keep colony sizes near an optimum. However, I showed by analysing data on reproductive success and survival that for the sociable weaver fitness in relation to colony size did not follow an optimum curve. Instead, positive and negative effects of living in large colonies overlaid each other in a way that fitness was generally close to one, and density dependence was low. I showed in a population model, which included an evolutionary optimisation process of dispersal that this specific shape of the fitness function could lead to a dispersal strategy, where the variation of colony sizes was maintained. N2 - Änderungen in der Umwelt - sowohl natürliche Variabilität als auch anthropogene Änderungen - beeinflussen Populationen auf verschiedenen Zeitskalen. Wenn sie räumlich heterogen wirken, verursachen sie räumliche Variabilität in der Abundanz. In dieser Dissertation habe ich drei Themen bearbeitet, die sich auf den Effekt von Änderungen in der Umwelt auf Populationsdynamiken beziehen. Im ersten Teil untersuchte ich an einem einfachen Populationsmodell den Effekt von positiver zeitlicher Autokorrelation im Umweltrauschen auf das Extinktionsrisiko einer Population. Der Effekt der Autokorrelation hing davon ab, wie empfindlich eine Population gegenüber singulären, katastrophenähnlichen Ereignissen schlechter Umweltbedingungen war. War die Population nur dann direkt bedroht, wenn eine Serie von schlechten Umweltbedingungen auftrat, erhöhte positive Autokorrelation das Extinktionsrisiko. Konnte eine Population auch dann aussterben, wenn schlechte Umweltbedingungen einzeln auftraten, verringerte positive Autokorrelation das Extinktionsrisiko. Diese unterschiedlichen Effekte konnten durch zwei Eigenschaften autokorrelierter Zeitreihen erklärt werden. Einerseits erhöht positive Autokorrelation die Wahrscheinlichkeit, daß in einer Zeitreihe Serien von schlechten Bedingungen auftreten. Andererseits führt die Aggregation von schlechten Jahren auch zu langen Zeiträumen mit relativ guten Bedingungen. Deshalb ist die Wahrscheinlichkeit, daß innerhalb eines bestimmten Zeitraums zumindest ein extrem schlechtes Jahr auftritt, geringer unter positiver Autokorrelation. Die Ergebnisse konnten einen Widerspruch in der Literatur aufklären, in dem unterschiedliche Effekte von autokorreliertem Umweltrauschen auf das Extinktionsrisiko gefunden wurden, obwohl sehr ähnliche Modelle verwendet wurden. Im zweiten Teil, verglich ich zwei Methoden, die häufig verwendet werden, um den Effekt von Klimawandel auf die zukünftige Verbreitung und Abundanz von Arten vorauszusagen: Ein "Raum-ersetzt-Zeit-Ansatz" ("space for time approach"), in dem Voraussagen aufgrund der aktuellen geographischen Verbreitung und Abundanz einer Art in Relation zum Klima getroffen werden, und ein "Populationsmodell-Ansatz", der auf Korrelationen zwischen demographischen Parametern und der jährlichen Variabilität im Klimas beruht. In einer Fallstudie verglich ich die beiden Methoden, um den Effekt einer Änderung im mittleren Niederschlag auf eine Population des Siedelwebers Philetairus socius vorauszusagen. Der Siedelweber ist eine häufige, koloniale Vogelart in semiariden Savannen im südlichen Afrika. Im "space for time approach" verglich ich zwei Populationen des Siedelwebers in Gebieten mit stark unterschiedlichem mittleren Niederschlag. Die Untersuchung zeigte keinen Unterschied zwischen den beiden Populationen. Sowohl dieses Ergebnis als auch das weite Verbreitungsgebiet des Siedelwebers implizieren keine sensitive Reaktion der Art auf eine geringfügige Änderung im mittleren Niederschlag. Im Unterschied dazu zeigte der "Populationsmodell-Ansatz", der auf einer Korrelation zwischen Niederschlag und dem Reproduktionserfolg des Siedlerwebers beruhte, eine sensitive Reaktion in den meisten der untersuchten Modelltypen. Die Inkonsistenz der Ergebnisse wurde in einer Kreuz-Validierung der beiden Ansätze bestätigt. Aus der Untersuchung folgerte ich, daß die unterschiedlichen Ergebnisse dadurch verursacht wurden, daß die beiden Methoden unterschiedliche Zeitskalen widerspiegeln. Auf einer kurzen Zeitskala reagiert die Population sensitiv auf Änderungen im Niederschlag. Auf einer großen Zeitskala oder im räumlichen Vergleich kann die sensitive Reaktion jedoch durch eine Reihe von Mechanismen gepuffert oder kompensiert werden. Diese Mechanismen können Anpassungen im Verhalten oder in der Lebensgeschichte ("life history"), Änderungen in den Interaktionen mit andern Arten oder Unterschiede in der physikalischen Umgebung beinhalten. Diese Studie zeigt, daß ein Verständnis, wie solche Mechanismen funktionieren, und auf welcher Zeitskala sie wirken, eine wesentliche Voraussetzung ist, um Prognosen über ökologische Effekte des Klimawandels treffen zu können. Im dritten Teil untersuchte ich, warum Kolonien des Siedelwebers so stark in ihrer Größe variieren. Die Variabilität der Koloniegrößen ist erstaunlich, da man in Untersuchungen zur Kolonialität bei Tieren oft davon ausgeht, daß eine optimale Koloniegröße besteht, bei der die individuelle Fitneß maximiert ist. Aufgrund dieser Annahme sollten Vögel sich so im Raum ausbreiten, daß die Koloniegrößen möglicht nahe am Optimum liegen. In dieser Arbeit konnte ich jedoch anhand von Daten zum Reproduktionserfolg und zur Überlebensrate in Relation zur Koloniegröße zeigen, daß die Funktion der Fitneß in Abhängigkeit von der Koloniegröße nicht einer Optimumskurve folgt. Statt dessen überlagern sich positive und negative Effekte der Koloniegröße so, daß die Populationswachstumsrate generell nahe eins ist, und die Dichteabhängigkeit gering ist. Auf diesen Ergebnissen aufbauend zeigte ich in einem Populationsmodell, das einen evolutionären Optimierungsprozeß der Dispersal-Strategie beinhaltet, daß die spezifische Form der Fitneßfunktion zu einer Dispersal-Strategie führen kann, bei der die hohe Variabilität der Koloniegrößen aufrecht erhalten wird. T2 - Climate change, variable colony sizes and temporal autocorrelation : consequences of living in changing environments KW - Populationsbiologie KW - Ökologie KW - Theoretische Ökologie KW - Ökologische Modelle KW - Klimawandel KW - Umweltrauschen KW - Extinktionsrisko KW - Kolonialität KW - ecological modelling KW - red noise KW - extinction risk KW - coloniality KW - climate change Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-5744 ER - TY - THES A1 - Schwahn, Kevin T1 - Data driven approaches to infer the regulatory mechanism shaping and constraining levels of metabolites in metabolic networks T1 - Entwicklung von datengestützten Verfahren, um regulatorischen Mechanismen zu untersuchen, die die Metabolitmengen in Stoffwechselnetzwerken beeinflussen N2 - Systems biology aims at investigating biological systems in its entirety by gathering and analyzing large-scale data sets about the underlying components. Computational systems biology approaches use these large-scale data sets to create models at different scales and cellular levels. In addition, it is concerned with generating and testing hypotheses about biological processes. However, such approaches are inevitably leading to computational challenges due to the high dimensionality of the data and the differences in the dimension of data from different cellular layers. This thesis focuses on the investigation and development of computational approaches to analyze metabolite profiles in the context of cellular networks. This leads to determining what aspects of the network functionality are reflected in the metabolite levels. With these methods at hand, this thesis aims to answer three questions: (1) how observability of biological systems is manifested in metabolite profiles and if it can be used for phenotypical comparisons; (2) how to identify couplings of reaction rates from metabolic profiles alone; and (3) which regulatory mechanism that affect metabolite levels can be distinguished by integrating transcriptomics and metabolomics read-outs. I showed that sensor metabolites, identified by an approach from observability theory, are more correlated to each other than non-sensors. The greater correlations between sensor metabolites were detected both with publicly available metabolite profiles and synthetic data simulated from a medium-scale kinetic model. I demonstrated through robustness analysis that correlation was due to the position of the sensor metabolites in the network and persisted irrespectively of the experimental conditions. Sensor metabolites are therefore potential candidates for phenotypical comparisons between conditions through targeted metabolic analysis. Furthermore, I demonstrated that the coupling of metabolic reaction rates can be investigated from a purely data-driven perspective, assuming that metabolic reactions can be described by mass action kinetics. Employing metabolite profiles from domesticated and wild wheat and tomato species, I showed that the process of domestication is associated with a loss of regulatory control on the level of reaction rate coupling. I also found that the same metabolic pathways in Arabidopsis thaliana and Escherichia coli exhibit differences in the number of reaction rate couplings. I designed a novel method for the identification and categorization of transcriptional effects on metabolism by combining data on gene expression and metabolite levels. The approach determines the partial correlation of metabolites with control by the principal components of the transcript levels. The principle components contain the majority of the transcriptomic information allowing to partial out the effect of the transcriptional layer from the metabolite profiles. Depending whether the correlation between metabolites persists upon controlling for the effect of the transcriptional layer, the approach allows us to group metabolite pairs into being associated due to post-transcriptional or transcriptional regulation, respectively. I showed that the classification of metabolite pairs into those that are associated due to transcriptional or post-transcriptional regulation are in agreement with existing literature and findings from a Bayesian inference approach. The approaches developed, implemented, and investigated in this thesis open novel ways to jointly study metabolomics and transcriptomics data as well as to place metabolic profiles in the network context. The results from these approaches have the potential to provide further insights into the regulatory machinery in a biological system. N2 - Die System Biologie ist auf die Auswertung biologischer Systeme in ihrer Gesamtheit gerichtet. Dies geschieht durch das Sammeln und analysieren von großen Datensätzen der zugrundeliegenden Komponenten der Systeme. Computergestützte systembiologische Ansätze verwenden diese großen Datensätze, um Modelle zu erstellen und Hypothesen über biologische Prozesse auf verschiedenen zellularen Ebenen zu testen. Diese Ansätze führen jedoch unweigerlich zu rechnerischen Herausforderungen, da die Daten über eine hohe Dimensionalität verfügen. Des Weiteren weisen Daten, die von verschiedenen zellulären Ebenen gewonnen werden, unterschiedliche Dimensionen auf. Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung und Entwicklung von rechnergestützten Ansätzen, um Metabolit-Profile im Zusammenhang von zellulären Netzwerken zu analysieren und um zu bestimmen, welche Aspekte der Netzwerkfunktionalität sich in den Metabolit-Messungen widerspiegeln. Die Zielsetzung dieser Arbeit ist es, die folgenden Fragen, unter Berücksichtigung der genannten Methoden, zu beantworten: (1) Wie ist die Beobachtbarkeit von biologischen Systemen in Metabolit-Profilen manifestiert und sind diese für phänotypische Vergleiche verwendbar? (2) Wie lässt sich die Kopplung von Reaktionsraten ausschließlich durch Metabolit-Profile identifizieren? (3) Welche regulatorischen Mechanismen, die Metabolit-Niveaus beeinflussen, sind unterscheidbar, wenn transkriptomische und metabolische Daten kombiniert werden? Ich konnte darlegen, dass Sensormetabolite, die durch eine Methode „observability theory“ identifiziert wurden, stärker korrelieren als Nicht-Sensoren. Die stärkere Korrelation zwischen Sensormetaboliten konnte mit öffentlich zugänglichen Daten, als auch mit synthetischen Daten aus einer Simulation mit einem mittelgroßen kinetischen Modell gezeigt werden. Durch eine Robustheitsanalyse war es mir möglich zu demonstrieren, dass die Korrelation auf die Position der Sensormetabolite im Netzwerk zurückzuführen und unabhängig von den experimentellen Bedingungen ist. Sensormetabolite sind daher geeignete Kandidaten für phänotypische Vergleiche zwischen verschiedenen Bedingungen durch gezielte metabolische Analysen. Des Weiteren ergaben meine Untersuchungen, dass die Auswertung der Kopplung von Stoffwechselreaktionsraten von einer ausschließlich datengestützten Perspektive möglich ist. Dabei muss die Annahme getroffen werden, dass Stoffwechselreaktionen mit dem Massenwirkungsgesetz beschreibbar sind. Ich konnte zeigen, dass der Züchtungsprozess mit einem Verlust der regulatorischen Kontrolle auf der Ebene der gekoppelten Reaktionsraten einhergeht. Dazu verwendete ich Metabolit-Profile von gezüchteten, als auch wilden Weizen- und Tomatenspezies. Meine Ergebnisse belegen, dass die selben Stoffwechselwege in Arabidopsis thaliana und Escherichia coli eine unterschiedliche Anzahl an gekoppelten Reaktionsraten aufweisen. Darüber hinaus habe ich eine neue Methode zur Identifizierung und Kategorisierung von transkriptionellen Effekten auf den Metabolismus entwickelt. Dies erfolgt durch die Kombination von Genexpressionsdaten und Messungen von Metaboliten. Die Methode ermittelt die partielle Korrelation zwischen Metaboliten, wobei die Hauptkomponenten der Transkriptdaten als Kontrollvariablen dienen. Dadurch kann der Einfluss der Transkription auf Metabolit-Profile herausgerechnet werden. Dieser Ansatz ermöglicht die Einteilung von Metabolitpaaren in assoziiert durch transkriptionelle oder assoziiert durch posttranskriptionelle Regulation. Die Einteilung ist abhängig davon, ob die Korrelation zwischen Metaboliten bestehen bleibt, wenn für den Einfluss der Transkription kontrolliert wird. Ich konnte nachweisen, dass die zuvor genannten Klassifizierungen von Metabolitpaaren mit existierender Literatur und den Ergebnissen einer auf bayessche Statistik basierenden Studie übereinstimmen. Die Methoden, die in dieser Doktorarbeit entwickelt, implementiert und untersucht wurden, öffnen neue Wege um metabolische und transkriptomische Daten gemeinsam auszuwerten. Sie erlauben Metabolit-Profile in den Kontext von metabolischen Netzwerken zu stellen. Die Ergebnisse haben das Potential uns weitere Einblicke in die regulatorische Maschinerie in biologischen Systemen zu gewähren. KW - systems biology KW - metabolomics KW - metabolites KW - Systembiologie KW - Metabolomik KW - Metabolite Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-423240 ER - TY - THES A1 - Schwarte, Sandra T1 - Genetic variation of photosynthesis and starch metabolism genes in Arabidopsis thaliana Y1 - 2010 CY - Potsdam ER - TY - THES A1 - Schwarzer, Christian T1 - Climate change, adaptive divergence and their effects on species interactions in European bog-plant communities Y1 - 2018 ER - TY - THES A1 - Schäfer, Arne T1 - Characterization of ammoniumtransporters in Arabidopsis thaliana T1 - Charakterisierung der Ammoniumtransporter in Arabidopsis thaliana N2 - Nitrogen is often a limiting factor for plant growth due to its heterogenous distribution in the soil and to seasonal and diurnal changes in growth rates. In most soils, NH4+ and NO3 – are the predominant sources of inorganic nitrogen that are available for plant nutrition. In this context, plants have evolved mechanisms that enable them to optimize nitrogen acquisition, which include transporters specialized in the uptake of nitrogen and susceptible to a regulation that responds to nitrogen limiting or excess conditions. Although the average NH4+ concentrations of soils are generally 100 to 1000 times lower than those of NO3 – (Marschner, 1995), most plants preferentially take up NH4+ when both forms are present because unlike NO3– , NH4+ has not to be reduced prior to assimilation and thus requires less energy for assimilation (Bloom et al., 1992). Apart from high uptake rates in roots, high intracellular ammonium concentrations also result from quantitatively important internal breakdown of amino acids (Feng et al., 1998), and originates in high quantities during photorespiration (Mattson et al., 1997, Pearson et al., 1998). Thus, NH4+ is a key component of nitrogen metabolism for all plants and can accumulate to varying concentrations in all compartments of the cell, including the cytosol, the vacuole and in the apoplast (Wells and Miller, 2000; Nielsen and Schjoerring, 1998). Two related families of ammonium transporters (AMT1 and AMT2), containing six genes which encode transporter proteins that are specific for ammonium had been identified prior to this thesis and some genes had partially been characterised in Arabidopsis (Gazzarrini et al., 1999; Sohlenkamp et al. 2002; Kaiser et al., 2002). However, these studies were not sufficient to assign physiological functions to the individual transporters and AMT1.4 and AMT1.5 had not been studied prior to this thesis. Given this background, it was considered desirable to acquire a deeper knowledge of the physiological functions of the six Arabidopsis ammonium transporters. To this end, tissue specific expression profiles of the individual wildtype AtAMT genes were performed by quantitative real time PCR (qRT-PCR) and promoter-GUS expression. Modern approaches such as the use of T-DNA insertional mutants and RNAi hairpin constructs were employed to reduce the expression levels of AMT genes. Transcript levels were determined, and physiological, biochemical and developmental analysis such as growth tests on different media and 14C-MA and NH4+ uptake studies with the isolated insertional mutants and RNAi lines were performed to deepen the knowledge of the individual functions of the six AMTs in Arabidopsis. In addition, double mutants of the insertional mutants were created to investigate the extent in which homologous genes could compensate for lost transporter functions. The results described in this thesis show that the six AtAMT genes display a high degree of specifity in their tissue specific expression and are likely to play complementary roles in ammonium uptake into roots, in shoots, and in flowers. AtAMT1.1 is likely to be a ‘work horse’ for cellular ammonium transport and reassimilation. A major role is probably the recapture of photorespiratory NH3/NH4+ escaping from the cytosol. In roots, it is likely to transport NH4+ from the apoplast into cortical cells. AtAMT1.3 and AtAMT1.5 appear to be specialised in the acquisition of external NH4+ from the soil. Furthermore, AtAMT1.5 plays an additional role in the reassimilation of NH3/NH4+ released during the breakdown of storage proteins in the cotyledons of germinating seedlings. It was difficult to distinguish a specialisation between the transporters AtAMt1.2 and AtAMt1.1, however the root and flower specific expression patterns are different and indicate alternative functions of both. AtAMT1.4 has a very distinct expression which is restricted to the vascular bundels of leaves and to pollen only, where it is likely to be involved in the loading of NH4+ into the cells.The AtAMT2.1 expression pattern is confined to vascular bundels and meristematic active tissues in leaves where ammonium concentrations can reach very high levels. Additionally, the Vmax of AtAMT2 increases with increasing external pH, contrasting to AtAMT1.1. Thus, AtAMT2.1 it might be specialised in ammonium transport in ammonium rich environments, where the functions of other transporters are limited, enabling cells to take up NH4+ over a wide range of concentrations. The root hair expression ascribes an additional role in NH3/NH4+ acquisition where it possibly serves as a transporter that is able to acquire ammonium from basic soils where other transporters become less effective.RNAi lines showing a reduction in AtAMT gene mRNA levels and NH4+ transport kinetics, grew slower and flowering time was delayed. This indicates that NH4+ is a crucial and limiting factor for plant growth. N2 - Ammonium stellt die von Pflanzen bevorzugte Aufnahmeform anorganischen Stickstoffes dar. Neben dem natürlichen Vorkommen im Boden, wird Ammonium während des Aminosäurestoffwechsels und der Photorespiration innerhalb des Pflanzenkörpers freigesetzt. Um Ammonium aus diesen Quellen zu assimlieren und zwischen den einzelnen Zellen zu transportieren hat die dikotyle Samenpflanze Arabidosis thaliana sechs veschiedene Ammoniumtransporter (AMT) evolviert. Zur Charakterisierung der spezifischen Funktionen der AMts wurden Expressionsprofile der jeweiligen Gene innerhalb der Wurzeln, des Sprosses und der Blüten unter verschiedenen Nährstoffbedingungen mittels quantitativer real-time PCR (qRT-PCT) und Promotor-GUS Expression erstellt. Weiter wurde die Fähigkeit zur spezifischen Regulation der einzelnen Transportergene in Abhängikeit des Stickstoffbedarfes der Pflanze analysiert. Zur Reduktion der mRNA Level der AMTs wurden RNA-Interferenz (RNAi) Mutanten erzeugt und um den Effekt des Verlustes einzelner AMTs zu studieren wurden T-DNA Insertionsmutanten dieser Gene isoliert. Von den mutanten Linien wurden die Transkriptionsraten durch qRT-PCR bestimmt und die NH4+ Transportleistungen durch 14C-Methylammonium (14C-MA) und Ammonium-Aufnahme Experimente analysiert. Weiter wurden Wachstumsanalysen der Mutanten auf verschiedenen Nährmedien durchgeführt und ihre vegetative und generative Entwicklung charakterisiert. Von den isolierten T-DNA Insertionsmutanten wurden Doppelmutanten aller Kombinationen hergestellt und phänotypisch analysiert.Es zeigte sich, daß der an der Plasmamembran lokalisierte AtAMT1.1 in allen Organen in hohen Konzentrationen exprimiert wird und unter Stickstoffmangelbedingungen vermehrt gebildet wird. Vermutlich dient er der generellen Assimilation von internen Ammonium und dessen Transport vom Apoplasten in den Symplasten. AtAMT1.3 und AtAMT1.5 sind in den Wurzeln und hier besonders in den epidermalen Wurzelhaaren exprimiert, die unter anderem der Aufnahme externer Nährsalze dienen. Beide unterliegen starker Regulation durch den internen Stickstoffbedarf der Pflanze. Es ist zu vermuten, daß sie primär der Aufnahme von Ammonium aus dem Boden dienen. AtAMT1.2 wird überwiegend an den vaskulären Geweben und den Blattparenchymzellen exprimiert. Überlappende Expressionsmuster mit AtAMT1.1 machen es schwierig eine spezifische Funktion zu identifizieren. AtAMT1.4 wird ausschließlich im männlichen Gametophyten exprimiert und dient hier vermutlich der Versorgung des Pollen mit Nährsalzen. AtAMT2 wird u.a. in den Wurzelhaaren exprimiert. Seine steigende Affinität zu Ammonium in basischem Milieu, umgekehrt zu AtAMT1.1, läßt vermuten, daß er der Pflanze die Ammoniumaufnahme bei steigendem pH ermöglicht. Im oberirdischen Sproß ist er überwiegend in Meristemen aktiv. Die in der Ammoniumaufnahme beeinträchtigten RNAi-Linien zeigten langsames Wachstum und blühten später als der Wildtyp. Es sind die ersten beschriebenen Ammoniumtransportermutanten, die einen solchen Phänotyp zeigen. KW - Ammonium KW - Ammoniumassimilation KW - Pflanzenernährung KW - Ammonium KW - Ammoniumtransporter KW - AMT KW - AtAMT1.1 KW - AtAMT1.2 KW - AtAMT1.3 KW - AtAMT1.4 KW - AtAMT1.5 KW - ÁtAMT2 KW - ammonium KW - ammoniumtransporter KW - AMT KW - AtAMT1.1 KW - AtAMT1.2 KW - AtAMT1.3 KW - AtAMT1.4 KW - AtAMT1.5 KW - ÁtAMT2 Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-5937 ER - TY - THES A1 - Schäfer, Merlin T1 - Understanding and predicting global change impacts on migratory birds T1 - Verständnis und Vorhersage von Auswirkungen des globalen Wandels auf Zugvögel N2 - This is a publication-based dissertation comprising three original research stud-ies (one published, one submitted and one ready for submission; status March 2019). The dissertation introduces a generic computer model as a tool to investigate the behaviour and population dynamics of animals in cyclic environments. The model is further employed for analysing how migratory birds respond to various scenarios of altered food supply under global change. Here, ecological and evolutionary time-scales are considered, as well as the biological constraints and trade-offs the individual faces, which ultimately shape response dynamics at the population level. Further, the effect of fine-scale temporal patterns in re-source supply are studied, which is challenging to achieve experimentally. My findings predict population declines, altered behavioural timing and negative carry-over effects arising in migratory birds under global change. They thus stress the need for intensified research on how ecological mechanisms are affected by global change and for effective conservation measures for migratory birds. The open-source modelling software created for this dissertation can now be used for other taxa and related research questions. Overall, this thesis improves our mechanistic understanding of the impacts of global change on migratory birds as one prerequisite to comprehend ongoing global biodiversity loss. The research results are discussed in a broader ecological and scientific context in a concluding synthesis chapter. N2 - Dies ist eine publikationsbasierte Dissertation, welche aus drei wissenschaftlichen Originalstudien (eine publiziert, eine eingereicht und eine einreichbar; Stand März 2019) besteht. Die Dissertation stellt ein generisches Computermodell bereit, um das Verhalten und die Populationsdynamik von Tieren zu untersuchen, welche saisonale Umweltbedingungen erfahren. Mit diesem Computermodell untersuche ich in der vorliegenden Thesis, wie Zugvögel auf verschiedene Szenarien veränderter Nahrungsverfügbarkeit reagieren, welche im Rahmen des globalen Wandels wahrscheinlich sind. Dabei werden ökologische und evolutionäre Zeitskalen berücksichtigt. Außerdem werden biologisch bedingte Einschränkungen und Zielkonflikte einbezogen, welche das einzelne Individuum erfährt, die aber letztendlich auch das Geschehen auf Populationsebene bestimmen. Weiterhin studiere ich mit dem erstellten Computermodell am Beispiel des Weißstorchs, wie sich feinskalige Zeitmuster in der Nahrungsverfügbarkeit auf Zugvögel auswirken. Solche Studien würden eine enorme experimentelle Herausforderung darstellen. Die im Rahmen dieser Dissertation entstandene frei verfügbare Modellierungs-Software kann nun für andere Taxa und verwandte Forschungsfragen eingesetzt werden. Nach meinen Ergebnissen ist im Zuge des globalen Wandels mit verstärkten Populationsabnahmen bei Zugvögeln zu rechnen, sowie mit Änderungen im zeitlichen Verhaltensablauf und nichtlinearen negativen Carry-over-Effekten. Dies verdeutlicht, wie wichtig es ist, die vom globalen Wandel betroffenen ökologischen Mechanismen näher zu erforschen sowie effektive Schutzmaßnahmen für Zugvögel zu entwickeln. Allgemein erhöht die Dissertation unser mechanistisches Verständnis davon, wie sich der globale Wandel auf bedrohte Zugvogelarten auswirkt und damit die globale Biodiversität beeinflusst. Die Forschungsergebnisse werden in einem abschließenden Synthese-Kapitel zusammenführend diskutiert. KW - global change KW - migratory birds KW - life-history theory KW - movement ecology KW - bird migration KW - optimal annual routine model KW - stochastic dynamic programming KW - full annual cycle KW - population dynamics KW - carry-over effects KW - white stork KW - behavioural ecology KW - adaptation KW - mechanistic model KW - energetics KW - behavioural timing KW - reproduction KW - globaler Wandel KW - Zugvögel KW - Lebenszyklustheorie KW - Bewegungsökologie KW - Vogelzug KW - "Optimal annual routine"-Modell KW - stochastisch-dynamische Optimierung KW - vollständiger Jahreszyklus KW - Populationsdynamik KW - Carry-over-Effekte KW - Weißstorch KW - Verhaltensökologie KW - Anpassung KW - mechanistisches Modell KW - Energetik KW - Verhaltens-Timing KW - Reproduktion Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-439256 ER - TY - THES A1 - Schälicke, Svenja T1 - Consumer traits and trait variation under the influence of biochemical food quality T1 - Merkmale und Merkmalsvariationen von Konsumenten unter dem Einfluss biochemischer Nahrungsqualität N2 - The earth’s ecosystems undergo considerable changes characterized by human-induced alterations of environmental factors. In order to develop conservation goals for vulnerable ecosystems, research on ecosystem functioning is required.. Therefore, it is crucial to explore organismal interactions, such as trophic interaction or competition, which are decisive for key processes in ecosystems. These interactions are determined by the performance responses of organisms to environmental changes, which in turn, are shaped by the organism’s functional traits. Exploring traits, their variation, and the environmental factors that act on them may provide insights on how ecological interactions affect populations, community structures and dynamics, and thus ecosystem functioning. In aquatic ecosystems, global warming intensifies phytoplankton blooms, which are more frequently dominated by cyanobacteria. As cyanobacteria are poor in polyunsaturated fatty acids (PUFA) and sterols, this compositional change alters the biochemical food quality of phytoplankton for consumer species with potential effects on ecological interactions. Within this thesis, I studied the effects of biochemical food quality on consumer traits and performance responses at the phytoplankton-zooplankton interface using different strains of two closely related generalist rotifer species Brachionus calyciflorus and Brachionus fernandoi and three phytoplankton species that differ in their biochemical food quality, i.e. in their content and composition of PUFA and sterols. In a series of laboratory feeding experiments I found that biochemical food quality affected rotifer’s performance, i.e. fecundity, survival, and population growth, across a broad range of food quantities. Biochemical food quality constraints, which are often underestimated as influencing environmental factors, had strong impacts on performance responses. I further explored the potential of biochemical food quality in mediating consumer response variation between species and among strains of one species. Co-limitation by food quantity and biochemical food quality resulted in differences in performance responses, which were more pronounced within than between rotifer species. Furthermore, I demonstrated that the body PUFA compositions of rotifer species and strains were differently affected by the dietary PUFA supply, which indicates inter- and intraspecific differences in physiological traits, such as PUFA retention, allocation, and/or bioconversion capacity, within the genus Brachionus. This indicates that dietary PUFA are involved in shaping traits and performance responses of rotifers. This thesis reveals that biochemical food quality is an environmental factor with strong effects on individual traits and performance responses of consumers. Biochemical food quality constraints can further mediate trait and response variation among species or strains. Consequently, they carry the potential to shape ecological interactions and evolutionary processes with effects on community structures and dynamics. Trait-based approaches, which include food quality research, thus may provide further insights into the linkage between functional diversity and the maintenance of crucial ecosystem functions. N2 - Die Ökosysteme der Erde sind einem ständigen Wandel unterworfen, der immer stärker durch anthropogen veränderte Umweltfaktoren geprägt ist. Um Schutzziele für gefährdete Ökosysteme verfolgen zu können, ist es erforderlich Ökosystemfunktionen zu verstehen. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die Interaktionen zwischen Organismen zu erforschen, wie z.B. trophische Interaktionen, die für Schlüsselprozesse in Ökosystemen entscheidend sind. Diese Interaktionen werden durch die Fitnessreaktionen der Organismen auf Umweltveränderungen bestimmt, die wiederum durch die funktionellen Merkmale des Organismus, den sogenannten Traits, geprägt werden. Das Erforschen von Traits, ihrer Variation und der auf sie einwirkenden Umweltfaktoren kann Erkenntnisse darüber liefern, wie sich ökologische Interaktionen auf Populationen, Gemeinschaftsstrukturen und -dynamiken und damit auf Ökosystemfunktionen auswirken können. In aquatischen Ökosystemen fördert der Klimawandel die Bildung von Phytoplanktonblüten, welche immer häufiger von Cyanobakterien dominiert werden. Da Cyanobakterien arm an mehrfach ungesättigten Fettsäuren (PUFA) und Sterolen sind, beeinflusst diese veränderte Zusammensetzung des Phytoplanktons die biochemische Nahrungsqualität für die Konsumenten mit potentiellen Auswirkungen auf ökologische Interaktionen. Im Rahmen meiner Doktorarbeit untersuchte ich Effekte der biochemischen Nahrungsqualität von Phytoplankton auf die Traits und Fitnessreaktionen von Zooplankton.. Als Modellorganismen dienten verschiedene Stämme von den zwei verwandten Rotatorienarten Brachionus calyciflorus und Brachionus fernandoi und drei Phytoplanktonarten, die sich in ihrer biochemischen Nahrungsqualität, d.h. in ihrer PUFA- und Sterolzusammensetzung, unterscheiden. In einer Reihe von Laborexperimenten konnte ich herausstellen, dass die biochemische Nahrungsqualität die Fitness der Rotatorien, d.h. ihre Fekundität, Überlebensraten und Populationswachstumsraten, über ein breites Spektrum von Nahrungsquantitäten hinweg beeinflusst. Die Limitierung durch biochemische Nahrungsqualität, die als Einflussfaktor oft unterschätzt wird, zeigte starke Effekte auf die Fitnessreaktionen. Darüber hinaus konnte ich zeigen, dass die Verfügbarkeit biochemischer Nährstoffe Fitnessvariationen zwischen Arten und zwischen Stämmen einer Art beeinflussen kann. Eine Co-Limitierung durch die Nahrungsquantität und die biochemische Nahrungsqualität führte zu Variationen in Fitnessreaktionen der Rotatorien, die innerhalb einer Art größer waren als zwischen den Arten. Ich konnte außerdem nachweisen, dass sich in Abhängigkeit von der Verfügbarkeit der PUFA in der Nahrung auch die PUFA-Zusammensetzung in den Rotatorien zwischen Arten und Stämmen unterscheiden. Dies weist auf inter- und intraspezifische Unterschiede in physiologischen Traits, wie z.B. der Retentions-, Allokations- oder Biokonversionskapazität von PUFA, innerhalb der Gattung Brachionus hin. In der Nahrung verfügbare PUFA stellen demnach wichtige Einflussfaktoren für Fitnessreaktionen von Rotatorien dar. Diese Doktorarbeit belegt, dass die biochemische Nahrungsqualität ein Umweltfaktor ist, der starke Auswirkungen auf Traits und Fitnessreaktionen von Konsumenten haben kann. Darüber hinaus kann die Verfügbarkeit von biochemischen Nährstoffen die Variation von Traits und Fitnessreaktionen zwischen Arten oder Stämmen vermitteln. Folglich hat die biochemische Nahrungsqualität das Potenzial, sowohl ökologische Interaktionen als auch evolutionäre Prozesse zu beeinflussen. Dies hat Auswirkungen auf Gemeinschaftsstrukturen und -dynamiken. Trait-basierte Forschungsansätze, die Nahrungsqualitätskomponenten berücksichtigen, können daher erweiterte Einblicke in den Zusammenhang zwischen funktioneller Diversität und der Aufrechterhaltung wichtiger Ökosystemfunktionen liefern. Y1 - 2020 ER - TY - THES A1 - Schöne, Anne-Christin T1 - Degradation of Aliphatic Polyesters at the Air-Water Interface - Capabilities of the Langmuir Monolayer Technique Y1 - 2018 ER - TY - THES A1 - Schönheit, Jörg T1 - A phagocyte-specific Irf8 gene enhancer establishes early conventional dendritic cell commitment T1 - Ein Phagozyten spezifischer Enhancer des Irf8 Gens steuert die Entwicklung konventioneller dendritischer Zellen N2 - Haematopoietic development is a complex process that is strictly hierarchically organized. Here, the phagocyte lineages are a very heterogeneous cell compartment with specialized functions in innate immunity and induction of adaptive immune responses. Their generation from a common precursor must be tightly controlled. Interference within lineage formation programs for example by mutation or change in expression levels of transcription factors (TF) is causative to leukaemia. However, the molecular mechanisms driving specification into distinct phagocytes remain poorly understood. In the present study I identify the transcription factor Interferon Regulatory Factor 8 (IRF8) as the specification factor of dendritic cell (DC) commitment in early phagocyte precursors. Employing an IRF8 reporter mouse, I showed the distinct Irf8 expression in haematopoietic lineage diversification and isolated a novel bone marrow resident progenitor which selectively differentiates into CD8α+ conventional dendritic cells (cDCs) in vivo. This progenitor strictly depends on Irf8 expression to properly establish its transcriptional DC program while suppressing a lineage-inappropriate neutrophile program. Moreover, I demonstrated that Irf8 expression during this cDC commitment-step depends on a newly discovered myeloid-specific cis-enhancer which is controlled by the haematopoietic transcription factors PU.1 and RUNX1. Interference with their binding leads to abrogation of Irf8 expression, subsequently to disturbed cell fate decisions, demonstrating the importance of these factors for proper phagocyte cell development. Collectively, these data delineate a transcriptional program establishing cDC fate choice with IRF8 in its center. N2 - Die Differenzierung von hämatopoietischen Zellen ist ein komplexer Prozess, der strikt hierarchisch organisiert ist. Dabei stellen die Phagozyten eine sehr heterogene Zellpopulation dar, mit hochspezialisierten Funktionen im angeborenen Immunsystem sowie während der Initialisierung der adaptiven Immunreaktion. Ihre Entwicklung, ausgehend von einer gemeinsamen Vorläuferzelle, unterliegt einer strikten Kontrolle. Die Beeinträchtigung dieser Linienentscheidungsprogramme, z.B. durch Mutationen oder Änderungen der Expressionslevel von Transkriptionsfaktoren kann Leukämie auslösen. Die molekularen Mechanismen, welche die linienspezifische Entwicklung steuern, sind allerdings noch nicht im Detail bekannt. In dieser Arbeit zeige ich den maßgeblichen Einfluss des Transkriptionsfaktors Interferon Regulierender Faktor 8 (IRF8) auf die Entwicklung von dendritischen Zellen (DC) innerhalb der Phagozyten. Mittels einer IRF8-Reporter Maus stellte ich die sehr differenziellen Expressionsmuster von Irf8 in der hämatopoietischen Entwicklung dar. Dabei konnte ich eine neue, im Knochenmark lokalisierte, Vorläuferpopulation isolieren, die in vivo spezifisch Differenzierung in CD8α+ konventionelle dendritische Zellen (cDC) steuert. Dieser Vorläufer ist dabei absolut von der Expression von Irf8 abhängig und etabliert auf transkriptioneller Ebene die dendritische Zellentwicklung, während gleichzeitig die Entwicklung neutrophiler Zellen unterdrückt wird. Darüber hinaus zeigte ich, dass Irf8 Expression während der cDC Entwicklung von einem neu charakterisierten cis-regulatorischen Enhancer abhängt, der spezifisch in myeloiden Zellen agiert. Ich konnte zeigen, dass die hämatopoietischen Transkriptionfaktoren PU.1 und RUNX1 mittels dieses Enhancers die Irf8 Expression steuern. Können diese beiden Faktoren nicht mit dem Enhancer interagieren, führt das zu stark verminderter Irf8 Expression, damit zu Veränderungen in den Differnzierungsprogrammen der Zellen, was die Bedeutung dieses regulatorischen Mechanismus unterstreicht. Zusammengefasst beschreiben diese Daten die Etablierung der frühen cDC Entwicklung, in der IRF8 die zentrale Rolle spielt. KW - Hämatopoiese KW - dendritische Zelle KW - Immunologie KW - Transkiptionsfaktor KW - Genregulation KW - haematopoiesis KW - dendritic cell KW - immunology KW - transcription factor KW - gene regulation Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-55482 ER - TY - THES A1 - Schöppler, Vanessa T1 - Material properties of Banksia follicles Y1 - 2016 ER - TY - THES A1 - Schütte, Moritz T1 - Evolutionary fingerprints in genome-scale networks T1 - Evolutionäre Spuren in genomskaligen Netzwerken N2 - Mathematical modeling of biological phenomena has experienced increasing interest since new high-throughput technologies give access to growing amounts of molecular data. These modeling approaches are especially able to test hypotheses which are not yet experimentally accessible or guide an experimental setup. One particular attempt investigates the evolutionary dynamics responsible for today's composition of organisms. Computer simulations either propose an evolutionary mechanism and thus reproduce a recent finding or rebuild an evolutionary process in order to learn about its mechanism. The quest for evolutionary fingerprints in metabolic and gene-coexpression networks is the central topic of this cumulative thesis based on four published articles. An understanding of the actual origin of life will probably remain an insoluble problem. However, one can argue that after a first simple metabolism has evolved, the further evolution of metabolism occurred in parallel with the evolution of the sequences of the catalyzing enzymes. Indications of such a coevolution can be found when correlating the change in sequence between two enzymes with their distance on the metabolic network which is obtained from the KEGG database. We observe that there exists a small but significant correlation primarily on nearest neighbors. This indicates that enzymes catalyzing subsequent reactions tend to be descended from the same precursor. Since this correlation is relatively small one can at least assume that, if new enzymes are no "genetic children" of the previous enzymes, they certainly be descended from any of the already existing ones. Following this hypothesis, we introduce a model of enzyme-pathway coevolution. By iteratively adding enzymes, this model explores the metabolic network in a manner similar to diffusion. With implementation of an Gillespie-like algorithm we are able to introduce a tunable parameter that controls the weight of sequence similarity when choosing a new enzyme. Furthermore, this method also defines a time difference between successive evolutionary innovations in terms of a new enzyme. Overall, these simulations generate putative time-courses of the evolutionary walk on the metabolic network. By a time-series analysis, we find that the acquisition of new enzymes appears in bursts which are pronounced when the influence of the sequence similarity is higher. This behavior strongly resembles punctuated equilibrium which denotes the observation that new species tend to appear in bursts as well rather than in a gradual manner. Thus, our model helps to establish a better understanding of punctuated equilibrium giving a potential description at molecular level. From the time-courses we also extract a tentative order of new enzymes, metabolites, and even organisms. The consistence of this order with previous findings provides evidence for the validity of our approach. While the sequence of a gene is actually subject to mutations, its expression profile might also indirectly change through the evolutionary events in the cellular interplay. Gene coexpression data is simply accessible by microarray experiments and commonly illustrated using coexpression networks where genes are nodes and get linked once they show a significant coexpression. Since the large number of genes makes an illustration of the entire coexpression network difficult, clustering helps to show the network on a metalevel. Various clustering techniques already exist. However, we introduce a novel one which maintains control of the cluster sizes and thus assures proper visual inspection. An application of the method on Arabidopsis thaliana reveals that genes causing a severe phenotype often show a functional uniqueness in their network vicinity. This leads to 20 genes of so far unknown phenotype which are however suggested to be essential for plant growth. Of these, six indeed provoke such a severe phenotype, shown by mutant analysis. By an inspection of the degree distribution of the A.thaliana coexpression network, we identified two characteristics. The distribution deviates from the frequently observed power-law by a sharp truncation which follows after an over-representation of highly connected nodes. For a better understanding, we developed an evolutionary model which mimics the growth of a coexpression network by gene duplication which underlies a strong selection criterion, and slight mutational changes in the expression profile. Despite the simplicity of our assumption, we can reproduce the observed properties in A.thaliana as well as in E.coli and S.cerevisiae. The over-representation of high-degree nodes could be identified with mutually well connected genes of similar functional families: zinc fingers (PF00096), flagella, and ribosomes respectively. In conclusion, these four manuscripts demonstrate the usefulness of mathematical models and statistical tools as a source of new biological insight. While the clustering approach of gene coexpression data leads to the phenotypic characterization of so far unknown genes and thus supports genome annotation, our model approaches offer explanations for observed properties of the coexpression network and furthermore substantiate punctuated equilibrium as an evolutionary process by a deeper understanding of an underlying molecular mechanism. N2 - Die biologische Zelle ist ein sehr kompliziertes Gebilde. Bei ihrer Betrachtung gilt es, das Zusammenspiel von Tausenden bis Millionen von Genen, Regulatoren, Proteinen oder Molekülen zu beschreiben und zu verstehen. Durch enorme Verbesserungen experimenteller Messgeräte gelingt es mittlerweile allerdings in geringer Zeit enorme Datenmengen zu messen, seien dies z.B. die Entschlüsselung eines Genoms oder die Konzentrationen der Moleküle in einer Zelle. Die Systembiologie nimmt sich dem Problem an, aus diesem Datenmeer ein quantitatives Verständnis für die Gesamtheit der Wechselwirkungen in der Zelle zu entwickeln. Dabei stellt die mathematische Modellierung und computergestützte Analyse ein eminent wichtiges Werkzeug dar, lassen sich doch am Computer in kurzer Zeit eine Vielzahl von Fällen testen und daraus Hypothesen generieren, die experimentell verifiziert werden können. Diese Doktorarbeit beschäftigt sich damit, wie durch mathematische Modellierung Rückschlüsse auf die Evolution und deren Mechanismen geschlossen werden können. Dabei besteht die Arbeit aus zwei Teilen. Zum Einen wurde ein Modell entwickelt, dass die Evolution des Stoffwechsels nachbaut. Der zweite Teil beschäftigt sich mit der Analyse von Genexpressionsdaten, d.h. der Stärke mit der ein bestimmtes Gen in ein Protein umgewandelt, "exprimiert", wird. Der Stoffwechsel bezeichnet die Gesamtheit der chemischen Vorgänge in einem Organismus; zum Einen werden Nahrungsstoffe für den Organismus verwertbar zerlegt, zum Anderen aber auch neue Stoffe aufgebaut. Da für nahezu jede chemische Reaktion ein katalysierendes Enzym benötigt wird, ist davon auszugehen, dass sich der Stoffwechsel parallel zu den Enzymen entwickelt hat. Auf dieser Annahme basiert das entwickelte Modell zur Enzyme-Stoffwechsel-Koevolution. Von einer Anfangsmenge von Enzymen und Molekülen ausgehend, die etwa in einer primitiven Atmosphäre vorgekommen sind, werden sukzessive Enzyme und die nun katalysierbaren Reaktionen hinzugefügt, wodurch die Stoffwechselkapazität anwächst. Die Auswahl eines neuen Enzyms geschieht dabei in Abhängigkeit von der Ähnlichkeit mit bereits vorhandenen und ist so an den evolutionären Vorgang der Mutation angelehnt: je ähnlicher ein neues Enzym zu den vorhandenen ist, desto schneller kann es hinzugefügt werden. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis der Stoffwechsel die heutige Form angenommen hat. Interessant ist vor allem der zeitliche Verlauf dieser Evolution, der mittels einer Zeitreihenanalyse untersucht wird. Dabei zeigt sich, dass neue Enzyme gebündelt in Gruppen kurzer Zeitfolge auftreten, gefolgt von Intervallen relativer Stille. Dasselbe Phänomen kennt man von der Evolution neuer Arten, die ebenfalls gebündelt auftreten, und wird Punktualismus genannt. Diese Arbeit liefert somit ein besseres Verständnis dieses Phänomens durch eine Beschreibung auf molekularer Ebene. Im zweiten Projekt werden Genexpressionsdaten von Pflanzen analysiert. Einerseits geschieht dies mit einem eigens entwickelten Cluster-Algorithmus. Hier läßt sich beobachten, dass Gene mit einer ähnlichen Funktion oft auch ein ähnliches Expressionsmuster aufweisen. Das Clustering liefert einige Genkandidaten, deren Funktion bisher unbekannt war, von denen aber nun vermutet werden konnte, dass sie enorm wichtig für das Wachstum der Pflanze sind. Durch Experimente von Pflanzen mit und ohne diese Gene zeigte sich, dass sechs neuen Genen dieses essentielle Erscheinungsbild zugeordnet werden kann. Weiterhin wurden Netzwerke der Genexpressionsdaten einer Pflanze, eines Pilzes und eines Bakteriums untersucht. In diesen Netzwerken werden zwei Gene verbunden, falls sie ein sehr ähnliches Expressionsprofil aufweisen. Nun zeigten diese Netzwerke sehr ähnliche und charakteristische Eigenschaften auf. Im Rahmen dieser Arbeit wurde daher ein weiteres evolutionäres Modell entwickelt, das die Expressionsprofile anhand von Duplikation, Mutation und Selektion beschreibt. Obwohl das Modell auf sehr simplen Eigenschaften beruht, spiegelt es die beobachteten Eigenschaften sehr gut wider, und es läßt sich der Schluss ziehen, dass diese als Resultat der Evolution betrachtet werden können. Die Ergebnisse dieser Arbeiten sind als Doktorarbeit in kumulativer Form bestehend aus vier veröffentlichten Artikeln vereinigt. KW - Systembiologie KW - Modellierung KW - Evolution KW - Stoffwechsel KW - Gen-Koexpression KW - Systems Biology KW - Modeling KW - Evolution KW - Metabolism KW - Gene co-expression Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-57483 ER - TY - THES A1 - Sedaghatmehr, Mastoureh T1 - Unraveling the regulatory mechanisms of heat stress memory in Arabidopsis thaliana Y1 - 2017 ER - TY - THES A1 - Seerangan, Kumar T1 - Actin-based regulation of cell and tissue scale morphogenesis in developing leaves T1 - Aktin-basierte Regulierung der Zell- und Gewebeskalenmorphogenese in sich entwickelnden Blättern N2 - Leaves exhibit cells with varying degrees of shape complexity along the proximodistal axis. Heterogeneities in growth directions within individual cells bring about such complexity in cell shape. Highly complex and interconnected gene regulatory networks and signaling pathways have been identified to govern these processes. In addition, the organization of cytoskeletal networks and cell wall mechanical properties greatly influences the regulation of cell shape. Research has shown that microtubules are involved in regulating cellulose deposition and direc-tion of cell growth. However, comprehensive analysis of the regulation of the actin cytoskele-ton in cell shape regulation has not been well studied. This thesis provides evidence that actin regulates aspects of cell growth, division, and direction-al expansion that impacts morphogenesis of developing leaves. The jigsaw puzzle piece mor-phology of epidermal pavement cells further serves as an ideal system to investigate the com-plex process of morphogenetic processes occurring at the cellular level. Here we have em-ployed live cell based imaging studies to track the development of pavement cells in actin com-promised conditions. Genetic perturbation of two predominantly expressed vegetative actin genes ACTIN2 and ACTIN7 results in delayed emergence of the cellular protrusions in pave-ment cells. Perturbation of actin also impacted the organization of microtubule in these cells that is known to promote emergence of cellular protrusions. Further, live-cell imaging of actin or-ganization revealed a correlation with cell shape, suggesting that actin plays a role in influencing pavement cell morphogenesis. In addition, disruption of actin leads to an increase in cell size along the leaf midrib, with cells being highly anisotropic due to reduced cell division. The reduction of cell division further im-pacted the morphology of the entire leaf, with the mutant leaves being more curved. These re-sults suggests that actin plays a pivotal role in regulating morphogenesis at the cellular and tis-sue scales thereby providing valuable insights into the role of the actin cytoskeleton in plant morphogenesis. N2 - Die Blätter weisen entlang der proximodistalen Achse Zellen mit unterschiedlich komplexer Form auf. Heterogenitäten in den Wachstumsrichtungen innerhalb einzelner Zellen führen zu einer solchen Komplexität der Zellform. Es wurden hochkomplexe und miteinander verbundene Genregulationsnetze und Signalwege identifiziert, die diese Prozesse steuern. Darüber hinaus haben die Organisation der Zytoskelettnetze und die mechanischen Eigenschaften der Zellwand großen Einfluss auf die Regulierung der Zellform. Die Forschung hat gezeigt, dass Mikrotubuli an der Regulierung der Zelluloseablagerung und der Richtung des Zellwachstums beteiligt sind. Eine umfassende Analyse der Regulierung des Aktin-Zytoskeletts bei der Regulierung der Zellform ist jedoch noch nicht ausreichend untersucht worden. Diese Arbeit liefert Beweise dafür, dass Aktin Aspekte des Zellwachstums, der Zellteilung und der gerichteten Expansion reguliert, die die Morphogenese der sich entwickelnden Blätter beeinflussen. Die puzzleartige Morphologie der epidermalen Zellen ist ein ideales System, um den komplexen Prozess der morphogenetischen Prozesse auf zellulärer Ebene zu untersuchen. Hier haben wir Bildgebungsstudien an lebenden Zellen durchgeführt, um die Entwicklung von Epidermiszellen unter Bedingungen zu verfolgen, bei denen das Aktin beeinträchtigt ist. Eine genetische Störung der beiden vorwiegend vegetativ exprimierten Aktin-Gene ACTIN2 und ACTIN7 führt zu einer verzögerten Entstehung der zellulären Wandausstülpungen in Epidermiszellen. Die Störung des Aktins wirkte sich auch auf die Organisation der Mikrotubuli in diesen Zellen aus, von denen bekannt ist, dass sie das Entstehen von Zellwandausstülpungen fördern. Darüber hinaus ergab die Live-Zell-Darstellung der Aktin-Organisation eine Korrelation mit der Zellform, was darauf hindeutet, dass Aktin eine Rolle bei der Morphogenese der Epidermiszellen spielt. Darüber hinaus führt die Unterbrechung von Aktin zu einer Zunahme der Zellgröße entlang der Blattmittelrippe, wobei die Zellen aufgrund der verringerten Zellteilung stark anisotrop sind. Die Verringerung der Zellteilung wirkte sich auch auf die Morphologie des gesamten Blattes aus, wobei die mutierten Blätter stärker gekrümmt waren. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Aktin eine zentrale Rolle bei der Regulierung der Morphogenese auf zellulärer und geweblicher Ebene spielt, was wertvolle Einblicke in die Rolle des Aktin-Zytoskeletts bei der Morphogenese von Pflanzen ermöglicht. KW - leaf KW - pavement cell KW - actin/microtubules KW - spatio-temporal regulation KW - Blatt KW - Pflasterzelle KW - Aktin/Mikrotubuli KW - räumlich-zeitliche Regulierung Y1 - 2023 ER - TY - THES A1 - Seibert, Tanja Stefanie T1 - The T6P pathway in Solanum tuberosum BT - investigating the link between sugar signaling and developmental transitions Y1 - 2018 ER - TY - THES A1 - Serrano, Paloma T1 - Methanogens from Siberian permafrost as models for life on Mars : response to simulated martian conditions and biosignature characterization T1 - Methanogene Archaeen aus sibirischen Permafrost als Modelle für Leben auf dem Mars N2 - Mars is one of the best candidates among planetary bodies for supporting life. The presence of water in the form of ice and atmospheric vapour together with the availability of biogenic elements and energy are indicators of the possibility of hosting life as we know it. The occurrence of permanently frozen ground – permafrost, is a common phenomenon on Mars and it shows multiple morphological analogies with terrestrial permafrost. Despite the extreme inhospitable conditions, highly diverse microbial communities inhabit terrestrial permafrost in large numbers. Among these are methanogenic archaea, which are anaerobic chemotrophic microorganisms that meet many of the metabolic and physiological requirements for survival on the martian subsurface. Moreover, methanogens from Siberian permafrost are extremely resistant against different types of physiological stresses as well as simulated martian thermo-physical and subsurface conditions, making them promising model organisms for potential life on Mars. The main aims of this investigation are to assess the survival of methanogenic archaea under Mars conditions, focusing on methanogens from Siberian permafrost, and to characterize their biosignatures by means of Raman spectroscopy, a powerful technology for microbial identification that will be used in the ExoMars mission. For this purpose, methanogens from Siberian permafrost and non-permafrost habitats were subjected to simulated martian desiccation by exposure to an ultra-low subfreezing temperature (-80ºC) and to Mars regolith (S-MRS and P-MRS) and atmospheric analogues. They were also exposed to different concentrations of perchlorate, a strong oxidant found in martian soils. Moreover, the biosignatures of methanogens were characterized at the single-cell level using confocal Raman microspectroscopy (CRM). The results showed survival and methane production in all methanogenic strains under simulated martian desiccation. After exposure to subfreezing temperatures, Siberian permafrost strains had a faster metabolic recovery, whereas the membranes of non-permafrost methanogens remained intact to a greater extent. The strain Methanosarcina soligelidi SMA-21 from Siberian permafrost showed significantly higher methane production rates than all other strains after the exposure to martian soil and atmospheric analogues, and all strains survived the presence of perchlorate at the concentration on Mars. Furthermore, CRM analyses revealed remarkable differences in the overall chemical composition of permafrost and non-permafrost strains of methanogens, regardless of their phylogenetic relationship. The convergence of the chemical composition in non-sister permafrost strains may be the consequence of adaptations to the environment, and could explain their greater resistance compared to the non-permafrost strains. As part of this study, Raman spectroscopy was evaluated as an analytical technique for remote detection of methanogens embedded in a mineral matrix. This thesis contributes to the understanding of the survival limits of methanogenic archaea under simulated martian conditions to further assess the hypothetical existence of life similar to methanogens on the martian subsurface. In addition, the overall chemical composition of methanogens was characterized for the first time by means of confocal Raman microspectroscopy, with potential implications for astrobiological research. N2 - Der Mars ist unter allen Planeten derjenige, der aufgrund verschiedener Faktoren am wahrscheinlichsten Leben ermöglichen kann. Das Vorhandensein von Wasser in Form von Eis und atmosphärischem Dampf zusammen mit der Verfügbarkeit biogener Elemente sowie Energie sind Indikatoren für die Möglichkeit, Leben, wie wir es kennen, zu beherbergen. Das Auftreten von dauerhaft gefrorenen Böden, oder auch Permafrost, ist ein verbreitetes Phänomen auf dem Mars. Dabei zeigen sich vielfältige morphologische Analogien zum terrestrischen Permafrost. Permafrostgebiete auf der Erde, welche trotz extremer, Bedingungen durch eine große Zahl und Vielfalt mikrobieller Gemeinschaften besiedelt sind, sind hinsichtlich möglicher Habitate auf dem Mars die vielversprechendste Analogie. Die meisten methanogenen Archaeen sind anaerobe, chemolithotrophe Mikroorganismen, die auf der Marsoberfläche viele der metabolischen und physiologischen Erfordernisse zum Überleben vorfinden. Methanogene Archaeen aus dem sibirischen Permafrost sind zudem extrem resistent gegenüber unterschiedlichen Formen von physiologischem Stress sowie simulierten thermo-physikalischen Marsbedingungen. Die Hauptziele dieser Untersuchung bestehen darin, das Überleben der methanogenen Archaeen unter Marsbedingungen zu beurteilen, wobei der Fokus auf methanogenen Archaeen aus dem sibirischen Permafrost liegt, sowie deren Biosignaturen mit Hilfe der Raman-Spektroskopie zu charakterisieren, einer starken Technologie zur mikrobiellen Identifikation, welche bei der ExoMars-Mission zum Einsatz kommen wird. Zu diesem Zweck wurden methanogene Archaeen aus dem sibirischen Permafrost sowie aus Nicht-Permafrost-Habitaten in Simulationen Marsbedingungen ausgesetzt, wie Austrocknung durch Langzeitversuche bei ultraniedrigen Temperaturen unter dem Gefrierpunkt (-80ºC), Mars-analogen Mineralien (S-MRS und P-MRS) sowie einer Marsatmosphäre. Weiterhin wurden die Kulturen verschiedenen Konzentrationen von Magnesiumperchlorat, einem starken Oxidant, der im Marsboden nachgewiesenen wurde, ausgesetzt. Ferner wurden die Biosignaturen einzelner Zellen der methanogenen Archaeen mit Hilfe der konfokalen Raman-Mikrospektroskopie (CRM) charakterisiert. Die Ergebnisse zeigten für alle untersuchten methanogenen Stämme Überleben und Methanbildung, nachdem diese simulierten Austrocknungsbedingungen ausgesetzt worden waren. Nach Versuchen mit Temperaturen unter dem Gefrierpunkt zeigten die Stämme aus dem sibirischen Permafrost eine schnellere Wiederaufnahme der Stoffwechseltätigkeit, wohingegen bei den Referenzorganismen aus Nicht-Permafrost-Habitaten die Zell¬membranen im größeren Ausmaß intakt blieben. Der Stamm Methanosarcina soligelidi SMA-21 aus dem sibirischen Permafrost zeigte nach dem Belastungstest mit Marsboden und Mars-analoger Atmosphäre signifikant höhere Methanbildungsraten. Zudem überlebten alle untersuchten Stämme die Zugabe von Magnesiumperchlorat in der entsprechenden Konzentration, die auf dem Mars vorkommt. Weiterhin konnten durch die Raman-Spektroskopie beachtliche Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung zwischen methanogenen Archaeen aus Permafrost- und Nicht-Permafrost-Habitaten, trotz ihrer phylogenetischen Verwandtschaft, ermittelt werden. Die Konvergenz der chemischen Zusammensetzung der Permafrost-Stämme könnte das Resultat ihrer Anpassung an die Umgebung sein, was auch die Unterschiede hinsichtlich ihrer Resistenz verglichen mit Nicht-Permafrost-Stämmen erklären könnte. Als Teil dieser Studie wurde die Raman-Spektroskopie als Analyse-Technik zur Ferndetektion von methanogenen Archaeen, welche in eine Mineral-Matrix eingebettet sind, evaluiert. Diese Dissertation trägt zu einem besseren Verständnis hinsichtlich der Grenzen für ein Überleben von methanogenen Archaeen unter simulierten Marsbedingungen bei und damit zu einer Beurteilung der Hypothese, ob es ähnliches Leben unter der Marsoberfläche geben könnte. Darüber hinaus wurde erstmalig die chemische Zusammensetzung von methanogenen Archaeen mit Hilfe der Raman-Mikrospektroskopie charakterisiert. Dieser Technologie kommt eine wesentliche Bedeutung für weitere Forschungstätigkeit in der Astrobiologie zu. KW - Methanogene Archaeen KW - sibirischen Permafrost KW - Mars KW - Raman Spektroskopie KW - Biosignaturen KW - methanogenic archaea KW - Siberian permafrost KW - Mars KW - Raman spectroscopy KW - biosignatures Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-72299 ER - TY - THES A1 - Seul, Anait T1 - Tailspike interactions in bacteriophage P22 Y1 - 2008 CY - Potsdam ER - TY - THES A1 - Shahnejat-Bushehri, Sara T1 - Unravelling the role of the Arabidopsis NAC transcription factor JUNGBRUNNEN1 (JUB1) for the regulation of growth and stress responses Y1 - 2016 ER - TY - THES A1 - Sharma, Reeta T1 - Molecular genetic analysis of Bengal tiger (Panthera tigris tigres) population and its implication in conservation and wildlife forensics Y1 - 2008 CY - Potsdam ER - TY - THES A1 - Sharma, Tripti T1 - Regulation of potassium channels in plants : biophysical mechanisms and physiological implacations Y1 - 2011 CY - Potsdam ER - TY - THES A1 - Shen, Yawen T1 - Functional characterization of the gene regulatory network of C2H2-type zine finger protein ZAT8 in Arabidopsis thaliana Y1 - 2022 ER - TY - THES A1 - Shevtsova, Iuliia T1 - Recent and future vegetation change in the treeline region of Chukotka (NE Russia) inferred from field data, satellite data and modelling N2 - Vegetation change at high latitudes is one of the central issues nowadays with respect to ongoing climate changes and triggered potential feedback. At high latitude ecosystems, the expected changes include boreal treeline advance, compositional, phenological, physiological (plants), biomass (phytomass) and productivity changes. However, the rate and the extent of the changes under climate change are yet poorly understood and projections are necessary for effective adaptive strategies and forehanded minimisation of the possible negative feedbacks. The vegetation itself and environmental conditions, which are playing a great role in its development and distribution are diverse throughout the Subarctic to the Arctic. Among the least investigated areas is central Chukotka in North-Eastern Siberia, Russia. Chukotka has mountainous terrain and a wide variety of vegetation types on the gradient from treeless tundra to northern taiga forests. The treeline there in contrast to subarctic North America and north-western and central Siberia is represented by a deciduous conifer, Larix cajanderi Mayr. The vegetation varies from prostrate lichen Dryas octopetala L. tundra to open graminoid (hummock and non-hummock) tundra to tall Pinus pumila (Pall.) Regel shrublands to sparse and dense larch forests. Hence, this thesis presents investigations on recent compositional and above-ground biomass (AGB) changes, as well as potential future changes in AGB in central Chukotka. The aim is to assess how tundra-taiga vegetation develops under changing climate conditions particularly in Fareast Russia, central Chukotka. Therefore, three main research questions were considered: 1) What changes in vegetation composition have recently occurred in central Chukotka? 2) How have the above-ground biomass AGB rates and distribution changed in central Chukotka? 3) What are the spatial dynamics and rates of tree AGB change in the upcoming millennia in the northern tundra-taiga of central Chukotka? Remote sensing provides information on the spatial and temporal variability of vegetation. I used Landsat satellite data together with field data (foliage projective cover and AGB) from two expeditions in 2016 and 2018 to Chukotka to upscale vegetation types and AGB for the study area. More specifically, I used Landsat spectral indices (Normalised Difference Vegetation Index (NDVI), Normalised Difference Water Index (NDWI) and Normalised Difference Snow Index (NDSI)) and constrained ordination (Redundancy analysis, RDA) for further k-means-based land-cover classification and general additive model (GAM)-based AGB maps for 2000/2001/2002 and 2016/2017. I also used Tandem-X DEM data for a topographical correction of the Landsat satellite data and to derive slope, aspect, and Topographical Wetness Index (TWI) data for forecasting AGB. Firstly, in 2016, taxa-specific projective cover data were collected during a Russian-German expedition. I processed the field data and coupled them with Landsat spectral Indices in the RDA model that was used for k-means classification. I could establish four meaningful land-cover classes: (1) larch closed-canopy forest, (2) forest tundra and shrub tundra, (3) graminoid tundra and (4) prostrate herb tundra and barren areas, and accordingly, I produced the land cover maps for 2000/2001/2002 and 2016/20017. Changes in land-cover classes between the beginning of the century (2000/2001/2002) and the present time (2016/2017) were estimated and interpreted as recent compositional changes in central Chukotka. The transition from graminoid tundra to forest tundra and shrub tundra was interpreted as shrubification and amounts to a 20% area increase in the tundra-taiga zone and 40% area increase in the northern taiga. Major contributors of shrubification are alder, dwarf birch and some species of the heather family. Land-cover change from the forest tundra and shrub tundra class to the larch closed-canopy forest class is interpreted as tree infilling and is notable in the northern taiga. We find almost no land-cover changes in the present treeless tundra. Secondly, total AGB state and change were investigated for the same areas. In addition to the total vegetation AGB, I provided estimations for the different taxa present at the field sites. As an outcome, AGB in the study region of central Chukotka ranged from 0 kg m-2 at barren areas to 16 kg m-2 in closed-canopy forests with the larch trees contributing the highest. A comparison of changes in AGB within the investigated period from 2000 to 2016 shows that the greatest changes (up to 1.25 kg m 2 yr 1) occurred in the northern taiga and in areas where land cover changed to larch closed-canopy forest. Our estimations indicate a general increase in total AGB throughout the investigated tundra-taiga and northern taiga, whereas the tundra showed no evidence of change in AGB within the 15 years from 2002 to 2017. In the third manuscript, potential future AGB changes were estimated based on the results of simulations of the individual-based spatially explicit vegetation model LAVESI using different climate scenarios, depending on Representative Concentration Pathways (RCPs) RCP 2.6, RCP 4.5 and RCP 8.5 with or without cooling after 2300 CE. LAVESI-based AGB was simulated for the current state until 3000 CE for the northern tundra-taiga study area for larch species because we expect the most notable changes to occur will be associated with forest expansion in the treeline ecotone. The spatial distribution and current state of tree AGB was validated against AGB field data, AGB extracted from Landsat satellite data and a high spatial resolution image with distinctive trees visible. The simulation results are indicating differences in tree AGB dynamics plot wise, depending on the distance to the current treeline. The simulated tree AGB dynamics are in concordance with fundamental ecological (emigrational and successional) processes: tree stand formation in simulated results starts with seed dispersion, tree stand establishment, tree stand densification and episodic thinning. Our results suggest mostly densification of existing tree stands in the study region within the current century in the study region and a lagged forest expansion (up to 39% of total area in the RCP 8.5) under all considered climate scenarios without cooling in different local areas depending on the closeness to the current treeline. In scenarios with cooling air temperature after 2300 CE, forests stopped expanding at 2300 CE (up to 10%, RCP 8.5) and then gradually retreated to their pre-21st century position. The average tree AGB rates of increase are the strongest in the first 300 years of the 21st century. The rates depend on the RCP scenario, where the highest are as expected under RCP 8.5. Overall, this interdisciplinary thesis shows a successful integration of field data, satellite data and modelling for tracking recent and predicting future vegetation changes in mountainous subarctic regions. The obtained results are unique for the focus area in central Chukotka and overall, for mountainous high latitude ecosystems. N2 - Die Veränderung der Vegetation in den hohen Breiten ist heutzutage eines der zentralen Themen im Hinblick auf den anhaltenden Klimawandel und hat potenziell auslösende Rückkopplungen. In den Ökosystemen der hohen Breiten umfassen die erwarteten Veränderungen das Fortschreiten der borealen Baumgrenze, sowie kompositorische, phänologische, physiologische, Biomassen- (Phytomasse) und Produktivitätsveränderungen. Die Geschwindigkeit und das Ausmaß der Veränderungen im Rahmen des Klimawandels sind jedoch noch wenig verstanden, und Projektionen sind für wirksame Anpassungsstrategien und eine vorausschauende Minimierung möglicher negativer Rückkopplungen erforderlich. Die Vegetation selbst und die Umweltbedingungen, die bei ihrer Entwicklung und Verbreitung eine große Rolle spielen, sind in der gesamten Subarktis bis zur Arktis unterschiedlich. Zu den am wenigsten untersuchten Gebieten gehört Zentral-Tschukotka, in Nordost-Sibirien, Russland. Tschukotka hat gebirgiges Terrain und eine weite Bandbreite von Vegetationstypen entlang des Gradienten von der baumlosen Tundra bis zu den nördlichen Taiga-Wäldern. Die Baumgrenze dort wird im Gegensatz zum subarktischen Nordamerika sowie Nordwest- und Mittelsibirien durch eine laubabwerfende Nadelbaumart, Larix cajanderi Mayr, aufgebaut. Die Vegetation variiert von Tundra mit Flechten und Dryas octopetala L. über offene graminoide (Horstgras und nicht Horstgras) Tundra und hohe Pinus pumila (Pall.) Regel Strauchlandschaften zu lockeren Lärchenbeständen bis zu dichten Lärchenwäldern. Somit werden in meiner Dissertation Untersuchungen zu den jüngsten Veränderungen der Vegetationszusammensetzung und der oberirdischen Biomasse (aus dem Englischen above-ground biomass, bzw. AGB), sowie zu potenziellen zukünftigen Veränderungen der AGB vorgestellt. Das Ziel meiner Arbeit ist es abzuschätzen, wie sich die Tundra-Taiga-Vegetation unter Klimawandel entwickelt, insbesondere in Fernost Russland, Zentral-Tschukotka. Daher wurden drei Hauptforschungsfragen berücksichtigt: 1) Welche Veränderungen in der Vegetationszusammensetzung sind in den letzten Jahrzehnten in Zentral-Tschukotka aufgetreten? 2) Wie haben sich die AGB-Raten und die Verteilung der oberirdischen Biomasse in Zentral-Tschukotka verändert? 3) Wie sind die räumlichen Dynamiken und Änderungsraten der Baum-AGB in dem kommenden Jahrtausend in der nördlichen Tundra-Taiga in Zentral-Tschukotka? Fernerkundung liefert Informationen über die räumliche und zeitliche Vegetationsvariabilität. Ich habe Landsat-Satellitendaten zusammen mit Felddaten (Projektive Vegetationsbedeckung und AGB) von zwei Expeditionen in den Jahren 2016 und 2018 nach Tschukotka verwendet, um Vegetationstypen und AGB für das Untersuchungsgebiet räumlich abzubilden. Insbesondere habe ich die Landsat-Spektralindizes (Normalized Difference Vegetation Index (NDVI), Normalized Difference Water Index (NDWI) und Normalized Difference Snow Index (NDSI)) und eine Ordination mit Randbedingungen (Redundanzanalyse, RDA) verwendet, um eine Land-Klassifizierung mittels der k-means Methode zu entwickeln, und AGB-Karten mittels des General Additive Model (GAM) für 2000/2001/2002 und 2016/2017 zu erstellen. Außerdem verwendete ich Tandem-X-DEM-Daten, um die Landsat-Satellitendaten topografisch zu korrigieren und um die Hangneigung-, Hangaspekt- und TWI- (Topographical Wetness Index) Daten für die Vorhersage von AGB abzuleiten. Auf einer russisch-deutschen Expedition im Jahr 2016 wurden Vegetationsdaten erhoben. Ich prozessierte die Felddaten zu taxaspezifischen-projektiven Vegetationsbedeckungsdaten. Ich habe die taxaspezifisch-projektive Vegetationsbedeckung mit Landsat-Spektralindizes im RDA-Modell gekoppelt, das für die k-means-Klassifizierung verwendet wurde. Ich konnte vier repräsentative Landbedeckungsklassen einrichten: (1) Lärchen-Wald mit geschlossenem Blätterdach, (2) Waldtundra und Strauch-Tundra, (3) graminoide Tundra und (4) Kräutertundra und vegetationsarme Gebiete. Dementsprechend prozessierte ich dann die Landbedeckungskarten für 2000/2001/2002 und 2016/20017. Ich ermittelte die Änderungen der Landbedeckungsklassen zwischen dem Beginn des Jahrhunderts (2000/2001/2002) und der Gegenwart (2016/2017) und konnte sie als aktuelle Kompositionsänderungen in der Vegetation von Zentral-Tschukotka interpretieren. Die Transformation von der graminoiden Tundra zur Waldtundra oder zur Strauch-Tundra habe ich als Prozess der Strauchbildung interpretiert, die einer Flächenvergrößerung von 20% in der Tundra-Taiga Zone und einer Flächenvergrößerung von 40% in der nördlichen Taiga entspricht. Hauptakteure der Strauchung sind Erle, Zwergbirke und einige Arten der Heidekrautfamilie. Der Landbedeckungswechsel von der Waldtundra- und Strauch-Tundra-Klasse zur Klasse des Lärchen-Waldes mit geschlossenen Blätterdach wird als eine Verdichtung des Baumbestandes interpretiert und ist in der nördlichen Taiga bemerkenswert. In der heutigen baumlosen Tundra finden wir fast keine Landbedeckungsänderungen. Im zweiten Projekt bestimmte ich den Gesamt-AGB-Zustand und die gesamte AGB-Veränderung für dieselben Regionen in Zentral-Chukotka. Zusätzlich zur gesamten AGB lieferte ich Schätzungen für die verschiedenen Taxa, die an den Feldstandorten vorhanden sind. Als Ergebnis lag die AGB in der Untersuchungsregion von Zentral-Tschukotka zwischen 0 kg m-2 in vegetationsarmen Gebieten und 16 kg m-2 in den Wäldern mit geschlossenem Blätterdach mit dem größten Anteil von Lärchen. Ein Vergleich der Veränderungen der AGB im Untersuchungszeitraum von 2000 bis 2016 zeigt, dass die größten Veränderungen (bis zu 1,25 kg m-2 Jahr-1) in der nördlichen Taiga und in den Gebieten auftraten, in denen sich die Landbedeckung hin zu einen Lärchenwald mit geschlossenen Blätterdach änderte. Unsere Schätzungen deuten auf einen allgemeinen Anstieg der gesamten AGB in der untersuchten Tundra-Taiga und der nördlichen Taiga hin. Im Gegensatz zeigte die Tundra innerhalb der 15 Jahre von 2002 bis 2017 keine Hinweise auf eine Veränderung der AGB. Im dritten Projekt wurden potenzielle zukünftige Änderungen der oberirdischen Biomasse (AGB) basierend auf den Ergebnissen von Simulationen des individuell basierten räumlich expliziten Vegetationsmodells LAVESI unter Verwendung verschiedener Klimaszenarien, abhängig von RCP (Representative Concentration Pathways) 2.6, RCP 4.5 und RCP 8.5 (mit und ohne die Temperaturminderung nach den 2300 CE), geschätzt. Die LAVESI-basierte AGB wurde für den aktuellen Zustand bis 3000 CE für Lärchen-AGB simuliert, da wir davon ausgehen, dass die bemerkenswertesten Veränderungen im Baumgrenze-Ökoton mit einer Waldausdehnung zusammenhängen. Die räumliche Verteilung und der aktuelle Zustand der Baum-AGB wurden anhand von AGB-Felddaten, aus Landsat-Satellitendaten extrahierten AGB und einem Satellitenbild mit hoher räumlicher Auflösung und dadurch sichtbaren Einzelbäumen validiert. Die Simulationsergebnisse deuten auf Unterschiede in der Baum-AGB-Dynamik in Abhängigkeit von der Entfernung zur aktuellen Baumgrenze hin. Die simulierte Baum-AGB-Dynamik stimmt mit grundlegenden ökologischen (Auswanderungs- und Sukzessions-) Prozessen überein: die simulierte Baumbestandsentwicklung fängt mit Samenverbreitung an, Schaffung des Baumbestands, Baumbestand Verdichtung und episodische Verdünnung. Unsere Ergebnisse weisen auf eine Verdichtung des bestehenden Baumbestandes im Laufe dieses Jahrhunderts hin in der Untersuchungsregion, und auf eine zeitlich verzögerte Waldverbreitung (bis zu 39% der Fläche im RCP 8.5) unter allen betrachteten Klima-Szenarien ohne Abkühlung in verschiedenen lokalen Bereichen, abhängig von der Nähe zur heutigen Baumgrenze. In Szenarien mit Abkühlung nach 2300 CE beenden die Wälder ihre Ausbreitung um 2300 CE; bis zu 10%, RCP 8.5) um dann graduell zu ihrer vor 21. Jhd. Position zurückzuweichen. Die gemittelten Änderungsraten der Baum AGB sind am höchsten in den ersten 300 Jahren des 21. Jahrhunderts. Die Änderungsraten hängen ab von dem RCP Szenarium, mit den höchsten Änderungsraten unter RCP 8.5, wie zu erwarten war. Insgesamt zeigt diese interdisziplinäre Arbeit eine erfolgreiche Integration von Felddaten, Satellitendaten und Modellen zur Verfolgung der aktuellen und vorhergesagten zukünftigen Vegetationsänderungen in subarktischen Gebirgsregionen. Die erzielten Ergebnisse sind einzigartig für den Schwerpunktbereich in Zentral-Tschukotka und insgesamt für Gebirgsregionen in den hohen Breiten. T2 - Aktuelle und zukünftige Vegetationsveränderung in der Baumgrenzenregion von Chukotka (Nordost-Russland), abgeleitet aus Felddaten, Satellitendaten und Modellierung KW - plant ecology KW - vegetation change KW - Chukotka vegetation KW - above-ground biomass KW - land-cover classification KW - LAVESI KW - tree infilling KW - shrubification KW - subarctic vegetation change KW - treeline KW - tundra-taiga KW - Larix cajanderi KW - Vegetation von Tschukotka KW - oberirdische Biomasse KW - Klassifikation der Landbedeckung KW - Pflanzenökologie KW - Vegetationsveränderungen in der Subarktis KW - Waldausdehnung KW - Vegetationsveränderungen KW - Baumgrenze KW - Tundra-Taiga Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-548452 ER - TY - THES A1 - Shikangalah, Rosemary Ndawapeka T1 - An ecohydrological impact assessment in urban areas BT - urban water erosion in Windhoek, Namibia N2 - Over the last decades, the world’s population has been growing at a faster rate, resulting in increased urbanisation, especially in developing countries. More than half of the global population currently lives in urbanised areas with an increasing tendency. The growth of cities results in a significant loss of vegetation cover, soil compaction and sealing of the soil surface which in turn results in high surface runoff during high-intensity storms and causes the problem of accelerated soil water erosion on streets and building grounds. Accelerated soil water erosion is a serious environmental problem in cities as it gives rise to the contamination of aquatic bodies, reduction of ground water recharge and increase in land degradation, and also results in damages to urban infrastructures, including drainage systems, houses and roads. Understanding the problem of water erosion in urban settings is essential for the sustainable planning and management of cities prone to water erosion. However, in spite of the vast existence of scientific literature on water erosion in rural regions, a concrete understanding of the underlying dynamics of urban erosion still remains inadequate for the urban dryland environments. This study aimed at assessing water erosion and the associated socio-environmental determinants in a typical dryland urban area and used the city of Windhoek, Namibia, as a case study. The study used a multidisciplinary approach to assess the problem of water erosion. This included an in depth literature review on current research approaches and challenges of urban erosion, a field survey method for the quantification of the spatial extent of urban erosion in the dryland city of Windhoek, and face to face interviews by using semi-structured questionnaires to analyse the perceptions of stakeholders on urban erosion. The review revealed that around 64% of the literatures reviewed were conducted in the developed world, and very few researches were carried out in regions with extreme climate, including dryland regions. Furthermore, the applied methods for erosion quantification and monitoring are not inclusive of urban typical features and they are not specific for urban areas. The reviewed literature also lacked aspects aimed at addressing the issues of climate change and policies regarding erosion in cities. In a field study, the spatial extent and severity of an urban dryland city, Windhoek, was quantified and the results show that nearly 56% of the city is affected by water erosion showing signs of accelerated erosion in the form of rills and gullies, which occurred mainly in the underdeveloped, informal and semi-formal areas of the city. Factors influencing the extent of erosion in Windhoek included vegetation cover and type, socio-urban factors and to a lesser extent slope estimates. A comparison of an interpolated field survey erosion map with a conventional erosion assessment tool (the Universal Soil Loss Equation) depicted a large deviation in spatial patterns, which underlines the inappropriateness of traditional non-urban erosion tools to urban settings and emphasises the need to develop new erosion assessment and management methods for urban environments. It was concluded that measures for controlling water erosion in the city need to be site-specific as the extent of erosion varied largely across the city. The study also analysed the perceptions and understanding of stakeholders of urban water erosion in Windhoek, by interviewing 41 stakeholders using semi-structured questionnaires. The analysis addressed their understanding of water erosion dynamics, their perceptions with regards to the causes and the seriousness of erosion damages, and their attitudes towards the responsibilities for urban erosion. The results indicated that there is less awareness of the process as a phenomenon, instead there is more awareness of erosion damages and the factors contributing to the damages. About 69% of the stakeholders considered erosion damages to be ranging from moderate to very serious. However, there were notable disparities between the private householders and public authority groups. The study further found that the stakeholders have no clear understanding of their responsibilities towards the management of the control measures and payment for the damages. The private householders and local authority sectors pointed fingers at each other for the responsibilities for erosion damage payments and for putting up prevention measures. The reluctance to take responsibility could create a predicament for areas affected, specifically in the informal settlements where land management is not carried out by the local authority and land is not owned by the occupants. The study concluded that in order to combat urban erosion, it is crucial to understand diverse dynamics aggravating the process of urbanisation from different scales. Accordingly, the study suggests that there is an urgent need for the development of urban-specific approaches that aim at: (a) incorporating the diverse socio-economic-environmental aspects influencing erosion, (b) scientifically improving natural cycles that influence water storages and nutrients for plants in urbanised dryland areas in order to increase the amount of vegetation cover, (c) making use of high resolution satellite images to improve the adopted methods for assessing urban erosion, (d) developing water erosion policies, and (e) continuously monitoring the impact of erosion and the influencing processes from local, national and international levels. N2 - In den letzten Jahrzehnten ist die Erdbevölkerung mit großer Geschwindigkeit gewachsen. Das hatte eine verstärkte Urbanisierung zur Folge, insbesondere in den Entwicklungsländern. Zurzeit lebt über die Hälfte der globalen Bevölkerung in Stadtgebieten, mit steigender Tendenz. Städtewachstum geht mit einem signifikanten Verlust von Vegetationsbedeckung, sowie mit Bodenverdichtung und -versiegelung einher. Diese Faktoren führen bei Starkregenereignissen zu einem hohen Oberflächenabfluss, und zu Problemen durch beschleunigte wasserbedingte Bodenerosion in Straßen und auf Baugelände. In Städten ist eine beschleunigte wasserbedingte Bodenerosion ist ein ernstzunehmendes Umweltproblem, denn sie verursacht eine Verschmutzung der Gewässer, eine verminderte Grundwasserneubildung und erhöhte Landdegradierung. Darüber hinaus kommt es zu erosionsbedingten Schäden in der städtischen Infrastruktur, inklusive der Entwässerungssysteme, sowie an Häusern und Straßen. Für ein nachhaltiges Planen und Management von erosionsanfälligen Städten ist es von essentieller Bedeutung, die Probleme der Wassererosion in städtischen Gebieten zu verstehen. Trotz der großen Anzahl wissenschaftlicher Studien über Wassererosion in ländlichen Gegenden bleibt unser Verständnis der zu Grunde liegenden Erosionsdynamiken in urbanen Trockengebieten unzureichend. Diese Studie zielt darauf ab, Wassererosion, sowie die dazu beitragenden sozio-ökologischen Faktoren, in einem typischen urbanen Trockengebiet zu erfassen. Hierzu wurde ein fachübergreifender Ansatz am Fallbeispiel der Stadt Windhoek, Namibia, gewählt. Die Arbeit umfasst eine detaillierte Literaturanalyse der aktuellen Forschungsansätze zur urbanen Wassererosion und den damit verbundenen Herausforderungen. Außerdem wurde eine feldstudienbasierte Methode entwickelt, mit der das Ausmaß der Wassererosion in der Stadt Windhoek quantifiziert und räumlich erfasst wurde. Schließlich wurden persönliche Befragungen mit halbstrukturierten Fragebögen durchgeführt, um die Wahrnehmung der verschiedenen Interessenvertreter zum Thema Erosion in Stadtgebieten zu analysieren. Die Literaturanalyse hat gezeigt, dass 64% der untersuchten Studien in der entwickelten Welt durchgeführt wurden und nur sehr wenige Regionen mit extremen Klimabedingungen, einschließlich Trockengebieten, untersucht wurden. Hinzu kommt, dass die verwendeten Methoden zur Erosionsquantifizierung und -beobachtung die für urbane Gebiete typischen Merkmale nicht beinhalten und dafür auch nicht ausgerichtet sind. Des Weiteren mangelt es der untersuchten Literatur an Ansätzen, die den Einfluss des Klimawandels und politische Aspekte in Bezug auf Erosion in Stadtgebieten thematisieren. In einer Feldstudie wurde das Ausmaß von Wassererosion in der trocken gelegenen Stadt Windhoek quantifiziert und räumlich erfasst. Beinahe 56% der Stadt waren von Wassererosion betroffen und wiesen Anzeichen beschleunigter Erosion in Form von Rinnen und Rillen auf. Letztere traten vor allem in den unterentwickelten, informellen und semi-formellen Stadtgebieten auf. Das Ausmaß der Erosion in Windhoek wurde unter anderem von der Vegetationsbedeckung und dem Vegetationstyp, von sozial-urbanen Faktoren, und zu einem geringeren Grad von dem geschätzten Gefälle bestimmt. Der Vergleich einer interpolierten feldstudienbasierten Erosionskarte mit Ergebnissen, die auf einer konventionellen Methode zur Erosionserfassung (der Allgemeinen Bodenabtragsgleichung (ABAG)) basieren, ergab eine starke Abweichung in den räumlichen Mustern. Das verdeutlicht die Unzulänglichkeit einer direkten Übertragung von traditionellen nicht-urbanen Methoden zur Erosionserfassung auf ein urbanes Umfeld und betont die Notwendigkeit, neue Methoden sowohl zur Erfassung als auch zum Management von Erosion für urbane Gebiete zu entwickeln. Aus der großen Variabilität des Erosionsausmaßes innerhalb der Stadt lässt sich folgern, dass Methoden zur Kontrolle von Wassererosion in Städten standortspezifisch sein sollten. Anhand von halbstrukturierten Fragebögen wurde in einem weiteren Teil der Arbeit die Wahrnehmung und das Verständnis der unterschiedlichen Interessenvertreter zum Thema urbane Wassererosion in Windhoek untersucht. Insgesamt wurden 41 Interessenvertreter zu ihrem Verständnis der Wassererosionsdynamiken, zu ihrer Wahrnehmung in Bezug auf mögliche Ursachen und zum Ausmaß der Erosionsschäden, sowie zu ihrer Einstellung zur Verantwortlichkeit für die Erosion in der Stadt befragt. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass es eine geringe Wahrnehmung für das Phänomen der Erosion als Prozess gibt, dafür aber eine im Vergleich erhöhte Wahrnehmung der Erosionsschäden und der Faktoren, die zu den Schäden beitragen. Ungefähr 69% der Interessenvertreter stuften die Erosionsschäden als moderat bis sehr ernsthaft ein. Dabei gab es erkennbare Differenzen zwischen der Gruppe der privaten Haushalte und der der öffentlichen Behörden. Des Weiteren hat die Untersuchung ergeben, dass die Interessenvertreter kein klares Verständnis ihrer Verantwortung in Bezug auf das Management der Kontrollmaßnahmen, sowie ihrer finanziellen Verantwortung für die Schäden haben. Die privaten Haushalte und die örtlichen Behörden wiesen sich gegenseitig die Zahlungsverantwortung für die Erosionsschäden und für vorbeugende Maßnahmen zu. Der Unwille der einzelnen Akteure, Verantwortung zu übernehmen, könnte eine Zwickmühle für die betroffenen Gebiete werden. Dies gilt insbesondere für die informellen Siedlungen, in denen von den örtlichen Behörden kein Landmanagement durchgeführt wird, das Land aber auch nicht Eigentum der Bewohnern ist. Abschließend hat die Studie ergeben, dass es für eine effektive Erosionsbekämpfung in der Stadt von ausschlaggebender Bedeutung ist, die verschiedenen, den Prozess der Urbanisierung auf negative Weise verstärkenden Dynamiken, auf ihren unterschiedlichen Skalen zu verstehen. Auf Grundlage der hier präsentierten Ergebnisse wird eine Entwicklung speziell auf Stadtgebiete ausgerichteter Ansätze mit folgenden Zielen dringend nahegelegt: (a) Einer Integration von diversen sozio-ökonomisch-ökologischen Aspekten, die sich auf Erosion auswirken; (b) Einer wissenschaftlich begründeten Verbesserung der natürlichen Kreisläufe, die sich positiv auf die Wasserspeicherung im Boden und die Nährstoffverfügbarkeit für Pflanzen auswirken, um dadurch einen höheren Vegetationsbedeckungsgrad zu erreichen; (c) Der Nutzung hoch aufgelöster Satellitendaten, um die Methoden zur Erosionserfassung für urbane Gebiete zu verbessern; (d) Der Entwicklung politischer Maßnahmen zur Bekämpfung von Wassererosion. KW - urban soil erosion KW - water erosion KW - risk mapping KW - urbane Bodenerosion KW - Wassererosion KW - Risikoabbildung Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-102356 ER - TY - THES A1 - Shirokova, Elena T1 - Functional genomics of olfactory and pheromone receptors by reconstitution of their signal transduction in human HeLa cells Y1 - 2005 CY - Potsdam ER - TY - THES A1 - Shivanand, Lathe Rahul T1 - DUF1068 protein family members are involved in cell wall formation in Arabidopsis thaliana Y1 - 2015 ER - TY - THES A1 - Siddiqui, Hamad T1 - Isolation and functional characterization of novel NAC genes playing a crucial role in leaf senescence in Arabidopsis thaliana (L.) Heynh Y1 - 2008 CY - Potsdam ER - TY - THES A1 - Siebler, Lara T1 - Identifying novel regulators of heat stress memory in Arabidopsis thaliana T1 - Identifikation neuer Regulatoren des Hitzestressgedächtnisses in Arabidopsis thaliana N2 - Heat stress (HS) is a major abiotic stress that negatively affects plant growth and productivity. However, plants have developed various adaptive mechanisms to cope with HS, including the acquisition and maintenance of thermotolerance, which allows them to respond more effectively to subsequent stress episodes. HS memory includes type II transcriptional memory which is characterized by enhanced re-induction of a subset of HS memory genes upon recurrent HS. In this study, new regulators of HS memory in A. thaliana were identified through the characterization of rein mutants. The rein1 mutant carries a premature stop in CYCLIN-DEPENDENT-KINASE 8 (CDK8) which is part of the cyclin kinase module of the Mediator complex. Rein1 seedlings show impaired type II transcriptional memory in multiple heat-responsive genes upon re-exposure to HS. Additionally, the mutants exhibit a significant deficiency in HS memory at the physiological level. Interaction studies conducted in this work indicate that CDK8 associates with the memory HEAT SHOCK FACTORs HSAF2 and HSFA3. The results suggest that CDK8 plays a crucial role in HS memory in plants together with other memory HSFs, which may be potential targets of the CDK8 kinase function. Understanding the role and interaction network of the Mediator complex during HS-induced transcriptional memory will be an exciting aspect of future HS memory research. The second characterized mutant, rein2, was selected based on its strongly impaired pAPX2::LUC re-induction phenotype. In gene expression analysis, the mutant revealed additional defects in the initial induction of HS memory genes. Along with this observation, basal thermotolerance was impaired similarly as HS memory at the physiological level in rein2. Sequencing of backcrossed bulk segregants with subsequent fine mapping narrowed the location of REIN2 to a 1 Mb region on chromosome 1. This interval contains the At1g65440 gene, which encodes the histone chaperone SPT6L. SPT6L interacts with chromatin remodelers and bridges them to the transcription machinery to regulate nucleosome and Pol II occupancy around the transcriptional start site. The EMS-induced missense mutation in SPT6L may cause altered HS-induced gene expression in rein2, possibly triggered by changes in the chromatin environment resulting from altered histone chaperone function. Expanding research on screen-derived factors that modify type II transcriptional memory has the potential to enhance our understanding of HS memory in plants. Discovering connections between previously identified memory factors will help to elucidate the underlying network of HS memory. This knowledge can initiate new approaches to improve heat resilience in crops. N2 - Hitzestress ist ein abiotischer Stressfaktor, der Pflanzenwachstum und Ertragsfähigkeit negativ beeinflusst. Pflanzen haben Anpassungsmechanismen entwickelt, einschließlich des Erwerbs und der Aufrechterhaltung von Thermotoleranz, die es ihnen ermöglichen auf wiederholte Stressereignisse effektiver zu reagieren. Das Hitzestress-Gedächtnis umfasst unter anderem verstärkte Re-Induktion von Gedächtnisgenen nach wiederholter Exposition (Typ II). In dieser Arbeit wurden anhand der Charakterisierung von Re-Induktionsmutanten (rein Mutanten) neue Regulatoren des Typ II Hitzestress-Gedächtnisses in A. thaliana identifiziert. Die rein1 Mutante weist ein vorzeitiges Stoppcodon in CDK8 auf, einer Untereinheit im Kinasemodul des Mediator Komplexes. Rein1 Keimlinge zeigen ein beeinträchtigtes Hitzstress-Transkriptionsgedächtnis, sowie Defekte in der Aufrechterhaltung der Thermotoleranz auf physiologischer Ebene. Mittels Interaktionsstudien konnte gezeigt werden, dass CDK8 mit den im Hitzestress-Gedächtnis fungierenden Hitzeschockfaktoren HSAF2 und HSFA3 interagiert. Die Ergebnisse legen nahe, dass CDK8 zusammen mit HSFs eine Rolle bei der Aufrechterhaltung des Hitzestress-Gedächtnisses spielt, wobei letztere potenzielle Ziele der Kinasefunktion von CDK8 darstellen. Die Rolle und das Interaktionsnetzwerk des Mediatorkomplexes während der durch Hitzstress-induzierten transkriptionellen Gedächtnis-bildung und Aufrechterhaltung ist ein aufregender Aspekt zukünftiger Forschung. Die zweite rein Mutante (rein2) wurde aufgrund einer stark beeinträchtigten transkriptionellen Re-Induktion nach wiederholtem Hitzestress für weitere Charakterisierungen ausgewählt. Dabei wurden zusätzliche Defekte in der initialen Induktion von Hitzestress-Gedächtnisgenen festgestellt. Die basale Thermotoleranz in rein2 war in ähnlicher Weise beeinträchtigt wie das Hitzestress-Gedächtnis. Die Position von REIN2 wurde mithilfe von Sequenzierung und Feinkartierung auf eine 1 Mb große Region auf Chromosom 1 eingegrenzt. Dieses Intervall enthält das Gen At1g65440, das für Histon-Chaperon SPT6L kodiert. Die Missense-Mutation in SPT6L könnte die Ursache für das veränderte Hitzestress-induzierte Transkriptionsmuster in rein2 sein, möglicherweise aufgrund von einer abweichenden Chaperonfunktion und folglich Veränderung in der Chromatinumgebung. Die Ausweitung der Forschung zu den in diesem Screening ermittelten Faktoren, die das Typ II Transkriptionsgedächtnis beeinflussen, hat das Potenzial, unser derzeitiges Verständnis des Hitzestress-Gedächtnisses in Pflanzen zu verbessern und Verbindungen zwischen zuvor entdeckten Gedächtnisregulatoren herzustellen. Dieses Wissen kann dazu beitragen neue Ansätze zur Verbesserung der Hitzeresilienz bei Nutzpflanzen anzustoßen. KW - epigenetics KW - heat stress KW - molecular biology KW - genetic screen KW - Epigenetik KW - Hitzestress KW - Molekularbiologie KW - genetischer Screen Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-634477 ER - TY - THES A1 - Siemiatkowska, Beata T1 - Redox signalling in plants N2 - Once proteins are synthesized, they can additionally be modified by post-translational modifications (PTMs). Proteins containing reactive cysteine thiols, stabilized in their deprotonated form due to their local environment as thiolates (RS-), serve as redox sensors by undergoing a multitude of oxidative PTMs (Ox-PTMs). Ox-PTMs such as S-nitrosylation or formation of inter- or intra-disulfide bridges induce functional changes in these proteins. Proteins containing cysteines, whose thiol oxidation state regulates their functions, belong to the so-called redoxome. Such Ox-PTMs are controlled by site-specific cellular events that play a crucial role in protein regulation, affecting enzyme catalytic sites, ligand binding affinity, protein-protein interactions or protein stability. Reversible protein thiol oxidation is an essential regulatory mechanism of photosynthesis, metabolism, and gene expression in all photosynthetic organisms. Therefore, studying PTMs will remain crucial for understanding plant adaptation to external stimuli like fluctuating light conditions. Optimizing methods suitable for studying plants Ox-PTMs is of high importance for elucidation of the redoxome in plants. This study focusses on thiol modifications occurring in plant and provides novel insight into in vivo redoxome of Arabidopsis thaliana in response to light vs. dark. This was achieved by utilizing a resin-assisted thiol enrichment approach. Furthermore, confirmation of candidates on the single protein level was carried out by a differential labelling approach. The thiols and disulfides were differentially labelled, and the protein levels were detected using immunoblot analysis. Further analysis was focused on light-reduced proteins. By the enrichment approach many well studied redox-regulated proteins were identified. Amongst those were fructose 1,6-bisphosphatase (FBPase) and sedoheptulose-1,7-bisphosphatase (SBPase) which have previously been described as thioredoxin system targeted enzymes. The redox regulated proteins identified in the current study were compared to several published, independent results showing redox regulated proteins in Arabidopsis leaves, root, mitochondria and specifically S-nitrosylated proteins. These proteins were excluded as potential new candidates but remain as a proof-of-concept to the enrichment experiments to be effective. Additionally, CSP41A and CSP41B proteins, which emerged from this study as potential targets of redox-regulation, were analyzed by Ribo-Seq. The active translatome study of csp41a mutant vs. wild-type showed most of the significant changes at end of the night, similarly as csp41b. Yet, in both mutants only several chloroplast-encoded genes were altered. Further studies of CSP41A and CSP41B proteins are needed to reveal their functions and elucidate the role of redox regulation of these proteins. N2 - Wenn Proteine synthetisiert sind, können sie zusätzlich noch post-translationelle Modifikationen (PTM) aufweisen. Proteine, die wegen ihres lokalen Umfeldes reaktive Cysteinthiole in ihrer stabilen deprotonierten Thiolat-Form aufweisen, dienen als Redoxsensoren indem sie eine Vielzahl von oxidativen PTMs (Ox-PTMs) enthalten können. Ox-PTMs wie die S-Nitrosylierung oder die Bildung von Inter- oder Intradisulfidbrücken induzieren funktionelle Veränderungen in diesen Proteinen. Cystein-haltige Proteine, deren Funktion durch diese Thioloxidierung gesteuert werden, gehören zu dem so genannten Redoxom. Die Ox-PTMs werden durch ortsspezifische zelluläre Prozesse gesteuert, die eine essentielle Rolle bei der Proteinregulation spielen und welche das katalytische Zentrum, die Ligandenbindungsaffinität, Protein-Protein-Interaktionen oder die Proteinstabilität beeinflussen können. Die umkehrbare Proteinthioloxidierung ist ein essentieller regulatorischer Mechanismus in der Photosynthese, dem Metabolismus und der Genexpression photosynthetischer Organismen. Es ist demnach wichtig PTMs zu untersuchen, um zu verstehen wie sich Pflanzen an externe Stimuli wie das Licht anpassen können. Es ist von großer Bedeutung für das Redoxom-Forschungsgebiet Methoden zur Untersuchung von pflanzlichen Ox-PTMs zu verbessern. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf Thiolveränderungen, die in Pflanzen auftreten, und gibt einen Einblick in das in vivo Redoxom von Arabidopsis thaliana als Reaktion auf Licht oder Dunkelheit. Dieses wurde ermöglicht durch eine auf Harz-basierende Thiol-Anreicherung. Darüber hinaus konnten Kandidaten auf dem Einzelproteinlevel durch eine Differentialmarkierungsmethode bestätigt werden. Thiole und Disulfide wurden unterschiedlich markiert und die Proteine durch spezifische Antikörper mittels Proteinblotanalyse erkannt. Weitere Analysen fokussierten sich auf im Licht reduzierte Proteine. Durch die Anreicherungsmethode konnten viele bereits untersuchte redox-regulierte Proteine identifiziert werden. Unter diesen waren unter anderem die Fruktose-1,6-Bisphosphatase (FBPase) sowie die Seduheptulose-1,7-Bisphosphatase (SBPase), welche als Thioredoxin-gesteuerte Enzyme beschrieben sind. Die redox-regulierten Proteine, die in dieser Studie identifiziert werden konnten, wurden mit veröffentlichten unabhängigen Ergebnissen verglichen und dieses führte zu einer Vielzahl an redox-regulierten Proteinen in Arabidopsisblättern, -Wurzeln und -Mitochondrien sowie S-nitrosylierten Proteinen. Diese Proteine wurden zwar als neue potentielle Kandidaten ausgeschlossen, zeigten allerdings die Effektivität der Anreicherungsmethode. Darüber hinaus wurden die Proteine CSP41 A and CSP41 B, welche in dieser Studie als potentielle Ziele der Redox-Regulation identifiziert wurden, durch Ribo-seq analysiert. T2 - Redoxsignalisierung in Pflanzen KW - redox KW - signalling KW - plants KW - enrichments methods KW - post-translational modifications KW - oxidative protein modifications KW - Redox KW - Signalübertragung KW - Pflanzen KW - Anreicherungsmethoden KW - posttranslationale Modifikationen KW - oxidative Proteinmodifikationen Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-489119 ER - TY - THES A1 - Siewert, Katharina T1 - Autoaggressive human t cell receptorrs and their antigen specificities Y1 - 2011 CY - Potsdam ER - TY - THES A1 - Silva Iturriza, Adriana Maria T1 - Evolutionary relationships between haemosporidian parasites and Philippine birds Y1 - 2008 CY - Potsdam ER - TY - THES A1 - Simon-Rosin, Ulrike T1 - Isolation and characterisation of ammonium transporters from the module legumen : lotus japanicus Y1 - 2001 ER - TY - THES A1 - Sin, Celine T1 - Post-transcriptional control of gene expression T1 - Post-Transkription Steuerung der Genexpression N2 - Gene expression describes the process of making functional gene products (e.g. proteins or special RNAs) from instructions encoded in the genetic information (e.g. DNA). This process is heavily regulated, allowing cells to produce the appropriate gene products necessary for cell survival, adapting production as necessary for different cell environments. Gene expression is subject to regulation at several levels, including transcription, mRNA degradation, translation and protein degradation. When intact, this system maintains cell homeostasis, keeping the cell alive and adaptable to different environments. Malfunction in the system can result in disease states and cell death. In this dissertation, we explore several aspects of gene expression control by analyzing data from biological experiments. Most of the work following uses a common mathematical model framework based on Markov chain models to test hypotheses, predict system dynamics or elucidate network topology. Our work lies in the intersection between mathematics and biology and showcases the power of statistical data analysis and math modeling for validation and discovery of biological phenomena. N2 - Das „zentrale Dogma der Molekularbiologie“ besagt, dass der Fluss genetischer Information mit der DNS startet, die dann auf die RNS kopiert und in Proteine übersetzt wird (Crick 1970). Dieses System der Informationsübertragung bietet zwei natürliche Eingriffspunkte, an denen Genausprägungen manipuliert werden können -- entweder auf dem Level der mRNS (z.B. durch Kontrolle der Transkriptions- oder mRNS- Degradationsprozesse) oder auf dem Level des Proteins (z.B. durch Kontrolle der Translations- oder Proteindegradationsprozesse). An jedem Eingriffspunkt sind eine Vielzahl unterschiedlicher Prozesse zeitgleich aktiv, um die Konzentrationen von mRNS und Proteinen präzise einzustellen. All diese Prozesse tragen dazu bei, die Zelle intern im stationäzen Zustand zu halten, denn eine Fehlfunktion im System kann zu Krankheitszuständen oder zum Zelltot führen. In dieser Arbeit untersuchen wir verschiedene Aspekte der Kontrolle der Genausprägungs, indem wir Daten biologischer Experimente analysieren. Unsere Arbeit liegt hierbei zwischen den Bereichen der mathematischer Modellierung und der Biologie und zeigt den immensen Nutzen von statistischen Analysemethoden und mathematischer Modellbildung zur Validierung und Neuentdeckung biologischer Phänomene auf. KW - mRNA degradation KW - protein degradation KW - gene expression control KW - mathematical modeling KW - stochastic modeling KW - data analysis and statistics KW - next generation sequencing (NGS) KW - ribosome KW - Datenanalyse und Statistik KW - Regulierung der Genexpression KW - mRNA Degradierung KW - mathematisches Modellierung KW - Proteindegradierung KW - Ribosom KW - stochastische Modellierung Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-102469 ER - TY - THES A1 - Skirycz, Aleksandra T1 - Functional analysis of selected DOF transcription factors in the model plant Arabidopsis thaliana T1 - Funktionsanalyse ausgewählter DOF-Transkriptionsfaktoren bei der Modellpflanze Arabidopsis thaliana N2 - Transcription factors (TFs) are global regulators of gene expression playing essential roles in almost all biological processes, and are therefore of great scientific and biotechnological interest. This project focused on functional characterisation of three DNA-binding-with-one-zinc-finger (DOF) TFs from the genetic model plant Arabidopsis thaliana, namely OBP1, OBP2 and AtDOF4;2. These genes were selected due to severe growth phenotypes conferred upon their constitutive over-expression. To identify biological processes regulated by OBP1, OBP2 and AtDOF4;2 in detail molecular and physiological characterization of transgenic plants with modified levels of OBP1, OBP2 and AtDOF4;2 expression (constitutive and inducible over-expression, RNAi) was performed using both targeted and profiling technologies. Additionally expression patterns of studied TFs and their target genes were analyzed using promoter-GUS lines and publicly available microarray data. Finally selected target genes were confirmed by chromatin immuno-precipitation and electrophoretic-mobility shift assays. This combinatorial approach revealed distinct biological functions of OBP1, OBP2 and AtDOF4;2. Specifically OBP2 controls indole glucosinolate / auxin homeostasis by directly regulating the enzyme at the branch of these pathways; CYP83B1 (Skirycz et al., 2006). Glucosinolates are secondary compounds important for defence against herbivores and pathogens in the plants order Caparales (e.g. Arabidopsis, canola and broccoli) whilst auxin is an essential plant hormone. Hence OBP2 is important for both response to biotic stress and plant growth. Similarly to OBP2 also AtDOF4;2 is involved in the regulation of plant secondary metabolism and affects production of various phenylpropanoid compounds in a tissue and environmental specific manner. It was found that under certain stress conditions AtDOF4;2 negatively regulates flavonoid biosynthetic genes whilst in certain tissues it activates hydroxycinnamic acid production. It was hypothesized that this dual function is most likely related to specific interactions with other proteins; perhaps other TFs (Skirycz et al., 2007). Finally OBP1 regulates both cell proliferation and cell expansion. It was shown that OBP1 controls cell cycle activity by directly targeting the expression of core cell cycle genes (CYCD3;3 and KRP7), other TFs and components of the replication machinery. Evidence for OBP1 mediated activation of cell cycle during embryogenesis and germination will be presented. Additionally and independently on its effects on cell proliferation OBP1 negatively affects cell expansion via reduced expression of cell wall loosening enzymes. Summing up this work provides an important input into our knowledge on DOF TFs function. Future work will concentrate on establishing exact regulatory networks of OBP1, OBP2 and AtDOF4;2 and their possible biotechnological applications. N2 - Biologische Prozesse, wie beispielsweise das Wachstum von Organen und ganzen Organismen oder die Reaktion von Lebewesen auf ungünstige Umweltbedingungen, unterliegen zahlreichen Regulationsmechanismen. Besonders wichtige Regulatoren sind die sogenannten Transkriptionsfaktoren. Dabei handelt es sich um Proteine, die die Aktivität von Erbeinheiten, den Genen, beeinflussen. In Pflanzen gibt es etwa 2000 solcher Regulatoren. Da sie wichtige Kontrollelemente darstellen, sind sie von großem wissenschaftlichen und biotechnologischen Interesse. Im Rahmen der Doktorarbeit sollte die Funktion von drei Transkriptionsfaktoren, genannt OBP1, OBP2 und AtDOF4;2, untersucht werden. Sie wurden bei der Suche nach neuen Wachstumsregulatoren identifiziert. Als Untersuchungsobjekt diente die in der Öffentlichkeit kaum bekannte Pflanze Ackerschmalwand, lateinisch als Arabidopsis thaliana bezeichnet. Um die Funktion der Regulatoren zu entschlüsseln, wurden an der Modellpflanze genetische Veränderungen durchgeführt und die Pflanzen dann mit molekularbiologischen und physiologischen Methoden analysiert. Es zeigte sich, dass OBP1 an der Regulation der Zellteilung beteiligt ist. Alle Lebewesen sind aus Zellen aufgebaut. Gelingt es, die Zellteilung gezielt zu steuern, kann damit beispielsweise die Produktion von pflanzlicher Biomasse verbessert werden. Das OBP1-Protein übt auch einen Einfluss auf die Zellstreckung aus und beeinflusst auch auf diesem Wege das pflanzliche Wachstum. Die beiden anderen Proteine steuern Prozesse, die im Zusammenhang mit der Bildung von Pflanzeninhaltsstoffen stehen. OBP2 ist Teil eines zellulären Netzwerkes, dass die Synthese von sogenannten Glucosinolaten steuert. Glucosinolate kommen unter anderem in Broccoli und Kohl vor. Sie fungieren als Abwehrstoffe gegen Fraßinsekten. Einigen Glucosinolaten wird auch gesundheitsfördernde Wirkung zugesprochen. Das Protein AtDOF4;2 ist Komponente eines anderen Netzwerkes, dass die Bildung von Phenylpropanoiden steuert. Diese Substanzen haben strukturelle Funktion und spielen darüber hinaus eine Rolle bei der pflanzlichen Toleranz gegenüber tiefen Temperaturen. Mit der Doktorarbeit konnte das Wissen über die Transkriptionsfaktoren erheblich erweitert und die Grundlage für interessante zukünftige Arbeiten gelegt werden. Von großer Bedeutung wird es dabei sein, die Netzwerke, in die die Transkriptionsfaktoren eingebunden sind, noch besser zu verstehen. Dann wird es möglich sein, auch Teilnetzwerke gezielt zu beeinflussen, was für biotechnologische Anwendungen, beispielsweise bei der Präzisionszüchtung von nachwachsenden Rohstoffen, von zentraler Bedeutung ist. KW - Transkriptionsfaktoren KW - Arabidopsis thaliana KW - transcription factors KW - Arabidopsis thaliana KW - cell cycle KW - secondary metabolism Y1 - 2007 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-16987 ER - TY - THES A1 - Sklodowski, Kamil T1 - Regulation of plant potassium channels Y1 - 2015 ER - TY - THES A1 - Smirnova, Julia T1 - Carbohydrate-active enzymes metabolising maltose: kinetic and structural features Y1 - 2012 CY - Potsdam ER - TY - THES A1 - Soja, Aleksandra Maria T1 - Transcriptomic and metabolomic analysis of Arabidopsis thaliana during abiotic stress Y1 - 2014 ER - TY - THES A1 - Sokolowska, Ewelina Maria T1 - Implementation of a plasmodesmata gatekeeper system, and its effect on intercellular transport Y1 - 2016 ER - TY - THES A1 - Soltani, Ouad T1 - BLF1-Mode of Action in Barley Leaf Size Control N2 - Establishment of final leaf size in plants represents a complex mechanism that relies on the precise regulation of two interconnected cellular processes, cell division and cell expansion. In previous work, the barley protein BROAD LEAF1 (BLF1) was identified as a novel negative regulator of cell proliferation, that mainly limits leaf growth in the width direction. Here I identified a novel RING/U-box protein that interacts with BLF1 through a yeast