TY - JOUR A1 - Cheng, Feng A1 - Dennis, Alice B. A1 - Osuoha, Josephine Ijeoma A1 - Canitz, Julia A1 - Kirschbaum, Frank A1 - Tiedemann, Ralph T1 - A new genome assembly of an African weakly electric fish (Campylomormyrus compressirostris, Mormyridae) indicates rapid gene family evolution in Osteoglossomorpha JF - BMC genomics N2 - Background Teleost fishes comprise more than half of the vertebrate species. Within teleosts, most phylogenies consider the split between Osteoglossomorpha and Euteleosteomorpha/Otomorpha as basal, preceded only by the derivation of the most primitive group of teleosts, the Elopomorpha. While Osteoglossomorpha are generally species poor, the taxon contains the African weakly electric fish (Mormyroidei), which have radiated into numerous species. Within the mormyrids, the genus Campylomormyrus is mostly endemic to the Congo Basin. Campylomormyrus serves as a model to understand mechanisms of adaptive radiation and ecological speciation, especially with regard to its highly diverse species-specific electric organ discharges (EOD). Currently, there are few well-annotated genomes available for electric fish in general and mormyrids in particular. Our study aims at producing a high-quality genome assembly and to use this to examine genome evolution in relation to other teleosts. This will facilitate further understanding of the evolution of the osteoglossomorpha fish in general and of electric fish in particular. Results A high-quality weakly electric fish (C. compressirostris) genome was produced from a single individual with a genome size of 862 Mb, consisting of 1,497 contigs with an N50 of 1,399 kb and a GC-content of 43.69%. Gene predictions identified 34,492 protein-coding genes, which is a higher number than in the two other available Osteoglossomorpha genomes of Paramormyrops kingsleyae and Scleropages formosus. A Computational Analysis of gene Family Evolution (CAFE5) comparing 33 teleost fish genomes suggests an overall faster gene family turnover rate in Osteoglossomorpha than in Otomorpha and Euteleosteomorpha. Moreover, the ratios of expanded/contracted gene family numbers in Osteoglossomorpha are significantly higher than in the other two taxa, except for species that had undergone an additional genome duplication (Cyprinus carpio and Oncorhynchus mykiss). As potassium channel proteins are hypothesized to play a key role in EOD diversity among species, we put a special focus on them, and manually curated 16 Kv1 genes. We identified a tandem duplication in the KCNA7a gene in the genome of C. compressirostris. Conclusions We present the fourth genome of an electric fish and the third well-annotated genome for Osteoglossomorpha, enabling us to compare gene family evolution among major teleost lineages. Osteoglossomorpha appear to exhibit rapid gene family evolution, with more gene family expansions than contractions. The curated Kv1 gene family showed seven gene clusters, which is more than in other analyzed fish genomes outside Osteoglossomorpha. The KCNA7a, encoding for a potassium channel central for EOD production and modulation, is tandemly duplicated which may related to the diverse EOD observed among Campylomormyrus species. KW - Campylomormyrus KW - Pacbio sequencing KW - Gene family KW - Osteoglossomorpha KW - Kv1 Y1 - 2023 U6 - https://doi.org/10.1186/s12864-023-09196-6 SN - 1471-2164 VL - 24 IS - 1 PB - BMC CY - London ER - TY - JOUR A1 - Córdoba, Sandra Correa A1 - Tong, Hao A1 - Burgos, Asdrubal A1 - Zhu, Feng A1 - Alseekh, Saleh A1 - Fernie, Alisdair R. A1 - Nikoloski, Zoran T1 - Identification of gene function based on models capturing natural variability of Arabidopsis thaliana lipid metabolism JF - Nature Communications N2 - The use of automated tools to reconstruct lipid metabolic pathways is not warranted in plants. Here, the authors construct Plant Lipid Module for Arabidopsis rosette using constraint-based modeling, demonstrate its integration in other plant metabolic models, and use it to dissect the genetic architecture of lipid metabolism. Lipids play fundamental roles in regulating agronomically important traits. Advances in plant lipid metabolism have until recently largely been based on reductionist approaches, although modulation of its components can have system-wide effects. However, existing models of plant lipid metabolism provide lumped representations, hindering detailed study of component modulation. Here, we present the Plant Lipid Module (PLM) which provides a mechanistic description of lipid metabolism in the Arabidopsis thaliana rosette. We demonstrate that the PLM can be readily integrated in models of A. thaliana Col-0 metabolism, yielding accurate predictions (83%) of single lethal knock-outs and 75% concordance between measured transcript and predicted flux changes under extended darkness. Genome-wide associations with fluxes obtained by integrating the PLM in diel condition- and accession-specific models identify up to 65 candidate genes modulating A. thaliana lipid metabolism. Using mutant lines, we validate up to 40% of the candidates, paving the way for identification of metabolic gene function based on models capturing natural variability in metabolism. KW - Biochemical networks KW - Biochemical reaction networks KW - Genetic models KW - Plant molecular biology Y1 - 2023 U6 - https://doi.org/10.1038/s41467-023-40644-9 SN - 2041-1723 VL - 14 IS - 1 PB - Springer Nature CY - London ER - TY - JOUR A1 - Tomowski, Maxi A1 - Lozada-Gobilard, Sissi Donna A1 - Jeltsch, Florian A1 - Tiedemann, Ralph T1 - Recruitment and migration patterns reveal a key role for seed banks in the meta-population dynamics of an aquatic plant JF - Scientific reports N2 - Progressive habitat fragmentation threatens plant species with narrow habitat requirements. While local environmental conditions define population growth rates and recruitment success at the patch level, dispersal is critical for population viability at the landscape scale. Identifying the dynamics of plant meta-populations is often confounded by the uncertainty about soil-stored population compartments. We combined a landscape-scale assessment of an amphibious plant's population structure with measurements of dispersal complexity in time to track dispersal and putative shifts in functional connectivity. Using 13 microsatellite markers, we analyzed the genetic structure of extant Oenanthe aquatica populations and their soil seed banks in a kettle hole system to uncover hidden connectivity among populations in time and space. Considerable spatial genetic structure and isolation-by-distance suggest limited gene flow between sites. Spatial isolation and patch size showed minor effects on genetic diversity. Genetic similarity found among extant populations and their seed banks suggests increased local recruitment, despite some evidence of migration and recent colonization. Results indicate stepping-stone dispersal across adjacent populations. Among permanent and ephemeral demes the resulting meta-population demography could be determined by source-sink dynamics. Overall, these spatiotemporal connectivity patterns support mainland-island dynamics in our system, highlighting the importance of persistent seed banks as enduring sources of genetic diversity. Y1 - 2023 U6 - https://doi.org/10.1038/s41598-023-37974-5 SN - 2045-2322 VL - 13 IS - 1 PB - Springer Nature CY - London ER - TY - JOUR A1 - Arend, Marius A1 - Zimmer, David A1 - Xu, Rudan A1 - Sommer, Frederik A1 - Mühlhaus, Timo A1 - Nikoloski, Zoran T1 - Proteomics and constraint-based modelling reveal enzyme kinetic properties of Chlamydomonas reinhardtii on a genome scale JF - Nature Communications N2 - Metabolic engineering of microalgae offers a promising solution for sustainable biofuel production, and rational design of engineering strategies can be improved by employing metabolic models that integrate enzyme turnover numbers. However, the coverage of turnover numbers for Chlamydomonas reinhardtii, a model eukaryotic microalga accessible to metabolic engineering, is 17-fold smaller compared to the heterotrophic cell factory Saccharomyces cerevisiae. Here we generate quantitative protein abundance data of Chlamydomonas covering 2337 to 3708 proteins in various growth conditions to estimate in vivo maximum apparent turnover numbers. Using constrained-based modeling we provide proxies for in vivo turnover numbers of 568 reactions, representing a 10-fold increase over the in vitro data for Chlamydomonas. Integration of the in vivo estimates instead of in vitro values in a metabolic model of Chlamydomonas improved the accuracy of enzyme usage predictions. Our results help in extending the knowledge on uncharacterized enzymes and improve biotechnological applications of Chlamydomonas. KW - Computational models KW - Enzymes KW - Proteomics Y1 - 2023 U6 - https://doi.org/10.1038/s41467-023-40498-1 SN - 2041-1723 VL - 14 IS - 1 PB - Springer Nature CY - London ER - TY - GEN A1 - Ilicic, Doris A1 - Woodhouse, Jason Nicholas A1 - Karsten, Ulf A1 - Zimmermann, Jonas A1 - Wichard, Thomas A1 - Quartino, Maria Liliana A1 - Campana, Gabriela Laura A1 - Livenets, Alexandra A1 - Van den Wyngaert, Silke A1 - Grossart, Hans-Peter T1 - Antarctic Glacial Meltwater Impacts the Diversity of Fungal Parasites Associated With Benthic Diatoms in Shallow Coastal Zones T2 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Aquatic ecosystems are frequently overlooked as fungal habitats, although there is increasing evidence that their diversity and ecological importance are greater than previously considered. Aquatic fungi are critical and abundant components of nutrient cycling and food web dynamics, e.g., exerting top-down control on phytoplankton communities and forming symbioses with many marine microorganisms. However, their relevance for microphytobenthic communities is almost unexplored. In the light of global warming, polar regions face extreme changes in abiotic factors with a severe impact on biodiversity and ecosystem functioning. Therefore, this study aimed to describe, for the first time, fungal diversity in Antarctic benthic habitats along the salinity gradient and to determine the co-occurrence of fungal parasites with their algal hosts, which were dominated by benthic diatoms. Our results reveal that Ascomycota and Chytridiomycota are the most abundant fungal taxa in these habitats. We show that also in Antarctic waters, salinity has a major impact on shaping not just fungal but rather the whole eukaryotic community composition, with a diversity of aquatic fungi increasing as salinity decreases. Moreover, we determined correlations between putative fungal parasites and potential benthic diatom hosts, highlighting the need for further systematic analysis of fungal diversity along with studies on taxonomy and ecological roles of Chytridiomycota. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1290 KW - Antarctica KW - aquatic fungi KW - Chytridiomycota KW - phytoplankton host KW - salinity gradient KW - Illumina amplicon sequencing KW - Carlini Station Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-572895 SN - 1866-8372 IS - 1290 ER - TY - JOUR A1 - Agarwal, Saloni A1 - Hamidizadeh, Mojdeh A1 - Bier, Frank Fabian T1 - Detection of reverse transcriptase LAMP-amplified nucleic acid from oropharyngeal viral swab samples using biotinylated DNA probes through a lateral flow assay JF - Biosensors : open access journal N2 - This study focuses on three key aspects: (a) crude throat swab samples in a viral transport medium (VTM) as templates for RT-LAMP reactions; (b) a biotinylated DNA probe with enhanced specificity for LFA readouts; and (c) a digital semi-quantification of LFA readouts. Throat swab samples from SARS-CoV-2 positive and negative patients were used in their crude (no cleaning or pre-treatment) forms for the RT-LAMP reaction. The samples were heat-inactivated but not treated for any kind of nucleic acid extraction or purification. The RT-LAMP (20 min processing time) product was read out by an LFA approach using two labels: FITC and biotin. FITC was enzymatically incorporated into the RT-LAMP amplicon with the LF-LAMP primer, and biotin was introduced using biotinylated DNA probes, specifically for the amplicon region after RT-LAMP amplification. This assay setup with biotinylated DNA probe-based LFA readouts of the RT-LAMP amplicon was 98.11% sensitive and 96.15% specific. The LFA result was further analysed by a smartphone-based IVD device, wherein the T-line intensity was recorded. The LFA T-line intensity was then correlated with the qRT-PCR Ct value of the positive swab samples. A digital semi-quantification of RT-LAMP-LFA was reported with a correlation coefficient of R2 = 0.702. The overall RT-LAMP-LFA assay time was recorded to be 35 min with a LoD of three RNA copies/µL (Ct-33). With these three advancements, the nucleic acid testing-point of care technique (NAT-POCT) is exemplified as a versatile biosensor platform with great potential and applicability for the detection of pathogens without the need for sample storage, transportation, or pre-processing. KW - RT-LAMP KW - LFA KW - NAAT-LFA KW - semi-quantitative KW - surveillance-based diagnostics Y1 - 2023 U6 - https://doi.org/10.3390/bios13110988 SN - 2079-6374 VL - 13 IS - 11 PB - MDPI CY - Basel ER - TY - JOUR A1 - Zavorka, Libor A1 - Blanco, Andreu A1 - Chaguaceda, Fernando A1 - Cucherousset, Julien A1 - Killen, Shaun S. A1 - Lienart, Camilla A1 - Mathieu-Resuge, Margaux A1 - Nemec, Pavel A1 - Pilecky, Matthias A1 - Scharnweber, Inga Kristin A1 - Twining, Cornelia W. A1 - Kainz, Martin J. T1 - The role of vital dietary biomolecules in eco-evo-devo dynamics JF - Trends in ecology and evolution N2 - The physiological dependence of animals on dietary intake of vitamins, amino acids, and fatty acids is ubiquitous. Sharp differences in the availability of these vital dietary biomolecules among