TY  - THES
A1  - Ting, Michael Kien Yin
T1  - Circadian-regulated dynamics of translation in Arabidopsis thaliana
Y1  - 2021
ER  - 
TY  - THES
A1  - Brunacci, Nadia
T1  - Oligodepsipeptides as matrix for drug delivery systems and submicron particulate carriers
Y1  - 2021
ER  - 
TY  - THES
A1  - Tung, Wing Tai
T1  - Polymeric fibrous scaffold on macro/microscale towards tissue regeneration
Y1  - 2021
ER  - 
TY  - THES
A1  - Nacak, Selma
T1  - Synthesis and Characterization of Upconversion Nanaparticles for Applications in Life Sciences
Y1  - 2021
ER  - 
TY  - THES
A1  - Verbancic, Jana
T1  - Carbon supply and the regulation of primary cell wall synthesis in Arabidopsis thaliana
N2  - Cellulose is the most abundant biopolymer on Earth and cell wall (CW) synthesis is one of the major carbon consumers in the plant cell. Structure and several interaction partners of plasma membrane (PM)-bound cellulose synthase (CESA) complexes, CSCs, have been studied extensively, but much less is understood about the signals that activate and translocate CESAs to the PM and how exactly cellulose synthesis is being regulated during the diel cycle. The literature describes CSC regulation possibilities through interactions with accessory proteins upon stress conditions (e.g. CC1), post-translational modifications that regulate CSC speed and their possible anchoring in the PM (e.g. with phosphorylation and S-acylation, respectively). In this thesis, 13CO2 labeling and imaging techniques were employed in the same Arabidopsis seedling growth system to elucidate how and when new carbon is incorporated into cell wall (CW) sugars and UDP-glucose, and to follow CSC behavior during the diel cycle. Additionally, an ubiquitination analysis was performed to investigate a possible mechanism to affect CSC trafficking to and/or from the PM. Carbon is being incorporated into CW glucose at a 3-fold higher rate during the light period in comparison to the night in wild-type seedlings. Furthermore, CSC density at the PM, as an indication of active cellulose synthesizing machinery, is increasing in the light and falling during the night, showing that CW biosynthesis is more active in the light. Therefore, CW synthesis might be regulated by the carbon status of the cell. This regulation is broken in the starchless pgm mutant where light and dark carbon incorporation rates into CW glucose are similar, possibly due to the high soluble sugar content in pgm during the first part of the night. Strikingly, pgm CSC abundance at the PM is constantly low during the whole diel cycle, indicating little or no cellulose synthesis, but can be restored with exogenous sucrose or a longer photoperiod. Ubiquitination was explored as a possible regulating mechanism for translocation of primary CW CSCs from the PM and several potential ubiquitination sites have been identified.. The approach in this thesis enabled to study cellulose/CW synthesis from different angles but in the same growth system, allowing direct comparison of those methodologies, which could help understand the relationship between the amount of available carbon in a plant cell and the cells capacity to synthesize cellulose/CW. Understanding which factors contribute to cellulose synthesis regulation and addressing those fundamental questions can provide essential knowledge to manage the need for increased crop production.
KW  - cellulose
KW  - cell wall
KW  - 13CO2 labeling
KW  - UDP-glucose
KW  - ubiquitination
Y1  - 2021
ER  - 
TY  - THES
A1  - Uflewski, Michal
T1  - Characterizing the regulation of proton antiport across the thylakoid membrane
N2  - Die Energie, die zum Antrieb photochemischer Reaktionen benötigt wird, stammt aus der Ladungstrennung an der Thylakoidmembran. Aufrgrund des Unterschieds in der Protonenkonzentration zwischen dem Stroma der Chloroplasten und dem Thylakoidlumen wird eine Protonenmotorische Kraft (pmf) erzeugt. Die pmf setzt sich aus dem Protonengradienten (ΔpH) und dem Membranpotential (ΔΨ) zusammen, die gemeinsam die ATP-Synthese antreiben. In der Natur schwankt die Energiemenge, die die Photosynthese antreibt, aufgrund häufiger Änderungen der Lichtintensität. Der Thylakoid-Ionentransport kann den Energiefluss durch einen Photosyntheseapparat an die Lichtverfügbarkeit anpassen, indem er die pmf-Zusammensetzung verändert. Die Dissipation von ΔΨ verringert die Ladungsrekombination am Photosystem II, so dass ein Anstieg der ΔpH-Komponente eine Rückkopplung zur Herabregulierung der Photosynthese auslösen kann. Der durch den K+-Austausch-Antiporter 3 (KEA3) gesteuerte K+/H+-Antiport reduziert den ΔpH-Anteil von pmf und dämpft dadurch das nicht-photochemische Quenching (NPQ). Infolgedessen erhöht sich die Photosyntheseeffizienz beim Übergang zu geringerer Lichtintensität. Ziel dieser Arbeit war es, Antworten auf Fragen zur Regulierung der KEA3-Aktivität und ihrer Rolle in der Pflanzenentwicklung zu finden. Die vorgestellten Daten zeigen, dass KEA3 in Pflanzen, denen der Chloroplasten-ATP-Synthase-Assembly-Faktor CGL160 fehlt und die eine verminderte ATP-Synthase-Aktivität aufweisen, eine zentrale Rolle bei der Regulierung der Photosynthese und des Pflanzenwachstums unter