two hybrid screen. Using BiFC, Co-IP and FRET I confirmed the interaction of the two proteins in planta. Enrichment of the BLF1-mEGFP fusion protein and the increase of the FRET signal upon MG132 treatment of tobacco plants, together with an in vivo ubiquitylation assay in bacteria, confirmed that the RING/U-box E3 interacts with BLF1 to mediate its ubiquitylation and degradation by the 26S proteasome system. Consistent with regulation of endogenous BLF1 in barley by proteasomal degradation, inhibition of the proteasome by bortezomib treatment on BLF1-vYFP transgenic barley plants also resulted in an enrichment of the BLF1 protein. I thus demonstrated that RING/U-box E3 is colocalized with BLF1 in nuclei and negatively regulates BLF1 protein levels. Analysis of ring-e3_1 knock-out mutants suggested the involvement of the RING/U-box E3 gene in leaf growth control, although the effect was mainly on leaf length. Together, my results suggest that proteasomal degradation, possibly mediated by RING/U-box E3, contributes to fine-tuning BLF1 protein-level in barley. N2 - Die Festlegung der endgültigen Blattgröße bei Pflanzen ist ein komplexer Mechanismus, der auf der präzisen Regulierung zweier miteinander verbundener zellulärer Prozesse beruht, der Zellteilung und der Zellexpansion. In einer früheren Arbeit wurde das Gerstenprotein BROAD LEAF1 (BLF1), als ein neuartiger negativer Regulator der Zellproliferation identifiziert, der das Blattwachstum hauptsächlich in Richtung der Breite begrenzt. Hier habe ich durch einen Hefe-Zwei-Hybrid-Screen ein neuartiges RING/U-Box-Protein identifiziert, das mit BLF1 interagiert. Mittels BiFC, Co-IP und FRET konnte ich die Interaktion der beiden Proteine in der Pflanze bestätigen. Die Anreicherung des BLF1-mEGFP-Fusionsproteins und der Anstieg des FRET-Signals bei der Behandlung von Tabakpflanzen mit MG132 sowie ein in vivo Ubiquitylierungsassay in Bakterien bestätigten, dass das RING/U-Box-E3 mit BLF1 interagiert und dessen Ubiquitylierung und Abbau durch das 26S-Proteasom-System vermittelt. Darüber hinaus habe ich festgestellt, dass die Behandlung mit Bortezomib, einem Inhibitor des Proteasoms, bei BLF1-vYFP-transgenen Pflanzen ebenfalls zu einer Anreicherung des BLF1-Proteins führt. Ich zeige dass RING/U-Box E3 mit BLF1 in den Zellkernen kolokalisiert ist und den BLF1-Proteinspiegel negativ reguliert. Die Analyse der Knock-out-Mutante ring-e3_1 legte eine Beteiligung das RING/U-Box-E3 Gen an der Kontrolle des Blattlänge nahe, was es zu einem guten Kandidaten macht, der die Funktion des BLF1-Gens regulieren könnte. KW - Barley KW - Gerste KW - leaf width KW - Blattbreite KW - cell proliferation KW - Zellproliferation KW - INDETERMINATE DOMAIN protein KW - INDETERMINATE DOMAIN-Protein KW - BROAD LEAF1 KW - RING/U-box E3 KW - ubiquitination KW - Ubiquitinierung KW - proteasomal degradation KW - 26S-Proteasom-System-Abbau KW - protein-level regulation KW - Proteinspiegel regulieren Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-607054 ER - TY - THES A1 - Sperfeld, Erik T1 - Effects of temperature and co-limiting nutritional components on life history traits of Daphnia magna and its biochemical composition Y1 - 2011 CY - Potsdam 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 - Sprenger, Heike T1 - Characterization of drought tolerance in potato cultivars for identification of molecular markers Y1 - 2014 ER - TY - THES A1 - Spricigo, Roberto T1 - Investigations of sulfite oxidase and the molybdenum cofactor at surfaces Y1 - 2009 CY - Potsdam ER - TY - THES A1 - Stange, Maike T1 - A study on Coronin-A and Aip1 function in motility of Dictyostelium discoideum and on Aip1 interchangeability between Dictyostelium discoideum and Arabidopsis thaliana T1 - Studie über die Funktion von Coronin-A und Aip1 bei der Motilität von Dictyostelium discoideum und zur Aip1-Austauschbarkeit zwischen Dictyostelium discoideum und Arabidopsis thaliana N2 - Actin is one of the most highly conserved proteins in eukaryotes and distinct actin-related proteins with filament-forming properties are even found in prokaryotes. Due to these commonalities, actin-modulating proteins of many species share similar structural properties and proposed functions. The polymerization and depolymerization of actin are critical processes for a cell as they can contribute to shape changes to adapt to its environment and to move and distribute nutrients and cellular components within the cell. However, to what extent functions of actin-binding proteins are conserved between distantly related species, has only been addressed in a few cases. In this work, functions of Coronin-A (CorA) and Actin-interacting protein 1 (Aip1), two proteins involved in actin dynamics, were characterized. In addition, the interchangeability and function of Aip1 were investigated in two phylogenetically distant model organisms. The flowering plant Arabidopsis thaliana (encoding two homologs, AIP1-1 and AIP1-2) and in the amoeba Dictyostelium discoideum (encoding one homolog, DdAip1) were chosen because the functions of their actin cytoskeletons may differ in many aspects. Functional analyses between species were conducted for AIP1 homologs as flowering plants do not harbor a CorA gene. In the first part of the study, the effect of four different mutation methods on the function of Coronin-A protein and the resulting phenotype in D. discoideum was revealed in two genetic knockouts, one RNAi knockdown and a sudden loss-of-function mutant created by chemical-induced dislocation (CID). The advantages and disadvantages of the different mutation methods on the motility, appearance and development of the amoebae were investigated, and the results showed that not all observed properties were affected with the same intensity. Remarkably, a new combination of Selection-Linked Integration and CID could be established. In the second and third parts of the thesis, the exchange of Aip1 between plant and amoeba was carried out. For A. thaliana, the two homologs (AIP1-1 and AIP1-2) were analyzed for functionality as well as in D. discoideum. In the Aip1-deficient amoeba, rescue with AIP1-1 was more effective than with AIP1-2. The main results in the plant showed that in the aip1-2 mutant background, reintroduced AIP1-2 displayed the most efficient rescue and A. thaliana AIP1-1 rescued better than DdAip1. The choice of the tagging site was important for the function of Aip1 as steric hindrance is a problem. The DdAip1 was less effective when tagged at the C-terminus, while the plant AIP1s showed mixed results depending on the tag position. In conclusion, the foreign proteins partially rescued phenotypes of mutant plants and mutant amoebae, despite the organisms only being very distantly related in evolutionary terms. N2 - Actin ist eines der am stärksten konservierten Proteine in Eukaryoten und sogar Prokaryoten weisen Aktin-ähnliche Proteine mit filamentbildenden Eigenschaften auf. Aufgrund dieser Gemeinsamkeiten teilen Aktin-modulierte Proteine vieler Arten ähnliche strukturelle Eigenschaften und vermutlich auch Funktionen. Die Polymerisierung und Depolymerisation von Aktin sind kritische Prozesse für eine Zelle, da sie zu Zellformänderungen beitragen können, um sich an die Umgebung anzupassen und Nährstoffe sowie zelluläre Komponenten innerhalb der Zelle zu bewegen und zu verteilen. Inwieweit die Funktionen von Aktin-bindenden Proteinen zwischen entfernt verwandten Arten funktionell konserviert sind, wurde jedoch nur in wenigen Fällen untersucht. In dieser Arbeit wurden Funktionen von Coronin-A (CorA) und Actin-interagierendem Protein 1 (AIP1), zweier an der Aktindynamik beteiligter Proteine, charakterisiert. Darüber hinaus wurde die Austauschbarkeit und Funktion von AIP1 in zwei phylogenetisch entfernten Modellorganismen untersucht. Die Blütenpflanze Arabidopsis thaliana (kodiert für zwei Homologe: AIP1-1 und AIP1-2) und die Amöbe Dictyostelium discoideum (kodiert für ein Homolog: DdAip1) wurden ausgewählt, weil die Funktionen ihrer Aktin-Zytoskelette in mehreren Aspekten verschieden sein könnten. Funktionelle Analysen zwischen Arten wurden für AIP1-Homologe durchgeführt, da Blütenpflanzen kein CorA Gen tragen. Im ersten Teil der Arbeit wurde die Wirkung von vier verschiedenen Mutationsmethoden auf die Funktion des CorA-Proteins und des resultierenden Phänotyps in D. discoideum in zwei genetischen Knockouts, einem RNAi Knockdown und einem durch chemisch induzierte Delokalisierung (CID) erzeugten Mutanten geprüft. Die Vor- und Nachteile der Methoden zur Motilität, des Aussehens und der Entwicklung der Amöben wurden untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass nicht alle beobachteten Eigenschaften mit der gleichen Intensität beeinflusst wurden. Hierbei wurde eine neue Methodenkombination aus selektionsgebundener Integration und CID etabliert. Im zweiten und im dritten Teil der Arbeit wurde der Austausch von AIP1 zwischen Pflanze und Amöben durchgeführt. Die zwei A. thaliana-Homologe AIP1-1 und AIP1-2 wurden auf Funktionalität in D. discoideum geprüft. In Aip1-defizienten Amöben war die Rettung mit AIP1-1 effektiver als bei AIP1-2. Die Hauptergebnisse der Arbeit wiesen darauf hin, dass AIP1-2 im aip1.2-1 act7 Mutantenhintergrund die effizienteste Rettung zeigte, während A. thaliana AIP1-1 effizienter rettete als DdAip1. Die Auswahl der Tagging-Site war für die AIP1-Funktion bedeutend, da sterische Hinderung eine Rolle spielen könnte. DdAip1 war weniger effektiv, wenn es am C-Terminus fusioniert war, während die Proteinfusionen der A. thaliana AIP1s je nach Position der „tags“ unterschiedliche Ergebnisse zeigten. Zusammenfassend retteten die fremden Proteine teilweise Phänotypen von mutierten Pflanzen und mutierten Amöben, obwohl die Organismen evolutionär weit entfernt verwandt sind. KW - actin KW - cell motility KW - plant growth KW - selection-linked integration KW - chemically induced dislocation KW - interspecies interchange KW - Aktin KW - Zellmotilität KW - Pflanzenwachstum KW - Selection-Linked Integration KW - chemisch-induzierte Dislokation KW - Austausch zwischen zwei Spezies Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-628569 ER - TY - THES A1 - Stanke, Sandra T1 - AC electrokinetic immobilization of influenza viruses and antibodies on nanoelectrode arrays for on-chip immunoassays T1 - AC elektrokinetische Immobilisierung von Influenzaviren und Antikörpern auf Nanoelektrodenarrays für on-Chip Immunoassays N2 - In the present thesis, AC electrokinetic forces, like dielectrophoresis and AC electroosmosis, were demonstrated as a simple and fast method to functionalize the surface of nanoelectrodes with submicrometer sized biological objects. These nanoelectrodes have a cylindrical shape with a diameter of 500 nm arranged in an array of 6256 electrodes. Due to its medical relevance influenza virus as well as anti-influenza antibodies were chosen as a model organism. Common methods to bring antibodies or proteins to biosensor surfaces are complex and time-consuming. In the present work, it was demonstrated that by applying AC electric fields influenza viruses and antibodies can be immobilized onto the nanoelectrodes within seconds without any prior chemical modification of neither the surface nor the immobilized biological object. The distribution of these immobilized objects is not uniform over the entire array, it exhibits a decreasing gradient from the outer row to the inner ones. Different causes for this gradient have been discussed, such as the vortex-shaped fluid motion above the nanoelectrodes generated by, among others, electrothermal fluid flow. It was demonstrated that parts of the accumulated material are permanently immobilized to the electrodes. This is a unique characteristic of the presented system since in the literature the AC electrokinetic immobilization is almost entirely presented as a method just for temporary immobilization. The spatial distribution of the immobilized viral material or the anti-influenza antibodies at the electrodes was observed by either the combination of fluorescence microscopy and deconvolution or by super-resolution microscopy (STED). On-chip immunoassays were performed to examine the suitability of the functionalized electrodes as a potential affinity-based biosensor. Two approaches were pursued: A) the influenza virus as the bio-receptor or B) the influenza virus as the analyte. Different sources of error were eliminated by ELISA and passivation experiments. Hence, the activity of the immobilized object was inspected by incubation with the analyte. This resulted in the successful detection of anti-influenza antibodies by the immobilized viral material. On the other hand, a detection of influenza virus particles by the immobilized anti-influenza antibodies was not possible. The latter might be due to lost activity or wrong orientation of the antibodies. Thus, further examinations on the activity of by AC electric fields immobilized antibodies should follow. When combined with microfluidics and an electrical read-out system, the functionalized chips possess the potential to serve as a rapid, portable, and cost-effective point-of-care (POC) device. This device can be utilized as a basis for diverse applications in diagnosing and treating influenza, as well as various other pathogens. N2 - In der vorliegenden Arbeit wurden AC elektrokinetische Kräfte, wie die Dielektrophorese und die AC Elektroosmose, als einfache und schnelle Methode zur Funktionalisierung der Oberfläche von Nanoelektroden mit biologischen Objekten in Submikrometergröße demonstriert. Diese Nanoelektroden haben eine zylindrische Form mit einem Durchmesser von 500 nm und sind in einem Array aus 6256 Elektroden angeordnet. Aufgrund ihrer medizinischen Relevanz wurden Influenzaviren sowie anti-Influenza Antikörper als Modellorganismus ausgewählt. Gängige Methoden, um Antikörper oder Proteine auf Biosensoroberflächen zu bringen, sind komplex und zeitaufwändig. In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, dass durch die Anwendung elektrischer Wechselfelder Influenzaviren und Antikörper innerhalb von Sekunden auf den Nanoelektroden immobilisiert werden können, ohne dass zuvor eine chemische Modifikation der Oberfläche noch des immobilisierten biologischen Objekts erforderlich ist. Die Verteilung dieser immobilisierten Objekte ist über das gesamte Array ungleichmäßig. Es kommt zur Ausbildung eines Gradienten, welcher von der äußeren zur den inneren Reihen hin abnimmt. Verschiedene Ursachen für diesen Gradienten wurden diskutiert, beispielsweise der Vortex-förmige Flüssigkeitsstrom über den Nanoelektroden, der unter anderem durch elektrothermische Flüssigkeitsbewegung erzeugt wird. Es wurde gezeigt, dass Teile des akkumulierten Materials dauerhaft an den Elektroden immobilisiert sind. Dies ist ein Alleinstellungsmerkmal des vorgestellten Systems, da in der Literatur die AC elektrokinetische Immobilisierung fast ausschließlich als Methode nur zur temporären Immobilisierung dargestellt wird. Die räumliche Verteilung des immobilisierten Virusmaterials bzw. der anti-Influenza Antikörper an den Elektroden wurde entweder durch die Kombination aus Fluoreszenzmikroskopie und Dekonvolution oder durch super-resolution Mikroskopie (STED) betrachtet. Es wurden On-Chip-Immunoassays durchgeführt, um die Eignung der funktionalisierten Elektroden für einen potenziellen affinitätsbasierten Biosensor zu untersuchen. Dabei wurden zwei Ansätze verfolgt: A) Influenzaviren als Biorezeptor oder B) Influenzavirus als Analyt. Verschiedene Fehlerquellen wurden mittels ELISA und Passivierungsexperimente eliminiert. Infolgedessen wurde die Aktivität der immobilisierten Objekte durch Inkubation mit dem Analyten überprüft. Dies führte zum erfolgreichen Nachweis von anti-Influenza Antikörpern mittels immobilisiertem Virusmaterial. Andererseits war ein Nachweis von Influenzaviruspartikeln durch die immobilisierten anti-Influenza Antikörper nicht möglich. Letzteres könnte auf einen Aktivitätsverlust oder eine falsche Ausrichtung der Antikörper zurückzuführen sein. Daher sollten weitere Untersuchungen zur Aktivität von durch elektrische Wechselfelder immobilisierte Antikörper folgen. In Kombination mit Mikrofluidik und einem elektrischen Auslesesystem besitzen die funktionalisierten Chips das Potenzial, als schnelle, tragbare und kostengünstige Point-of-Care-Einheit (POC) zu dienen. Dieses Einheit kann als Grundlage für vielfältige Anwendungen bei der Diagnose und Behandlung von Influenza und verschiedenen anderen Krankheitserregern genutzt werden. KW - AC electrokinetics KW - AC Elektrokinetik KW - AC electroosmosis KW - AC Elektroosmosis KW - dielectrophoresis KW - Dielektrophorese KW - virus KW - Virus KW - influenza KW - Influenza KW - antibody KW - Antikörper KW - nanoelectrodes KW - Nanoelektroden KW - lab-on-chip KW - lab-on-chip KW - LOC KW - LOC KW - point-of-care KW - point-of-care KW - POC KW - POC KW - immunoassay KW - Immunoassay Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-617165 ER - 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 - Stech, Marlitt T1 - Investigations on the cell-free synthesis of single-chain antibody fragments using a cukaryotic translation system Y1 - 2014 ER - TY - THES A1 - Stein, Claudia T1 - Biodiversity and ecosystem functioning : regional and local determinants of plant diversity in montane grasslands T2 - PhD dissertation / Helmholtz Centre for Environmental Research , UFZ Y1 - 2008 VL - 2008, 11 PB - UFZ CY - Leipzig ER - TY - THES A1 - Steinhauser, Dirk T1 - Inferring hypotheses from complex profile data - by means of CSB.DB, a comprehensive systems-biology database T1 - Generierung von Hypothesen aus komplexen Profildaten mittels CSB.DB, a comprehensive systems-biology database N2 - The past decades are characterized by various efforts to provide complete sequence information of genomes regarding various organisms. The availability of full genome data triggered the development of multiplex high-throughput assays allowing simultaneous measurement of transcripts, proteins and metabolites. With genome information and profiling technologies now in hand a highly parallel experimental biology is offering opportunities to explore and discover novel principles governing biological systems. Understanding biological complexity through modelling cellular systems represents the driving force which today allows shifting from a component-centric focus to integrative and systems level investigations. The emerging field of systems biology integrates discovery and hypothesis-driven science to provide comprehensive knowledge via computational models of biological systems. Within the context of evolving systems biology, investigations were made in large-scale computational analyses on transcript co-response data through selected prokaryotic and plant model organisms. CSB.DB - a comprehensive systems-biology database - (http://csbdb.mpimp-golm.mpg.de/) was initiated to provide public and open access to the results of biostatistical analyses in conjunction with additional biological knowledge. The database tool CSB.DB enables potential users to infer hypothesis about functional interrelation of genes of interest and may serve as future basis for more sophisticated means of elucidating gene function. The co-response concept and the CSB.DB database tool were successfully applied to predict operons in Escherichia coli by using the chromosomal distance and transcriptional co-responses. Moreover, examples were shown which indicate that transcriptional co-response analysis allows identification of differential promoter activities under different experimental conditions. The co-response concept was successfully transferred to complex organisms with the focus on the eukaryotic plant model organism Arabidopsis thaliana. The investigations made enabled the discovery of novel genes regarding particular physiological processes and beyond, allowed annotation of gene functions which cannot be accessed by sequence homology. GMD - the Golm Metabolome Database - was initiated and implemented in CSB.DB to integrated metabolite information and metabolite profiles. This novel module will allow addressing complex biological questions towards transcriptional interrelation and extent the recent systems level quest towards phenotyping. N2 - Die vergangenen Jahrzehnte waren gekennzeichnet durch umfangreiche Bemühungen, die Genomsequenz verschiedener Organismen vollständig zu entschlüsseln. Die Verfügbarkeit vollständiger genomischer Daten löste die Entwicklung von modernen Hochdurchsatzmethoden aus, welche die gleichzeitige Messung von verschiedenen Transkripten, Proteinen und Metaboliten erlauben. Mittels genomischer Informationen und Hochdurchsatztechnologien erlaubt eine hoch parallelisierte experimentelle Biologie die Erforschung von Gesetzmäßigkeiten, welchen biologischen Systemen zugrunde liegen. Das Verständnis biologischer Komplexität durch Modellierung zellulärer Systeme repräsentiert die treibende Kraft, welche heutzutage den Element-zentrierten Focus auf integrative und ganzheitliche Untersuchungen lenkt. Das sich entwickelnde Feld der Systembiologie integriert Entdeckungs- und Hypothesen-getriebene Wissenschaft um ein umfangreiches Wissen durch Computermodelle biologischer Systeme bereitzustellen. Im Kontext der sich neu entwickelnden Systembiologie investierte ich in umfangreiche Computeranalysen zur Transkript Co-Response bezüglich ausgewählter prokaryotischer und pflanzlicher eukaryotischer Organismen. CSB.DB - a comprehensive systems-biology database - (http://csbdb.mpimp-golm.mpg.de/) wurde initiiert, um freien Zugang zu den biostatistischen Ergebnissen als auch zu weiterem biologischem Wissen zu bieten. Die Datenbank CSB.DB ermöglicht potentiellen Anwendern die Hypothesengenerierung bezüglich der funktionalen Wechselbeziehungen von Genen von Interesse und kann zukünftig die Grundlage für einen fortgeschrittenen Weg der Zuordnung von Genfunktionen darstellen. Unter Verwendung chromosomaler Distanzen und Transkript Co-Response konnte das Konzept und CSB.DB angewandt werden, um bakterielle Operons in Escherichia coli erfolgreich vorherzusagen. Darüber hinaus werden Beispiele gezeigt, die andeuten, dass die Transkript Co-Response Analyse eine Identifizierung differentieller Promoteraktivität in verschiedenen experimentellen Bedingungen ermöglicht. Das Co-Response Konzept wurde, mit dem Schwerpunkt auf die eukaryotische Modellpflanze Arabidopsis thaliana, erfolgreich auf komplexere Organismen angewandt. Die durchgeführten Untersuchungen ermöglichten die Identifizierung neuer Gene hinsichtlich physiologischer Prozesse und darüber hinaus die Zuweisung von Genfunktionen, welche nicht durch Sequenzhomologie ermöglicht werden kann. GMD - The Golm Metabolome Database - wurde initiiert und in CSB.DB implementiert, um Metaboliten Informationen als auch Metaboliten Profile zu integrieren. Dieses neue Modul ermöglicht die Ausrichtung auf komplexere biologische Fragen und erweitert die derzeitige systembiologische Fragestellung in Richtung Phänotypus-Zuordnung. T2 - Inferring hypotheses from complex profile data - by means of CSB.DB, a comprehensive systems-biology database KW - Datenbank KW - Korrelation KW - Korrelationsanalyse KW - Escherichia coli KW - Saccharomyces cerevisiae KW - Ackerschmalwand KW - Operon KW - Brassinosteroide KW - Transkript KW - database KW - correlation KW - co-response KW - metabolite KW - transcript Y1 - 2004 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-2467 ER - TY - THES A1 - Steinhauser, Marie-Caroline T1 - Optimisation and application of enzyme activity assays to characterise carbohydrate metabolism in the fruit of different tomato genotypes Y1 - 2009 CY - Potsdam ER - TY - THES A1 - Stephan, Mareike Sophia T1 - A bacterial mimetic system to study bacterial inactivation and infection N2 - The emerging threat of antibiotic-resistant bacteria has become a global challenge in the last decades, leading to a rising demand for alternative treatments for bacterial infections. One approach is to target the bacterial cell envelope, making understanding its biophysical properties crucial. Specifically, bacteriophages use the bacterial envelope as an entry point to initiate infection, and they are considered important building blocks of new antibiotic strategies against drug-resistant bacteria.. Depending on the structure of the cell wall, bacteria are classified as Gram-negative and Gram-positive. Gram-negative bacteria are equipped with a complex cell envelope composed of two lipid membranes enclosing a rigid peptidoglycan layer. The synthesis machinery of the Gram-negative cell envelope is the target of antimicrobial agents, including new physical sanitizing procedures addressing the outer membrane (OM). It is therefore very important to study the biophysical properties of the Gram-negative bacterial cell envelope. The high complexity of the Gram-negative OM sets the demand for a model system in which the contribution of individual components can be evaluated separately. In this respect, giant unilamellar vesicles (GUVs) are promising membrane systems to study membrane properties while controlling parameters such as membrane composition and surrounding medium conditions. The aim of this work was to develop methods and approaches for the preparation and characterization of a GUV-based membrane model that mimics the OM of the Gram-negative cell envelope. A major component of the OM is the lipopolysaccharide (LPS) on the outside of the OM heterobilayer. The vesicle model was designed to contain LPS in the outer leaflet and lipids in the inner leaflet. Furthermore, the interaction of the prepared LPS-GUVs with bacteriophages was tested. LPS containing GUVs were prepared by adapting the inverted emulsion technique to meet the challenging properties of LPS, namely their high self-aggregation rate in aqueous solutions. Notably, an additional emulsification step together with the adaption of solution conditions was employed to asymmetrically incorporate LPS containing long polysaccharide chains into the artificial membranes. GUV membrane asymmetry was verified with a fluorescence quenching assay. Since the necessary precautions for handling the quenching agent sodium dithionite are often underestimated and poorly described, important parameters were tested and identified to obtain a stable and reproducible assay. In the context of varied LPS incorporation, a microscopy-based technique was introduced to determine the LPS content on individual GUVs and to directly compare vesicle properties and LPS coverage. Diffusion coefficient measurements in the obtained GUVs showed that increasing LPS concentrations in the membranes resulted in decreased diffusivity. Employing LPS-GUVs we could demonstrate that a Salmonella bacteriophage bound with high specificity to its LPS receptor when presented at the GUV surface, and that the number of bound bacteriophages scaled with the amount of presented LPS receptor. In addition to binding, the bacteriophages were able to eject their DNA into the vesicle lumen. LPS-GUVs thus provide a starting platform for bottom-up approaches for the generation of more complex membranes, in which the effects of individual components on the membrane properties and the interaction with antimicrobial agents such as bacteriophages could be explored. N2 - Die wachsende Bedrohung durch antibiotikaresistente Bakterien ist in den letzten Jahrzehnten zu einer globalen Herausforderung geworden, was zu einer steigenden Nachfrage nach alternativen Behandlungsmethoden für bakterielle Infektionen geführt hat. Ein Ansatz besteht darin, die bakterielle Zellhülle anzugreifen, weshalb das Verständnis ihrer biophysikalischen Eigenschaften entscheidend ist. Insbesondere Bakteriophagen, Viren, die Bakterien infizieren, nutzen die Bakterienhülle als ersten Angriffspunkt für die Infektion und gelten als wichtige Bausteine für neue Antibiotikastrategien gegen arzneimittelresistente Bakterien. Je nach Struktur der Zellwand werden Bakterien in gramnegative und grampositive Bakterien eingeteilt. Gramnegative Bakterien sind mit einer komplexen Zellhülle ausgestattet. Daher ist es sehr wichtig, ihre biophysikalischen Eigenschaften zu untersuchen. Die hohe Komplexität der äußeren Zellhülle, auch äußere Membran genannt, erfordert ein Modellsystem, in dem der Beitrag jeder einzelnen Komponente separat bewertet werden kann. In dieser Hinsicht sind Vesikel-basierte Modellsysteme sehr vielversprechend, da sie wichtige Eigenschaften der äußeren Membran simulieren können, aber in ihrer Komplexität stark reduziert und kontrollierbar sind. Ziel dieser Arbeit war es, Methoden und Ansätze für die Herstellung und Charakterisierung eines Vesikel-basierten Modells zu entwickeln, das die äußere Membran der gramnegativen bakteriellen Zellhülle nachahmt. Ein Hauptbestandteil der äußeren Membran ist Lipopolysaccharid (LPS), das asymmetrisch auf der Außenseite der äußeren Membran vorhanden ist. Das Vesikelmodell wurde so konzipiert, dass es außen LPS und innen Phospholipide enthält. Die Herstellung des beschriebenen Modellsystems erforderte einige Anpassungen, da die Hüllkomponente