different resources mean that consumers must adopt a range of strategies to meet their physiological needs. We review the emerging work on omega-3 long-chain polyunsaturated fatty acids, focusing predominantly on predator-prey interactions, to illustrate that trade-off between capacities to consume resources rich in vital biomolecules and internal synthesis capacity drives differences in phenotype and fitness of consumers. This can then feedback to impact ecosystem functioning. We outline how focus on vital dietary biomolecules in eco-eco-devo dynamics can improve our understanding of anthropogenic changes across multiple levels of biological organization. Y1 - 2023 U6 - https://doi.org/10.1016/j.tree.2022.08.010 SN - 0169-5347 SN - 1872-8383 VL - 38 IS - 1 SP - 72 EP - 84 PB - Cell Press CY - Cambridge ER - TY - THES A1 - Flores Castellanos, Junio T1 - Potato tuber (Solanum tuberosum L. cv Desiree) — characterization of starch interacting proteins and maltodextrin metabolism T1 - Kartoffelknolle (Solanum tuberosum L. cv Desiree) - Charakterisierung von Stärke-interagierenden Proteinen und Maltodextrin-Stoffwechsel N2 - Starch is a biopolymer for which, despite its simple composition, understanding the precise mechanism behind its formation and regulation has been challenging. Several approaches and bioanalytical tools can be used to expand the knowledge on the different parts involved in the starch metabolism. In this sense, a comprehensive analysis targeting two of the main groups of molecules involved in this process: proteins, as effectors/regulators of the starch metabolism, and maltodextrins as starch components and degradation products, was conducted in this research work using potato plants (Solanum tuberosum L. cv. Desiree) as model of study. On one side, proteins physically interacting to potato starch were isolated and analyzed through mass spectrometry and western blot for their identification. Alternatively, starch interacting proteins were explored in potato tubers from transgenic plants having antisense inhibition of starch-related enzymes and on tubers stored under variable environmental conditions. Most of the proteins recovered from the starch granules corresponded to previously described proteins having a specific role in the starch metabolic pathway. Another set of proteins could be grouped as protease inhibitors, which were found weakly interacting to starch. Variations in the protein profile obtained after electrophoresis separation became clear when tubers were stored under different temperatures, indicating a differential expression of proteins in response to changing environmental conditions. On the other side, since maltodextrin metabolism is thought to be involved in both starch initiation and degradation, soluble maltooligosaccharide content in potato tubers was analyzed in this work under diverse experimental variables. For this, tuber disc samples from wild type and transgenic lines strongly repressing either the plastidial or cytosolic form of the -glucan phosphorylase and phosphoglucomutase were incubated with glucose, glucose-6-phosphate, and glucose-1-phosphate solutions to evaluate the influence of such enzymes on the conversion of the carbon sources into soluble maltodextrins, in comparison to wild-type samples. Relative maltodextrin amounts analyzed through capillary electrophoresis equipped with laser-induced fluorescence (CE-LIF) revealed that tuber discs could immediately uptake glucose-1-phosphate and use it to produce maltooligosaccharides with a degree of polymerization of up to 30 (DP30), in contrast to transgenic tubers with strong repression of the plastidial glucan phosphorylase. The results obtained from the maltodextrin analysis support previous indications that a specific transporter for glucose-1-phosphate may exist in both the plant cells and the plastidial membranes, thereby allowing a glucose-6-phosphate independent transport. Furthermore, it confirms that the plastidial glucan phosphorylase is responsible for producing longer maltooligosaccharides in the plastids by catalyzing a glucan polymerization reaction when glucose-1-phosphate is available. All these findings contribute to a better understanding of the role of the plastidial glucan phosphorylase as a key enzyme directly involved in the synthesis and degradation of glucans and their implication on starch metabolism. N2 - Stärke ist ein Biopolymer, bei dem es trotz seiner einfachen Zusammensetzung schwierig ist, den genauen Mechanismus seiner Bildung und Regulierung zu verstehen. Verschiedene Ansätze und bioanalytische Instrumente können genutzt werden, um das Wissen über die verschiedenen am Stärkemetabolismus beteiligten Komponenten zu erweitern. In diesem Sinne wurde in dieser Forschungsarbeit eine umfassende Analyse durchgeführt, die auf zwei der wichtigsten Molekülgruppen abzielt, die an diesem Prozess beteiligt sind: Proteine als Effektoren/Regulatoren des Stärkestoffwechsels und Maltodextrine als Stärkebestandteile und Abbauprodukte, wobei Kartoffelpflanzen (Solanum tuberosum L. cv. Desiree) als Untersuchungsmodell dienten. Einerseits wurden Proteine, die physisch mit Kartoffelstärke interagieren, isoliert und mittels Massenspektrometrie und Western Blot analysiert, um sie zu identifizieren. Andererseits wurden die mit Stärke interagierenden Proteine in Kartoffelknollen von transgenen Pflanzen mit Antisense-Hemmung von stärkeverwandten Enzymen und in Knollen, die unter variablen Umweltbedingungen gelagert wurden, untersucht. Die meisten der aus den Stärkekörnchen gewonnenen Proteine entsprachen zuvor beschriebenen Proteinen, die eine spezifische Rolle im Stärkestoffwechselweg spielen. Eine andere Gruppe von Proteinen konnte als Proteaseinhibitoren gruppiert werden, die nur schwach mit der Stärke interagieren. Variationen im Proteinprofil nach der Elektrophorese-Trennung wurden deutlich, wenn die Knollen bei unterschiedlichen Temperaturen gelagert wurden, was auf eine unterschiedliche Expression von Proteinen als Reaktion auf wechselnde Umweltbedingungen hindeutet. Da man davon ausgeht, dass der Maltodextrin-Stoffwechsel sowohl an der Entstehung als auch am Abbau von Stärke beteiligt ist, wurde in dieser Arbeit der Gehalt an löslichen Maltooligosacchariden in Kartoffelknollen unter verschiedenen experimentellen Variablen analysiert. Zu diesem Zweck wurden Knollenscheibenproben von Wildtypen und transgenen Linien, die entweder die plastidiale oder die cytosolische Form der α-Glucanphosphorylase und Phosphoglucomutase stark unterdrücken, mit Glucose-, Glucose-6-Phosphat- und Glucose-1-Phosphat-Lösungen inkubiert, um den Einfluss dieser Enzyme auf die Umwandlung der Kohlenstoffquellen in lösliche Maltodextrine im Vergleich zu Wildtyp-Proben zu bewerten. Relative Maltodextrinmengen, die durch Kapillarelektrophorese mit laserinduzierter Fluoreszenz (CE-LIF) analysiert wurden, zeigten, dass die Knollenscheiben Glukose-1-Phosphat sofort aufnehmen und zur Herstellung von Maltooligosacchariden mit einem Polymerisationsgrad von bis zu 30 (DP30) verwenden konnten, im Gegensatz zu transgenen Knollen mit starker Unterdrückung der plastidialen Glukanphosphorylase. Die Ergebnisse der Maltodextrin-Analyse stützen frühere Hinweise darauf, dass ein spezifischer Transporter für Glucose-1-Phosphat sowohl in den Pflanzenzellen als auch in den plastidialen Membranen vorhanden sein könnte, was einen von Glucose-6-Phosphat unabhängigen Transport ermöglicht. Außerdem wird bestätigt, dass die plastidiale Glucanphosphorylase für die Herstellung längerer Maltooligosaccharide in den Plastiden verantwortlich ist, indem sie eine Glucanpolymerisationsreaktion katalysiert, wenn Glucose-1-Phosphat verfügbar ist. All diese Erkenntnisse tragen zu einem besseren Verständnis der Rolle der plastidialen Glucanphosphorylase als Schlüsselenzym bei, das direkt an der Synthese und dem Abbau von Glucanen und deren Auswirkungen auf den Stärkemetabolismus beteiligt ist. KW - Solanum tuberosum KW - potato KW - maltodextrin KW - starch KW - Stärke KW - Solanum tuberosum KW - Maltodextrin KW - Kartoffel Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-615055 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 - Bulut, Mustafa T1 - Assessing the genetic architecture underlying systemic responses to variable environments in crops using multi-omics N2 - Plant metabolism serves as the primary mechanism for converting assimilated carbon into essential compounds crucial for plant growth and ultimately, crop yield. This renders it a focal point of research with significant implications. Despite notable strides in comprehending the genetic principles underpinning metabolism and yield, there remains a dearth of knowledge regarding the genetic factors responsible for trait variation under varying environmental conditions. Given the burgeoning global population and the advancing challenges posed by climate change, unraveling the intricacies of metabolic and yield responses to water scarcity became increasingly important in safeguarding food security. Our research group has recently started to work on the genetic resources of legume species. To this end, the study presented here investigates the metabolic diversity across five different legume species at a tissue level, identifying species-specific biosynthesis of alkaloids as well as iso-/flavonoids with diverse functional groups, namely prenylation, phenylacylation as well as methoxylation, to create a resource for follow up studies investigation the metabolic diversity in natural diverse populations of legume species. Following this, the second study investigates the genetic architecture of drought-induced changes in a global common bean population. Here, a plethora of quantitative trait loci (QTL) associated with various traits are identified by performing genome-wide association studies (GWAS), including for lipid signaling. On this site, overexpression of candidates highlighted the induction of several oxylipins reported to be pivotal in coping with harsh environmental conditions such as water scarcity. Diverging from the common bean and GWAS, the following study focuses on identifying drought-related QTL in tomato using a bi-parental breeding population. This descriptive study highlights novel multi-omic QTL, including metabolism, photosynthesis as well as fruit setting, some of which are uniquely assigned under drought. Compared to conventional approaches using the bi-parental IL population, the study presented improves the resolution by assessing further backcrossed ILs, named sub-ILs. In the final study, a photosynthetic gene, namely a PetM subunit of the cytochrome b6f complex encoding gene, involved in electron flow is characterized in an horticultural important crop. While several advances have been made in model organisms, this study highlights the transition of this fundamental knowledge to horticultural important crops, such as tomato, and investigates its function under differing light conditions. Overall, the presented thesis combines different strategies in unveiling the genetic components in multi-omic traits under drought using conventional breeding populations as well as a diverse global population. To this end, it allows a comparison of either approach and highlights their strengths and weaknesses. N2 - Der pflanzliche Stoffwechsel ist der wichtigste Mechanismus für die Umwandlung von assimiliertem Kohlenstoff in essenzielle Verbindungen, die für das Pflanzenwachstum und letztlich den Ernteertrag entscheidend sind. Dies macht ihn zu einem Schwerpunkt der Forschung mit erheblichen Auswirkungen. Trotz bemerkenswerter Fortschritte beim Verständnis der genetischen Prinzipien, die dem Stoffwechsel und den Erträgen zugrunde liegen, gibt es nach wie vor einen Mangel an Wissen über die genetischen Faktoren, die für die Variation von Merkmalen unter verschiedenen Umweltbedingungen verantwortlich sind. In Anbetracht der wachsenden Weltbevölkerung und der zunehmenden Herausforderungen durch den Klimawandel wird es immer wichtiger, die Feinheiten des Stoffwechsels und des Ertrags auf Wasserknappheit zu entschlüsseln, um die Ernährungssicherheit zu gewährleisten. Unsere Forschungsgruppe hat vor kurzem damit begonnen, sich mit den genetischen Ressourcen von Leguminosen zu befassen. Zu diesem Zweck untersucht die hier vorgestellte Studie die Stoffwechselvielfalt bei fünf verschiedenen Leguminosen auf Gewebeebene und identifiziert die artspezifische Biosynthese von Alkaloiden sowie Iso-/Flavonoiden mit verschiedenen funktionellen Gruppen, nämlich Prenylierung, Phenylacylierung sowie Methoxylierung, um eine Ressource für Folgestudien zu schaffen, die die Stoffwechselvielfalt in verschiedenen natürlichen Populationen von Leguminosen untersuchen. Im Anschluss daran wird in der zweiten Studie die genetische Architektur trockenheitsbedingter Veränderungen in einer globalen Bohnenpopulation untersucht. Hier wird eine Vielzahl von quantitativen Merkmalsloci (QTL) identifiziert, die mit verschiedenen Merkmalen assoziiert sind, darunter auch für die Lipidsignalübertragung, unter Durchführung genomweite Assoziationsstudien (GWAS). Die Überexpression von Kandidaten auf dieser Seite hat die Induktion mehrerer Oxylipine hervorgehoben, die Berichten zufolge für die Bewältigung rauer Umweltbedingungen wie Wasserknappheit von zentraler Bedeutung sind. Abweichend von der Bohne und der GWAS konzentriert sich die folgende Studie auf die Identifizierung trockenheitsbezogener QTL bei der Tomate unter Verwendung einer bi-elterlichen Zuchtpopulation. Diese deskriptive Studie hebt neuartige multi-omische QTL hervor, einschließlich für Stoffwechsel, Photosynthese und Fruchtansatz, von denen einige eindeutig dem Dürre-Stress zugeordnet werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Ansätzen, bei denen die bi-elterliche IL-Population verwendet wird, verbessert die vorgestellte Studie die Auflösung, indem weitere rückgekreuzte