stationären Bedingungen spielt. Das Fehlen von KEA3 in der cgl160-Mutante führt zu einer starken Beeinträchtigung des Wachstums, da die Photosynthese aufgrund des erhöhten pH-abhängigen NPQs und des verringerten Elektronenflusses durch den Cytochrom b6f-Komplex eingeschränkt ist. Die Überexpression von KEA3 in der cgl160-Mutante erhöht die Ladungsrekombination im Photosystem II und fördert die Photosynthese. In Zeiten geringer ATP-Synthase-Aktivität profitieren die Pflanzen also von der KEA3-Aktivität. KEA3 unterliegt einer Dimerisierung über seinen regulatorischen C-Terminus (RCT). Der RCT reagiert auf Veränderungen der Lichtintensität, da die Pflanzen, die KEA3 ohne diese Domäne exprimieren, einen reduzierten Lichtschutzmechanismus bei Lichtintensitätsschwankungen aufweisen. Allerdings fixieren diese Pflanzen während der Photosynthese-Induktionsphase mehr Kohlenstoff als Gegenleistung für einen langfristigen Photoprotektor, was die regulierende Rolle von KEA3 in der Pflanzenentwicklung zeigt. Der KEA3-RCT ist dem Thylakoidstroma zugewandt, so dass seine Regulierung von lichtinduzierten Veränderungen in der Stroma-Umgebung abhängt. Die Regulierung der KEA3-Aktivität überschneidet sich mit den pH-Änderungen im Stroma, die bei Lichtschwankungen auftreten. Es hat sich gezeigt, dass ATP und ADP eine Affinität zum heterolog exprimierten KEA3 RCT haben. Eine solche Wechselwirkung verursacht Konformationsänderungen in der RCT-Struktur. Die Faltung der RCT-Liganden-Interaktion hängt vom pH-Wert der Umgebung ab. Mit einer Kombination aus Bioinformatik und In-vitro-Ansatz wurde die ATP-Bindungsstelle am RCT lokalisiert. Das Einfügen einer Punktmutation in der KEA3-RCT Bindungsstelle in planta führte zu einer Deregulierung der Antiporteraktivität beim Übergang zu wenig Licht. Die in dieser Arbeit vorgestellten Daten ermöglichten es uns, die Rolle von KEA3 bei der Anpassung der Photosynthese umfassender zu bewerten und Modelle zur Regulierung der KEA3-Aktivität während des Übergangs zwischen verschiedenen Lichtintensitäten vorzuschlagen.
N2  - The energy required to drive photochemical reactions is derived from charge separation across the thylakoid membrane. As the consequence of difference in proton concentration between chloroplasts stroma and thylakoid lumen, a proton motive force (pmf) is generated. The pmf is composed out of the proton gradient (ΔpH) and membrane potential (ΔΨ), and together they drive the ATP synthesis. In nature, the amount of energy fueling photosynthesis varies due to frequent changes in the light intensity. Thylakoid ion transport can adapt the energy flow through a photosynthetic apparatus to the light availability by adjusting the pmf composition. Dissipation of ΔΨ reduces the charge recombination at the photosystem II, allowing for an increase in ΔpH component to trigger a feedback downregulation of photosynthesis. K+ Exchange Antiporter 3 (KEA3) driven K+/H+ antiport reduces the ΔpH fraction of pmf, thereby dampening a non-photochemical quenching (NPQ). As a result, it increases the photosynthesis efficiency during the transition to lower light intensity. This thesis aimed to find the answers for questions concerning KEA3 activity regulation and its role in plant development. Presented data shows that in plants lacking chloroplast ATP synthase assembly factor CGL160 with decreased ATP synthase activity, KEA3 has a pivotal role in photosynthesis regulation and plant growth during steady-state conditions. Lack of KEA3 in cgl160 mutant results in a strong growth impairment, as photosynthesis is limited due to increased pH-dependent NPQ and decreased electron flow through cytochrome b6f complex. Overexpression of KEA3 in cgl160 mutant increases charge recombination at photosystem II, promoting photosynthesis. Thus, during periods of low ATP synthase activity, plants benefit from KEA3 activity. The KEA3 undergoes dimerization via its regulatory C-terminus (RCT). The RCT responds to changes in light intensity as the plants expressing KEA3 without this domain show reduced photo-protective mechanism in light intensity transients. However, those plants fix more carbon during the photosynthesis induction phase as a trade-off for a long-term photoprotection, showing KEA3 regulatory role in plant development. The KEA3 RCT is facing thylakoid stroma, thus its regulation depends on light-induced changes in the stromal environment. KEA3 activity regulation overlaps with the stromal pH changes occurring during light fluctuations. The ATP and ADP has shown to have an affinity towards heterologously expressed KEA3 RCT. Such interaction causes conformational changes in RCT structure. The fold change of RCT-ligand interaction depends on the environmental pH value. With a combination of bioinformatics and in vitro approach, the ATP binding site at RCT was located. Introduction of binding site point mutation in planta KEA3 RCT resulted in antiporter activity deregulation during transition to low light. Together, the data presented in this thesis allowed us to assess more broadly a KEA3 role in photosynthesis adjustment and propose the models of KEA3 activity regulation throughout transition in light intensity.
