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 - Kindermann, Liana T1 - Trees, shrubs, and land-use change T1 - Bäume, Büsche und Landnutzungswandel BT - The future of carbon storage in an African Savanna BT - Die Zukunft der Kohlenstoffspeicherung in einer Afrikanischen Savanne N2 - The global drylands cover nearly half of the terrestrial surface and are home to more than two billion people. In many drylands, ongoing land-use change transforms near-natural savanna vegetation to agricultural land to increase food production. In Southern Africa, these heterogenous savanna ecosystems are also recognized as habitats of many protected animal species, such as elephant, lion and large herds of diverse herbivores, which are of great value for the tourism industry. Here, subsistence farmers and livestock herder communities often live in close proximity to nature conservation areas. Although these land-use transformations are different regarding the future they aspire to, both processes, nature conservation with large herbivores and agricultural intensification, have in common, that they change the vegetation structure of savanna ecosystems, usually leading to destruction of trees, shrubs and the woody biomass they consist of. Such changes in woody vegetation cover and biomass are often regarded as forms of land degradation and forest loss. Global forest conservation approaches and international programs aim to stop degradation processes, also to conserve the carbon bound within wood from volatilization into earth’s atmosphere. In search for mitigation options against global climate change savannas are increasingly discussed as potential carbon sinks. Savannas, however, are not forests, in that they are naturally shaped by and adapted to disturbances, such as wildfires and herbivory. Unlike in forests, disturbances are necessary for stable, functioning savanna ecosystems and prevent these ecosystems from forming closed forest stands. Their consequently lower levels of carbon storage in woody vegetation have long been the reason for savannas to be overlooked as a potential carbon sink but recently the question was raised if carbon sequestration programs (such as REDD+) could also be applied to savanna ecosystems. However, heterogenous vegetation structure and chronic disturbances hamper the quantification of carbon stocks in savannas, and current procedures of carbon storage estimation entail high uncertainties due to methodological obstacles. It is therefore challenging to assess how future land-use changes such as agricultural intensification or increasing wildlife densities will impact the carbon storage balance of African drylands. In this thesis, I address the research gap of accurately quantifying carbon storage in vegetation and soils of disturbance-prone savanna ecosystems. I further analyse relevant drivers for both ecosystem compartments and their implications for future carbon storage under land-use change. Moreover, I show that in savannas different carbon storage pools vary in their persistence to disturbance, causing carbon bound in shrub vegetation to be most likely to experience severe losses under land-use change while soil organic carbon stored in subsoils is least likely to be impacted by land-use change in the future. I start with summarizing conventional approaches to carbon storage assessment and where and for which reasons they fail to accurately estimated savanna ecosystem carbon storage. Furthermore, I outline which future-making processes drive land-use change in Southern Africa along two pathways of land-use transformation and how these are likely to influence carbon storage. In the following chapters, I propose a new method of carbon storage estimation which is adapted to the specific conditions of disturbance-prone ecosystems and demonstrate the advantages of this approach in relation to existing forestry methods. Specifically, I highlight sources for previous over- and underestimation of savanna carbon stocks which the proposed methodology resolves. In the following chapters, I apply the new method to analyse impacts of land-use change on carbon storage in woody vegetation in conjunction with the soil compartment. With this interdisciplinary approach, I can demonstrate that indeed both, agricultural intensification