ILs, so genannte sub-ILs, untersucht werden. In der letzten Studie wird ein photosynthetisches Gen, nämlich eine PetM-Untereinheit des Cytochrom b6fKomplexes, das am Elektronenfluss beteiligt ist, in einer für den Gartenbau wichtigen Pflanze charakterisiert. Während bei Modellorganismen bereits zahlreiche wissenschaftliche Fortschritte erzielt wurden, beleuchtet diese Studie den Übergang dieses grundlegenden Wissens auf wichtige Gartenbaupflanzen wie die Tomate und untersucht ihre Funktion unter verschiedenen Lichtbedingungen. Insgesamt werden in der vorliegenden Arbeit verschiedene Strategien kombiniert, um die genetischen Komponenten multi-omischer Merkmale bei Trockenheit aufzudecken, wobei sowohl konventionelle Zuchtpopulationen als auch eine vielfältige globale Population verwendet werden. Zu diesem Zweck ermöglicht sie einen Vergleich beider Ansätze und zeigt ihre Stärken und Schwächen auf. KW - genomics KW - metabolomics KW - phenomics KW - genome-wide association studies (GWAS) KW - genotype-by-Environmental interaction (GxE) KW - plasticity Y1 - 2023 ER - TY - JOUR A1 - Grdseloff, Nastasja A1 - Boulday, Gwenola A1 - Roedel, Claudia J. A1 - Otten, Cecile A1 - Vannier, Daphne Raphaelle A1 - Cardoso, Cecile A1 - Faurobert, Eva A1 - Dogra, Deepika A1 - Tournier-Lasserve, Elisabeth A1 - Abdelilah-Seyfried, Salim T1 - Impaired retinoic acid signaling in cerebral cavernous malformations JF - Scientific reports N2 - The capillary-venous pathology cerebral cavernous malformation (CCM) is caused by loss of CCM1/Krev interaction trapped protein 1 (KRIT1), CCM2/MGC4607, or CCM3/PDCD10 in some endothelial cells. Mutations of CCM genes within the brain vasculature can lead to recurrent cerebral hemorrhages. Pharmacological treatment options are urgently needed when lesions are located in deeply-seated and in-operable regions of the central nervous system. Previous pharmacological suppression screens in disease models of CCM led to the discovery that treatment with retinoic acid improved CCM phenotypes. This finding raised a need to investigate the involvement of retinoic acid in CCM and test whether it has a curative effect in preclinical mouse models. Here, we show that components of the retinoic acid synthesis and degradation pathway are transcriptionally misregulated across disease models of CCM. We complemented this analysis by pharmacologically modifying retinoic acid levels in zebrafish and human endothelial cell models of CCM, and in acute and chronic mouse models of CCM. Our pharmacological intervention studies in CCM2-depleted human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) and krit1 mutant zebrafish showed positive effects when retinoic acid levels were increased. However, therapeutic approaches to prevent the development of vascular lesions in adult chronic murine models of CCM were drug regiment-sensitive, possibly due to adverse developmental effects of this hormone. A treatment with high doses of retinoic acid even worsened CCM lesions in an adult chronic murine model of CCM. This study provides evidence that retinoic acid signaling is impaired in the CCM pathophysiology and suggests that modification of retinoic acid levels can alleviate CCM phenotypes. KW - Developmental biology KW - Molecular medicine Y1 - 2023 U6 - https://doi.org/10.1038/s41598-023-31905-0 SN - 2045-2322 VL - 13 IS - 1 PB - Nature Portfolio CY - Berlin ER - TY - JOUR A1 - Stübler, Sabine A1 - Kloft, Charlotte A1 - Huisinga, Wilhelm T1 - Cell-level systems biology model to study inflammatory bowel diseases and their treatment options JF - CPT: pharmacometrics & systems pharmacology N2 - To help understand the complex and therapeutically challenging inflammatory bowel diseases (IBDs), we developed a systems biology model of the intestinal immune system that is able to describe main aspects of IBD and different treatment modalities thereof. The model, including key cell types and processes of the mucosal immune response, compiles a large amount of isolated experimental findings from literature into a larger context and allows for simulations of different inflammation scenarios based on the underlying data and assumptions. In the context of a large and diverse virtual IBD population, we characterized the patients based on their phenotype (in contrast to healthy individuals, they developed persistent inflammation after a trigger event) rather than on a priori assumptions on parameter differences to a healthy individual. This allowed to reproduce the enormous diversity of predispositions known to lead to IBD. Analyzing different treatment effects, the model provides insight into characteristics of individual drug therapy. We illustrate for anti-TNF-alpha therapy, how the model can be used (i) to decide for alternative treatments with best prospects in the case of nonresponse, and (ii) to identify promising combination therapies with other available treatment options. Y1 - 2023 U6 - https://doi.org/10.1002/psp4.12932 SN - 2163-8306 VL - 12 IS - 5 SP - 690 EP - 705 PB - Nature Publ. Group CY - London ER - TY - THES A1 - Prüfer, Mareike T1 - Charakterisierung und wechselfeldgestützte Herstellung von Enzym-Nanoarrays T1 - Characterization and AC-electrokinetical production of enzyme nanoarrays N2 - Dielektrophorese ist die Manipulation polarisierbarer Partikel durch inhomogene elektrische Wechselfelder. In dieser Arbeit wurden drei verschiedene Enzyme durch Dielektrophorese immobilisiert und anschließend hinsichtlich ihrer katalytischen Aktivität untersucht: Meerrettichperoxidase, Cholinoxidase aus Alcaligenes sp. und Glucoseoxidase aus Aspergillus niger. Die Immobilisierung erfolgte durch Dielektrophorese auf nano-Elektrodenarrays aus Wolfram-Zylindern mit 500 nm Durchmesser oder aus Titannitrid-Ringen mit 20 nm Breite. Die Immobilisierung der Enzyme konnte fluoreszenzmikroskopisch entweder anhand der intrinsischen Fluoreszenz oder aufgrund einer Fluoreszenzmarkierung vor oder nach der Immobilisierung für alle getesteten Enzyme nachgewiesen werden. Die Messung der Enzymaktivität erfolgte quantitativ durch den direkten oder indirekten Nachweis des gebildeten Produktes oder, im Falle der Cholinoxidase, durch Beobachtung der intrinsischen Fluoreszenz des Cofaktors FAD, die vom Oxidationszustand dieses Enzyms abhängt. Für die Meerrettichperoxidase konnte so eine hohe erhaltene Enzymaktivität nach der Immobilisierung nachgewiesen werden. Die Aktivität der permanent immobilisierten Fraktion der Meerrettichperoxidase entsprach bis zu 47 % der höchstmöglichen Aktivität einer Monolage dieses Enzyms auf den Elektroden des Chips. Diese Aktivität kann als aktive, aber zufällig gegenüber der Oberfläche ausgerichtete Enzymschicht interpretiert werden. Für die permanent immobilisierte Glucoseoxidase wurde nur eine Aktivität entsprechend <1,3 % der Aktivität einer solchen Enzymschicht detektiert, während für die immobilisierte Cholinoxidase gar keine Aktivität nachgewiesen werden konnte. Die Aktivität der durch DEP immobilisierten Enzyme konnte somit quantitativ bestimmt werden. Der Anteil an erhaltener Aktivität hängt dabei stark vom verwendeten Enzym ab. N2 - Dielectrophoresis is the manipulation of polarizable particles by alternating inhomogeneous electric fields. In this work, three enzymes were immobilized by dielectrophoresis and were analyzed regarding their catalytic activity afterwards: Horseradish peroxidase, choline oxidase from Alcaligenes sp. and glucose oxidase from Aspergillus niger. Immobilization by dielectrophoresis took place on nanoelectrode arrays consisting of tungsten cylinders with a diameter of 500 nm or of titanium nitride rings with a width of 20 nm. Immobilization was verified by fluorescence microscopy using either the intrinsic fluorescence of the enzymes or fluorescent labeling of the enzymes before or after immobilization. Enzyme activity measurements were performed quantitatively by direct or indirect detection of the enzyme’s product or, in the case of choline oxidase, by observing the intrinsic fluorescence of the enzyme’s cofactor FAD which is a function of its oxidation state. For horesradish peroxidase, a rather high retained activity of the enzyme after immobilization was observed. The activity of the permanently immobilized fraction of horseradish peroxidase equaled up to 47 % of the activity which can be maximally expected for a fully active monolayer of the enzyme molecules on all electrodes of the chip. This activity can be interpreted as the result of a fully active, but randomly oriented monolayer of immobilized horseradish peroxidase. The activity of permanently immobilized glucose oxidase equaled only <1,3 % of a fully active monolayer, whereas no activity was evident for immobilized choline oxidase. Accordingly, the activity of enzymes immobilized by DEP was measured quantitatively. The percentage of retained activity thereby strongly depends on the enzyme under investigation. KW - Enzyme KW - Dielektrophorese KW - enzymes KW - dielectrophoresis Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-612329 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 - Kersting, Katerina T1 - Development of a CRISPR/Cas gene editing technique for the coccolithophore Chrysotila carterae Y1 - 2024 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 - You, Lili T1 - Chloroplast engineering for recombinant protein production and stress protection Y1 - 2024 ER - TY - THES A1 - Schäfer, Marjänn Helena T1 - Untersuchungen zur Evolution der 15-Lipoxygenase (ALOX15) bei Säugetieren und funktionelle Charakterisierung von Knock-in-Mäusen mit humanisierter Reaktionsspezifität der 15-Lipoxygenase-2 (Alox15b) T1 - Studies on the evolution of 15-lipoxygenase (ALOX15) in mammals and functional characterization of Knock-in mice with humanized reaction specificity of 15-lipoxygenase-2 (Alox15b) N2 - Arachidonsäurelipoxygenasen (ALOX-Isoformen) sind Lipid-peroxidierenden Enzyme, die bei der Zelldifferenzierung und bei der Pathogenese verschiedener Erkrankungen bedeutsam sind. Im menschlichen Genom gibt es sechs funktionelle ALOX-Gene, die als Einzelkopiegene vorliegen. Für jedes humane ALOX-Gen gibt es ein orthologes Mausgen. Obwohl sich die sechs humanen ALOX-Isoformen strukturell sehr ähnlich sind, unterscheiden sich ihre funktionellen Eigenschaften deutlich voneinander. In der vorliegenden Arbeit wurden vier unterschiedliche Fragestellungen zum Vorkommen, zur biologischen Rolle und zur Evolutionsabhängigkeit der enzymatischen Eigenschaften von Säugetier-ALOX-Isoformen untersucht: 1) Spitzhörnchen (Tupaiidae) sind evolutionär näher mit dem Menschen verwandt als Nagetiere und wurden deshalb als Alternativmodelle für die Untersuchung menschlicher Erkrankungen vorgeschlagen. In dieser Arbeit wurde erstmals der Arachidonsäurestoffwechsel von Spitzhörnchen untersucht. Dabei wurde festgestellt, dass im Genom von Tupaia belangeri vier unterschiedliche ALOX15-Gene vorkommen und die Enzyme sich hinsichtlich ihrer katalytischen Eigenschaften ähneln. Diese genomische Vielfalt, die weder beim Menschen noch bei Mäusen vorhanden ist, erschwert die funktionellen Untersuchungen zur biologischen Rolle des ALOX15-Weges. Damit scheint Tupaia belangeri kein geeigneteres Tiermodel für die Untersuchung des ALOX15-Weges des Menschen zu sein. 2) Entsprechend der Evolutionshypothese können Säugetier-ALOX15-Orthologe in Arachidonsäure-12-lipoxygenierende- und Arachidonsäure-15-lipoxygenierende Enzyme eingeteilt werden. Dabei exprimieren Säugetierspezies, die einen höheren Evolutionsgrad als Gibbons aufweisen, Arachidonsäure-15-lipoxygenierende ALOX15-Orthologe, während evolutionär weniger weit entwickelte Säugetiere Arachidonsäure-12 lipoxygenierende Enzyme besitzen. In dieser Arbeit wurden elf neue ALOX15-Orthologe als rekombinante Proteine exprimiert und funktionell charakterisiert. Die erhaltenen Ergebnisse fügen sich widerspruchsfrei in die Evolutionshypothese ein und verbreitern deren experimentelle Basis. Die experimentellen Daten bestätigen auch das Triadenkonzept. 3) Da humane und murine ALOX15B-Orthologe unterschiedliche funktionelle Eigenschaften aufweisen, können Ergebnisse aus murinen Krankheitsmodellen zur biologischen Rolle der ALOX15B nicht direkt auf den Menschen übertragen werden. Um die ALOX15B-Orthologen von Maus und Mensch funktionell einander anzugleichen, wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit Knock-in Mäuse durch die In vivo Mutagenese mittels CRISPR/Cas9-Technik hergestellt. Diese exprimieren eine humanisierte Mutante (Doppelmutation von Tyrosin603Asparaginsäure+Histidin604Valin) der murinen Alox15b. Diese Mäuse waren lebens- und fortpflanzungsfähig, zeigten aber geschlechtsspezifische Unterschiede zu ausgekreuzten Wildtyp-Kontrolltieren im Rahmen ihre Individualentwicklung. 4) In vorhergehenden Untersuchungen zur Rolle der ALOX15B in Rahmen der Entzündungsreaktion wurde eine antiinflammatorische Wirkung des Enzyms postuliert. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, ob eine Humanisierung der murinen Alox15b die Entzündungsreaktion in zwei verschiedenen murinen Entzündungsmodellen beeinflusst. Eine Humanisierung der murinen Alox15b führte zu einer verstärkten Ausbildung von Entzündungssymptomen im induzierten Dextran-Natrium-Sulfat-Kolitismodell. Im Gegensatz dazu bewirkte die Humanisierung der Alox15b eine Abschwächung der Entzündungssymptome im Freund‘schen Adjuvans Pfotenödemmodell. Diese Daten deuten darauf hin, dass sich die Rolle der ALOX15B in verschiedenen Entzündungsmodellen unterscheidet. N2 - Arachidonic acid lipoxygenases (ALOX-isoforms) are lipid peroxidizing enzymes that have been implicated in cell differentiation and in the pathogenesis of different diseases. In the human genome six different ALOX genes have been identified and all of them occur as single copy genes. For each human ALOX gene an ortholog exists in the mouse genome. Although human and mouse ALOX orthologs share a high degree of structural similarity ALOX15 and ALOX15B orthologs exhibit distinct functional characteristics. In the present study addressed four different questions on the occurrence, the biological role and enzyme evolution of mammalian ALOX15 and ALOX15B orthologs. 