KW  - plant
KW  - photosynthesis
KW  - thylakoid
KW  - ion transport
KW  - fluctuating light
KW  - Pflanze
KW  - Photosynthese
KW  - Thylakoid
KW  - Ionentransport
KW  - schwankendes Licht
Y1  - 2021
ER  - 
TY  - THES
A1  - Nieschalke, Kai
T1  - Proteinaddukte und Urinmetaboliten des Nagetierkanzerogens Methyleugenol als Biomarker der Exposition
Y1  - 2021
ER  - 
TY  - THES
A1  - Hoffmann, Julia
T1  - Influence of artificial light at night on the behavior of small mammals
T1  - Der Einfluss von künstlicher nächtlicher Beleuchtung auf das Verhalten von Kleinsäugern
N2  - Artificial light at night (ALAN), one form of human-induced rapid environmental change, is continuously spreading in space and time and increasing in intensity as part of the ongoing urbanization. A vast range of animals is known to be affected by ALAN as, among other things, it can mask natural light cues and change both the perceived as well as the actual predation risk. Since ALAN per se is restricted to the night, the majority of studies so far have focused on nocturnal species or behavioral changes during the night. How polyphasic species respond to ALAN has been largely overlooked, although they can possibly carry over effects of nighttime illumination into the day. Additionally, individuals within a species are known to consistently differ in their personality which includes risk-taking behavior. While this implies that ALAN can lead to varying anti-predatory responses in animals within a population, knowledge on this topic is still very limited. This thesis aims at investigating what initial behavioral reaction is caused by ALAN in polyphasic small mammals while also incorporating an animal’s personality. Nighttime and daytime activity, movement and foraging behavior of the bank vole (Myodes glareolus) were investigated in regards to effects of different light intensities and partial illumination in the laboratory. Additionally, changes in intra- and interspecific interactions of bank voles and striped field mice (Apodemus agrarius) subjected to ALAN were studied in experimental populations in semi-natural outdoor enclosures. Chapter I explores whether behavioral responses to ALAN of varying intensity are related to animal personality. Results showed that bank voles reduced movement and foraging already under dim light and that bold animals generally moved and foraged more than shy animals. Exclusively under bright illumination did bold animals exploit the food patches more than shy animals. The results demonstrate that bank voles are affected by light intensities prevalent in urban habitats. Additionally, certain light scenarios might lead to an advantage of and a shift towards certain personality types. Chapter II focusses on the effects of partial ALAN on foraging behavior of animals with varying animal personalities while extending the view towards possible carry-over effects of ALAN into the daytime. While bank voles reduced foraging behavior in illuminated areas at night, they increased foraging behavior in those areas at the subsequent day. Bold individuals generally had lower giving-up densities than shy individuals but this difference was especially pronounced during daytime at formerly illuminated food patches. Thus, ALAN can have carry-over effects into the daytime in polyphasic animals and thus has the potential to affect daytime intra- and interspecific interactions. Chapter III broadens the view from the individual to the population level. Experimental populations consisting of bank voles and striped field mice were established in large outdoor enclosures successively experienced natural and artificial light conditions at night. VHF telemetry data revealed that animals were predominantly active during the day under natural conditions. This difference between day and night vanished under ALAN. Additionally, conspecifics reduced home range overlap, proximity and activity synchrony while boldness was not associated with behavioral changed due to ALAN. The results suggest that ALAN has the potential to alter intraspecific interactions and thus can have fitness consequences on the population level. Overall, the present thesis shows that ALAN can affect nighttime and daytime behavior as well as intraspecific interactions of polyphasic small mammals. Differences in risk- taking behavior of individuals may vary in importance depending on other environmental variables. Thus, this thesis hopefully triggers broadening the view regarding the role of an animal’s personality in coping with ALAN and the effects on daytime behavior and diurnal species.