LPS eine hohe Tendenz zur Bildung von Selbstaggregaten aufweist. Durch die Einführung eines zusätzlichen Schrittes in das Standardprotokoll konnten Vesikel mit LPS-Inkorporation erzeugt werden. Es wurde sowohl die Menge als auch die asymmetrische Verteilung des LPS-Einbaus bestimmt. Mit Hilfe von Bakteriophagen sollte die biologische Wirkung des Modellsystems getestet werden. Es wurde gezeigt, dass Bakteriophagen, die spezifisch LPS erkennen und binden, nach Zugabe zum Modellsystem die Vesikel binden und ihr genetisches Material in das Vesikel-Innere injizieren. Die hier beschriebenen LPS-haltigen Vesikel können als Ausgangsplattform für Bottom-up-Ansätze zur Herstellung komplexerer Membranen verwendet werden. Mit diesen komplexeren, aber kontrollierbaren Systemen lassen sich die Auswirkungen einzelner Komponenten der bakteriellen Zellhülle auf die Eigenschaften der Zellhülle sowie ihre Wechselwirkung mit antimikrobiellen Wirkstoffen wie Bakteriophagen untersuchen. KW - Bakterien KW - Bakteriophagen KW - Zellmembran KW - Vesikel KW - Konfokale Mikroskopie KW - Lipopolysaccharid KW - gramnegativ KW - bacteria KW - bacteriophage KW - cell membrane KW - vesicle KW - confocal microscopy KW - lipopolysaccharide KW - gram-negative Y1 - 2023 ER - TY - THES A1 - Stief, Anna T1 - Genetics and ecology of plant heat stress memory Y1 - 2016 ER - TY - THES A1 - Stiegler, Jonas T1 - Mobile link functions in unpredictable agricultural landscapes N2 - Animal movement is a crucial aspect of life, influencing ecological and evolutionary processes. It plays an important role in shaping biodiversity patterns, connecting habitats and ecosystems. Anthropogenic landscape changes, such as in agricultural environments, can impede the movement of animals by affecting their ability to locate resources during recurring movements within home ranges and, on a larger scale, disrupt migration or dispersal. Inevitably, these changes in movement behavior have far-reaching consequences on the mobile link functions provided by species inhabiting such extensively altered matrix areas. In this thesis, I investigate the movement characteristics and activity patterns of the European hare (Lepus europaeus), aiming to understand their significance as a pivotal species in fragmented agricultural landscapes. I reveal intriguing results that shed light on the importance of hares for seed dispersal, the influence of personality traits on behavior and space use, the sensitivity of hares to extreme weather conditions, and the impacts of GPS collaring on mammals' activity patterns and movement behavior. In Chapter I, I conducted a controlled feeding experiment to investigate the potential impact of hares on seed dispersal. By additionally utilizing GPS data of hares in two contrasting landscapes, I demonstrated that hares play a vital role, acting as effective mobile linkers for many plant species in small and isolated habitat patches. The analysis of seed intake and germination success revealed that distinct seed traits, such as density, surface area, and shape, profoundly affect hares' ability to disperse seeds through endozoochory. These findings highlight the interplay between hares and plant communities and thus provide valuable insights into seed dispersal mechanisms in fragmented landscapes. By employing standardized behavioral tests in Chapter II, I revealed consistent behavioral responses among captive hares while simultaneously examining the intricate connection between personality traits and spatial patterns within wild hare populations. This analysis provides insights into the ecological interactions and dynamics within hare populations in agricultural habitats. Examining the concept of animal personality, I established a link between personality traits and hare behavior. I showed that boldness, measured through standardized tests, influences individual exploration styles, with shy and bold hares exhibiting distinct space use patterns. In addition to providing valuable insights into the role of animal personality in heterogeneous environments, my research introduced a novel approach demonstrating the feasibility of remotely assessing personality types using animal-borne sensors without additional disturbance of the focal individual. While climate conditions severely impact the activity and, consequently, the fitness of wildlife species across the globe, in Chapter III, I uncovered the sensitivity of hares to temperature, humidity, and wind speed during their peak reproduction period. I found a strong response in activity to high temperatures above 25°C, with a particularly pronounced effect during temperature extremes of over 35°C. The non-linear relationship between temperature and activity was characterized by contrasting responses observed for day and night. These findings emphasize the vulnerability of hares to climate change and the potential consequences for their fitness and population dynamics with the ongoing rise of temperature. Since such insights can only be obtained through capturing and tagging free-ranging animals, I assessed potential impacts and the recovery process post-collar attachment in Chapter IV. For this purpose, I examined the daily distances moved and the temporal-associated activity of 1451 terrestrial mammals out of 42 species during their initial tracking period. The disturbance intensity and the speed of recovery varied across species, with herbivores, females, and individuals captured and collared in relatively secluded study areas experiencing more pronounced disturbances due to limited anthropogenic influences. Mobile linkers are essential for maintaining biodiversity as they influence the dynamics and resilience of ecosystems. Furthermore, their ability to move through fragmented landscapes makes them a key component for restoring disturbed sites. Individual movement decisions determine the scale of mobile links, and understanding variations in space use among individuals is crucial for interpreting their functions. Climate change poses further challenges, with wildlife species expected to adjust their behavior, especially in response to high-temperature extremes, and comprehending the anthropogenic influence on animal movements will remain paramount to effective land use planning and the development of successful conservation strategies. This thesis provides a comprehensive ecological understanding of hares in agricultural landscapes. My research findings underscore the importance of hares as mobile linkers, the influence of personality traits on behavior and spatial patterns, the vulnerability of hares to extreme weather conditions, and the immediate consequences of collar attachment on mammalian movements. Thus, I contribute valuable insights to wildlife conservation and management efforts, aiding in developing strategies to mitigate the impact of environmental changes on hare populations. Moreover, these findings enable the development of methodologies aimed at minimizing the impacts of collaring while also identifying potential biases in the data, thereby benefiting both animal welfare and the scientific integrity of localization studies. N2 - Die Bewegung von Tieren ist ein entscheidender Aspekt des Lebens, der ökologische und evolutionäre Prozesse beeinflusst. Sie spielt eine wichtige Rolle bei der Gestaltung der biologischen Vielfalt und verbindet Lebensräume und Ökosysteme miteinander. Anthropogene Landschaftsveränderungen, z.B. in der Landwirtschaft, können die Bewegung von Tieren behindern, indem sie ihre Fähigkeiten beeinträchtigen, Ressourcen innerhalb ihres täglichen Bewegungsradius zu lokalisieren und im größeren Maßstab, ihre Wanderung oder Ausbreitung limitieren. In dieser Thesis untersuche ich die Bewegungsmerkmale und Aktivitätsmuster des Feldhasen (Lepus europaeus), um seine Bedeutung als Schlüsselart in fragmentierten Agrarlandschaften zu verstehen. Ich lege faszinierende Ergebnisse vor, die die Bedeutung des Hasen für die Verbreitung von Saatgut, den Einfluss von Persönlichkeitsmerkmalen auf das Verhalten und die Raumnutzung, die Sensibilität des Hasen gegenüber extremen Witterungsbedingungen und die Auswirkungen von GPS-Empfängern auf die Aktivitätsmuster und das Bewegungsverhalten der Säugetiere beleuchten. In Kapitel I führte ich ein kontrolliertes Fütterungsexperiment durch, um den potenziellen Einfluss von Hasen auf die Samenausbreitung zu analysieren. Durch die zusätzliche Verwendung von GPS-Daten von Hasen in zwei kontrastierenden Landschaften konnte ich nachweisen, dass Hasen eine wichtige Rolle spielen, da sie in kleinen und isolierten Habitatfeldern als effektive mobile Verbindungsglieder für viele Pflanzenarten fungieren. Die Analyse der Samenaufnahme und des Keimungserfolgs zeigte, dass verschiedene Eigenschaften der Samen, wie Dichte, Oberfläche und Form, die Fähigkeit der Hasen, Samen durch Endozoochorie zu verbreiten, stark beeinflussen. Diese Ergebnisse verdeutlichen die Wechselwirkung zwischen Hasen und Pflanzengemeinschaften und liefern somit wertvolle Erkenntnisse über die Mechanismen der Samenverbreitung in fragmentierten Landschaften. Durch den Einsatz standardisierter Verhaltenstests in Kapitel II konnte ich konsistente Verhaltensreaktionen bei in Gefangenschaft lebenden Hasen aufdecken und zeitgleich den komplexen Zusammenhang zwischen Persönlichkeitsmerkmalen und räumlichen Mustern in Wildhasenpopulationen untersuchen. Diese Analyse bietet Einblicke in die ökologischen Interaktionen und die Dynamik von Hasenpopulationen in landwirtschaftlichen Lebensräumen. Indem ich das Konzept der Tierpersönlichkeit untersuchte, stellte ich eine Verbindung zwischen Persönlichkeitsmerkmalen und dem Verhalten von Hasen her. Ich habe gezeigt, dass die durch standardisierte Tests gemessene Kühnheit den individuellen Erkundungsstil beeinflusst, wobei schüchterne und kühne Hasen unterschiedliche Raumnutzungsmuster aufweisen. Meine Forschung liefert nicht nur wertvolle Einblicke in die Rolle der Tierpersönlichkeit in heterogenen Umgebungen, sondern stellt auch einen neuartigen Ansatz vor, der die Durchführbarkeit einer Fernbeurteilung von Persönlichkeitstypen mithilfe von am Tier angebrachten Sensoren ohne zusätzliche Störung des Zielindividuums demonstrierte. Da die Klimabedingungen die Aktivität und folglich die Fitness von Wildtierarten auf der ganzen Welt stark beeinflussen, habe ich in Kapitel III die Sensibilität von Hasen gegenüber Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Windgeschwindigkeit während ihrer Hauptfortpflanzungszeit ermittelt. Ich stellte fest, dass die Aktivität stark auf hohe Temperaturen über 25 °C reagiert, wobei die Auswirkungen bei extremen Temperaturen von über 35 °C besonders ausgeprägt sind. Die nicht lineare Beziehung zwischen Temperatur und Aktivität war durch gegensätzliche Reaktionen bei Tag und Nacht gekennzeichnet. Diese Ergebnisse unterstreichen die Anfälligkeit der Hasen für den Klimawandel und die möglichen Folgen für ihre Fitness und Populationsdynamik bei einem anhaltenden Temperaturanstieg. Da solche Erkenntnisse nur durch Fangen und Besendern von Wildtieren ermöglicht werden können, habe ich in Kapitel IV die potenziellen negativen Auswirkungen auf das Individuuum, sowie den Erholungsprozess nach dem Anlegen des Halsbandes untersucht. Hierfür analysierte ich die zurückgelegten täglichen Entfernungen in Verbindung mit der Aktivität von 1451 terrestrischen Säugetieren aus 42 verschiedenen Arten während ihrer anfänglichen Verfolgung. Die Intensität der Störung sowie die Geschwindigkeit der Erholung variieren je nach Art, wobei Pflanzenfresser, Weibchen und Individuen, die in relativ abgelegenen Untersuchungsgebieten gefangen und mit Halsbändern versehen wurden, aufgrund bisher begrenzter anthropogener Einflüsse stärkere Störungen erfahren. Mobile Verbindungsglieder sind essentiell für die Erhaltung der Biodiversität, indem sie eine wichtige Rolle in der Dynamik und Resilienz von Ökosystemen spielen. Weiterhin macht ihre Fähigkeit, sich durch zerstückelte Landschaften zu bewegen sie zu wichtigen Schlüsselkomponenten bei der Wiederherstellung von zerstörten Landschaften. Individuelle Bewegungsentscheidungen bestimmen den Maßstab der mobilen Verbindungen und die Schwankungen der Raumnutzung unter Individuen zu verstehen ist unerlässlich, um deren Funktion zu interpretieren. Der Klimawandel stellt eine weitere Herausforderung dar, indem Wildtiere dazu gezwungen werden, sich zu adaptieren, insbesondere an Hochtemperatur-Extreme. Den anthropogenen Einfluss auf Tierbewegungen aufzudecken bleibt von größter Bedeutung in der Landnutzungsplanung und die Entwicklung von erfolgreichen Strategien zum Schutz der Natur. Diese Thesis liefert ein umfassendes ökologisches Verständnis von Feldhasen in Agrarlandschaften. Die Ergebnisse meiner Forschung unterstreichen die Bedeutung von Hasen als mobile Bindeglieder, den Einfluss von Persönlichkeitsmerkmalen auf Verhalten und räumliche Muster, die Anfälligkeit von Hasen gegenüber extremen Wetterbedingungen und die unmittelbaren Folgen der Halsbandanbringung auf Tierbewegungen. Damit leiste ich einen wertvollen Beitrag zum Schutz und zur Bewirtschaftung von Wildtieren, indem ich die Entwicklung von Strategien zur Abschwächung der Auswirkungen von Umweltveränderungen auf Hasenpopulationen unterstütze. Darüber hinaus ermöglichen diese Erkenntnisse die Entwicklung von Methoden, die darauf abzielen, die Folgen der Halsbandanbringung zu minimieren und gleichzeitig potenzielle Verzerrungen in den Daten zu identifizieren, was sowohl dem Tierschutz als auch der wissenschaftlichen Integrität von Lokalisierungsstudien zugutekommt. KW - European hare KW - mammals KW - ecology KW - animal personality KW - seed dispersal KW - movement ecology KW - tracking impacts KW - energy budget KW - climate change KW - accelerometry KW - GPS KW - tracking KW - Feldhase KW - GPS KW - Beschleunigungsmessungen KW - Tierpersönlichkeit KW - Klimawandel KW - Tierökologie KW - Energiebudget KW - Säugetiere KW - Bewegungsökologie KW - Samenausbreitung KW - Tierortung KW - Konsequenzen von Fang und Besenderung Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-622023 ER - TY - THES A1 - Stoof-Leichsenring, Kathleen Rosemarie T1 - Genetic analysis of diatoms and rotifers in tropical Kenyan lake sediments Y1 - 2011 CY - Potsdam ER - TY - THES A1 - Streffer, Katrin T1 - Highly sensitive measurements of substrates and inhibitors on the basis of tyrosinase sensors and recycling systems N2 - Analytische Chemie heute meint nicht länger nur die große Messtechnik, die zeit- und kostenintensiv ist, die außerdem nur von qualifiziertem Personal zu bedienen ist und deren Resultate nur durch dieses Personal auswertbar sind. Meist erfordert diese sagen wir 'klassische analytische Messtechnik' auch noch spezielle Räumlichkeiten und oft eine relative große Menge an speziell vorbereiteten Proben. Neben dieser klassischen analytischen Messtechnik hat sich besonders in den letzten Jahren eine auf bestimmte Stoffgruppen und Anforderungen zugeschnittene Messtechnik durchgesetzt, die oft auch durch einen Laien bedient werden kann. Meist sind es sehr kleine Geräte. Auch die benötigten Probenvolumina sind klein und eine spezielle Probenvorbereitung ist nicht erforderlich. Ausserdem sind die Geräte einfach zu handhaben, billig sowohl in ihrer Herstellung als auch im Gebrauch und meist erlauben sie sogar eine kontinuierliche Messwerterfassung. Zahlreiche dieser in den letzten Jahren entwickelten Geräte greifen zurück auf 40 Jahre Forschung auf dem Gebiet der Biosensorik. Seit Clark und Lyons im Jahr 1962 in der Lage waren, mit einer einfachen Sauerstoffelektrode, ergänzt durch ein Enzym, Glucose zu messen, war die Entwicklung neuer Messtechnik nicht mehr aufzuhalten. Biosensoren, spezielle Messfühler, die aus einer Kombination aus biologischer Komponente (erlaubt eine spezifische Erkennung des Analyten auch ohne vorherige Reinigung der Probe) und einem physikalischen Messfühler (wandelt den primären physikochemischen Effekt in ein elektronisch messbares Signal um) bestehen, eroberten den Markt. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden verschiedene Tyrosinasesensoren entwickelt, die je nach Herkunft und Eigenschaften der verwendeten Tyrosinase unterschiedliche Anforderungen erfüllen. Beispielsweise wurde einer dieser Tyrosinasesensoren für die Bestimmung phenolischer Verbindungen in Fluss- und Seewasserproben eingesetzt, und die mit diesem Sensor gemessenen Ergebnisse konnten sehr gut mit dem entsprechenden DIN-Test zur Bestimmung phenolischer Verbindungen korreliert werden. Ein anderer entwickelter Sensor zeigte eine sehr hohe Empfindlichkeit für Catecholamine, Substanzen die speziell in der medizinischen Diagnostik von Wichtigkeit sind. Ausserdem zeigten die ebenfalls im Rahmen dieser Doktorarbeit durchgeführten Untersuchungen zweier verschiedener Tyrosinasen, dass, will man in Zukunft noch empfindlichere Tyrosinasesensoren entwickeln, eine spezielle Tyrosinase (Tyrosinase aus Streptomyces antibioticus) die bessere Wahl sein wird, als die bisher im Bereich der Biosensorforschung verwendete Tyrosinase aus Agaricus bisporus. Desweiteren wurden erste Erfolge auf molekularbiologischem Gebiet erreicht, das heisst, dass Tyrosinasemutanten mit speziellen, vorher überlegten Eigenschaften, hergestellt werden sollen. Diese Erfolge können dazu genutzt werden, eine neue Generation an Tyrosinasesensoren zu entwickeln, Tyrosinasesensoren in denen Tyrosinase gerichtet gebunden werden kann, sowohl an den entsprechenden physikalischen Messfühler oder auch an ein anderes Enzym. Davon verspricht man sich deutlich minimierte Wege, die die zu bestimmende Substanz (oder deren Produkt) sonst zurücklegen müsste, was am Ende zu einer deutlich erhöhten Empfindlichkeit des resultierenden Biosensors führen sollte. N2 - Today, analytical chemistry does not longer consist of only the big measuring devices and methods which are time consuming and expensive, which can furthermore only be handled by the qualified staff and in addition the results can also only be evaluated by this qualified staff. Usually, this technique, which shall be described in the following as 'classic analytic measuring technique', requires also rooms equipped especially and often a relative big quantity of the test compounds which should be prepared especially. Beside this classic analytic measuring technique, limited on definite substance groups and requests, a new measuring technique has gained acceptance particularly within the last years, which one can often be used by a layman, too. Often the new measuring technique has very little pieces of equipment. The needed sample volumes are also small and a special sample preparation isn't required. In addition, the new measuring instruments are simple to handle. They are cheap both in their production and in the use and they permit even a continuous measurement recording usually. Numerous of this new measuring instruments base on the research in the field of Biosensorik during the last 40 years. Since Clark and Lyon in the year 1962 were able to measure glucose with a simple oxygen electrode, completed by an enzyme the development of the new measuring technique did not have to be held back any longer. Biosensors, special pickups which consists of a combination from a biological component (permits a specific recognition of the analyte also without purification of the sample previously) and a physical pickup (convert the primary physicochemical effect into an electronically measurable signal), conquered the market. In the context of this thesis different tyrosinasesensors were developed which fulfilling the various requests, depending on origin and features of the used tyrosinase. One of the tyrosinasesensors for example was used for quantification of phenolic compounds in river and sea water and the results could correlated very well with the corresponding DIN-test for the determination of phenolic compounds. An other developed tyrosinasesensor showed a very high sensitiveness for catecholamines, substances which are of special importance in the medical diagnostics. In addition, the investigations of two different tyrosinases, which were carried out also in the context of this thesis, have shown, that a special tyrosinase (tyrosinase from Streptomyces antibioticus) will be the better choice as tyrosinase from Agaricus bisporus, which is used in the area of biosensor research till now, if one wants to develop in future even more sensitive tyrosinasesensors. Furthermore, first successes became reached on a molecular biological field, the production of tyrosinasemutants with special, before well-considered features. These successes can be used to develop a new generation of tyrosinasesensors, tyrosinasesensors in which tyrosinase can be bound directionally both to the corresponding physical pickup or also to another enzyme. From this one expects to achieve ways minimized which the substance to be determined (or whose product) otherwise must cover. Finally, this should result in an clearly visible increase of sensitivity of the Biosensor. KW - Enzymelektrode ; Monophenolmonooxygenase KW - Tyrosinase KW - Phenol KW - Biosensor KW - Glucosedehydrogenase KW - Recyclingsystem KW - Tyrosinaseinhibitoren KW - Bioelektrokatalytisches Recycling KW - Biokatalytisches Recyc KW - tyrosinase KW - phenol KW - biosensor KW - glucose dehydrogenase KW - recycling system KW - tyrosinase inhibitors KW - bioelectrocatalytic recycling KW - biocatalytic recycling Y1 - 2002 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-0000632 ER - TY - THES A1 - Stößel, Daniel T1 - Biomarker Discovery in Multiple Sclerosis and Parkinson’s disease T1 - Biomarkerentwicklung in Multiple Sklerose und der Parkinson-Krankheit BT - novel insights into metabolic disease mechanisms N2 - Neuroinflammatory and neurodegenerative diseases such as Parkinson's (PD) and multiple sclerosis (MS) often result in a severe impairment of the patient´s quality of life. Effective therapies for the treatment are currently not available, which results in a high socio-economic burden. Due to the heterogeneity of the disease subtypes, stratification is particularly difficult in the early phase of the disease and is mainly based on clinical parameters such as neurophysiological tests and central nervous imaging. Due to good accessibility and stability, blood and cerebrospinal fluid metabolite markers could serve as surrogates for neurodegenerative processes. This can lead to an improved mechanistic understanding of these diseases and further be used as "treatment response" biomarkers in preclinical and clinical development programs. Therefore, plasma and CSF metabolite profiles will be identified that allow differentiation of PD from healthy controls, association of PD with dementia (PDD) and differentiation of PD subtypes such as akinetic rigid and tremor dominant PD patients. In addition, plasma metabolites for the diagnosis of primary progressive MS (PPMS) should be investigated and tested for their specificity to relapsing-remitting MS (RRMS) and their development during PPMS progression. By applying untargeted high-resolution metabolomics of PD patient samples and in using random forest and partial least square machine learning algorithms, this study identified 20 plasma metabolites and 14 CSF metabolite biomarkers. These differentiate against healthy individuals with an AUC of 0.8 and 0.9 in PD, respectively. We also identify ten PDD specific serum metabolites, which differentiate against healthy individuals and PD patients without dementia with an AUC of 1.0, respectively. Furthermore, 23 akinetic-rigid specific plasma markers were identified, which differentiate against tremor-dominant PD patients with an AUC of 0.94 and against healthy individuals with an AUC of 0.98. These findings also suggest more severe disease pathology in the akinetic-rigid PD than in tremor dominant PD. In the analysis of MS patient samples a partial least square analysis yielded predictive models for the classification of PPMS and resulted in 20 PPMS specific metabolites. In another MS study unknown changes in human metabolism were identified after administration of the multiple sclerosis drug dimethylfumarate, which is used for the treatment of RRMS. These results allow to describe and understand the hitherto completely unknown mechanism of action of this new drug and to use these findings for the further development of new drugs and targets against RRMS. In conclusion, these results have the potential for improved diagnosis of these diseases and improvement of mechanistic understandings, as multiple deregulated pathways were identified. Moreover, novel Dimethylfumarate targets can be used to aid drug development and treatment efficiency. Overall, metabolite profiling in combination with machine learning identified as a promising approach for biomarker discovery and mode of action elucidation. N2 - Neuroinflammatorische and neurodegenerative Erkrankungen wie Parkinson (PD) und Multiple Sklerose (MS) gehen oft mit einer starken Beeinträchtigung der Lebensqualität einher. Effektive Therapien für die Behandlung sind derzeit nicht verfügbar, was nicht zuletzt eine hohe sozioökonomische Last zur Folge hat. Aufgrund der Heterogenität der Krankheitsbilder ist eine Stratifizierung gerade in der Frühphase der Erkrankung schwierig und basiert hauptsächlich auf klinischen Parametern wie bspw. neurophysiologischen Tests und bildgebenden Verfahren. Aufgrund ihrer guten Zugänglichkeit und Stabilität könnten bestimmte Blut- und Liquor-Metabolitenmarker als Surrogat für neurodegenerative Prozesse dienen, zu einem verbesserten mechanistischen Verständnis dieser Krankheiten führen und nicht zuletzt als “treatment response“ Biomarker in präklinischen und klinischen Entwicklungsprogrammen herangezogen werden. In dieser Arbeit sollten deshalb Plasma- und CSF-Metabolitprofile identifiziert werden, die eine Differenzierung von PD zu gesunden Kontrollen, Assoziierung zu PD mit Demenz (PDD) sowie eine Abgrenzung zu unterschiedlichen PD-Subtypen wie akinetisch-rigiden sowie tremor-dominanten PD-Patienten ermöglichen. Weiterhin wurden in dieser Arbeit Plasmametabolite zur Diagnose von primär-progressiver MS (PPMS) erforscht und auf ihre Spezifität gegenüber schubförmig remittierender MS (RRMS) und PD geprüft sowie deren Verlauf während der PPMS Progression getestet. Hierbei konnten durch “untargeted Metabolomics“ in Kombination mit statistischen Modellen mehrere Plasma- und CSF-Metabolite in PD-Patienten/Erkrankten ermittelt werden, die mit Hilfe von statistischen Diagnosemodellen eine Differenzierung zu gesunden Personen ermöglichen. Darüber hinaus wurden in dieser Arbeit PDD-spezifische Serummetabolite identifiziert, die wiederum genutzt werden können, um diesen PD-Typen von gesunden Individuen und PD-Patienten ohne Demenz abzugrenzen. Des Weiteren konnten bei akinetisch-rigiden PD-Patienten spezifische Metabolite entdeckt werden, die im Vergleich zu tremor-dominanten PD-Patienten eine stärkere metabolische Krankheitssymptomatik suggerieren. Im Zusammenhang mit PPMS wurden in dieser Arbeit spezifische Plasma-Metabolite entdeckt, die zur Diagnose gegen RRMS, PD und gesunden Kontrollen genutzt werden können. Interessanterweise zeigte dabei ein spezifisches Lipid geringere Werte im PPMS Krankheitsverlauf, wodurch sich dieses als möglicher Marker zur Progressionsdiagnostik dieser Krankheit qualifiziert. Abschließend konnten in dieser Arbeit im humanen Stoffwechsel bisher unbekannte Angriffspunkte des Medikaments Dimethylfumarat, das zur Behandlung von RRMS verwendet wird, ermittelt werden. Durch diese Ergebnisse kann der bis jetzt gänzlich unbekannte Wirkungsmechanismus dieses neuen Medikaments besser beschrieben und verstanden, sowie zur Weiterentwicklung neuer Medikamente gegen RRMS genutzt werden. KW - metabolomics KW - biomarker KW - multiple sclerosis KW - Parkinson's disease KW - neurodegeneration KW - neuroinflammation KW - machine-learning KW - Parkinson-Krankheit KW - Biomarker KW - Maschinelles-Lernen KW - Metabolomics KW - Multiple-Sklerose Y1 - 2018 ER - TY - THES A1 - Stübler, Sabine T1 - Mathematical model of the mucosal immune response to study inflammatory bowel diseases and their treatments T1 - Mathematisches Modell der mukosalen Immunantwort zur Analyse von chronisch-entzündlichen Darmerkrankungen und deren Behandlung N2 - Inflammatory bowel diseases (IBD), characterised by a chronic inflammation of the gut wall, develop as consequence of an overreacting immune response to commensal bacteria, caused by a combination of genetic and environmental conditions. Large inter-individual differences in the outcome of currently available therapies complicate the decision for the best option for an individual patient. Predicting the prospects of therapeutic success for an individual patient is currently only possible to a limited extent; for this, a better understanding of possible differences between responders and non-responders is needed. In this thesis, we have developed a mathematical model describing the most important processes of the gut mucosal immune system on the cellular level. The model is