1) Tupaiidae are more closely related to humans than rodents and therefore these mammals have frequently been suggested as better animal models than mice for investigations into patho-physiological basis of human diseases. This work explored for the first time the arachidonic acid metabolism of a Tupaiidae representative (Tupaia belangeri) and found that this mammal carries four distinct ALOX15 genes in its genome. The enzymes encoded by these four genes share a high degree of functional similarity but the observed genomic multiplicity, which is neither present in mice nor in humans, makes studies into the biological role of ALOX15 orthologs more complex. Thus, Tupaia belangeri is not more suitable than mice for investigations into the biological role of mammalian ALOX15 orthologs since loss-of-function studies on one ALOX15 ortholog may easily be compensated by upregulation of an orthologous gene. 2) According to the Evolutionary Hypothesis mammalian ALOX15 orthologs can be subdivided into arachidonic acid 12-lipoxygenating and arachidonic acid 15-lipoxygenating enzymes. Mammalian species, which are ranked above gibbons express arachidonic acid 15 lipoxygenating ALOX15 orthologs. In contrast mammals ranked below gibbons express arachidonic acid 12-lipoxygenating enzymes. In this study the ALOX15 orthologs of eleven different mammals expressed as recombinant proteins and characterized their functional properties. The results of these experiments were consistent with the Evolutionary Hypothesis and put this theory on a broader experimental basis. Moreover, the obtained in vitro mutagenesis data indicate that the novel enzymes follow Triad Concept. 3) Since human and mouse ALOX15B orthologs exhibit different functional properties, conclusion drawn in mouse models of human diseases may be misleading. To make human and mouse ALOX15B orthologs more like each other were generated Alox15b knock-in mice, which express the humanized Tyr603Asp+His604Val double mutant of mouse Alox15b instead of the endogenous wildtype enzyme employing the CRISPR/Cas9 in vivo mutagenesis strategy. These Alox15b-KI mice are viable, reproduce normally but exhibit gender-specific differences to outbred wildtype control animals when the bodyweight kinetics during adolescence and early adulthood were followed. 4) In previous studies an anti-inflammatory role of ALOX15B in the pathogenesis of inflammation has been suggested. Here we explored whether functional humanization of mouse Alox15b impacts the severity of inflammatory symptoms in two mouse inflammation models. In the dextran-sodium sulfate colitis model humanization of mouse Alox15b induced more severe inflammatory symptoms. In contrast, humanization of this enzyme protected mice in the Freund’s complete adjuvants induced paw edema model. Taken together, these data suggest that the patho-physiological roles of Alox15b may vary depending on the type of the animal inflammation model used. KW - Lipoxygenase KW - ALOX15B KW - Knock in Mäuse KW - enzymatische Reaktionsspezifität KW - Tupaia belangeri KW - DSS-Colitis KW - Pfotenödem Mausmodell KW - mammalian ALOX15 orthologs Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-620340 ER - TY - THES A1 - Székely, András Csaba T1 - Long-distance circadian coordination via a phloem-delivered mobile transcript Y1 - 2024 ER - TY - THES A1 - Hammel, Alexander T1 - Establishing the red microalga Porphyridium purpureum as a novel platform for the production of recombinant proteins T1 - Die Etablierung der roten Mikroalge Porphyridium purpureum als neue Platform für die Herstellung rekombinanter Proteine N2 - Microalgae have been recognized as a promising green production platform for recombinant proteins. The majority of studies on recombinant protein expression have been conducted in the green microalga C. reinhardtii. While promising improvement regarding nuclear transgene expression in this alga has been made, it is still inefficient due to epigenetic silencing, often resulting in low yields that are not competitive with other expressor organisms. Other microalgal species might be better suited for high-level protein expression, but are limited in their availability of molecular tools. The red microalga Porphyridium purpureum recently emerged as candidate for the production of recombinant proteins. It is promising in that transformation vectors are episomally maintained as autonomously replicating plasmids in the nucleus at a high copy number, thus leading to high expression values in this red alga. In this work, we expand the genetic tools for P. purpureum and investigate parameters that govern efficient transgene expression. We provide an improved transformation protocol to streamline the generation of transgenic lines in this organism. After being able to efficiently generate transgenic lines, we showed that codon usage is a main determinant of high-level transgene expression, not only at the protein level but also at the level of mRNA accumulation. The optimized expression constructs resulted in YFP accumulation up to an unprecedented 5% of the total soluble protein. Furthermore, we designed new constructs conferring efficient transgene expression into the culture medium, simplifying purification and harvests of recombinant proteins. To further improve transgene expression, we tested endogenous promoters driving the most highly transcribed genes in P. purpureum and found minor increase of YFP accumulation. We employed the previous findings to express complex viral antigens from the hepatitis B virus and the hepatitis C virus in P. purpureum to demonstrate its feasibility as producer of biopharmaceuticals. The viral glycoproteins were successfully produced to high levels and could reach their native confirmation, indicating a functional glycosylation machinery and an appropriate folding environment in this red alga. We could successfully upscale the biomass production of transgenic lines and with that provide enough material for immunization trials in mice that were performed in collaboration. These trials showed no toxicity of neither the biomass nor the purified antigens, and, additionally, the algal-produced antigens were able to elicit a strong and specific immune response. The results presented in this work pave the way for P. purpureum as a new promising producer organism for biopharmaceuticals in the microalgal field. N2 - Biotechnologisch hergestellte Proteine (rekombinante Proteine), wie zum Beispiel monoklonale Antikörper, Insulin oder diverse Impfstoffe, spielen heutzutage eine immer wichtigere Rolle bei der Bekämpfung von Krankheiten. Diese werden hauptsächlich aus genetisch veränderten humanen Zelllinien hergestellt. Die Produktion ist allerdings sehr teuer, anfällig für Kontaminationen und nicht nachhaltig. Als Alternative dazu können Mikroalgen benutzt werden, die viel günstiger kultiviert werden können und viele Vorteile bezüglich des ökologischen Aspekts bieten. Die bisherige Forschung an Mikroalgen als Plattform für die Herstellung rekombinanter Proteine konzentriert sich vor allem auf die grüne Mikroalge Chlamydomonas reinhardtii. Doch vor allem die geringe Proteinausbeute macht diese Alge nicht zum idealen Expressionsorganismus. Kürzlich wurde die rote Mikroalge Porphyridium purpureum als vielversprechende Kandidatin für die Produktion rekombinanter Proteine identifiziert. Besonders interessant ist, dass diese Alge rekombinante Proteine in einem hohen Maß exprimiert. Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Potenzial von Porphyridium purpureum als relativ unerforschte Alge. Es wurden neue genetische Werkzeuge entwickelt und verschiedene Faktoren untersucht, die die Expression von eingebrachten Genen beeinflussen. Durch Optimierung dieser Parameter konnten wir die Proteinausbeute eines gelb fluoreszierenden Proteins auf 5% des löslichen Gesamtproteins steigern. Wir haben das gewonnene Wissen genutzt, um jeweils ein Oberflächenprotein vom Hepatitis B Virus und vom Hepatitis C Virus in dieser roten Mikroalge herzustellen. Diese können als möglicher zukünftiger Impfstoff benutzt werden. Wir konnten zeigen, dass beide Proteine korrekt und in hoher Menge in Porphyridium purpureum hergestellt werden. Anschließend wurden die hergestellten Proteine auf ihre Wirksamkeit und Verträglichkeit an Mäusen getestet. Dabei wurde gezeigt, dass (i) Porphyridium purpureum nicht giftig ist und auch keine giftigen Produkte produziert und (ii) die produzierten Proteine eine effektive Immunantwort gegen die Viren induzieren. Mit dieser Arbeit wurde das Fundament für die biotechnologische Anwendung dieser roten Mikroalge gelegt. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass P. purpureum eine vielversprechende Mikroalgenart für die Produktion von biopharmazeutischen Proteinen ist. KW - microalgae KW - biotechnology KW - subunit vaccine KW - Biotechnologie KW - Mikroalgen KW - Untereinheitenimpfstoff Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-632709 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 - Freimuth, Nina T1 - Elucidating the suppression of root hair formation by a member of a novel, short ENTH protein family in Arabidopsis thaliana T1 - Untersuchungen der Unterdrückung der Wurzelhaarbildung durch ein Mitglied einer neuen, kurzen ENTH-Proteinfamilie in Arabidopsis thaliana N2 - This work analyzed functional and regulatory aspects of the so far little characterized EPSIN N-terminal Homology (ENTH) domain-containing protein EPSINOID2 in Arabidopsis thaliana. ENTH domain proteins play accessory roles in the formation of clathrin-coated vesicles (CCVs) (Zouhar and Sauer 2014). Their ENTH domain interacts with membranes and their typically long, unstructured C-terminus contains binding motifs for adaptor protein complexes and clathrin itself. There are seven ENTH domain proteins in Arabidopsis. Four of them possess the canonical long C-terminus and participate in various, presumably CCV-related intracellular transport processes (Song et al. 2006; Lee et al. 2007; Sauer et al. 2013; Collins et al. 2020; Heinze et al. 2020; Mason et al. 2023). The remaining three ENTH domain proteins, however, have severely truncated C-termini and were termed EPSINOIDs (Zouhar and Sauer 2014; Freimuth 2015). Their functions are currently unclear. Preceding studies focusing on EPSINOID2 indicated a role in root hair formation: epsinoid2 T DNA mutants exhibited an increased root hair density and EPSINOID2-GFP was specifically located in non-hair cell files in the Arabidopsis root epidermis (Freimuth 2015, 2019). In this work, it was clearly shown that loss of EPSINOID2 leads to an increase in root hair density through analyses of three independent mutant alleles, including a newly generated CRISPR/Cas9 full deletion mutant. The ectopic root hairs emerging from non-hair positions in all epsinoid2 mutant alleles are most likely not a consequence of altered cell fate, because extensive genetic analyses placed EPSINOID2 downstream of the established epidermal patterning network. Thus, EPSINOID2 seems to act as a cell autonomous inhibitor of root hair formation. Attempts to confirm this hypothesis by ectopically overexpressing EPSINOID2 led to the discovery of post-transcriptional and -translational regulation through different mechanisms. One involves the little characterized miRNA844-3p. Interference with this pathway resulted in ectopic EPSINOID2 overexpression and decreased root hair density, confirming it as negative factor in root hair formation. A second mechanism likely involves proteasomal degradation. Treatment with proteasomal inhibitor MG132 led to EPSINOID2-GFP accumulation, and a KEN box degron motif was identified in the EPSINOID2 sequence associated with degradation through a ubiquitin/proteasome-dependent pathway. In line with a tight dose regulation, genetic analyses of all three mutant alleles indicate that EPSINOID2 is haploinsufficient. Lastly, it was revealed that, although EPSINOID2 promoter activity was found in all epidermal cells, protein accumulation was observed in N-cells only, hinting at yet another layer of regulation. N2 - In der vorliegenden Arbeit wurden funktionelle und regulatorische Aspekte des bisher wenig charakterisierten EPSIN N-Terminal Homology (ENTH)-Domäne-enthaltenden Proteins EPSINOID2 in Arabidopsis thaliana untersucht. ENTH-Domänen Proteine spielen akzessorische Rollen in der Bildung von Clathrin-umhüllten Vesikeln (CCVs) (Zouhar and Sauer 2014). Ihre ENTH-Domäne interagiert mit Membranen und ihr typischerweise langer, unstrukturierter C-Terminus enthält Bindungsmotive für Adapterproteinkomplexe und Clathrin selbst. In Arabidopsis gibt es sieben ENTH-Domänen Proteine. Vier von ihnen besitzen den langen C-Terminus und sind an verschiedenen, vermutlich CCV-bezogenen intrazellulären Transportprozessen beteiligt (Song et al. 2006; Lee et al. 2007; Sauer et al. 2013; Heinze et al. 2020; Collins et al. 2020; Mason et al. 2023). Die verbleibenden drei ENTH-Domänen Proteine haben jedoch stark verkürzte C-Termini und wurden als EPSINOIDe bezeichnet (Zouhar and Sauer 2014; Freimuth 2015). Ihre Funktion ist derzeit unklar. Vorangegangene Studien, die sich auf EPSINOID2 konzentrierten, deuteten auf eine Rolle bei der Wurzelhaarbildung hin: epsinoid2 T-DNA-Mutanten zeigten eine erhöhte Wurzelhaardichte und EPSINOID2-GFP war speziell in Nicht-Haarzellen in der Wurzelepidermis von Arabidopsis lokalisiert (Freimuth 2015, 2019). In dieser Arbeit wurde durch Analysen von drei unabhängigen mutierten Allelen, einschließlich einer neu generierten CRISPR/Cas9-Deletionsmutante, klar gezeigt, dass der Verlust von EPSINOID2 zu einer Erhöhung der Wurzelhaardichte führt. Die ektopischen