N2  - Künstliche Beleuchtung bei Nacht ist eine Form schnell eintretender Umweltveränderung, die durch den Menschen verursacht wird. Sie breitet sich in Raum und Zeit kontinuierlich aus und nimmt, als Teil der fortschreitenden Urbanisierung, stetig an Intensität zu. Ein breites Spektrum an Tieren wird von künstlicher Beleuchtung beeinflusst, da sie unter anderem natürliche Lichtsignale maskieren und sowohl das wahrgenommene als auch das reale Prädationsrisiko verändern kann. Da künstliche Beleuchtung an sich auf die Nacht beschränkt ist, hat sich ein Großteil der bisher durchgeführten Studien auf ihre Effekte auf nachtaktive Tierarten bzw. nächtliche Verhaltensweisen beschränkt. Jedoch wurde bisher kaum untersucht, auf welche Weise Tiere mit einem polyphasischen Aktivitätsrhythmus auf künstliche Beleuchtung reagieren, obwohl sie möglicherweise Effekte von künstlicher Beleuchtung bei Nacht auf den Tag übertragen können. Zusätzlich ist bekannt, dass sich Individuen einer Art konsistent in ihrer Tierpersönlichkeit unterscheiden, welche ihr Risikoverhalten einschließt. Während dies darauf hindeutet, dass künstliche Beleuchtung bei Nacht unterschiedliche antiprädatorische Verhaltensanpassungen bei Tieren innerhalb einer Population hervorrufen kann, sind die Kenntnisse über diesen Themenkomplex bisher sehr gering. Diese Doktorarbeit hat zum Ziel, die anfänglichen Verhaltensänderungen von polyphasischen Kleinsäugern, welche durch künstliche Beleuchtung bei Nacht hervorgerufen werden, zu untersuchen. Zusätzlich wird die Persönlichkeit der Tiere berücksichtigt. Es wurden Aktivität, Bewegungsmuster und Nahrungssuchverhalten in der Nacht und am Tag von Rötelmäusen (Myodes glareolus) in Bezug auf die Effekte verschiedener Lichtintensitäten und partieller Beleuchtung bei Nacht untersucht. Während diese Versuche im Labor stattfanden, wurde zusätzlich ein Versuch in semi- natürlichen Außengehegen durchgeführt. In diesem lag der Fokus auf Veränderungen in intra- und interspezifischen Interaktionen innerhalb künstlicher Populationen bestehend aus Rötelmäusen und Brandmäusen (Apodemus agrarius), welche bei Nacht künstlicher Beleuchtung ausgesetzt waren. Kapitel I untersucht inwiefern Verhaltensänderungen aufgrund künstlicher Beleuchtung bei Nacht mit der Persönlichkeit der Tiere in Verbindung stehen. Die Ergebnisse zeigen, dass Rötelmäuse ihre Bewegung und die Nahrungssuche bereits unter schwacher nächtlicher Beleuchtung reduzierten. Risikofreudigere Tiere bewegten sich mehr und suchten häufiger nach Nahrung als weniger risikofreudige Tiere. Diese Resultate verdeutlichen, dass Rötelmäuse durch solche Lichtintensitäten beeinträchtigt werden, wie sie für urbane Habitate typisch sind. Bestimmte Lichtszenarien könnten zudem zu einem Vorteil für und eine Selektion auf bestimmte Persönlichkeitstypen führen. Kapitel II konzentriert sich auf die Effekte, welche eine partielle Beleuchtung auf das Nahrungssuchverhalten von Tieren haben kann, welche sich hinsichtlich ihrer Persönlichkeit unterscheiden. Zusätzlich wird untersucht, inwiefern künstliche Beleuchtung bei Nacht auch am Tag zu Verhaltensveränderungen führen kann. Während die Rötelmäuse bei Nacht ihre Nahrungssuche in beleuchteten Bereichen einschränkten, zeigten sie dort eine gesteigerte Nahrungssuche am folgenden Tag. Risikofreudigere Tiere beuteten die Futterstellen stärker aus als weniger risikofreudige Tiere, wobei dieser Unterschied am Tag in den ehemals beleuchteten Futterstellen besonders stark war. Somit kann künstliche Beleuchtung in der Nacht auch Effekte auf das Verhalten von polyphasischen Tieren am Tag haben. Sie hat somit das Potential am Tag vorkommende intra- und interspezifische Interaktionen zu beeinflussen. Kapitel III weitet schließlich den Blickwinkel von der Individuen- hin zur Populationsebene. Es wurden experimentelle Populationen bestehend aus Rötelmäusen und Brandmäusen in großen Außengehegen etabliert, welche zuerst natürliche Lichtbedingungen und anschließend künstliche Beleuchtung bei Nacht erfuhren. Durch die Nutzung von UKW-Telemetriedaten konnte gezeigt werden, dass die Tiere unter natürlichen Lichtbedingungen vorwiegend tagaktiv waren. Dieser Unterschied in der Aktivität zwischen Tag und Nacht verschwand bei künstlicher Beleuchtung bei Nacht. Zusätzlich reduzierten Artgenossen die Überlappung ihrer Aktionsräume, ihre Nähe zueinander und die Synchronität ihrer Aktivitätszeiten. Risikobereitschaft beeinflusste die gezeigten Verhaltensveränderungen unter künstlicher Beleuchtung bei Nacht nicht. Die Resultate deuten darauf hin, dass künstliche Beleuchtung bei Nacht intraspezifische Interaktionen beeinflussen kann und somit potentiell Konsequenzen für die Fitness auf der Populationsebene haben kann. Zusammenfassend kann diese Doktorarbeit zeigen, dass künstliche Beleuchtung bei Nacht sowohl das Verhalten bei Nacht und bei Tag als auch intraspezifische Interaktionen von polyphasischen Kleinsäugern beeinflussen kann. Wie stark Unterschiede im Risikoverhalten von Individuen eine Rolle spielen, könnte von anderen Umweltfaktoren abhängen, welche mit der künstlichen Beleuchtung interagieren. Diese Arbeit bewirkt so hoffentlich eine Erweiterung des Blickwinkels, indem zukünftig die Rolle von Tierpersönlichkeiten im Umgang mit künstlicher Beleuchtung bei Nacht und die Effekte dieser Beleuchtung auf das Verhalten am Tag sowie tagaktive Arten berücksichtigt werden.