based on literature data, which were on the one hand used (qualitatively) to choose which cell types and processes to incorporate and to derive the model structure, and on the other hand (quantitatively) to derive the parameter values. Using ordinary differential equations, it describes the concentration-time course of neutrophils, macrophages, dendritic cells, T cells and bacteria, each subdivided into different cell types and activation states, in the lamina propria and mesenteric lymph nodes. We evaluate the model by means of simulations of the healthy immune response to salmonella infection and mucosal injury. A virtual population includes IBD patients, which we define through their initially asymptomatic, but after a trigger chronically inflamed gut wall. We demonstrate the model's usefulness in different analyses: (i) The comparison of virtual IBD patients with virtual healthy individuals shows that the disease is elicited by many small or fewer large changes, and allows to make hypotheses about dispositions relevant for development of the disease. (ii) We simulate the effects of different therapeutic targets and make predictions about the therapeutic outcome based on the pre-treatment state. (iii) From the analysis of differences between virtual responders and non-responders, we derive hypotheses about reasons for the inter-individual variability in treatment outcome. (iv) For the example of anti-TNF-alpha therapy, we analyse, which alternative therapies are most promising in case of therapeutic failure, and which therapies are most suited for combination therapies: For drugs also directly targeting the cytokine levels or inhibiting the recruitment of innate immune cells, we predict a low probability of success when used as alternative treatment, but a large gain when used in a combination treatment. For drugs with direct effects on T cells, via modulation of the sphingosine-1-phosphate receptor or inhibition of T cell proliferation, we predict a considerably larger probability of success when used as alternative treatment, but only a small additional gain when used in a combination therapy. N2 - Chronisch-entzündliche Darmerkrankungen (CED), charakterisiert durch chronische Entzündung der Darmwand, entstehen durch eine Überreaktion der Immunantwort auf kommensale Bakterien, ausgelöst durch eine Kombination an genetischen und Umwelteinflüssen. Große inter-individuelle Unterschiede im Behandlungserfolg mit den verfügbaren Medikamenten erschweren die Wahl der für den jeweiligen Patienten besten Therapieoption. Eine Vorhersage der Erfolgsaussichten einer Behandlung für einen Patienten ist zum jetzigen Zeitpunkt nur sehr bedingt möglich; dafür wird ein besseres Verständnis möglicher Unterschiede zwischen sogenannten Respondern und Non-Respondern (Patienten, die gut bzw. schlecht auf ein Medikament ansprechen) benötigt. In der Dissertation haben wir ein mathematisches Modell entwickelt, das die wichtigsten Prozesse des mukosalen Immunsystems des Darms auf zellulärer Ebene beschreibt. Das Modell basiert auf Literaturdaten, die einerseits (qualitativ) zur Auswahl der zu betrachtenden Zelltypen und Prozesse und zur Herleitung der Modellstruktur und andererseits (quantitativ) zur Herleitung der Parameterwerte verwendet wurden. Mithilfe gewöhnlicher Differentialgleichungen wird der Konzentrations-Zeit-Verlauf von Neutrophilen, Makrophagen, dendritischen Zellen, T-Zellen und Bakterien, jeweils unterteilt in unterschiedliche Zelltypen und Aktivierungszustände, in der Lamina propria und den mesenterischen Lymphknoten, beschrieben. Wir evaluieren das Modells anhand von Simulationen der gesunden Immunantwort auf Salmonelleninfektion und Verletzung der Darmbarriere. Eine virtuelle Population beinhaltet CED-Patienten, die wir durch ein zunächst asymptomatisches, aber nach einem Auslöser chronisch entzündetes Darmgewebe definieren. Wir zeigen den Nutzen des Modells anhand verschiedener Analysen: (i) Der Vergleich von virtuellen CED-Patienten und virtuellen gesunden Individuen zeigt, dass die Krankheit durch viele kleine oder wenige große Veränderungen ausgelöst werden kann, und erlaubt, Hypothesen über krankheitsauslösende Veränderungen aufzustellen. (ii) Wir simulieren verschiedene Therapiemechanismen und treffen, basierend auf dem Zustand vor Behandlungsstart, Vorhersagen über den Therapieerfolg. (iii) Durch Analyse der Unterschiede zwischen virtuellen Respondern und Non-Respondern leiten wir Hypothesen über Ursachen für die inter-individuelle Variabilität im Therapieerfolg her. (iv) Am Beispiel von TNF-alpha-Antikörpern untersuchen wir, welche alternativen Therapien bei Therapieversagen am vielversprechendsten sind und welche Therapien sich besonders für Kombinationstherapien eignen: Für Medikamente, die auch direkt die Zytokinlevel beeinflussen oder die Rekrutierung von Zellen der natürlichen Immunantwort inhibieren, sagen wir eine geringe Erfolgswahrscheinlichkeit bei Nutzung als Alternativtherapie, aber einen großen Gewinn durch Nutzung in einer Kombinationstherapie vorher. Für Medikamente mit direkten Effekten auf T-Zellen, durch Modulation des Sphingosin-1-Phosphat-Rezeptors oder Inhibierung der T-Zellproliferation, sagen wir eine deutlich größere Erfolgswahrscheinlichkeit bei Nutzung als Alternativtherapie, aber nur einen geringen zusätzlichen Effekt bei Nutzung in einer Kombinationstherapie vorher. KW - systems biology KW - IBD KW - QSP KW - Systembiologie KW - CED KW - QSP Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-612301 ER - TY - THES A1 - Suchoszek, Monika T1 - Characterization of inducible galactolipid biosynthesis mutants in tobacco N2 - Chloroplast membranes have a unique composition characterized by very high contents of the galactolipids, MGDG and DGDG. Many studies on constitutive, galactolipid-deficient mutants revealed conflicting results about potential functions of galactolipids in photosynthetic membranes. Likely, this was caused by pleiotropic effects such as starvation artefacts because of impaired photosynthesis from early developmental stages of the plants onward. Therefore, an ethanol inducible RNAi-approach has been taken to suppress two key enzymes of galactolipid biosynthesis in the chloroplast, MGD1 and DGD1. Plants were allowed to develop fully functional source leaves prior to induction, which then could support plant growth. Then, after the ethanol induction, both young and mature leaves were investigated over time. Our studies revealed similar changes in both MGDG- and DGDG-deficient lines, however young and mature leaves of transgenic lines showed a different response to galactolipid deficiency. While no changes of photosynthetic parameters and minor changes in lipid content were observed in mature leaves of transgenic lines, strong reductions in total chlorophyll content and in the accumulation of all photosynthetic complexes and significant changes in contents of various lipid groups occurred in young leaves. Microscopy studies revealed an appearance of lipid droplets in the cytosol of young leaves in all transgenic lines which correlates with significantly higher levels of TAGs. Since in young leaves the production of membrane lipids is lowered, the excess of fatty acids is used for storage lipids production, resulting in the accumulation of TAGs. Our data indicate that both investigated galactolipids serve as structural lipids since changes in photosynthetic parameters were mainly the result of reduced amounts of all photosynthetic constituents. In response to restricted galactolipid synthesis, thylakoid biogenesis is precisely readjusted to keep the proper stoichiometry and functionality of the photosynthetic apparatus. Ultimately, the data revealed that downregulation of one galactolipid triggers changes not only in chloroplasts but also in the nucleus as shown by downregulation of nuclear encoded subunits of the photosynthetic complexes. KW - galactolipids KW - photosynthesis KW - tobacco Y1 - 2017 ER - TY - THES A1 - Sun, Xianlei T1 - Elasticity of fiber meshes derived from multiblock copolymers influences cell behaviors T1 - Elastizität von Fasergeweben abgeleitet Multiblockcopolymere beeinflussen das Zellverhalten. N2 - Objective: The behaviors of endothelial cells or mesenchymal stem cells are remarkably influenced by the mechanical properties of their surrounding microenvironments. Here, electrospun fiber meshes containing various mechanical characteristics were developed from polyetheresterurethane (PEEU) copolymers. The goal of this study was to explore how fiber mesh stiffness affected endothelial cell shape, growth, migration, and angiogenic potential of endothelial cells. Furthermore, the effects of the E-modulus of fiber meshes on human adipose-derived stem cells (hADSCs) osteogenic potential was investigated. Methods: Polyesteretherurethane (PEEU) polymers with various poly(p-dioxanone) (PPDO) to poly (ε-caprolactone) (PCL) weight percentages (40 wt.%, 50 wt.%, 60 wt.%, and 70 wt.%) were synthesized, termed PEEU40, PEEU50, PEEU60, and PEEU70, accordingly. The electrospinning method was used for the preparation of PEEU fiber meshes. The effects of PEEU fiber meshes with varying elasticities on the human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) shape, growth, migration and angiogenic potential were characterized. To determine how the E-modulus of fiber meshes affects the osteogenic potential of hADSCs, the cellular and nuclear morphologies and osteogenic differentiation abilities were evaluated. Results: With the increasing stiffness of PEEU fiber meshes, the aspect ratios of HUVECs cultivated on PEEU materials increased. HUVECs cultivated on high stiffness fiber meshes (4.5 ± 0.8 MPa) displayed a considerably greater proliferation rate and migratory velocity, in addition demonstrating increased tube formation capability, compared with those of the cells cultivated on lower stiffness fiber meshes (2.6 ± 0.8 MPa). Furthermore, in comparison to those cultivated on lower stiffness fiber meshes, hADSCs adhered to the highest stiffness fiber meshes PEEU70 had an elongated shape. The hADSCs grown on the softer PEEU40 fiber meshes showed a reduced nuclear aspect ratio (width to height) than those cultivated on the stiffer fiber meshes. Culturing hADSCs on stiffer fibers improved their osteogenic differentiation potential. Compared with cells cultured on PEEU40, osteocalcin expression and alkaline phosphatase (ALP) activity increased by 73 ± 10% and 43 ± 16%, respectively, in cells cultured on PEEU70. Conclusion: The mechanical characteristics of the substrate are crucial in the modulation of cell behaviors. These findings indicate that adjusting the elasticity of fiber meshes might be a useful method for controlling the blood vessels development and regeneration. Furthermore, the mechanical characteristics of PEEU fiber meshes might be modified to control the osteogenic potential of hADSCs. N2 - Ziel: Das Verhalten von Endothelzellen oder mesenchymalen Stammzellen wird erheblich von den mechanischen Eigenschaften der Mikroumgebung beeinflusst. Hier wurden elektrogesponnene Fasernetze mit unterschiedlicher Elastizität aus Polyetheresterurethan (PEEU) hergestellt. Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss der Elastizität von Fasernetzen auf die Zellmorphologie, Proliferation, Migration und Angiogenese von Endothelzellen zu untersuchen. Außerdem war der Einfluss des E-Moduls von Fasersubstraten auf die Bindung an die Abstammungslinie von humanen Fettstammzellen (hADSCs) untersucht. Methoden: Polyesteretherurethane (PEEU) mit unterschiedlichen Poly(p-dioxanon) (PPDO) to Poly (ε-Caprolacton) （PCL）-Gewichtsverhältnissen (40:60, 50:50, 60:40, 70:30) wurden synthetisiert und als PEEU40, PEEU50, PEEU60 bzw. PEEU70 bezeichnet. Die Fasernetze wurden durch Elektrospinnen von PEEU hergestellt. Dann wurden humane Endothelzellen der Nabelschnurvene (HUVECs) auf diesen elektrogesponnenen Fasernetzen aus Polyetheresterurethan (PEEU) kultiviert, die sich in ihrer Elastizität unterscheiden. Zellmorphologie, Proliferation, Migration und Angiogenese von Endothelzellen auf den abbaubaren Substraten wurden charakterisiert. Für den Einfluss des E-Moduls von Fasersubstraten auf die Bindung an die Abstammungslinie von hADSCs-Zellen und die Kernmorphologie wurde die Fähigkeit zur osteogenen Differenzierung bewertet. Ergebnisse: Das Aspektverhältnis von HUVECs, die auf den Fasernetzen aus PEEU-Materialien kultiviert wurden, nahm mit zunehmender Steifheit der Materialien zu. HUVECs, die auf Fasernetzen mit hoher Steifheit (Young-Modul E = 4,5 ± 0,8 MPa) kultiviert wurden, zeigten eine höhere Proliferationsrate und eine signifikant schnellere Migrationsgeschwindigkeit sowie ein höheres Röhrenbildungsvermögen als die Zellen, die auf Fasernetzen mit niedriger Steifheit kultiviert wurden (E = 2,6 ± 0,8 MPa). Des Weiteren zeigten an steiferen PEEU70-Fasernetzen (PPDO: PCL = 70:30) gebundene hADSCs eine verlängerte Morphologie im Vergleich zu jenen, die auf weicheren Fasern kultiviert wurden. Das Kernaspektverhältnis (Breite gegen Länge eines Kerns) von hADSCs, die auf weicheren PEEU40-Fasern (PPDO: PCL = 40:60) kultiviert wurden, war niedriger als auf steiferen Fasern. Die osteogene Differenzierung von hADSCs wurde durch Kultivierung auf steiferen Fasern verstärkt. Im Vergleich zu PEEU40 wurde in Zellen auf PEEU70 eine 73 ± 10% ige Steigerung der Osteocalcin-Expression und eine 34 ± 16% ige Steigerung der Aktivität der alkalischen Phosphatase (ALP) beobachtet. Schlussfolgerung: Die mechanischen Eigenschaften des Substrats spielen eine Schlüsselrolle bei der Modulation des Zellverhaltens. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Einstellen der Elastizität der Fasernetze eine potenzielle Strategie zur Modulation der Bildung oder Regeneration von Blutgefäßen sein könnte. Darüber hinaus könnte die Differenzierung von hADSCs durch die Anpassung der mechanischen Eigenschaften von elektrogesponnenen Fasern gestaltet werden. KW - PEEU KW - fiber mesh scaffolds KW - osteogenesis KW - angiogenesis KW - stiffness KW - hADSC KW - HUVEC KW - HUVEC KW - PEEU KW - Angiogenese KW - Gerüste aus Fasergeflecht KW - hADSC KW - Osteogenese KW - Steifheit Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-535285 ER - TY - THES A1 - Sun, Xiaoliang T1 - Towards understanding the dynamics of biological systems from -Omics data Y1 - 2011 CY - Potsdam ER - TY - THES A1 - Sviben, Sanja T1 - Calcite biomineralization in coccolithophores BT - new insights from ultrastructural and proteomic studies of Emiliania huxleyi Y1 - 2016 ER - TY - THES A1 - Swart, Corné T1 - Managing protein activity in A. thaliana BT - A proteomic approach to understanding SUMOylation as well as the regulation of carbohydrate metabolism Y1 - 2017 ER - TY - THES A1 - Swiadek, Magdalena Agnieszka T1 - Hybrid necrosis in local populations of Arabidopsis thaliana Y1 - 2015 ER - TY - THES A1 - Synodinos, Alexios D. T1 - Savanna dynamics under extreme conditions T1 - Savannendynamik unter extremen Bedingungen BT - insights from a mathematical model N2 - Savannas cover a broad geographical range across continents and are a biome best described by a mix of herbaceous and woody plants. The former create a more or less continuous layer while the latter should be sparse enough to leave an open canopy. What has long intrigued ecologists is how these two competing plant life forms of vegetation coexist. Initially attributed to resource competition, coexistence was considered the stable outcome of a root niche differentiation between trees and grasses. The importance of environmental factors became evident later, when data from moister environments demonstrated that tree cover was often lower than what the rainfall conditions would allow for. Our current understanding relies on the interaction of competition and disturbances in space and time. Hence, the influence of grazing and fire and the corresponding feedbacks they generate have been keenly investigated. Grazing removes grass cover, initiating a self-reinforcing process propagating tree cover expansion. This is known as the encroachment phenomenon. Fire, on the other hand, imposes a bottleneck on the tree population by halting the recruitment of young trees into adulthood. Since grasses fuel fires, a feedback linking grazing, grass cover, fire, and tree cover is created. In African savannas, which are the focus of this dissertation, these feedbacks play a major role in the dynamics. The importance of these feedbacks came into sharp focus when the notion of alternative states began to be applied to savannas. Alternative states in ecology arise when different states of an ecosystem can occur under the same conditions. According to this an open savanna and a tree-dominated savanna can be classified as alternative states, since they can both occur under the same climatic conditions. The aforementioned feedbacks are critical in the creation of alternative states. The grass-fire feedback can preserve an open canopy as long as fire intensity and frequency remain above a certain threshold. Conversely, crossing a grazing threshold can force an open savanna to shift to a tree-dominated state. Critically, transitions between such alternative states can produce hysteresis, where a return to pre-transition conditions will not suffice to restore the ecosystem to its original state. In the chapters that follow, I will cover aspects relating to the coexistence mechanisms and the role of feedbacks in tree-grass interactions. Coming back to the coexistence question, due to the overwhelming focus on competition and disturbance another important ecological process was neglected: facilitation. Therefore, in the first study within this dissertation I examine how facilitation can expand the tree-grass coexistence range into drier conditions. For the second study I focus on another aspect of savanna dynamics which remains underrepresented in the literature: the impacts of inter-annual rainfall variability upon savanna trees and the resilience of the savanna state. In the third and final study within this dissertation I approach the well-researched encroachment phenomenon from a new perspective: I search for an early warning indicator of the process to be used as a prevention tool for savanna conservation. In order to perform all this work I developed a mathematical ecohydrological model of Ordinary Differential Equations (ODEs) with three variables: soil moisture content, grass cover and tree cover. Facilitation: Results showed that the removal of grass cover through grazing was detrimental to trees under arid conditions, contrary to expectation based on resource competition. The reason was that grasses preserved moisture in the soil through infiltration and shading, thus ameliorating the harsh conditions for trees in accordance with the Stress Gradient Hypothesis. The exclusion of grasses from the model further demonstrated this: tree cover was lower in the absence of grasses, indicating that the benefits of grass facilitation outweighed the costs of grass competition for trees. Thus, facilitation expanded the climatic range where savannas persisted into drier conditions. Rainfall variability: By adjusting the model to current rainfall patterns in East Africa, I simulated conditions of increasing inter-annual rainfall variability for two distinct mean rainfall scenarios: semi-arid and mesic. Alternative states of tree-less grassland and tree-dominated savanna emerged in both cases. Increasing variability reduced semi-arid savanna tree cover to the point that at high variability the savanna state was eliminated, because variability intensified resource competition and strengthened the fire disturbance during high rainfall years. Mesic savannas, on the other hand, became more resilient along the variability gradient: increasing rainfall variability created more opportunities for the rapid growth of trees to overcome the fire disturbance, boosting the chances of savannas persisting and thus increasing mesic savanna resilience. Preventing encroachment: The breakdown in the grass-fire feedback caused by heavy grazing promoted the expansion of woody cover. This could be irreversible due to the presence of alternative states of encroached and open savanna, which I found along a simulated grazing gradient. When I simulated different short term heavy grazing treatments followed by a reduction to the original grazing conditions, certain cases converged to the encroached state. Utilising woody cover changes only during the heavy grazing treatment, I developed an early warning indicator which identified these cases with a high risk of such hysteresis and successfully distinguished them from those with a low risk. Furthermore, after validating the indicator on encroachment data, I demonstrated that it appeared early enough for encroachment to be prevented through realistic grazing-reduction treatments. Though this dissertation is rooted in the theory of savanna dynamics, its results can have significant applications in savanna conservation. Facilitation has only recently become a topic of interest within savanna literature. Given the threat of increasing droughts and a general anticipation of drier conditions in parts of Africa, insights stemming from this research may provide clues for preserving arid savannas. The impacts of rainfall variability on savannas have not yet been thoroughly studied, either. Conflicting results appear as a result of the lack of a robust theoretical understanding of plant interactions under variable conditions. . My work and other recent studies argue that such conditions may increase the importance of fast resource acquisition creating a ‘temporal niche’. Woody encroachment has been extensively studied as phenomenon, though not from the perspective of its early identification and prevention. The development of an encroachment forecasting tool, as the one presented in this work, could protect both the savanna biome and societies dependent upon it for (economic) survival. All studies which follow are bound by the attempt to broaden the horizons of savanna-related research in order to deal with extreme conditions and phenomena; be it through the enhancement of the coexistence debate or the study of an imminent external threat or the development of a management-oriented tool for the conservation of savannas. N2 - Savannen sind gekennzeichnet durch die Koexistenz von Gräsern und Bäumen. Sie bedecken circa 20% der globalen Landfläche und Millionen Menschen hängen von ihrer Intaktheit ab. Allerdings bedrohen sowohl der Klimawandel als auch Landnutzung dieses Biom. In dieser Studie werden die Existenz von Savannen unter sehr trockenen Bedingungen, ihre Reaktionen auf steigende Fluktuationen des Niederschlags und die Quantifizierung ihrer Resilienz untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass unter extrem trockenen Bedingungen der positive Einfluss von Gräsern auf Bäume eine wichtige Rolle für das Überleben der Bäume spielt. Kommt es hingegen zu einer Erhöhung der Niederschlagsvariabilität, wird dadurch eine starke Konkurrenz zwischen den beiden Lebensformen verursacht. Die Resilienz der Savannen und ihre Veränderungen lassen sich quantifizieren und mit dem im letzten Teil dieser Dissertation präsentierten Werkzeug erkennen. Meine Arbeit demonstriert, dass sich der Fokus der aktuellen Savannenforschung weiten muss, um die Reaktionen von Savannen auf sich ändernde Umweltbedingungen vorherzusagen. Um Savannen langfristig zu erhalten, müssen jedoch die bereits vorhandenen Grundlagen in einem soliden Framework zusammen gebracht werden. KW - Savanna ecology KW - mathematical modelling KW - coexistence mechanisms KW - Savanna resilience KW - woody encroachment KW - early warning signals KW - mathematische Modelierung KW - Koexistenz Mechanismen KW - Savannen Resilienz KW - Verbuschung Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-395000 ER - TY - THES A1 - Szecówka, Marek T1 - Metabolic fluxes in photosynthetic and heterotrophic plant tissues Y1 - 2011 CY - Potsdam ER - TY - THES A1 - Szymanski, Jedrzej T1 - Integration of correlative relationships in metabolic and transcript data from model organisms : arabidopsis thaliana and escherichia coli Y1 - 2009 CY - Potsdam ER - TY - THES A1 - Székely, András Csaba T1 - Long-distance circadian coordination via a phloem-delivered mobile transcript Y1 - 2024 ER - TY - THES A1 - Tabatabaei, Iman T1 - Development of new selection systems for organellar genome transformation N2 - Plant cells host two important organelles: mitochondria, known as the cell’s ‘powerhouse’, which act by converting oxygen and nutrients into ATP, and plastids, which perform photosynthesis. These organelles contain their own genomes that encode proteins required for gene expression and energy metabolism. Transformation technologies offer great potential for investigating all aspects of the physiology and gene expression of these organelles in vivo. In addition, organelle transformation can be a valuable tool for biotechnology and molecular plant breeding. Plastid transformation systems are well-developed for a few higher plants, however, mitochondrial transformation has so far only been reported for Saccharomyces cerevisiae and the unicellular alga Chlamydomonas reinhardtii. Development of an efficient new selection marker for plastid transformation is important for several reasons, including facilitating supertransformation of the plastid genome for metabolic engineering purposes and for producing multiple knock-outs or site-directed mutagenesis of two unlinked genes. In this work, we developed a novel selection system for Nicotiana tabacum (tobacco) chloroplast transformation with an alternative marker. The marker gene, aac(6′)-Ie/aph(2′′)-Ia, was cloned into different plastid transformation vectors and several candidate aminoglycoside antibiotics were investigated as selection agents. Generally, the efficiency of selection and the transformation efficiency with aac(6′)-Ie/aph(2′′)-Ia as selectable marker in combination with the aminoglycoside antibiotic tobramycin was similarly high as that with the standard marker gene aadA and spectinomycin selection. Furthermore, our new selection system may be useful for the development of plastid transformation for new species, including cereals, the world’s most important food crops, and could also be helpful for the establishment of a selection system for mitochondrial transformation. To date, all attempts to achieve mitochondrial transformation for higher plants have been unsuccessful. A mitochondrial transformation system for higher plants would not only provide a potential for studying mitochondrial physiology but could also provide a method to introduce cytoplasmic male sterility into crops to produce hybrid seeds. Establishing a stable mitochondrial transformation system in higher plants requires several steps including delivery of foreign DNA, stable integration of the foreign sequences into the mitochondrial genome, efficient expression of the transgene, a highly regenerable tissue culture system that allows regeneration of the transformed cells into plants, and finally, a suitable selection system to identify cells with transformed mitochondrial genomes. Among all these requirements, finding a good selection is perhaps the most important obstacle towards the development of a mitochondrial transformation system for higher plants. In this work, two selection systems were tested for mitochondrial transformation: kanamycin as a selection system in combination with the antibiotic-inactivating marker gene nptII, and sulfadiazine as a selection agent that inhibits the folic acid biosynthesis pathway residing in plant mitochondria in combination with the sul gene encoding an enzyme that is insensitive to inhibition by sulfadiazine. Nuclear transformation experiments were considered as proof of the specificity of the sulfadiazine selection system for mitochondria. We showed that an optimized sulfadiazine selection system, with the Sul protein targeted to mitochondria, is much more efficient than the previous sulfadiazine selection system, in which the Sul protein was targeted to the chloroplast. We also showed by systematic experiments that the efficiency of selection and nuclear transformation of the optimized sulfadiazine selection was higher compared to the standard kanamycin selection system. Finally, we also investigated the suitability of this selection system for nuclear transformation of the model alga Chlamydomonas reinhardtii, obtaining promising results. Although we designed several mitochondrial transformation vectors with different expression elements and integration sites in the mitochondrial genome based on the sulfadiazine system, and different tissue culture condition were also considered, we were not able to obtain mitochondrial transformation with this system. Nonetheless, establishing the sul gene as an efficient and specific selection marker for mitochondria addresses one of the major bottlenecks and may pave the way to achieve mitochondrial transformation in higher plants. KW - plastid transformation KW - tobramycin KW - bifunctional