Wurzelhaare, die in allen epsinoid2 Allelen aus Nicht-Haar-Positionen hervorgehen, sind höchstwahrscheinlich keine Folge eines veränderten Zellschicksals, da umfangreiche genetische Analysen EPSINOID2 dem etablierten Netzwerk zur Ausbildung der epidermalen Identität nachgeschaltet platziert haben. Somit scheint EPSINOID2 als zellautonomer Inhibitor der Wurzelhaarbildung zu wirken. Versuche, diese Hypothese durch ektopische Überexpression von EPSINOID2 zu bestätigen, führten zur Entdeckung einer post-transkriptionellen und translationalen Regulation durch verschiedene Mechanismen. Bei einem davon handelt es sich um die wenig charakterisierte miRNA844-3p. Eine Beeinträchtigung dieses Signalwegs führte zu einer ektopischen Überexpression von EPSINOID2 und einer verringerten Wurzelhaardichte, was bestätigt, dass es sich um einen negativen Faktor bei der Wurzelhaarbildung handelt. Ein zweiter Mechanismus beinhaltet wahrscheinlich den proteasomalen Abbau. Die Behandlung mit dem proteasomalen Inhibitor MG132 führte zur Akkumulation von EPSINOID2-GFP, und in der Sequenz von EPSINOID2 wurde ein KEN-Box Degron Motiv identifiziert, das mit dem Abbau über einen Ubiquitin/Proteasom-abhängigen Weg verbunden ist. Im Einklang mit einer strengen Dosisregulierung zeigten genetische Analysen aller drei mutierten Allele, dass EPSINOID2 haploinsuffizient ist. Abschließend wurde festgestellt, dass die Aktivität des EPSINOID2 Promotors zwar in allen Epidermiszellen zu finden war, eine Proteinakkumulation jedoch nur in Nicht-Haarzellen beobachtet wurde, was auf eine weitere Ebene der Regulation hindeutet. KW - ENTH domain proteins KW - ENTH-Domänen Proteine KW - root hair formation KW - Wurzelhaarbildung KW - miRNA regulation KW - miRNA Regulation Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-634994 ER - TY - THES A1 - Kiss, Andrea T1 - Moss-associated bacterial and archaeal communities of northern peatlands: key taxa, environmental drivers and potential functions T1 - Moos-assoziierte bakterielle und archaelle Gemeinschaften nördlicher Moore: Schlüsselspezies, beeinflussende Umweltfaktoren und potentielle Funktionen N2 - Moss-microbe associations are often characterised by syntrophic interactions between the microorganisms and their hosts, but the structure of the microbial consortia and their role in peatland development remain unknown. In order to study microbial communities of dominant peatland mosses, Sphagnum and brown mosses, and the respective environmental drivers, four study sites representing different successional stages of natural northern peatlands were chosen on a large geographical scale: two brown moss-dominated, circumneutral peatlands from the Arctic and two Sphagnum-dominated, acidic peat bogs from subarctic and temperate zones. The family Acetobacteraceae represented the dominant bacterial taxon of Sphagnum mosses from various geographical origins and displayed an integral part of the moss core community. This core community was shared among all investigated bryophytes and consisted of few but highly abundant prokaryotes, of which many appear as endophytes of Sphagnum mosses. Moreover, brown mosses and Sphagnum mosses represent habitats for archaea which were not studied in association with peatland mosses so far. Euryarchaeota that are capable of methane production (methanogens) displayed the majority of the moss-associated archaeal communities. Moss-associated methanogenesis was detected for the first time, but it was mostly negligible under laboratory conditions. Contrarily, substantial moss-associated methane oxidation was measured on both, brown mosses and Sphagnum mosses, supporting that methanotrophic bacteria as part of the moss microbiome may contribute to the reduction of methane emissions from pristine and rewetted peatlands of the northern hemisphere. Among the investigated abiotic and biotic environmental parameters, the peatland type and the host moss taxon were identified to have a major impact on the structure of moss-associated bacterial communities, contrarily to archaeal communities whose structures were similar among the investigated bryophytes. For the first time it was shown that different bog development stages harbour distinct bacterial communities, while at the same time a small core community is shared among all investigated bryophytes independent of geography and peatland type. The present thesis displays the first large-scale, systematic assessment of bacterial and archaeal communities associated both with brown mosses and Sphagnum mosses. It suggests that some host-specific moss taxa have the potential to play a key role in host moss establishment and peatland development. N2 - Während die Beziehungen zwischen Moosen und den mit ihnen assoziierten Mikroorganismen oft durch syntrophische Wechselwirkungen charakterisiert sind, ist die Struktur der Moos-assoziierten mikrobiellen Gemeinschaften sowie deren Rolle bei der Entstehung von Mooren weitgehend unbekannt. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit mikrobiellen Gemeinschaften, die mit Moosen nördlicher, naturnaher Moore assoziiert sind, sowie mit den Umweltfaktoren, die sie beeinflussen. Entlang eines groß angelegten geographischen Gradienten, der von der Hocharktis bis zur gemäßigten Klimazone reicht, wurden vier naturbelassene Moore als Probenstandorte ausgesucht, die stellvertretend für verschiedene Stadien der Moorentwicklung stehen: zwei Braunmoos-dominierte Niedermoore mit nahezu neutralem pH-Wert sowie zwei Sphagnum-dominierte Torfmoore mit saurem pH-Wert. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit machen deutlich, dass die zu den Bakterien zählenden Acetobacteraceae das vorherrschende mikrobielle Taxon der Sphagnum-Moose gleich welchen geographischen Ursprungs darstellen und insbesondere innerhalb des Wirtsmoosgewebes dominieren. Gleichzeitig gehörten die Acetobacteraceae zum wesentlichen Bestandteil der mikrobiellen Kerngemeinschaft aller untersuchten Moose, die sich aus einigen wenigen Arten, dafür zahlreich vorkommenden Prokaryoten zusammensetzt. Die vorliegende Arbeit zeigt zudem erstmals, dass sowohl Braunmoose als auch Torfmoose ein Habitat für Archaeen darstellen. Die Mehrheit der Moos-assoziierten Archaeen gehörte dabei zu den methanbildenden Gruppen, wenngleich die metabolischen Aktivitätsraten unter Laborbedingungen meistens kaum messbar waren. Im Gegensatz hierzu konnte die Bakterien-vermittelte Methanoxidation sowohl an Braunmoosen als auch an Sphagnum-Moosen gemessen werden. Dies zeigt eindrucksvoll, dass Moos-assoziierte Bakterien potenziell zur Minderung von Methanemissionen aus nördlichen, aber auch wiedervernässten Mooren beitragen können. Ein weiteres wichtiges Resultat der vorliegenden Arbeit ist die Bedeutung des Moortyps (Niedermoor oder Torfmoor), aber auch der Wirtsmoosart selbst für die Struktur der Moos-assoziierten Bakteriengemeinschaften, während die archaeellen Gemeinschaftsstrukturen weder vom Moortyp noch von der Wirtsmoosart beeinflusst wurden und sich insgesamt deutlich ähnlicher waren als die der Bakterien. Darüber hinaus konnte erstmalig gezeigt werden, dass sich die bakteriellen Gemeinschaften innerhalb der unterschiedlichen Moorsukzessionsstadien zwar ganz erheblich voneinander unterscheiden, ein kleiner Teil der Bakterien dennoch Kerngemeinschaften bilden, die mit allen untersuchten Moosarten assoziiert waren. Bei der hier präsentierten Arbeit handelt es sich um die erste systematische Studie, die sich auf einer großen geographischen Skala mit den bakteriellen und archaeellen Gemeinschaften von Braunmoosen und Torfmoosen aus naturbelassenen nördlichen Mooren befasst. Die vorliegenden Ergebnisse machen deutlich, dass die untersuchten Moose ein ganz spezifisches mikrobielles Konsortium beherbergen, welches mutmaßlich eine Schlüsselrolle bei der Etablierung der Wirtspflanzen am Anfang der Moorentwicklung spielt und darüber hinaus das Potential hat, die charakteristischen Eigenschaften von Mooren sowie deren weitere Entwicklung zu prägen. KW - moss-microbe-interactions KW - moss-associated bacteria KW - moss-associated archaea KW - northern peatlands KW - peatland core microbiome KW - Acetobacteraceae KW - moss-associated methanotrophy KW - moss-associated methanogenesis KW - Sphagnum KW - Amblystegiaceae KW - endophytes KW - brown mosses KW - epiphytes KW - peatland development KW - bryophytes KW - host-specificity KW - large-scale study KW - methanotrophic bacteria KW - methanogenic archaea KW - Essigsäurebakterien KW - Amblystegiaceae KW - Torfmoose KW - Braunmoose KW - Bryophyten KW - Endophyten KW - Epiphyten KW - Wirtsspezifität KW - geographische Großstudie KW - methanproduzierende Archaeen KW - methanoxidierende Bakterien KW - Moos-assoziierte Methanproduktion KW - Moos-assoziierte Methanoxidation KW - Moos-Mikroben-Interaktion KW - nördliche Moore KW - mikrobielle Moor-Kerngemeinschaft KW - Moorsukzession Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-630641 ER - TY - THES A1 - Hippel, Barbara von T1 - Long-term bacteria-fungi-plant associations in permafrost soils inferred from palaeometagenomics N2 - The arctic is warming 2 – 4 times faster than the global average, resulting in a strong feedback on northern ecosystems such as boreal forests, which cover a vast area of the high northern latitudes. With ongoing global warming, the treeline subsequently migrates northwards into tundra areas. The consequences of turning ecosystems are complex: on the one hand, boreal forests are storing large amounts of global terrestrial carbon and act as a carbon sink, dragging carbon dioxide out of the global carbon cycle, suggesting an enhanced carbon uptake with increased tree cover. On the other hand, with the establishment of trees, the albedo effect of tundra decreases, leading to enhanced soil warming. Meanwhile, permafrost thaws, releasing large amounts of previously stored carbon into the atmosphere. So far, mainly vegetation dynamics have been assessed when studying the impact of warming onto ecosystems. Most land plants are living in close symbiosis with bacterial and fungal communities, sustaining their growth in nutrient poor habitats. However, the impact of climate change on these subsoil communities alongside changing vegetation cover remains poorly understood. Therefore, a better understanding of soil community dynamics on multi millennial timescales is inevitable when addressing the development of entire ecosystems. Unravelling long-term cross-kingdom dependencies between plant, fungi, and bacteria is not only a milestone for the assessment of warming on boreal ecosystems. On top, it also is the basis for agriculture strategies to sustain society with sufficient food in a future warming world. The first objective of this thesis was to assess ancient DNA as a proxy for reconstructing the soil microbiome (Manuscripts I, II, III, IV). Research findings across these projects enable a comprehensive new insight into the relationships of soil microorganisms to the surrounding vegetation. First, this was achieved by establishing (Manuscript I) and applying (Manuscript II) a primer pair for the selective amplification of ancient fungal DNA from lake sediment samples with the metabarcoding approach. To assess fungal and plant co-variation, the selected primer combination (ITS67, 5.8S) amplifying the ITS1 region was applied on samples from five boreal and arctic lakes. The obtained data showed that the establishment of fungal communities is impacted by warming as the functional ecological groups are shifting. Yeast and saprotroph dominance during the Late Glacial declined with warming, while the abundance of mycorrhizae and parasites increased with warming. The overall species richness was also alternating. The results were compared to shotgun sequencing data reconstructing fungi and bacteria (Manuscripts III, IV), yielding overall comparable results to the metabarcoding approach. Nonetheless, the comparison also pointed out a bias in the metabarcoding, potentially due to varying ITS lengths or copy numbers per genome. The second objective was to trace fungus-plant interaction changes over time (Manuscripts II, III). To address this, metabarcoding targeting the ITS1 region for fungi and the chloroplast P6 loop for plants for the selective DNA amplification was applied (Manuscript II). Further, shotgun sequencing data was compared to the metabarcoding results (Manuscript III). Overall, the results between the metabarcoding and the shotgun approaches were comparable, though a bias in the metabarcoding was assumed. We demonstrated that fungal shifts were coinciding with changes in the vegetation. Yeast and lichen were mainly dominant during the Late Glacial with tundra vegetation, while warming in the Holocene lead to the expansion of boreal forests with increasing mycorrhizae and parasite abundance. Aside, we highlighted that Pinaceae establishment is dependent on mycorrhizal fungi such as Suillineae, Inocybaceae, or Hyaloscypha species also on long-term scales. The third objective of the thesis was to assess soil community development on a temporal gradient (Manuscripts III, IV). Shotgun sequencing was applied on sediment samples from the northern Siberian lake Lama and the soil microbial community dynamics compared to ecosystem turnover. Alongside, podzolization processes from basaltic bedrock were recovered (Manuscript III). Additionally, the recovered soil microbiome was compared to shotgun data from granite and sandstone catchments (Manuscript IV, Appendix). We assessed if the establishment of the soil microbiome is dependent on the plant taxon and as such comparable between multiple geographic locations or if the community establishment is driven by abiotic soil properties and as such the bedrock area. We showed that the development of soil communities is to a great extent driven by the vegetation changes and temperature variation, while time only plays a minor role. The