and nature conservation with large herbivores, reduce woody carbon storage above- and belowground, but partly sequesters this carbon into the soil organic carbon stock. I then quantify whole-ecosystem carbon storage in different ecosystem compartments (above- and belowground woody carbon in shrubs and trees, respectively, as well as topsoil and subsoil organic carbon) of two savanna vegetation types (scrub savanna and savanna woodland). Moreover, in a space-for-time substitution I analyse how land-use changes impact carbon storage in each compartment and in the whole ecosystem. Carbon storage compartments are found to differ in their persistence to land-use change with carbon bound in shrub biomass being least persistent to future changes and subsoil organic carbon being most stable under changing land-use. I then explore which individual land-use change effects act as drivers of carbon storage through Generalized Additive Models (GAMs) and uncover non-linear effects, especially of elephant browsing, with implications for future carbon storage. In the last chapter, I discuss my findings in the larger context of this thesis and discuss relevant implications for land-use change and future-making decisions in rural Africa. N2 - Weltweit bedecken Trockengebiete fast die Hälfte der Erdoberfläche und sind die Heimat von mehr als zwei Milliarden Menschen. In vielen Regionen wird durch den fortschreitenden Landnutzungswandel die naturnahe Savannenvegetation in landwirtschaftliche Flächen umgewandelt, um die Nahrungsmittelproduktion zu steigern. Im südlichen Afrika sind diese diversen Savannenökosysteme auch als Lebensraum für viele geschützte Tierarten wie Elefanten, Löwen und große Herden vielfältiger Pflanzenfresser bekannt, die großen Wert für die Tourismusbranche haben. Im Umfeld vieler großer Schutzgebiete leben Kleinbauern und Viehhirten oft in unmittelbarer Nachbarschaft zu diesen – oft gefährlichen – Tieren. Obwohl sich beide Landnutzungen im Hinblick darauf unterscheiden welche Zukunftsvision verfolgt wird, haben sie doch beide gemeinsam, dass sowohl Schutzgebiete mit großen Pflanzenfressern wie Elefanten als auch die Landwirtschaft, die Vegetationsstruktur von Savannenökosystemen verändern. In der Regel reduzieren beide Prozesse die holzige Biomasse im Ökosystem, indem Bäume und Sträucher entfernt, zerstört oder durch Fraßverhalten und Holzeinschlag geschädigt werden. Solche Veränderungen der holzigen Vegetationsschicht samt Einflüssen auf die Biomasse werden oft als Formen von Umweltzerstörung oder Waldverlust betrachtet. Globale Waldschutzkonzepte und internationale Programme zielen darauf ab, solche Degradationsprozesse zu stoppen und den im Holz gebundenen Kohlenstoff vor der Verflüchtigung in die Erdatmosphäre zu bewahren. Auf der Suche nach Möglichkeiten zur Eindämmung des globalen Klimawandels werden Savannen zunehmend als potenzielle Kohlenstoffsenken diskutiert. Savannen sind von Wäldern jedoch fundamental verschieden, da sie von Natur aus durch starke Störungen, wie z. B. Elefantenfraß und Buschfeuer, geprägt und an diese evolutionär angepasst sind. Anders als in Wäldern sind hier Störungen für Funktion und Stabilität von offenen Savannenökosysteme notwendig und verhindern, dass sie sich zu geschlossenen Waldbeständen oder undurchdringlichen Gestrüppen entwickeln. Folglich ist die Kohlenstoffspeicherung in der holzigen Vegetation in Savannen geringer als in Wäldern und dies war lange Zeit der Grund dafür, dass Savannen keine Beachtung als potenzielle Kohlenstoffsenke fanden. In letzter Zeit wurde jedoch zunehmend die Frage aufgeworfen, ob Programme zur Kohlenstoffbindung (wie REDD+) auch auf Savannenökosysteme angewendet werden könnten. Die heterogene Vegetationsstruktur und chronischen Störungen erschweren jedoch erheblich die Quantifizierung der Kohlenstoffvorräte in Savannen, so dass die derzeitigen Verfahren zur Schätzung der Kohlenstoffspeicherung aufgrund methodischer Hindernisse mit großen Unsicherheiten verbunden sind. Daher ist es auch schwierig abzuschätzen, wie sich künftige Landnutzungsänderungen wie die Intensivierung der Landwirtschaft oder die Erhöhung von Wildtierdichten auf die Kohlenstoffspeicher der afrikanischen Trockengebiete auswirken werden. In dieser Arbeit fasse ich zunächst die konventionellen Ansätze zur