enzyme KW - mitochondrial transformation KW - sulfadiazine Y1 - 2017 ER - TY - THES A1 - Tartivel, Lucile T1 - Design of hydrogels with inverse shape-memory function for biomedical applications Y1 - 2013 CY - Potsdam ER - TY - THES A1 - Taube, Robert T1 - Characterisations of Fungal Communities in Temperate Lakes BT - with focus on diversity, abundance and methodological aspects of quantifying abundance Y1 - 2019 ER - TY - THES A1 - Teckentrup, Lisa T1 - Understanding predator-prey interactions T1 - Verstehen von Räuber-Beute-Interaktionen BT - the role of fear in structuring prey communities BT - die Rolle der Angst bei der Strukturierung von Beutetiergemeinschaften N2 - Predators can have numerical and behavioral effects on prey animals. While numerical effects are well explored, the impact of behavioral effects is unclear. Furthermore, behavioral effects are generally either analyzed with a focus on single individuals or with a focus on consequences for other trophic levels. Thereby, the impact of fear on the level of prey communities is overlooked, despite potential consequences for conservation and nature management. In order to improve our understanding of predator-prey interactions, an assessment of the consequences of fear in shaping prey community structures is crucial. In this thesis, I evaluated how fear alters prey space use, community structure and composition, focusing on terrestrial mammals. By integrating landscapes of fear in an existing individual-based and spatially-explicit model, I simulated community assembly of prey animals via individual home range formation. The model comprises multiple hierarchical levels from individual home range behavior to patterns of prey community structure and composition. The mechanistic approach of the model allowed for the identification of underlying mechanism driving prey community responses under fear. My results show that fear modified prey space use and community patterns. Under fear, prey animals shifted their home ranges towards safer areas of the landscape. Furthermore, fear decreased the total biomass and the diversity of the prey community and reinforced shifts in community composition towards smaller animals. These effects could be mediated by an increasing availability of refuges in the landscape. Under landscape changes, such as habitat loss and fragmentation, fear intensified negative effects on prey communities. Prey communities in risky environments were subject to a non-proportional diversity loss of up to 30% if fear was taken into account. Regarding habitat properties, I found that well-connected, large safe patches can reduce the negative consequences of habitat loss and fragmentation on prey communities. Including variation in risk perception between prey animals had consequences on prey space use. Animals with a high risk perception predominantly used safe areas of the landscape, while animals with a low risk perception preferred areas with a high food availability. On the community level, prey diversity was higher in heterogeneous landscapes of fear if individuals varied in their risk perception compared to scenarios in which all individuals had the same risk perception. Overall, my findings give a first, comprehensive assessment of the role of fear in shaping prey communities. The linkage between individual home range behavior and patterns at the community level allows for a mechanistic understanding of the underlying processes. My results underline the importance of the structure of the landscape of fear as a key driver of prey community responses, especially if the habitat is threatened by landscape changes. Furthermore, I show that individual landscapes of fear can improve our understanding of the consequences of trait variation on community structures. Regarding conservation and nature management, my results support calls for modern conservation approaches that go beyond single species and address the protection of biotic interactions. N2 - Raubtiere beeinflussen ihre Beute durch die Verringerung der Anzahl (numerische Effekte) und durch das Hervorrufen von Verhaltensänderungen (Verhaltenseffekte). Während die Auswirkungen von numerischen Effekten gut erforscht sind, sind die Auswirkungen von Verhaltenseffekten unklar. Außerdem werden bei Verhaltensänderungen selten die Auswirkungen auf die Beutetiergemeinschaft betrachtet, sondern nur die Effekte auf einzelne Individuen bzw. Arten oder auf andere Stufen der Nahrungskette. Eine Betrachtung auf der Stufe der Beutetiergemeinschaft ist jedoch sehr wichtig, da nur so ein umfassendes Verständnis von Räuber-Beute-Gemeinschaften möglich ist. In der vorliegenden Arbeit habe ich die Auswirkungen von Verhaltenseffekten auf die Raumnutzung und die Struktur von Beutetiergemeinschaften untersucht. Dazu habe ich ein räumliches Modell benutzt, welches die Bildung von Beutetiergemeinschaften über den individuellen Aufbau von Aktionsräumen der Beutetiere simuliert. Die Einrichtung von Aktionsräumen basiert dabei auf der Nahrungsverfügbarkeit in der Landschaft und auf dem vom Beutetier wahrgenommenen Risiko von einem Räuber gefressen zu werden. Die räumliche Verteilung des wahrgenommenen Risikos wird auch als Landschaft der Angst bezeichnet. Meine Ergebnisse zeigen, dass sich die Raumnutzung und die Struktur der Beutetiergemeinschaft durch Verhaltenseffekte verändern. Unter dem Einfluss von Angst haben die Beutetiere ihre Aktionsräume in sicherere Bereiche der Landschaft verlegt. Außerdem hat sich in risikoreichen Landschaften die Vielfalt der Beutetiere verringert und die Zusammensetzung zu Arten mit einem geringen Körpergewicht verschoben. Wenn die Beutetiergemeinschaft Landschaftsveränderungen wie z.B. dem Verlust oder der Zerschneidung von Lebensraum ausgesetzt war, haben sich die Auswirkungen von Verhaltenseffekten weiter verstärkt. Durch eine Erhöhung der Größe und Anzahl von Rückzugsräumen, die nicht von Räubern erreicht werden können, sowie deren Verbindung in der Landschaft, kann die Stärke dieser Effekte jedoch begrenzt werden. In einem weiteren Schritt habe ich die Auswirkungen von Unterschieden in der Risikowahrnehmung zwischen Individuen untersucht. Diese Unterschiede haben dazu geführt, dass Tiere mit einer hohen Risikowahrnehmung sich ihren Aktionsraum vornehmlich in sicheren Bereichen gesucht haben, während Tiere mit einer geringen Risikowahrnehmung Bereiche mit einer hohen Nahrungsverfügbarkeit genutzt haben. Dadurch konnten sich in Landschaften mit unterschiedlichen Risiken, vielfältigere Beutetiergemeinschaften etablieren, als in Landschaften mit gleichmäßigem Risiko. Insgesamt geben meine Ergebnisse einen guten Überblick über die Auswirkungen von Verhaltenseffekten auf Beutetiergemeinschaften. Die Verknüpfung von individuellem Verhalten mit Mustern auf der Gemeinschaftsebene erlaubt es die zugrundeliegenden Mechanismen zu identifizieren und zu verstehen. In Bezug auf den Naturschutz unterstützen meine Ergebnisse den Ruf nach modernen Schutzmaßnahmen, die über den Erhalt von einzelnen Arten hinausgehen und den Schutz von Beziehungen zwischen Arten einbeziehen. KW - ecology KW - landscape of fear KW - predator-prey KW - movement KW - biodiversity KW - Ökologie KW - Landschaft der Angst KW - Räuber-Beute KW - Bewegung KW - Biodiversität Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-431624 ER - TY - THES A1 - Tegtmeier, Laura T1 - Functional analysis of ENTH domain proteins T1 - Funktionelle Analyse der ENTH Proteinen N2 - In plant cells, subcellular transport of cargo proteins relies to a large extent on post-Golgi transport pathways, many of which are mediated by clathrin-coated vesicles (CCVs). Vesicle formation is facilitated by different factors like accessory proteins and adaptor protein complexes (APs), the latter serving as a bridge between cargo proteins and the coat protein clathrin. One type of accessory proteins is defined by a conserved EPSIN N-TERMINAL HOMOLOGY (ENTH) domain and interacts with APs and clathrin via motifs in the C-terminal part. In Arabidopsis thaliana, there are three closely related ENTH domain proteins (EPSIN1, 2 and 3) and one highly conserved but phylogenetically distant outlier, termed MODIFIED TRANSPORT TO THE VACUOLE1 (MTV1). In case of the trans-Golgi network (TGN) located MTV1, clathrin association and a role in vacuolar transport have been shown previously (Sauer et al. 2013). In contrast, for EPSIN1 and EPSIN2 limited functional and localization data were available; and EPSIN3 remained completely uncharacterized prior to this study (Song et al. 2006; Lee et al. 2007). The molecular details of ENTH domain proteins in plants are still unknown. In order to systematically characterize all four ENTH proteins in planta, we first investigated expression and subcellular localization by analysis of stable reporter lines under their endogenous promotors. Although all four genes are ubiquitously expressed, their subcellular distribution differs markedly. EPSIN1 and MTV1 are located at the TGN, whereas EPSIN2 and EPSIN3 are associated with the plasma membrane (PM) and the cell plate. To examine potential functional redundancy, we isolated knockout T-DNA mutant lines and created all higher order mutant combinations. The clearest evidence for functional redundancy was observed in the epsin1 mtv1 double mutant, which is a dwarf displaying overall growth reduction. These findings are in line with the TGN localization of both MTV1 and EPS1. In contrast, loss of EPSIN2 and EPSIN3 does not result in a growth phenotype compared to wild type, however, a triple knockout of EPSIN1, EPSIN2 and EPSIN3 shows partially sterile plants. We focused mainly on the epsin1 mtv1 double mutant and addressed the functional role of these two genes in clathrin-mediated vesicle transport by comprehensive molecular, biochemical, and genetic analyses. Our results demonstrate that EPSIN1 and MTV1 promote vacuolar transport and secretion of a subset of cargo. However, they do not seem to be involved in endocytosis and recycling. Importantly, employing high-resolution imaging, genetic and biochemical experiments probing the relationship of the AP complexes, we found that EPSIN1/AP1 and MTV1/AP4 define two spatially and molecularly distinct subdomains of the TGN. The AP4 complex is essential for MTV1 recruitment to the TGN, whereas EPSIN1 is independent of AP4 but presumably acts in an AP1-dependent framework. Our findings suggest that this ENTH/AP pairing preference is conserved between animals and plants. N2 - In pflanzlichen Zellen hängt der Transport von Proteinen von vielen dem Golgi-Apparat nachfolgenden Transportwegen ab, welche zum Großteil durch Clathrin-bedeckte Vesikel (CCV) vermittelt werden. Die Vesikelbildung wird durch verschiedene Helferproteine und Adapterproteinkomplexe (AP) ermöglicht. Letztere dienen als Brücke zwischen den Transportproteinen und dem Hüllprotein Clathrin. Eine Gruppe von Hilfsproteinen interagiert mit APs und Clathrin mittels des C-Terminus und ist durch eine konservierte EPSIN N-TERMINAL HOMOLOGY (ENTH)-Domäne definiert. In Arabidopsis thaliana wurden drei eng verwandte ENTH-Domänenproteine (EPSIN1, 2 und 3) sowie ein stark konservierter phylogenetischer Außenseiter MODIFIED TRANSPORT TO THE VACUOLE1 (MTV1), gefunden. Im Falle des im trans-Golgi Netzwerk (TGN) lokalisierten MTV1 wurde die Assoziation mit Clathrin und eine Rolle im vakuolären Transport nachgewiesen (Sauer et al. 2013). Im Vergleich dazu gab es für EPSIN1 und EPSIN2 nur limitierte Daten und EPSIN3 war bisher unerforscht (Song et al. 2006; Lee et al. 2007). Die Funktionen der ENTH-Domänenproteine in Pflanzen blieben unklar. Um die vier ENTH-Proteine in planta zu charakterisieren, untersuchten wir zunächst deren Expression sowie subzelluläre Lokalisation anhand stabiler Reporterlinien, welche Fusionsproteine vom jeweils endogenen Promotor exprimierten. Obwohl unsere Ergebnisse zeigten, dass alle ENTH-Domänenproteine ubiquitär exprimiert wurden, war die subzelluläre Verteilung deutlich unterschiedlich. EPSIN1 und MTV1 lokalisierten am TGN, während EPSIN2 und EPSIN3 in der Nähe der Plasmamembran (PM) und der Zellplatte zu finden waren. Um eine mögliche funktionelle Redundanz zu untersuchen, nutzten wir komplette Funktionsverlust-Mutanten und erzeugten daraus Mutanten höherer Ordnung. Deutliche Hinweise auf funktionelle Redundanz ergab die epsin1 mtv1-Doppelmutante, die eine starke Wachstumsreduktion aufwies, was zur Lokalisierung beider Proteine am TGN passte. Im Gegensatz dazu verursachte der Verlust von EPSIN2 und EPSIN3 keinen vom Wildtyp abweichenden Phänotyp, jedoch zeigte die epsin1 epsin2 epsin3-Dreifachmutante partielle Sterilität. Wir fokussierten uns daher hauptsächlich auf epsin1 mtv1 und untersuchten die funktionelle Rolle im Clathrin-vermittelten Vesikeltransport durch vergleichende molekulare, biochemische und genetische Analysen. EPSIN1 und MTV1 unterstützten den vakuolären und sekretorischen Transport, waren aber nicht an Endozytose oder Recycling beteiligt. Durch hochauflösende Mikroskopie, genetische und biochemische Analysen der Beziehung zwischen verschiedenen AP-Komplexen und EPSIN1/MTV1 konnten wir zeigen, dass EPSIN1/AP1 und MTV1/AP4 zwei räumlich und molekular distinkte Subdomänen des TGNs definierten. AP4 war essenziell für die MTV1- jedoch nicht die EPSIN1-Rekrutierung zum TGN und EPSIN1 assoziierte bevorzugt mit AP1. Ähnliche Beobachtungen an EPSIN1- und MTV1-Homologen in tierischen Zellen legen eine evolutionär konservierte Paarung von AP-Komplexen und ENTH-Proteinen nahe. KW - vesicle transport KW - trans-Golgi network KW - trans-Golgi Netzwerk KW - clathrin-coated vesicles KW - Clathrin-bedeckte Vesikel KW - ENTH domain proteins KW - ENTH-Domänenproteine Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-570049 ER - TY - THES A1 - Tenenboim, Yehezkel T1 - Characterization of a Chlamydomonas protein involved in cell division and autophagy T1 - Charakterisierung eines an Zellteilung und Autophagie beteiligten Chlamydomonas-Proteins N2 - The contractile vacuole (CV) is an osmoregulatory organelle found exclusively in algae and protists. In addition to expelling excessive water out of the cell, it also expels ions and other metabolites and thereby contributes to the cell's metabolic homeostasis. The interest in the CV reaches beyond its immediate cellular roles. The CV's function is tightly related to basic cellular processes such as membrane dynamics and vesicle budding and fusion; several physiological processes in animals, such as synaptic neurotransmission and blood filtration in the kidney, are related to the CV's function; and several pathogens, such as the causative agents of sleeping sickness, possess CVs, which may serve as pharmacological targets. The green alga Chlamydomonas reinhardtii has two CVs. They are the smallest known CVs in nature, and they remain relatively untouched in the CV-related literature. Many genes that have been shown to be related to the CV in other organisms have close homologues in C. reinhardtii. We attempted to silence some of these genes and observe the effect on the CV. One of our genes, VMP1, caused striking, severe phenotypes when silenced. Cells exhibited defective cytokinesis and aberrant morphologies. The CV, incidentally, remained unscathed. In addition, mutant cells showed some evidence of disrupted autophagy. Several important regulators of the cell cycle as well as autophagy were found to be underexpressed in the mutant. Lipidomic analysis revealed many meaningful changes between wild-type and mutant cells, reinforcing the compromised-autophagy observation. VMP1 is a singular protein, with homologues in numerous eukaryotic organisms (aside from fungi), but usually with no relatives in each particular genome. Since its first characterization in 2002 it has been associated with several cellular processes and functions, namely autophagy, programmed cell-death, secretion, cell adhesion, and organelle biogenesis. It has been implicated in several human diseases: pancreatitis, diabetes, and several types of cancer. Our results reiterate some of the observations in VMP1's six reported homologues, but, importantly, show for the first time an involvement of this protein in cell division. The mechanisms underlying this involvement in Chlamydomonas, as well as other key aspects, such as VMP1's subcellular localization and interaction partners, still await elucidation. N2 - Die kontraktile Vakuole ist ein osmoregulatorisches Organell, das ausschließlich in Algen und Protisten vorkommt. Zusätzlich zu ihrer Rolle als Ausstoßer überflüßigen Wassers aus der Zelle heraus, stößt sie auch Ionen und andere Metaboliten aus, und trägt dabei zur metabolischen Homöostase der Zelle bei. Das Interesse an der kontraktilen Vakuole erstreckt sich über seine unmittelbare zelluläre Rolle hinaus. Die Funktion der kontraktilen Vakuole ist mit einigen grundsätzlichen zellulären Verfahren, wie Membrandynamik und Vesikelknospung und -fusion, verwandt; einige physiologische Verfahren in Tieren, zum Beispiel synaptische Neurotransmission und das Filtrieren des Blutes in den Nieren, sind mit der Funktion der Vakuole eng verwandt; und einige Pathogene—der Ursacher der Schlafkrankheit als Beispiel—besitzen kontraktile Vakuolen, die als Ziele von Medikamenten dienen könnten. Die grüne Alge Chlamydomonas reinhardtii verfügt über zwei Vakuolen. Sie sind die kleinsten bekannten in der Natur, und bleiben bisher verhältnismäßig unerforscht. Viele Gene, die in anderen Organismen als kontraktile-Vakuole-bezogen erwiesen wurden, haben Homologe in C. reinhardtii. Wir versuchten, diese Gene auszuschalten und den Einfluss auf die Vakuole zu beobachten. Die Ausschaltung eines unserer Gene, VMP1, verursachte starke, beachtliche Phänotype. Die Zellen zeigten gestörte Zytokinese und aberrante Zellformen. Die kontraktile Vakuole blieb jedoch verschont. Des Weiteren zeigten Mutantzellen einige Hinweise auf gestörte Autophagie. Einige wichtige Gene des Zellzyklus und der Autophagie waren unterexprimiert in Mutantzellen. Lipidomische Analyse zeigte mehrere bedeutsame Unterschiede zwischen Wildtyp und Mutant, die die Beobachtungen der gestörten Autophagie verstärkten. VMP1 ist ein singularisches Protein, mit Homologen in zähligen eukaryotischen Organismen (jedoch nicht in Pilzen), aber üblicherweise ohne Verwandte in den jeweiligen Genomen. Seit seiner Erstcharakterisierung 2002 wurde es mit etlichen zellulären Verfahren, wie Autophagie, programmiertem Zelltod, Sekretion, Zelladhäsion, und Biogenese der Organellen, assoziiert. Es wurde auch mit einigen menschlichen Krankheiten wie Diabetes, Pankreatitis, und einigen Arten von Krebs in Verbindung gebracht. Unsere Ergebnisse wiederholen einige Beobachtungen in anderen Organismen, zeigen dennoch zum ersten Mal eine Beteiligung von VMP1 an der Zellteilung. Die unterliegenden Mechanismen dieser Beteiligung in Chlamydomonas, sowie andere wichtige Aspekte, etwa die subzelluläre Lokalisierung von VMP1 und dessen Interaktionspartner, warten noch auf Aufklärung. KW - VMP1 KW - autophagy KW - cytokinesis KW - chlamydomonas Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-70650 ER - TY - THES A1 - Tews, Jörg T1 - The impact of climate change and land use on woody plants in semiarid savanna : modelling shrub population dynamics in the southern kalahari Y1 - 2003 ER - TY - THES A1 - Thalhammer, Anja T1 - Physiological, functional and structural characterization of five closely related COR/LEA (COld Regulated/Late Embroygenesis Abundant) proteins from Arabidopsis thaliana (L.) Y1 - 2012 CY - Potsdam ER - TY - THES A1 - Thieme, Christoph J. T1 - Sequence and structure determinants of microRNA maturation and the elucidation of RNA transport in plants Y1 - 2015 ER - TY - THES A1 - Thirumalaikumar, Venkatesh P. T1 - Investigating drought and heat stress regulatory networks in Arabidopsis and tomato Y1 - 2019 ER - TY - THES A1 - Tietjen, Briit-Kristien T1 - Drylands under climate change : a novel ecohydrological modelling approach Y1 - 2008 CY - Potsdam ER - TY - THES A1 - Tiller, Nadine T1 - Plastid translation : functions of plastid-specific ribosomal proteins and identification of a factor mediating plastid-to-nucleus retrograde sifnalling Y1 - 2011 CY - Potsdam ER - TY - THES A1 - Timofeeva, Nadezda T1 - Effect of ions and amino-acid sequence on collagen structure BT - a molecular dynamics study Y1 - 2015 ER - TY - THES A1 - Ting, Michael Kien Yin T1 - Circadian-regulated dynamics of translation in Arabidopsis thaliana Y1 - 2021 ER - TY - THES A1 - Tirok, Katrin T1 - Predator-prey dynamics under the influence of exogenous and endogenous regulation : a data-based modeling study on spring plankton with respect to climate change T1 - Räuber-Beute Beziehungen unter dem Einfluss exogener und endogener Regulation : eine datenbasierte Modellstudie zur Planktonentwicklung im Frühjahr mit Bezug auf den Klimawandel N2 - Understanding the interactions of predators and their prey and their responses to environmental changes is one of the striking features of ecological research. In this thesis, spring dynamics of phytoplankton and its consumers, zooplankton, were considered in dependence on the environmental conditions in a deep lake (Lake Constance) and a shallow marine water (mesocosms from Kiel Bight), using descriptive statistics, multiple regression models, and process-oriented dynamic simulation models. The development of the spring phytoplankton bloom, representing a dominant feature in the plankton dynamics in temperate and cold oceans and lakes, may depend on temperature, light, and mixing intensity, and the success of over-wintering phyto- and zooplankton. These factors are often correlated in the field. Unexpectedly, irradiance often dominated algal net growth rather than vertical mixing even in deep Lake Constance. Algal net losses from the euphotic layer to larger depth were induced by vertical mixing, but were compensated by the input from larger depth when algae were uniformly distributed over the water column. Dynamics of small, fast-growing algae were well predicted by abiotic variables, such as surface irradiance, vertical mixing intensity, and temperature. A simulation model additionally revealed that even in late winter, grazing may represent an important loss factor of phytoplankton during calm periods when losses due to mixing are small. The importance of losses by mixing and grazing changed rapidly as it depended on the variable mixing intensity. Higher temperature, lower global irradiance and enhanced mixing generated lower algal biomass and primary production in the dynamic simulation model. This suggests that potential consequences of climate change may partly counteract each other. The negative effect of higher temperatures on phytoplankton biomass was due to enhanced temperature-sensitive grazing losses. Comparing the results from deep Lake Constance to those of the shallow mesocosm experiments and simulations, confirmed the strong direct effect of light in contrast to temperature, and the importance of grazing already in early spring as soon as moderate algal biomasses developed. In Lake Constance, ciliates dominated the herbivorous zooplankton in spring. The start of ciliate net growth in spring was closely linked to that of edible algae, chlorophyll a and the vertical mixing intensity but independent of water temperature. The duration of ciliate dominance in spring was largely controlled by the highly variable onset of the phytoplankton bloom, and little by the less variable termination of the ciliate bloom by grazing of meta-zooplankton. During years with an extended spring bloom of algae and ciliates, they coexisted at relatively high biomasses over 15-30 generations, and internally forced species shifts were observed in both communities. Interception feeders alternated with filter feeders, and cryptomonads with non-cryptomonads in their relative importance. These dynamics were not captured by classical 1-predator-1-prey models which consistently predict pronounced predator-prey cycles or equilibria with either the predator or the prey dominating or suppressed. A multi-species predator-prey model with predator species differing in their food selectivity, and prey species in their edibility reproduced the observed patterns. Food-selectivity and edibility were related to the feeding and growth characteristics of the species, which represented ecological trade-offs. For example, the prey species with the highest edibility also had the highest maximum growth rate. Data and model revealed endogenous driven ongoing species alternations, which yielded a higher variability in species-specific biomasses than in total predator and prey biomass. This holds for a broad parameter space as long as the species differ functionally. A more sophisticated model approach enabled the simulation of a continuum of different functional types and adaptability of predator and prey communities to altered environmental conditions, and the maintenance of a rather low model complexity, i.e., low number of equations and free parameters. The community compositions were described by mean functional traits --- prey edibility and predator food-selectivity --- and their variances. The latter represent the functional diversity of the communities and thus, the potential for adaptation. Oscillations in the mean community trait values indicated species shifts. The community traits were related to growth and grazing characteristics representing similar trade-offs as in the multi-species model. The model reproduced the observed patterns, when nonlinear relationships between edibility and capacity, and edibility and food availability for the predator were chosen. A constant minimum amount of variance represented ongoing species invasions and thus, preserved a diversity which allows adaptation on a realistic time-span. N2 - Eine der großen Herausforderungen der heutigen ökologischen Forschung ist es, Veränderungen von Ökosys­temen vorher­zusagen, die mit dem Klimawandel einhergehen. Dafür sind ein umfassendes Verständnis der ver­schiedenen Steuerungsfaktoren des entsprechenden Systems und Kenntnisse zur Anpassungs­fähigkeit des Systems nötig. Auf der Grundlage dieses Wissens, können mit mathemati­schen Modellen Klima­szenarien gerechnet und Vorhersagen erstellt werden. Die vorliegende Arbeit untersuchte die Regulation des Phytoplanktons (kleine freischwebende einzellige Algen) und seiner Konsumenten (Zooplankton, tierische Kleinstlebewesen) sowie deren Wechselspiel während des Frühjahrs mit Bezug auf den Klimawandel. Als Basis dienten langjährige Daten von einem großen tiefen See (Bodensee) sowie Daten von Versuchen mit Organis­men aus einem flachen marinen Ge­wässer (Kieler Förde, Ostsee). Diese Daten wurden mit statistischen Verfahren und mathematischen Modellen ausge­wertet. In Gewässern sind Algen als Primärproduzenten die Nahrungsgrundlage für tieri­sche Organismen bis hin zu Fischen und Meeresfrüchten, und bestimmen die Wasserqualität der Ge­wässer. Daher ist es wichtig zu verstehen, welche Mechanismen die Dynamik der Algen steuern. Der Grundstein für die saisonale Entwicklung von Phyto- und Zooplankton in Gewässern un­serer Breiten wird mit dem Be­ginn des Wachstums im Frühjahr gelegt. Diese Arbeit zeigt, dass es bereits im zeitigen, noch kalten Frühjahr ein Wechselspiel physikalischer und biologischer Steuerungsmechanismen für die Algenent­wicklung gibt. Physikalische Faktoren sind die Wassertemperatur, die Globalstrahlung und die Durchmischung des Gewässers, die durch die Stärke des Windes beeinflusst wird. All diese Steue­rungsmechanismen sind eng miteinander verwoben und werden unterschiedlich stark vom Klimawan­del beeinflusst. Mit mathematischen Modellen gelang es den Einfluss einzelner Faktoren voneinander zu trennen und zu zeigen, dass Effekte durch den Klimawandel sich gegenseitig aufheben oder aber auch verstärken können. Schon geringe Änderungen an der Basis der Nahrungsnetze können weitrei­chende Auswirkungen auf höhere Ebenen habe. Wie stark diese Auswirkungen im Einzelnen sind, hängt entscheidend von der Anpassungsfähigkeit gesamter Ökosysteme und ihrer Artengemeinschaf­ten sowie einzelner Individuen ab. Beispielsweise reagiert die Algengemeinschaft auf einen starken Fraßdruck ihrer Räuber mit einer Verschiebung zu weniger gut fressbaren Algenarten. Diese weniger gut fressbaren Arten unterscheiden sich jedoch auch in anderen Eigenschaften, wie zum Beispiel der Ressourcenausnutzung, von besser fressbaren Algen. In dieser Arbeit wurden Modellansätze entwi­ckelt, die diese Fähigkeit zur Anpassung berücksichtigen. Auf dieser Grundlage und mit Einbeziehung der physikalischen Steuerungsfaktoren können Klimaszenarien gerechnet werden und Vorhersagen für den Einfluss des Klimawandels auf unsere Gewässer gemacht werden, die letztlich auch Perspektiven für Handlungsmöglichkeiten aufzeigen. KW - Ökologie KW - mathematische Simulationsmodelle KW - Plankton KW - Tiefer See KW - Räuber-Beute Beziehungen KW - ecology KW - mathematical simulation models KW - plankton KW - deep lake KW - predator-prey relationships Y1 - 2008 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-24528 ER -