KW  - light pollution
KW  - human-induced rapid environmental change
KW  - urbanization
KW  - movement
KW  - activity
KW  - Lichtverschmutzung
KW  - anthropogene Umweltveränderungen
KW  - Urbanisation
KW  - Fortbewegung
KW  - Aktivität
Y1  - 2021
ER  - 
TY  - THES
A1  - Huang, Sichao
T1  - Past and present biodiversity in northeastern Siberia inferred from sedimentary DNA metabarcoding
N2  - The arctic-boreal treeline is a transition zone from taiga to tundra covering a vast area in Siberia. It often features large environmental gradients and reacts sensitively to changes in the environment. For example, the expansion of shrubs and a northward movement of the treeline are observable in Siberia as a response to the warming climate. The changes in vegetation across the treeline are known to influence the water chemistry in the lakes. This causes further alteration to the composition and diversity of sensitive aquatic organisms such as diatoms and macrophytes. Despite the rising awareness of the complex climate-feedback mechanisms of terrestrial plants, the understanding of their assembly rules and about responses of aquatic biomes in the surrounding treeline lakes is still limited. The goal of this thesis is to examine the previous and present biodiversity of terrestrial and freshwater biomes from the Siberian treeline ecotone, as well as their reactions to environmental changes. In particular, this thesis attempts to examine the performance of applying sedimentary DNA metabarcoding in terrestrial plants, aquatic macrophytes and diatoms, their spatial patterns along the environmental gradients and their temporal patterns throughout the climate transition from the late Pleistocene to Holocene. Sedimentary DNA metabarcoding combined with next-generation sequencing is applied as a primary tool to explore the composition and diversity of terrestrial plants, diatoms and aquatic macrophytes. The main study area is located in Chukotka of northeastern Siberia in the Arctic, a biodiversity hotspot due to its continental location and the diverse habitats of the glacial refugium. The modern diatom diversity was assessed with a specific diatom metabarcoding marker and morphological identification. Both approaches agree to a dominance of Fragilariaceae and Aulacoseiraceae, as well as on the environmental influential indicators of the diatom community. The high diversity of Fragilariaceae identified in the thermokarst lakes is found to follow the vegetation gradient along the treeline, suggesting that diatom metabarcoding can decipher relationships between diatom assemblage shifts and the relevant environmental changes. In particular, the metabarcoding approach detects diversification of fragilarioids in glacial lakes which is not visible using morphology. Sedimentary ancient DNA records indicate a vegetation mosaic of forb-dominated steppe-tundra during 28-19 ka, followed by a shift to dwarf-shrub tundra during 19-14 ka. During the most recent 14 thousand years, the vegetation consists of deciduous shrublands, then a change to boreal forest is observed. Investigations on the alpha diversity of the vegetation show that species richness is unexpectedly highest during pre-LGM, which is likely related to the extensive area that allows for more taxa. The optimum Holocene warming during 9-6 ka is not accompanied by a high richness as widely believed, but with an evenly distributed community by the fulfilment of erect shrubs. Furthermore, changes in taxonomic and phylogenetic diversity show complementary results in understanding community diversity. The composition and richness in the modern macrophytes community from Siberian Arctic and Chinese alpine are best co-influenced by July temperature and electrical conductivity.. Past macrophyte turnover during the late Pleistocene-Holocene is less noticeable in Siberia, whereas a pronounced community change from emergent to submerged plants is detected from Chinese alpine regions at about 14 ka due to increasing temperature and varying water conductivity. Finally, sedimentary DNA metabarcoding is a cost-effective and powerful proxy for ecological application, whereas completeness of the reference library, coverage and resolution of the metabarcoding marker are the major limitations of sedimentary DNA based diversity monitoring. The composition and richness in modern vegetation and macrophytes across broad spatial gradients is constrained by environmental variables, suggesting a potential usage for environmental monitoring. Diatom distributions are driven by different water variables along the treeline. Past records indicate that the shrub coverage has a noticeable influence on the assemblies of both terrestrial plants and aquatic macrophytes, though the shift in macrophyte community is relatively minor in the past 28 thousand years. In the long-term, the shrub expansion may eventually result in a genetically more diverse vegetation community but reduced species richness. When exceeding the optimal temperatures, further warming may lead to a decrease and putative loss of macrophytes and diatoms.