Quantifizierung von Kohlenstoffspeichern zusammen und zeige auf, wo und aus welchen Gründen sie in Savannenökosystemen versagen. Darüber hinaus skizziere ich entlang zweier Pfade der Landnutzungsänderung, welche Zukunftsvorstellungen den Landnutzungswandel im südlichen Afrika vorantreiben und wie diese voraussichtlich die Kohlenstoffspeicherung beeinflussen werden. In den folgenden Kapiteln entwickele ich eine neue Methode zur Schätzung der Kohlenstoffspeicherung, die an die spezifischen Bedingungen störungsanfälliger Ökosysteme angepasst ist, und zeige die Vorteile dieses Ansatzes gegenüber den bisherigen forstwirtschaftlichen Methoden auf. In den beiden daran anschließenden Kapiteln wende ich die neue Methode an, um die Auswirkungen von Landnutzungsänderungen auf die Kohlenstoffspeicherung zu analysieren und berücksichtige dabei auch das Verhältnis von holziger Biomasse zu im Boden gespeichertem Kohlenstoff. Mit diesem interdisziplinären Ansatz kann ich zeigen, dass sowohl die Intensivierung der Landwirtschaft als auch der Naturschutz mit großen Pflanzenfressern die ober- und unterirdische Kohlenstoffspeicherung in Büschen und Bäumen verringern, dieser Kohlenstoff jedoch nicht verloren geht, sondern teilweise in den organischen Kohlenstoffbestand des Bodens eingelagert wird. Anschließend quantifiziere ich die Kohlenstoffspeicherung im gesamten Ökosystem sowie in verschiedenen Ökosystemkompartimenten (ober- und unterirdischer Holzkohlenstoff in Sträuchern bzw. Bäumen sowie organischer Kohlenstoff im Ober- und Unterboden) von zwei verschiedenen Vegetationstypen der Studienregion. Darüber hinaus analysiere ich in einer Raum-Zeit-Substitution, wie sich zukünftige Landnutzungsänderungen auf die Kohlenstoffspeicherung in jedem Kompartiment und im gesamten Ökosystem auswirken. Die hier untersuchten Kohlenstoffspeicher unterscheiden sich in ihrer Beständigkeit gegenüber Landnutzungsänderungen, wobei jener Kohlenstoff, der in der Strauchbiomasse gebunden ist sich als am wenigsten beständig gegenüber künftigen Änderungen herausgestellt hat; demgegenüber ist der organische Kohlenstoff im Unterboden bei veränderter Landnutzung am stabilsten. Anschließend untersuche ich mit Hilfe von statistischen Modellen (Generalized Additive Models, GAMs), welche individuellen Landnutzungsfaktoren die Kohlenstoffspeicherung beeinflussen, und decke nichtlineare Effekte auf. Insbesondere Elefantenfraß kann zunächst positive Auswirkungen auf die Kohlenstoffspeicherung haben, die sich bei weiterer Intensivierung jedoch ins Gegenteil verkehrt. Dies muss bei zukünftigen Planungen berücksichtigt werden. Im letzten Kapitel diskutiere ich meine Ergebnisse im größeren Kontext dieser Arbeit und erörtere relevante Implikationen für Landnutzungsänderungen und zukünftige Entscheidungen. KW - biology KW - plant ecology KW - carbon storage KW - savanna KW - woodland KW - vegetation ecology KW - disturbance ecology KW - soil organic carbon KW - Biologie KW - Kohlenstoffspeicherung KW - Störungsökologie KW - Pflanzenökologie KW - Savanne KW - Organischer Bodenkohlenstoff KW - Vegetationsökologie KW - Baumsavanne Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-648943 ER - 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 - Karakas, Esra T1 - High-resolution studies of epistasis in tomato metabolism T1 - Hochauflösende Studien zur Epistasierung des Tomatenstoffwechsels N2 - The inclusion of exotic germplasm serves as a crucial means to enhance allelic and consequently phenotypic diversity in inbred crop species. Such species have experienced a reduction in diversity due to artificial selection focused on a limited set of traits. The natural biodiversity within ecosystems presents an opportunity to explore various traits influencing plant survival, reproductive fitness and yield potential. In agricultural research, the study of wild species closely related to cultivated plants serves as a means to comprehend the genetic foundations of past domestication events and the polymorphisms essential for future breeding efforts to develop superior varieties. In order to examine the metabolic composition, pinpoint quantitative trait loci (QTL) and facilitate their resolution an extensive large-scale analysis of metabolic QTL (mQTL) was conducted on tomato backcross inbred lines (BILs) derived