analyses showed general ecological similarities especially between the granite and basalt locations, while the microbiome on species-level was rather site-specific. A greater number of correlated soil taxa was detected for deep-rooting boreal taxa in comparison to grasses with shallower roots. Additionally, differences between herbaceous taxa of the late Glacial compared to taxa of the Holocene were revealed. With this thesis, I demonstrate the necessity to investigate subsoil community dynamics on millennial time scales as it enables further understanding of long-term ecosystem as well as soil development processes and such plant establishment. Further, I trace long-term processes leading to podzolization which supports the development of applied carbon capture strategies under future global warming. N2 - Die Arktis erwärmt sich schneller als der weltweite Durschnitt, was die dortigen Ökosysteme wie die borealen Nadelwälder stark beeinflusst. Die Baumgrenze verschiebt sich durch veränderte Wachstumsbedingungen nach Norden und breitet sich in Tundra-Gegenden aus. Das führt zu komplexen Auswirkungen auf den Kohlenstoffkreislauf, da durch das Baumwachstum vermehrt CO2 im Boden gespeichert wird. Andererseits wird der Albedo-Effekt der Tundra verringert und der Boden erwärmt sich verstärkt. Das wiederum führt zum Tauen von Permafrost und setzt große Mengen an gespeichertem Kohlenstoff frei. Bislang wurde vor allem die Auswirkung der Erwärmung auf Vegetationsdynamiken untersucht. Für ein gesundes Pflanzenwachstum stehen die meisten Landpflanzen in engem Austausch mit einer Vielzahl an Bakterien und Pilzen. Es ist bislang wenig verstanden, wie diese Bodengemeinschaften durch den Klimawandel beeinflusst werden. Es ist deshalb notwendig, verstärkt auch die Langzeitabhängigkeiten der Pflanzen von Mikroorganismen zu betrachten. Dies ist nicht nur ein Meilenstein bei der Untersuchung des Klimawandels auf arktische Ökosysteme. Zudem wird so die Entwicklung angepasster Strategien im Bereich der Landwirtschaft ermöglicht, was die Grundlage dafür ist, die wachsende Bevölkerung auch in Zukunft mit ausreichend Nahrungsmitteln versorgen zu können. Im ersten Teil meiner Arbeit untersuche ich das Potential, die Dynamiken von Bodenmikroorganismen aus Seesedimenten zu rekonstruieren. Ich habe gezeigt, dass molekulargenetische Analysen das sowohl für Pilze als auch Bakterien auf großen Zeitskalen ermöglichen. Eine Zuweisung der Mikroorganismen zu ihren Funktionen im Ökosystem ermöglichte, Dynamiken in den Nährstoffkreisläufen sowie in Pilzökologien zu verstehen. Die Analyse der komplexen Assoziationen von Pilzen und Pflanzen bildete den zweiten Teil meiner Arbeit. Hier konnte ich zeigen, dass Pilze und Pflanzen spezifische Muster in ihren Vorkommen miteinander zeigen und dass die Vegetation das Pilzvorkommen auch auf großen Zeitskalen beeinflusst. Die Tundravegetation des Spätglazials war vor allem von Flechten und Hefevorkommen dominiert, während die Einwanderung von borealen Wäldern in die untersuchten Gebiete zu zunehmder Mykorrhiza- und Parasitenverbreitung führte. Ich habe auch gezeigt, dass die Etablierung von Pinaceen langfristig von spezifischen Mykorrhiza-Pilzen wie Suillineae, Inocybaceae oder Hyaloscypha-Arten abhängt. Das dritte Ziel meiner Arbeit war es, zeitliche Dynamiken in der Zusammensetzung von Bodenorganismen im Bezug zur Entstehung von Böden zu rekonstruieren. Mir gelang es, die Verwitterung von Basalt nachzuvollziehen und daraus die Entstehung von Podsol abzuleiten. Ein Vergleich zu Bodengesellschaften aus Granit- und Sandstein-Einzugsgebieten zeigte, dass sich die Granit- und Basalt-Bodeneigenschaften ähneln. Allerdings zeigten die Pflanzen an den Standorten ein sehr ortsspezifisches Mikrobiom und somit eine lokale Anpassung an die Wachstumsbedingungen. Ich konnte mit dieser Arbeit zeigen, dass die Rekonstruktion von Bodenmikroorganismen im Vergleich zur Vegetation einen Einblick in Ökosystemdynamiken unter Klimawandel ermöglicht. Dies ermöglicht ein besseres Verständnis von Bodenentstehungsprozessen und vereinfacht die Entwicklung angewandter carbon capture Strategien. KW - sedimentary ancient DNA KW - ecology KW - lake sediment KW - Arctic KW - ecosystem reconstruction KW - climate change KW - treeline dynamics KW - microbial soil communities KW - plant-microbe interactions KW - Arktis KW - Klimawandel KW - Ökologie KW - Ökosystem-Rekonstruktion KW - Seesediment KW - mikrobielle Bodengemeinschaften KW - Pflanzen-Mikroben-Interaktionen KW - sedimentary ancient DNA KW - Baumgrenzen-Dynamik Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-636009 ER - TY - THES A1 - Apodiakou, Anastasia T1 - Analysis of the regulation of SDI genes, unravelling the role of the SLIM1 transcription factor, and the SNRK3.15 kinase in Arabidopsis under sulfur deprivation Y1 - 2024 ER - TY - THES A1 - Cheng, Feng T1 - Evolution and ontogeny of electric organ discharge in African weakly electric fish genus Campylomormyrus: a genomic and transcriptomic perspective N2 - The African weakly electric fishes (Mormyridae) exhibit a remarkable adaptive radiation possibly due to their species-specific electric organ discharges (EODs). It is produced by a muscle-derived electric organ that is located in the caudal peduncle. Divergence in EODs acts as a pre-zygotic isolation mechanism to drive species radiations. However, the mechanism behind the EOD diversification are only partially understood. The aim of this study is to explore the genetic basis of EOD diversification from the gene expression level across Campylomormyrus species/hybrids and ontogeny. I firstly produced a high quality genome of the species C. compressirostris as a valuable resource to understand the electric fish evolution. The next study compared the gene expression pattern between electric organs and skeletal muscles in Campylomormyrus species/hybrids with different types of EOD duration. I identified several candidate genes with an electric organ-specific expression, e.g. KCNA7a, KLF5, KCNJ2, SCN4aa, NDRG3, MEF2. The overall genes expression pattern exhibited a significant association with EOD duration in all analyzed species/hybrids. The expression of several candidate genes, e.g. KCNJ2, KLF5, KCNK6 and KCNQ5, possibly contribute to the regulation of EOD duration in Campylomormyrus due to their increasing or decreasing expression. Several potassium channel genes showed differential expression during ontogeny in species and hybrid with EOD alteration, e.g. KCNJ2. I next explored allele specific expression of intragenus hybrids by crossing the duration EOD species C. compressirostris with the medium duration EOD species C. tshokwe and the elongated duration EOD species C. rhynchophorus. The hybrids exhibited global expression dominance of the C. compressirostris allele in the adult skeletal muscle and electric organ, as well as in the juvenile electric organ. Only the gene KCNJ2 showed dominant expression of the allele from C. rhynchophorus, and this was increasingly dominant during ontogeny. It hence supported our hypothesis that KCNJ2 is a key gene of regulating EOD duration. Our results help us to understand, from a genetic perspective, how gene expression effect the EOD diversification in the African weakly electric fish. N2 - Die Mormyridae, eine Familie afrikanischer schwach elektrischer Süßwasserfische, zeigen eine außergewöhnliche adaptive Radiation. Eine Erklärung für die Diversifizierung dieser Gruppe stellen die artspezifischen elektrischen Organentladungen (EODs) dar. Diese werden von einem elektrischen Organ muskulären Ursprungs im Ansatz der Schwanzflosse erzeugt. Die verschiedenen EODs könnten als präzygotischer Isolationsmechanismus für die Radiation verantwortlich sein. Dennoch ist der Mechanismus hinter der EOD-Diversifizierung bisher nicht vollständig geklärt. Ziel dieser Studie ist es, die genetische Grundlage der EOD-Diversifizierung auf der Ebene der Genexpression bei verschiedenen Campylomormyrus-Arten bzw. -Hybriden und während der Ontogenese zu ermitteln. Zunächst wurde erstmals das Genom der Art C. compressirostris in hoher Qualität sequenziert. Dies bildet eine bedeutende Grundlage für das Verständnis der Evolution der elektrischen Fische. In der zweiten Studie wurden Genexpressionsmuster von elektrischen Organen und Skelettmuskeln bei Campylomormyrus-Arten bzw. -Hybriden mit unterschiedlicher EOD-Dauer verglichen. Dabei konnten mehrere Kandidatengene identifiziert werden, die potentiell Elektroorgan-spezifisch exprimiert sind, i.a. KCNA7a, KLF5, KCNJ2, SCN4aa, NDRG3, MEF2. Bei allen untersuchten Arten/Hybriden wies das Genexpressionsmuster einen signifikanten Zusammenhang mit der EOD-Dauer auf. Die Expression mehrerer Kandidatengene, wie beispielsweise KCNJ2, KLF5, KCNK6 und KCNQ5, trägt möglicherweise zur Regulierung der EOD-Dauer bei Campylomormyrus bei. Bei Arten und Hybriden mit EOD-Unterschieden zeigten Kaliumkanal-Gene wie KCNJ2 eine unterschiedliche Expression während der Ontogenese. Zudem wurde die Allel-spezifische Expression bei Intragenus-Hybriden unter Verwendung der Arten C. compressirostris, C. tshokwe und C. rhynchophorus, die jeweils eine kurze, intermediäre bzw. lange EOD-Dauer aufweisen, untersucht. Die Hybriden wiesen eine generell dominante Expression der Allele von C. compressirostris in der adulten Skelettmuskulatur und im elektrischen Organ sowie im juvenilen elektrischen Organ auf. Einzig im Gen KCNJ2 dominierte das Allel von C. rhynchophorus, mit zunehmender Dominanz mit fortschreitender Ontogenese. Dies stützt unsere Hypothese einer Beteiligung des KCNJ2-Gens an der Regulation der EOD-Dauer. Unsere Ergebnisse stellen einen wesentlichen Beitrag zum Verständnis des Einflusses der Genexpression auf die EOD-Diversifizierung bei afrikanischen schwach elektrischen Fischen dar. KW - tropical freshwater fish KW - weakly electric fish KW - genomics KW - transcriptomics KW - Genomik KW - Transkriptomik KW - tropische Süßwasserfische KW - schwach elektrischer Fisch Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-630172 ER - TY - THES A1 - Hagemann, Justus T1 - On the molecular evolution of sengis (Macroscelidea) N2 - This thesis focuses on the molecular evolution of Macroscelidea, commonly referred to as sengis. Sengis are a mammalian order belonging to the Afrotherians, one of the four major clades of placental mammals. Sengis currently consist of twenty extant species, all of which are endemic to the African continent. They can be separated in two families, the soft-furred sengis (Macroscelididae) and the giant sengis (Rhynchocyonidae). While giant sengis can be exclusively found in forest habitats, the different soft-furred sengi species dwell in a broad range of habitats, from tropical rain-forests to rocky deserts. Our knowledge on the evolutionary history of sengis is largely incomplete. The high level of superficial morphological resemblance among different sengi species (especially the soft-furred sengis) has for example led to misinterpretations of phylogenetic relationships, based on morphological characters. With the rise of DNA based taxonomic inferences, multiple new genera were defined and new species described. Yet, no full taxon molecular phylogeny exists, hampering the answering of basic taxonomic questions. This lack of knowledge can be to some extent attributed to the limited availability of fresh-tissue samples for DNA extraction. The broad African distribution, partly in political unstable regions and low population densities complicate contemporary sampling approaches. Furthermore, the DNA information available usually covers only short stretches of the mitochondrial genome and thus a single genetic locus with limited informational content. Developments in DNA extraction and library protocols nowadays offer the opportunity to access DNA from museum specimens, collected over the past centuries and stored in natural history museums throughout the world. Thus, the difficulties in fresh-sample acquisition for molecular biological studies can be overcome by the application of museomics, the research field which emerged from those laboratory developments. This thesis uses fresh-tissue samples as well as a vast collection museum specimens to investigate multiple aspects about the macroscelidean evolutionary history. Chapter 4 of this thesis focuses on the phylogenetic relationships of all currently known sengi species. By accessing DNA information from museum specimens in combination of fresh tissue samples and publicly available genetic resources it produces the first full taxon molecular phylogeny of sengis. It confirms the monophyly of the genus Elephantulus and discovers multiple deeply divergent lineages within different species, highlighting the need for species specific approaches. The study furthermore focuses on the evolutionary time frame of sengis by evaluating the impact of commonly varied parameters on tree dating. The results of the study show, that the mitochondrial information used in previous studies to temporal calibrate the Macroscelidean phylogeny led to an overestimation of node ages within sengis. Especially soft-furred sengis are thus much younger than previously assumed. The refined knowledge of nodes ages within sengis offer the opportunity to link e.g. speciation events to environmental changes. Chapter 5 focuses on the genus Petrodromus with its single representative Petrodromus tetradactylus. It again exploits the opportunities of museomics and gathers a comprehensive, multi-locus genetic dataset of P. tetradactylus individuals, distributed across most the known range of this species. It reveals multiple deeply divergent lineages within Petrodromus, whereby some could possibly be associated to previously described sub-species, at least one was formerly unknown. It underscores the necessity for a revision of the genus Petrodromus through the integration of both molecular and morphological