N2  - Die arktisch-boreale Baumgrenze ist eine Übergangszone von Taiga zu Tundra, die ein weites Gebiet in Sibirien abdeckt. Es weist häufig große Umweltgradienten auf und reagiert empfindlich auf Änderungen in der Umwelt. Beispielsweise sind in Sibirien als Reaktion auf das sich erwärmende Klima die Ausdehnung von Sträuchern und eine Bewegung der Baumgrenze nach Norden zu beobachten. Es ist bekannt, dass die Veränderungen der Vegetation entlang der Baumgrenze die Wasserchemie in den Seen beeinflussen. Dies führt zu einer weiteren Veränderung der Zusammensetzung und Vielfalt empfindlicher Wasserorganismen wie Kieselalgen und Makrophyten. Trotz des zunehmenden Bewusstseins für die komplexen Klimarückkopplungsmechanismen von Landpflanzen ist das Verständnis ihrer Zusammensetzung und der Reaktionen aquatischer Biome in den umliegenden Baumseen immer noch begrenzt. Ziel dieser Arbeit ist es, die bisherige und gegenwärtige Artenvielfalt von Land- und Süßwasserbiomen aus dem sibirischen Baumlinien-Ökoton sowie deren Reaktionen auf Umweltveränderungen zu untersuchen. In dieser Arbeit wird insbesondere versucht, die Leistung der Anwendung der sedimentären DNA-Metabarkodierung in Landpflanzen, aquatischen Makrophyten und Kieselalgen, ihre räumlichen Muster entlang der Umweltgradienten und ihre zeitlichen Muster während des Klimaübergangs vom späten Pleistozän zum Holozän zu untersuchen. Die metabolische DNA-Metabarkodierung in Kombination mit der “Next generation Sequencing” wird als primäres Instrument zur Untersuchung der Zusammensetzung und Vielfalt von Landpflanzen, Kieselalgen und aquatischen Makrophyten eingesetzt. Das Hauptuntersuchungsgebiet befindet sich in Chukotka im Nordosten Sibiriens in der Arktis, einem Hotspot für Artenvielfalt aufgrund seiner kontinentalen Lage und der vielfältigen Lebensräume des Gletscher-Refugiums. Die moderne Diatomeendiversität wurde mit einem spezifischen Diatom-Metabarcoding Marker und einer morphologischen Identifizierung bewertet. Beide Ansätze stimmen mit einer Dominanz von Fragilariaceae und Aulacoseiraceae sowie mit den umweltbeeinflussenden Indikatoren der Kieselalgengemeinschaft überein. Die hohe Vielfalt der in den Thermokarstseen identifizierten Fragilariaceae folgt dem Vegetationsgradienten entlang der Baumgrenze, was darauf hindeutet, dass die Metabarkodierung von Kieselalgen Beziehungen zwischen Verschiebungen der Kieselalgenassemblage und den relevanten Umweltveränderungen entschlüsseln kann. Insbesondere erkennt der Metabarcoding-Ansatz eine Diversifikation von Fragilarioiden in Gletscherseen, die unter Verwendung der Morphologie nicht sichtbar ist. Sedimentäre alte DNA-Aufzeichnungen weisen auf ein Vegetationsmosaik der von Forb dominierten Steppentundra zwischen 28 und 19 ka hin, gefolgt von einer Verschiebung in die Zwergstrauch-Tundra zwischen 19 und 14 ka. In den letzten 14.000 Jahren besteht die Vegetation aus Laubbäumen, dann wird eine Veränderung des borealen Waldes beobachtet. Untersuchungen zur Alpha-Diversität der Vegetation zeigen, dass der Artenreichtum vor der LGM unerwartet am höchsten ist, was wahrscheinlich mit dem ausgedehnten Gebiet zusammenhängt, das mehr Taxa zulässt. Die optimale Erwärmung des Holozäns während 9-6 ka geht nicht mit einem hohen Reichtum einher, wie allgemein angenommen wird, sondern mit einer gleichmäßig verteilten Gemeinschaft durch die Erfüllung aufrecht stehender Sträucher. Darüber hinaus zeigen Änderungen der taxonomischen und phylogenetischen Vielfalt komplementäre Ergebnisse für das Verständnis der Vielfalt in der Gemeinschaft. Die Zusammensetzung und der Reichtum der modernen Makrophytengemeinschaft aus der sibirischen Arktis und den chinesischen Alpen werden am besten von der Temperatur im Juli und der elektrischen Leitfähigkeit beeinflusst. Der vergangene Makrophytenumsatz während des späten Pleistozän-Holozäns ist in Sibirien weniger auffällig, während in chinesischen Alpenregionen bei etwa 14 ka aufgrund der steigenden Temperatur und der unterschiedlichen Wasserleitfähigkeit ein ausgeprägter Wechsel der Gemeinschaft von emergenten zu untergetauchten Pflanzen festgestellt wird. Schließlich ist die Sediment-DNA-Metabarkodierung ein kostengünstiger und leistungsfähiger Proxy für die ökologische Anwendung, während die Vollständigkeit der Referenzbibliothek, die Abdeckung und die Auflösung des Metabarkodierungsmarkers die Hauptbeschränkungen der auf Sediment-DNA basierenden Diversitätsüberwachung darstellen. Die Zusammensetzung und der Reichtum an moderner Vegetation und Makrophyten über breite räumliche Gradienten hinweg werden durch Umgebungsvariablen eingeschränkt, was auf eine mögliche Verwendung für die Umweltüberwachung hindeutet. Die Verteilung der Kieselalgen wird durch verschiedene Wasservariablen entlang der Baumgrenze gesteuert. Frühere Aufzeichnungen zeigen, dass die Strauchbedeckung einen spürbaren Einfluss auf die Ansammlungen von Landpflanzen und Wassermakrophyten hat, obwohl die Verschiebung der Makrophytengemeinschaft in den letzten 28.000 Jahren relativ gering ist. Langfristig kann die Strauchausdehnung letztendlich zu einer genetisch vielfältigeren Vegetationsgemeinschaft führen, die jedoch den Artenreichtum verringert. Wenn die optimalen Temperaturen überschritten werden, kann eine weitere Erwärmung zu einer Abnahme und einem mutmaßlichen Verlust von Makrophyten und Kieselalgen führen.