from a cross between the wild species S. pennellii (5240) incorporated into the background of S. lycopersicum cv. LEA determinate inbred which can be grown in open fields and cv. TOP indeterminate which can be grown in greenhouse conditions. A large number of mQTL associated with primary secondary and lipid metabolism in fruit were identified across the two BIL populations. Epistasis, the interactions between genes at different loci, has been an interest in molecular and quantitative genetics for many decades. The study of epistasis requires the analysis of very large populations with multiple independent genotypes that carry specific genomic regions. In order to understand the genetic basis of tomato fruit metabolism, I extended the work to investigate epistatic interactions of the genomic regions. In addition, two candidate genes were identified through quantitative trait loci underlying fruit-specific sucrose and jasmonic acid derivatives. Finally, in this study, I assessed the genetic framework of fruit metabolic traits with a high level of detail, utilizing the newly created Solanum pennellii (5240) backcrossed introgression lines (n=3000). This investigation resulted in the discovery of promising candidate loci associated with significant fruit quality traits, including those to the abundance of glutamic acid and aspartic acid crucial elements contributing to the development of acidity and flavors. N2 - Die Einbeziehung von exotischem Keimplasma ist ein wichtiges Mittel zur Verbesserung der allelischen und folglich auch der phänotypischen Vielfalt bei Inzuchtpflanzenarten. Bei diesen Arten hat die künstliche Selektion, die sich auf eine begrenzte Anzahl von Merkmalen konzentriert, zu einem Rückgang der Vielfalt geführt. Die natürliche Artenvielfalt in Ökosystemen bietet die Möglichkeit, verschiedene Merkmale zu erforschen, die das Überleben, die Reproduktionsfähigkeit und das Ertragspotenzial von Pflanzen beeinflussen. In der Agrarforschung dient die Untersuchung von Wildarten, die eng mit Kulturpflanzen verwandt sind, als Mittel zum Verständnis der genetischen Grundlagen vergangener Domestizierungsereignisse und der Polymorphismen, die für künftige Züchtungsbemühungen zur Entwicklung besserer Sorten wichtig sind. Um die metabolische Zusammensetzung zu untersuchen, quantitative Merkmalsloci (QTL) zu identifizieren und ihre Auflösung zu erleichtern, wurde eine umfangreiche Analyse metabolischer QTL (mQTL) an Tomaten-Rückkreuzungs-Inzuchtlinien (BILs) durchgeführt, die aus einer Kreuzung zwischen der Wildart S. pennellii (5240), die in den Hintergrund von S. lycopersicum cv. LEA determinate inbred, die im Freiland angebaut werden kann, und cv. TOP indeterminate, die unter Gewächshausbedingungen angebaut werden kann. In den beiden BIL-Populationen wurde eine große Anzahl von mQTL identifiziert, die mit dem primären Sekundär- und Lipidstoffwechsel in der Frucht in Verbindung stehen. Epistase, die Wechselwirkungen zwischen Genen an verschiedenen Loci, ist seit vielen Jahrzehnten ein Thema in der molekularen und quantitativen Genetik. Die Untersuchung der Epistase erfordert die Analyse sehr großer Populationen mit mehreren unabhängigen Genotypen, die bestimmte genomische Regionen tragen. Um die genetischen Grundlagen des Tomatenfruchtstoffwechsels zu verstehen, habe ich die Arbeit erweitert, um epistatische Interaktionen der genomischen Regionen zu untersuchen. Darüber hinaus wurden zwei Kandidatengene identifiziert, die über quantitative Merkmalsloci den fruchttypischen Saccharose- und Jasmonsäurederivaten zugrunde liegen. Schließlich habe ich in dieser Studie das genetische Gerüst der Fruchtstoffwechselmerkmale mit einem hohen Detaillierungsgrad bewertet, wobei ich die neu geschaffenen Solanum pennellii (5240) Rückkreuzungslinien (n=3000) verwendet habe. Diese Untersuchung führte zur Entdeckung vielversprechender Kandidatenloci, die mit bedeutenden Fruchtqualitätsmerkmalen assoziiert sind, einschließlich derjenigen, die mit der Fülle von Glutaminsäure und Asparaginsäure in Verbindung stehen - entscheidende Elemente, die zur Entwicklung von Säure und Aromen beitragen. KW - Epistasis KW - QTL mapping KW - metabolomics KW - backcross inbred line (BIL) KW - Epistase KW - QTL KW - Metabolomik KW - Rückkreuzungsinzuchtlinie (BIL) Y1 - 2024 