evidence. The study, furthermore identifies changing forest distributions through climatic oscillations as main factor shaping the genetic structure of Petrodromus. Chapter 6 uses fresh tissue samples to extent the genomic resources of sengis by thirteen new nuclear genomes, of which two were de-novo assembled. An extensive dataset of more than 8000 protein coding one-to-one orthologs allows to further refine and confirm the temporal time frame of sengi evolution found in Chapter 4. This study moreover investigates the role of gene-flow and incomplete lineage sorting (ILS) in sengi evolution. In addition it identifies clade specific genes of possible outstanding evolutionary importance and links them to potential phenotypic traits affected. A closer investigation of olfactory receptor proteins reveals clade specific differences. A comparison of the demographic past of sengis to other small African mammals does not reveal a sengi specific pattern. N2 - Diese Dissertation untersucht die molekulare Evolution von Macroscelidea, auch als Sengis oder Rüsselspringer bezeichnet. Sengis sind eine Ordnung der Afrotheria, einer der vier Hauptkladen der plazentalen Säugetiere. Aktuell gibt es zwanzig beschriebene Sengiarten, die alle ausschließlich auf dem afrikanischen Kontinent vorkommen. Sengis können in zwei Familien unterteilt werden: die Elephantenspitzmäuse zusammen mit den Rüsselratten bilden die Macroscelididae und die Rüsselhündchen die Rhynchocyonidae. Während Rhynchocyonidae ausschließlich in Waldhabitaten zu finden sind, bewohnen verschiedene Macroscelididaearten ein breites Spektrum von Lebensräumen, von tropischen Regenwäldern bis zu felsigen Wüsten. Unser Wissen über die evolutionäre Geschichte der Sengis ist äußerst unvollständig. Der hohe Grad an morphologischer Ähnlichkeit zwischen verschiedenen Sengiarten (insbesondere innerhalb der Macroscelididae) hat beispielsweise zu Fehlinterpretationen phylogenetischer Beziehungen auf der Grundlage morphologischer Merkmale geführt. Mit dem Aufkommen DNA-basierter taxonomischer Forschung wurden mehrere neue Gattungen definiert und neue Arten beschrieben. Dennoch existiert derzeit keine vollständige molekulare Phylogenie, was die Beantwortung grundlegender taxonomischer Fragen und tiefergehende evolutionsbiologische Analysen erschwert. Dieser Mangel an Wissen kann zum Teil auf die begrenzte Verfügbarkeit von frischen Gewebeproben für die DNA-Extraktion zurückgeführt werden. Die weite Verbreitung in Afrika, teilweise in politisch instabilen Regionen und geringe Populationssdichten von Sengis erschweren das Sammeln von frischem Probenmaterial, was für die Extraktion von DNA genutzt werden kann. Darüber hinaus deckt die bis jetzt verfügbare DNA-Information über Sengis häufig nur kurze Abschnitte des mitochondrialen Genoms ab und damit einen einzelnen genetischen Lokus mit begrenztem Informationsgehalt. Fortentwicklungen von DNA-Extraktions-Protokollen und Library-Protokollen bieten heutzutage die Möglichkeit, auf DNA von Museumsexemplaren zuzugreifen, die über die letzten Jahrhunderte gesammelt und in Naturkundemuseen weltweit aufbewahrt werden. Somit können die Schwierigkeiten bei der Beschaffung von Frischproben für molekularbiologische Studien überwunden werden. Diese Dissertation verwendet sowohl Frischgewebeproben als auch eine umfangreiche Sammlung von Museumssproben, um verschiedene Aspekte der evolutionären Geschichte der Sengis molekularbiologisch zu untersuchen. Kapitel 4 dieser Dissertation konzentriert sich auf die phylogenetischen Beziehungen aller derzeit bekannten Sengiarten. Durch das Generieren von DNA-Information aus Museumsexemplaren in Kombination mit Frischgewebeproben und öffentlich verfügbaren genetischen Ressourcen wird die erste vollständige molekulare Phylogenie aller Rüsselspringer erzeugt. Die Studie bestätigt die Monophylie der Gattung Elephantulus und entdeckt mehrere tief divergente Linien innerhalb verschiedener Arten, was die Notwendigkeit speziesbezogener Ansätze verdeutlicht. Die Studie konzentriert sich außerdem auf den Zeitrahmen der Sengi-Evolution, indem sie die Auswirkungen häufig variierter Parameter auf die Datierung von Stammbäumen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die mitochondriale Information, die in früheren Studien zur zeitlichen Kalibrierung der Macroscelidean-Phylogenie verwendet wurde, zu einer Überschätzung des Alters von Arttrennungen innerhalb der Rüsselspringer geführt hat. Insbesondere die Macroscelididae sind daher viel jünger als zuvor angenommen. Das präzisere Wissen über das evolutionäre Alter von Rüsselspringern bietet die Möglichkeit, beispielsweise Artaufspaltungen mit Umweltveränderungen zu verknüpfen. Kapitel 5 konzentriert sich auf die Gattung Petrodromus mit ihrem einzigen Vertreter Petrodromus tetradactylus. Es nutzt erneut die Museomics und sammelt einen umfassenden, genetischen Datensatz von P. tetradactylus-Individuen, die über den größten Teil des bekannten Verbreitungsgebiets dieser Art verteilt sind. Es zeigt mehrere tief divergente Linien innerhalb von Petrodromus auf, wobei einige mit zuvor beschriebenen Unterarten in Verbindung gebracht werden könnten, mindestens eine aber zuvor unbekannt war. Die Ergebnisse verdeutlichen die Notwendigkeit einer taxonomischen Überarbeitung der Gattung Petrodromus durch das Zusammenführen sowohl molekularer als auch morphologischer Indizien. Die Studie identifizier außerdem sich ändernde Waldverteilungen durch klimatische Schwankungen als Hauptfaktor, der die genetische Struktur von Petrodromus formt. Kapitel 6 verwendet Frischgewebeproben, um die genomischen Ressourcen der Rüsselspringer durch dreizehn neue nukleare Genome zu erweitern, von denen zwei de-novo assembliert wurden. Ein umfangreicher Datensatz von mehr als 8000 protein-kodierenden 1:1-Orthologen ermöglicht es, den zeitlichen Rahmen der Rüsselspringerevolution, der in Kapitel 4 gefunden wurde, weiter zu verfeinern und zu bestätigen. Diese Studie untersucht außerdem die Rolle von Genfluss auf die Evolution der Rüsselspringer. Darüber hinaus identifiziert sie für bestimmte Kladen spezifische Gene von möglicherweise herausragender evolutionärer Bedeutung und verknüpft diese mit potenziell betroffenen phänotypischen Merkmalen. Eine genauere Untersuchung von Geruchsrezeptorproteinen zeigt kladespezifische Unterschiede auf. KW - sengis KW - evolution KW - molecular dating KW - biogeography KW - comparative genomics KW - Biogeographie KW - vergleichende Genomik KW - Evolution KW - molekulare Datierung KW - Sengis Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-641975 ER - TY - THES A1 - Montulet, Orianne T1 - Functional characterization of putative interactors of the Cellulose Synthase Complex T1 - Funktionelle Charakterisierung von mutmaßlichen Interaktoren des Cellulose-Synthase-Komplexes N2 - The plant cell wall plays several crucial roles during plant development with its integrity acting as key signalling component for growth regulation during biotic and abiotic stresses. Cellulose microfibrils, the principal load-bearing components is the major component of the primary cell wall, whose synthesis is mediated by microtubule-associated CELLULOSE SYNTHASE (CESA) COMPLEXES (CSC). Previous studies have shown that CSC interacting proteins COMPANION OF CELLULOSE SYNTHASE (CC) facilitate sustained cellulose synthesis during salt stress by promoting repolymerization of cortical microtubules. However, our understanding of cellulose synthesis during salt stress remains incomplete. In this study, a pull-down of CC1 protein led to the identification of a novel interactor, termed LEA-like. Phylogenetic analysis revealed that LEA-like belongs to the LATE EMBRYOGENESIS ABUNDANT (LEA) protein family, specifically to the LEA_2 subgroup, showing a close relationship with the CC proteins. Roots of the double mutants lea-like and its closest homolog emb3135 exhibited hypersensitivity when grown on cellulose synthesis inhibitors. Further analysis of higher-order mutants of lea-like, emb3135, and cesa6 demonstrated a genetic interaction between them indicating a significant role in cellulose synthesis. Live-cell imaging revealed that both LEA-like and EMB3135 migrated with the CSC at the plasma membrane along microtubule tracks in control and oryzalin-treated conditions which destabilize microtubules, suggesting a tight interaction. Investigation of fluorescently labeled lines of different domains of the LEA-like protein revealed that the N-terminal cytosolic domain of LEA-like colocalizes with microtubules, suggesting a physical association between the two. Considering the established role of LEA proteins in abiotic stress tolerance, we performed phenotypic analysis of the mutant under various stresses. Growth of double mutants of lea-like and emb3135 on NaCl containing media resulted in swelling of root cell indicating a putative role in salt stress tolerance. Supportive of this the quadruple mutant, lacking LEA-like, EMB3135, CC1, and CC2 proteins, exhibited a severe root growth defect on NaCl media compared to control conditions. Live-cell imaging revealed that under salt stress, the LEA-like protein forms aggregates in the plasma membrane. In conclusion, this study has unveiled two novel interactors of the CSC that act with the CC proteins that regulate plant growth in response to salt stress providing new insights into the intricate regulation of cellulose synthesis, particularly under such conditions. N2 - Die pflanzliche Zellwand spielt während der Pflanzenentwicklung mehrere entscheidende Rollen, wobei ihre Integrität als zentrale Signalkomponente für die Wachstumsregulierung bei biotischem und abiotischem Stress fungiert. Zellulose-Mikrofibrillen, die wichtigsten tragenden Komponenten, sind der Hauptbestandteil der primären Zellwand, deren Synthese durch Mikrotubuli assoziierte CELLULOSE SYNTHASE (CESA) Komplexe (CSC) vermittelt wird. Frühere Studien haben gezeigt, dass die mit den CSC interagierenden Proteinen COMPANION OF CELLULOSE SYNTHASE (CC) die anhaltende Zellulosesynthese bei Salzstress erleichtern, indem sie die Repolymerisation der kortikalen Mikrotubuli fördern. Unser Verständnis der Zellulosesynthese bei Salzstress ist jedoch noch unvollständig. In dieser Studie führte ein Pull-down des CC1-Proteins zur Identifizierung eines neuen Interaktors, der als LEA-like bezeichnet wird. Eine phylogenetische Analyse ergab, dass LEA-like zur Late Embryogenesis Abundant (LEA)-Proteinfamilie gehört, insbesondere zur LEA_2-Untergruppe, die eine enge Beziehung zu den CC-Proteinen aufweist. Die Wurzeln der Doppelmutanten lea-like und seines engsten Homologen emb3135 zeigten eine Überempfindlichkeit, wenn sie auf Zellulose-Synthese-Inhibitoren wuchsen. Weitere Analysen von Mutanten höherer Ordnung von lea-like, emb3135 und cesa6 zeigten eine genetische Interaktion zwischen ihnen, die auf eine bedeutende Rolle bei der Zellulosesynthese hinweist. Die Bildgebung in lebenden Zellen zeigte, dass sowohl LEA-like als auch EMB3135 mit dem CSC an der Plasmamembran entlang von Mikrotubuli-Spuren wandern, und zwar sowohl unter Kontrollbedingungen als auch unter Oryzalin-Behandlung, die die Mikrotubuli destabilisiert, was auf eine enge Interaktion hindeutet. Die Untersuchung von fluoreszenzmarkierten Linien verschiedener Domänen des LEA-like-Proteins ergab, dass die N-terminale zytosolische Domäne von LEA-like mit Mikrotubuli kolokalisiert, was auf eine physische Verbindung zwischen den beiden hindeutet. In Anbetracht der bekannten Rolle der LEA-Proteine bei der abiotischen Stresstoleranz haben wir eine phänotypische Analyse der Mutante unter verschiedenen Stressbedingungen durchgeführt. Das Wachstum von Doppelmutanten von lea-like und emb3135 auf NaCl-haltigen Medien führte zu einem Anschwellen der Wurzelzellen, was auf eine mutmaßliche Rolle bei der Salzstresstoleranz hindeutet. Die Vierfachmutante, der die Proteine LEA-like, EMB3135, CC1 und CC2 fehlen, wies im Vergleich zu den Kontrollbedingungen auf NaCl-Medien einen schweren Wachstumsdefekt der Wurzeln auf. Die Bildgebung in lebenden Zellen zeigte, dass das LEA-like-Protein unter Salzstress Aggregate in der Plasmamembran bildet. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Studie zwei neue Interaktoren des CSC aufgedeckt hat, die mit den CC-Proteinen zusammenwirken und das Pflanzenwachstum als Reaktion auf Salzstress regulieren. KW - cell wall KW - cellulose KW - salt stress KW - cellulose synthase complex KW - Arabidopsis KW - Zellwand KW - zellulose, Salzstress KW - Cellulose-Synthese-Complex KW - Arabidopsis Y1 - 2024 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 - Goa, Yang T1 - Chloroplast translational regulation during acclimation to low temperature and impact of knockouts of non-essential chloroplast tRNAs on ribosome behavior Y1 - ER - TY - THES A1 - Gulati, Sneha T1 - Impact of individual and combined abiotic and biotic stress on plant performance and bacterial root microbiota of tomato N2 - Nutzpflanzen sind zunehmend mit sowohl individuellem als auch kombiniertem abiotischem und biotischem Stress konfrontiert, die Wachstum und Ertrag stark beeinträchtigen. Pflanzen sind mit einer großen Anzahl an Mikroorganismen assoziiert, die sowohl nützlich als auch pathogen wirken können. Aufgrund der positiven Wirkung von nützlichen Mikroorganismen auf Wachstum und Gesundheit von Pflanzen ist dieses Potenzial in nachhaltigen Pflanzenproduktionssystemen zu nutzen. Kenntnisse darüber, wie individueller und kombinierter Stress die Leistung der Pflanze einschließlich deren Mikrobiom beeinflussen, sind derzeit begrenzt. Es stellt sich daher die Frage, wie abiotische Bedingungen (Salzstress, Trockenheit) insbesondere in Kombination mit biotischem Stress (Verticillium dahliae, Fusarium oxysporum) die Mikrobiota der Wurzel beeinflussen und dies die Leistung der Pflanze. Ziel dieser Arbeit war es, das Verständnis der Auswirkungen von individuellem und kombiniertem biotischem und abiotischem Stress auf die endophytische Mikrobiota der Wurzel und die Leistung der Pflanze zu verbessern. Die Untersuchungen erfolgen an der wirtschaftlich bedeutenden gartenbaulichen Kultur Tomate. Die Struktur der bakteriellen endophytischen Mikrobiota der Tomatenwurzel in Abhängigkeit von individuellem und kombiniertem abiotischem und biotischem Stress wurde mit kulturunabhängigen und -abhängigen Methoden analysiert. Die Ergebnisse der Analysen mittels beider Methoden zeigen, dass sowohl abiotische als auch biotische Stressbedingungen signifikant die Struktur der endophytischen Mikrobiota der Wurzel verändern und sich dies auf die Produktivität der Pflanze auswirkt. Insgesamt wurden 683 kultivierbare bakterielle Endophyten hinsichtlich ihrer pflanzenwachstumsfördernden (PGP) Eigenschaften in in vitro und in vivo charakterisiert. Im Ergebnis kulturabhängiger Analysen wurden Endophyten mit wiederholt positiver Wirkung auf das Pflanzenwachstum von Tomate unter individuellem und kombiniertem abiotischen und biotischen Stress selektiert. Die Behandlung von Pflanzen mit diesen nützlichen Mikroorganismen reduzierte den negativen Einfluss von Stress auf das Pflanzenwachstum. Im Weiteren können diese nützlichen Mikroorganismen zu Produkten für die Nutzung in nachhaltigen Pflanzensystemen entwickelt werden. Dazu sind jedoch weitere Untersuchungen insbesondere unter Feldbedingungen notwendig. Zukünftige Arbeiten sollten sich zudem auf die Verbesserung des Verständnisses der Funktionen von Endophyten in der Wurzel konzentrieren. Diese Kenntnisse könnten die Entwicklung neuer Strategien für den Pflanzenschutz unterstützen. N2 - Recently crops encounter an increased number of individual and combined abiotic and biotic stress, which severely affect their growth and yield. Plants are associated with a large number of microorganisms including beneficial as well as pathogenic microorganisms. The interaction of plants with beneficial microorganisms can exert a substantial impact on plant growth and health and their potential can be utilized in sustainable plant production systems. Currently, climate change will increase the impact of stress on crops which will more likely be exposed to combined abiotic and biotic stress. At present, knowledge on how abiotic and biotic stress and the combination of both stresses affect the plant performance and the microbiome is limited. Soil-borne pathogens are responsible for relevant economic losses and are difficult to control. The root bacterial endophytes have shown potential in alleviating stress on plants and improving crop yield and quality. This raises the question how individual abiotic stress like salinity (ionic) and drought (osmotic) and the combination with biotic stress (Verticillium dahliae or Fusarium oxysporum) affects the root microbiota and thus the performance of the plant. Therefore, the goal of this thesis was to improve the understanding of the impact of individual and combined biotic and abiotic stress especially the endophytic root microbiota and thus plant performance. The work is focused on the economically important horticultural crop tomato. The bacterial rootendophytes of tomato plants exposed to individual and combined abiotic and biotic stress was studied with culture-independent and culture-dependent methods. Bacterial root endophytes obtained from tomato roots exposed to individual and combined stress were characterized for their traits that are beneficial to plant growth and health in in vitro and in vivo assays. Finally, the efficacy of selected endophytes in alleviating individual and combined abiotic and biotic stress in tomato plants was assessed. Furthermore, stress conditions can alter the composition of root exudates and volatiles, which may in turn affect the root microbiota assembly. Therefore, the volatile profiles of healthy and pathogen (F. oxysporum) infected tomato roots grown in soil was investigated. A soil olfactometer was established to study the impact of root volatiles of healthy and infected tomato on migration of applied beneficial bacteria. The results of tomato characteristics (plant growth, photosynthesis rate) confirmed the negative effect of individual abiotic and biotic stress reported in other studies. However, the response of combined abiotic stress with biotic stress on plant growth varied depending on the type of combined stress.. For instance, a significant higher negative impact on plant growth was observed when tomato plants were cultivated under ionic stress and infected with F. oxysporum. No additional negative effect on plant growth was observed when tomato was infected with V. dahliae. Both culture-dependent and cultureindependent analyses of the root microbiota revealed that individual and combined abiotic and biotic stress alter the root microbiota structure and diversity of tomato. A significantly lower number of cultivable root endophytes was obtained from roots exposed to ionic stress. 16S rRNA amplicon analysis revealed a stronger impact on the diversity of root-associated bacteria in comparison to biotic stress. The endophytes were characterized as member of the phyla Proteobacteria, Actinobacteria and Firmicutes, and members of Bacteriodetes were only detected by culture-independent approach. A total of 683 cultivable bacterial endophytes were characterized using various in vitro and in vivo plant growth-promoting (PGP) assays. As expected, the highest number of root endophytes with tolerance to ionic stress were obtained from tomato roots exposed to ionic stress. Comparably, a high percentage of root endophytes isolated from roots exposed to osmotic were tolerant to osmotic stress showing that the environment affects the selection of microorganisms by the plant. Interestingly, endopyhtes obtained from roots exposed to abiotic stress showed no traits related to plant growth promotion. Based on in vivo and in vitro traits, five selected endophytes were able to alleviate abiotic and biotic stress on plants. These endophytes were obtained from tomato roots infected with V. dahliae. The blend of root emitted volatiles also differed between healthy and F. oxysporum infected tomato plants. The olfactometer setup results highlighted that root volatiles were involved in attraction of bacteria to the plant roots and beneficial bacteria were observed to migrate towards both, diseased and healthy plants in comparable density. It is proposed that root volatiles from healthy and pathogen infected plants not only work as signals but are also used as an energy source for the rhizosphere bacteria. Concluding, the results of this study indicate that abiotic and biotic stress altered the bacterial rootendophytes and thus affects plant performance. The treatment of plants with beneficial microorganisms reduced the negative impact of stress conditions on plant performance. However, more studies using the selected isolates must be performed in the field for drawing inferences on the efficacy of the selected bacterial isolates in ameliorating the effect of abiotic and biotic stress in plants. The extensive isolate collection will serve as a basis for conducting investigations of root-associated bacteria on plant performance. This is important for the development of new plant protection strategies. KW - F. oxysporum KW - V. dahliae KW - root volatiles KW - root microbiota KW - plant-microbe interaction KW - tomato(Solanum lycopersicum) Y1 - 2020 CY - Potsdam ER - TY - THES A1 - Mumm, Rebekka T1 - Eat and you should grow BT - nutritional and social influence on height in children and adolescents Y1 - ER - TY - THES A1 - Colangeli, Pierluigi T1 - From pond metacommunities to life in a droplet BT - causes and consequences of movement in zooplankton Y1 - ER - TY - THES A1 - Mitrova, Biljana T1 - Bioelectrochemical investigation of E. coli TMAO reductase and R. capsulatus formate dehydrogenase BT - From small to complex molybdoenzymes Y1 - ER - TY - THES A1 - De Cahsan, Binia T1 - Introgressive hybridization in northern range margin populations of the European fire-bellied toad (Bombina bombina) N2 - The European fire-bellied toad (Bombina bombina) is regarded as one of the most threatened species of amphibians in central Europe and is particularly affected by environmental perturbations. During the last decades population numbers in Germany have declined drastically due to pollution, eutrophication and habitat fragmentation. Illegal translocations resulted in an introgression from southern genotypes (probably Austrian) into three local Bombina populations (Northern Germany and Southern Sweden) belonging to the northern lineage of the species. Interestingly, these populations show high frequencies of allochthonous (non-local) alleles at multiple loci and outperform the autochthonous populations in terms of their body condition. Over a time period of ten years, I could show that the Southern lineage haplo- and genotypes are still present in the North and that frequencies of introgressed haplotypes in allochthonous populations did not increase over time. However, the introgression itself expanded towards adjacent populations while the overall haplotype diversity has decreased. In contrast, southern lineage genotypes for two candidate genes under selection, the (immunity) MHC class II gene, as well as the (temperature) stress response HSP70 kDa gene, either do not occur at all or only at low frequencies in northern populations. Furthermore, these alleles do not seem to follow the introgression pattern, as they are also present in non-introgressed populations. This thesis tested two possible outcomes of introgressive hybridization in Northern B. bombina populations: (1) local populations (autochthonous) of Bombina bombina are highly adapted to their environments so that introgression of alien genes causes outbreeding depression or (2) local populations of Bombina bombina potentially lack adaptive variation so that introgression of alien genes causes genetic rescue and promotes adaptive change. I found that this unintentional experiment, as a result of illegal translocations imitating introgression of alien genes coming from a southern population (potentially adapted to warmer climate) into a northern lineage (potentially adapted to local pathogens), has increased the genetic diversity and improved fitness in introgressed northern populations, without disrupting local adaptation in the threatened amphibian species B. bombina, favouring the genetic rescue hypothesis. These results and conclusions represent relevant information for future conservation plans, including supportive breeding programmes for fire-bellied toads in Northern Germany and Southern Sweden. N2 - Die Europäische Rotbauchunke (B. bombina) gilt als eine der meist bedrohten Amphibienarten Zentraleuropas und ist besonders betroffen von Umweltveränderungen und damit einhergehenden ökologischen Störungen. In den letzten Jahrzehnten sind die Populationsbestände in Deutschland durch Umweltverschmutzung, Überdüngung sowie Habitatfragmentierung drastisch zurückgegangen. Illegale Translokationen haben zu einer Introgression von südlichen Genotypen (mutmaßlich aus Österreich stammend) in drei lokalen Bombina-Populationen (Norddeutschland und Südschweden), die zur nördlichen Artabstammungslinie gehören, geführt. Interessanterweise zeigen diese Populationen allochthone (nicht lokale) Allele an mehreren Loci in hoher Frequenz und übertreffen die autochthonen Populationen in ihrer körperlichen Fitness. Diese Arbeit konnte dokumentieren, dass nach einem Zeitraum von zehn Jahren die Haplo- und Genotypen der südlichen Linie noch immer im Norden vorhanden sind und sich die Frequenz in allochthonen Populationen seitdem nicht erhöht hat. Trotzalledem konnte gezeigt werden, dass eine weitere Ausbreitung der Introgression in nahegelegene Populationen stattfand, während sich die Gesamthaplotypendiversität jedoch verringert hat. Im Gegensatz dazu, kommen südliche Allele bei Genen, welche unter Selektionsdruck stehen, beispielsweise die Immunitäts-MHCKlasse-II-Gene und das in die Temperatur- und Stressantwort involvierte HSP70-kDa-Gen, entweder gar nicht oder nur in geringer Frequenz in den nördlichen Populationen vor. Zusätzlich dazu scheinen diese Allele nicht dem Introgressionsmuster zu folgen, da sie auch in nicht-introgressierten Populationen vorzufinden sind. Diese Arbeit diente der Untersuchung zweier möglicher Folgen von introgressiver Hybridisierung in nördlichen B. bombina Populationen: (1) lokale B. bombina Populationen (autochthon) sind hochgradig angepasst an ihre nördliche Umwelt, so dass Introgression von Fremdallelen Auszuchtdepression (outbreeding depression) verursacht oder (2) lokale B. bombina Populationen (autochthon) haben womöglich geringe genetische Anpassungsvariation, so dass Introgression von Fremdgenen eine genetische Rettung (genetic rescue) darstellt und so adaptive Veränderungen fördert. Dieses ungeplante Experiment, das Introgression von Fremdgenen einer südlichen Abstammungslinie (potentiell angepasst an wärmeres Klima) in die nördliche Linie (potentiell angepasst an lokale Pathogene) als Folge von illegaler Aussetzung aufzeigt, führte zu einer Steigerung der genetischen Diversität und Fitness in von Introgression betroffenen, nördlichen Populationen ohne dabei die lokale Anpassung dieser bedrohten Amphibienart zu zerstören. Dies entspräche der Genetic-Rescue-Hypothese. Die in dieser Arbeit gewonnenen Ergebnisse und Schlussfolgerungen sind wichtige und relevante Informationen für zukünftige Naturschutzmaßnahmen und deren Managementstrategien, einschließlich unterstützende Zuchtprogramme für Rotbauchunken-Populationen in Norddeutschland und Südschweden. KW - Genetic rescue KW - Bombina bombina KW - Amphibians KW - conservation genetics KW - Introgression KW - Genetische Rettung KW - Bombina bombina KW - Amphibien KW - Naturschutzgenetik KW - Introgression Y1 - CY - Potsdam ER -