KW  - metabarcoding
KW  - plant diversity
KW  - iatom diversity
KW  - phylogenetic diversity
KW  - ancient DNA
Y1  - 2021
ER  - 
TY  - THES
A1  - Engel, Anika
T1  - Endocrine effects of plasticizers and the development of a breast cell-based toxicity screening system
N2  - Humans are frequently exposed to a variety of endocrine disrupting chemicals (EDCs), which can cause harmful effects, e.g. disturbance of growth, development and reproduction, and cancer (UBA, 2016). EDCs are often components of synthetically manufactured products. Materials made of plastics, building materials, electronic items, textiles or cosmetic products can be particularly contaminated (Ain et al., 2021). One group of EDCs that has gained increased interest in recent years is phthalates. They are used as plasticizers in plastic materials to which people are daily exposed to. Phthalate plasticizers exert their harmful effects among others via activation of the estrogen receptor α (ERα), the estrogen receptor β (ERβ) and via inhibition of the androgen receptor (AR). Some phthalates have already been classified by the EU as Cancerogenic-, Mutagenic-, Reprotoxic- (CMR) substances and their use in industry has been restricted. After oral ingestion, phthalates are metabolized and are finally excreted with the urine. Numerous toxicological studies exist on phthalates, but mainly with the parent substances, not with their primary and secondary metabolites. In the course of the restriction of phthalates by the EU, the phthalate-free plasticizer di-isononylcyclohexane-1,2-dicarboxylate (DINCH®), was introduced to the market. So far, almost no toxicologically relevant properties have been identified for DINCH®. However, the effects of DINCH® have only been studied in animal experiments and, as with phthalates, almost exclusively with the parent substance. However, toxic effects of a particular compound may be induced by its metabolites and not by the parent compound itself. Therefore, potential endocrine effects of 15 phthalates, 19 phthalate metabolites, DINCH®, and five of its metabolites were investigated using reporter gene assays on the ERα, ERβ, and the AR. In addition, studies of the influence of some selected plasticizers on peroxisome proliferator-activated receptor α (PPARα) and peroxisome proliferator-activated receptor γ (PPARγ) activity were performed. Furthermore, a H295R steroidogenesis assay was performed to determine the influence of DINCH® and its metabolites on estradiol or testosterone synthesis. Analysis of the experiments shows that the phthalates either stimulated or inhibited ERα and ERβ activity and inhibited AR activity, whereas the phthalate metabolites did not affect the activity of these human hormone receptors. In contrast, metabolites of di-(2-ethylhexyl) phthalate (DEHP) stimulated transactivation of the human PPARα and PPARγ in analogous reporter gene assays, although DEHP itself did not activate these nuclear receptors. Therefore, primary and secondary phthalate metabolites appear to exert different effects at the molecular level compared to the parent compounds. Similarly, the results showed that the phthalate-free plasticizer DINCH® itself did not affect the activity of ERα, ERβ, AR, PPARα and PPARγ, while the DINCH® metabolites were shown to activate all these receptors. In the case of AR, DINCH® metabolites mainly enhanced AR activity stimulated by dihydrotestosterone (DHT). In the H295R steroidogenesis assay, neither DINCH® nor any of its metabolites affected estradiol or testosterone synthesis. Primary and secondary metabolites of DINCH® thus exert different effects at the molecular level than DINCH® itself. However, all these in vitro effects of DINCH® metabolites were observed only at high concentrations, which were about three orders of magnitude higher than the reported DINCH® metabolite concentrations in human urine. Therefore, the in vitro data does not support the assumption that DINCH® or any of the metabolites studied could have significant endocrine effects in vivo at relevant exposure levels in humans. Following the demonstration of direct and indirect endocrine effects of the studied plasticizers, a new effect-based in vitro 3D screening tool for toxicity assays of non-genotoxic carcinogens was developed using estrogen receptor-negative (ER-) MCF10-A cells and estrogen receptor-positive (ER+) MCF-12A cells. This arose from the background that breast cancer is the most common cancer occurring in women and estrogenic substances, such as phthalates, can probably influence the disease. The human mammary epithelial cell lines MCF-10A and MCF-12A form well-differentiated acini-like structures when cultured in three-dimensional Matrigel culture for a period of 20 days. The model should make it possible to detect substance effects on cell differentiation and growth, on mammary cell acini, and to differentiate between estrogenic and non-estrogenic effects at the same time. In the present study, both cell lines were tested for their suitability as an effect-based in vitro assay system for non-genotoxic carcinogens. An Automated Acinus Detection And Morphological Evaluation (ADAME) software solution has been developed for automatic acquisition of acinus images and determination of morphological parameters such as acinus size, lumen size, and acinus roundness. Several test substances were tested for their ability to affect acinus formation and cellular differentiation. Human epithelial growth factor (EGF) stimulated acinus growth for both cell lines, while all trans retinoic acid (RA) inhibited acinar growth. The potent estrogen 17β-estradiol had no effect on acinus formation of MCF-10A cells but resulted in larger MCF-12A acini. Thus, the parallel use of both cell lines together with the developed high content screening and evaluation tool allows the rapid identification of the estrogenic and cancerogenic properties of a given test compound. The morphogenesis of the acini was only slightly affected by the test substances. On the one hand, this suggests a robust test system, on the other hand, it probably cannot detect low-potent estrogenic compounds such as phthalates or DINCH®. The advantage of the robustness of the system, however, may be that vast numbers of "positive" results with questionable biological relevance could be avoided, such as those observed in sensitive reporter gene assays.
N2  - Der Mensch ist häufig einer Vielzahl von endokrin wirksamen Chemikalien (EDCs) ausgesetzt, die schädliche Auswirkungen haben können, z. B. Störungen von Wachstum, Entwicklung und Fortpflanzung sowie Krebs (UBA, 2016). Eine Gruppe von EDCs, die in den letzten Jahren vermehrt an Interesse gewonnen hat, sind die Phthalate. Diese werden als Weichmacher in Kunststoffen verwendet. Einige Phthalate wurden bereits von der EU als Kanzerogene-, Mutagene-, Reproduktionstoxische- (CMR) Stoffe klassifiziert und ihre Verwendung in der Industrie beschränkt. Nach der oralen Aufnahme werden Phthalate metabolisiert und schließlich mit dem Urin ausgeschieden. Für die Phthalate existieren zwar zahlreiche toxikologische Studien, allerdings vorwiegend mit den Ausgangssubstanzen, nicht mit ihren primären und sekundären Metaboliten. Im Zuge der Beschränkung der Phthalate durch die EU wurde der phthalatfreie Weichmacher Diisononylcyclohexan-1,2-dicarboxylat (DINCH®), auf den Markt gebracht. DINCH® werden bisher kaum toxikologisch relevante Eigenschaften zugeordnet. Bislang wurden die Auswirkungen von DINCH® jedoch lediglich in Tierexperimenten untersucht und fast ausschließlich mit der Stamm-Substanz. Aus diesem Grund wurden potentiell endokrine Effekte von 15 Phthalaten, 19 Phthalat-Metaboliten, DINCH® und fünf seiner Metabolite unter Verwendung von Reportergen-Assays auf den ERα, ERβ und den AR untersucht. Zusätzlich wurden Untersuchungen des Einflusses einiger ausgewählter Substanzen auf die Aktivität des Peroxisom-Proliferator-aktivierten Rezeptor α (PPARα) und des Peroxisom-Proliferator-aktivierten Rezeptor γ (PPARγ) durchgeführt. Weiterhin wurde ein H295R-Steroidogenese-Assay durchgeführt, um den Einfluss von DINCH® und seinen Metaboliten auf die Estradiol- oder Testosteronsynthese zu bestimmen. Die Auswertung der Experimente zeigt, dass die Phthalate entweder die ERα- und ERβ-Aktivität stimulierten oder hemmten und die AR-Aktivität hemmten, während die Phthalatmetaboliten keinen Einfluss auf die Aktivität dieser menschlichen Hormonrezeptoren hatten. Im Gegensatz dazu stimulierten die Metaboliten von Di-(2-ethylhexyl) phthalat (DEHP) die Transaktivierung des humanen PPARα und PPARγ in analogen Reportergen-Assays, obwohl DEHP selbst diese Kernrezeptoren nicht aktivierte. Daher scheinen primäre und sekundäre Phthalatmetaboliten im Vergleich zu den Ausgangsverbindungen unterschiedliche Wirkungen auf molekularer Ebene auszuüben. Ebenso zeigten die Ergebnisse, dass der phthaltfreie Weichmacher DINCH® selbst keinen Einfluss auf die Aktivität von ERα, ERβ, AR, PPARα und PPARγ hatte, während die DINCH®-Metaboliten nachweislich alle diese Rezeptoren aktivierten. Im Falle des AR verstärkten die DINCH®-Metaboliten vor allem die durch Dihydrotestosteron (DHT) stimulierte AR-Aktivität. Im H295R-Steroidogenese-Assay beeinflusste weder DINCH® noch einer seiner Metaboliten die Estradiol- oder Testosteronsynthese. Primäre und sekundäre Metabolite von DINCH® üben demnach auf molekularer Ebene andere Effekte aus als DINCH® selbst. Die hier gewonnenen in vitro-Daten unterstützen die Annahme nicht, dass DINCH® oder einer der untersuchten Metaboliten erhebliche endokrine Wirkungen in vivo bei relevanten Expositionsmengen beim Menschen haben könnten. Nachdem endokrine Wirkungen der untersuchten Weichmacher nachgewiesen werden konnten, wurde ein neues wirkungsbasiertes in vitro 3D-Screening-Tool für Toxizitäts-Tests nicht genotoxischer Karzinogene mit östrogenrezeptor-negativen (ER-) MCF10-A-Zellen und östrogenrezeptor-positiven (ER+) MCF-12A-Zellen entwickelt. Dies geschah aus dem Hintergrund, dass Brustkrebs die häufigste Krebsart bei Frauen ist und östrogene Stoffe wie Phthalate die Krankheit vermutlich beeinflussen können. Die humanen Brustepithelzelllinien MCF-10A und MCF-12A bilden gut differenzierte azinusartige Strukturen, wenn sie in dreidimensionaler Matrigel-Kultur über einen Zeitraum von 20 Tagen kultiviert werden. Das Modell sollte es ermöglichen Substanzeffekte auf die Zelldifferenzierung und das Zellwachstum der Brustzell-Azini zu detektieren und dabei gleichzeitig zwischen östrogenen und nicht östrogenen Effekten differenzieren. Eine Softwarelösung zur automatisierten Acinus Detection And Morphological Evaluation (ADAME) wurde zur automatischen Erfassung von Acinus-Bildern und zur Bestimmung morphologischer Parameter wie Azinus-Größe, Lumengröße und Azinus-Rundheit entwickelt. Eine Reihe von Testsubstanzen wurde auf ihre Fähigkeit getestet, die Azinusbildung und die zelluläre Differenzierung zu beeinflussen. Der humane epitheliale Wachstumsfaktor (EGF) stimulierte das Azinuswachstum für beide Zelllinien, während all-trans-Retinsäure (RA) das Azinuswachstum hemmte. Das starke Östrogen 17β-Östradiol hatte keinen Einfluss auf die Azinusbildung von MCF-10A-Azini, führte aber zu größeren MCF-12A-Azini. Die parallele Verwendung beider Zelllinien zusammen mit dem hierbei entwickelten High-Content-Screening- und Evaluierungstool ermöglicht somit die schnelle Identifizierung der östrogenen oder kanzerogenen Eigenschaften einer gegebenen Testverbindung. Die Morphogenese der Azini wurde durch die Testsubstanzen nur geringfügig beeinflusst. Dies spricht einerseits für ein robustes Testsystem, andererseits kann es wahrscheinlich keine niedrigpotenten östrogenen Verbindungen wie Phthalate oder DINCH® erkennen. Der Vorteil der Robustheit des Systems kann jedoch darin liegen, dass eine große Zahl "positiver" Ergebnisse mit fragwürdiger biologischer Relevanz vermieden werden könnte, wie sie bei empfindlichen Reportergen-Assays zu beobachten sind.
KW  - phthalates
KW  - 3D breast cell model
KW  - endocrine disruption
Y1  - 2021
U6  - https://doi.org/10.25932/publishup-53117
ER  -