ER - TY - THES A1 - Arend, Marius T1 - Comparing genome-scale models of protein-constrained metabolism in heterotrophic and photosynthetic microorganisms N2 - Genome-scale metabolic models are mathematical representations of all known reactions occurring in a cell. Combined with constraints based on physiological measurements, these models have been used to accurately predict metabolic fluxes and effects of perturbations (e.g. knock-outs) and to inform metabolic engineering strategies. Recently, protein-constrained models have been shown to increase predictive potential (especially in overflow metabolism), while alleviating the need for measurement of nutrient uptake rates. The resulting modelling frameworks quantify the upkeep cost of a certain metabolic flux as the minimum amount of enzyme required for catalysis. These improvements are based on the use of in vitro turnover numbers or in vivo apparent catalytic rates of enzymes for model parameterization. In this thesis several tools for the estimation and refinement of these parameters based on in vivo proteomics data of Escherichia coli, Saccharomyces cerevisiae, and Chlamydomonas reinhardtii have been developed and applied. The difference between in vitro and in vivo catalytic rate measures for the three microorganisms was systematically analyzed. The results for the facultatively heterotrophic microalga C. reinhardtii considerably expanded the apparent catalytic rate estimates for photosynthetic organisms. Our general finding pointed at a global reduction of enzyme efficiency in heterotrophy compared to other growth scenarios. Independent of the modelled organism, in vivo estimates were shown to improve accuracy of predictions of protein abundances compared to in vitro values for turnover numbers. To further improve the protein abundance predictions, machine learning models were trained that integrate features derived from protein-constrained modelling and codon usage. Combining the two types of features outperformed single feature models and yielded good prediction results without relying on experimental transcriptomic data. The presented work reports valuable advances in the prediction of enzyme allocation in unseen scenarios using protein constrained metabolic models. It marks the first successful application of this modelling framework in the biotechnological important taxon of green microalgae, substantially increasing our knowledge of the enzyme catalytic landscape of phototrophic microorganisms. N2 - Genomweite Stoffwechselmodelle sind mathematische Darstellungen aller bekannten Reaktionen, die in einer Zelle ablaufen. In Kombination mit Einschränkungen, die auf physiologischen Messungen beruhen, wurden diese Modelle zur genauen Vorhersage von Stoffwechselflüssen und Auswirkungen von Manipulationene (z. B. Knock-outs) sowie zum Entwerfen von Metabolic Engineering Strategien verwendet. In jüngster Zeit hat sich gezeigt, dass proteinlimitierte Modelle, welche die Menge an Proteinen in einer Zelle als Modelbeschränkungen integrieren, ein erweitertes Modellierungspotenzial besitzen (insbesondere beim Überflussstoffwechsel) und gleichzeitig die Messungen der Nährstoffaufnahmerate eines Organismus optional machen. Die resultierenden Modelle quantifizieren die Unterhaltskosten eines bestimmten Stoffwechselflusses als die für die Katalyse erforderliche Mindestmenge an Enzymen. Die beobachtete Verbesserungen in den Voraussagefähigkeiten solcher Modelle werden durch die Parameterisierung mit unterschiedlichen in vitro und in vivo Approximationen der maximalen katalytischen Effizienz (Wechselzahl) aller Enyzme eines Organismus ermöglicht. In dieser Arbeit wurden verschiedene Verfahren zur Schätzung und Verfeinerung dieser Parameter auf der Grundlage von in vivo Proteomikdaten der Organismen Escherichia coli, Saccharomyces cerevisiae und Chlamydomonas reinhardtii entwickelt und angewendet. Der Unterschied zwischen den in vitro und in vivo berechneten katalytischen Raten für die drei Mikroorganismen wurde systematisch analysiert. Die Ergebnisse für die fakultativ heterotrophe Mikroalge C. reinhardtii erweitern die Menge an verfügbaren enzymkatalytischen Parametern für photosynthetische Organismen erheblich. Weiterhin deuten unsere Ergbnisse für C. reinhardtii auf eine globale Verringerung der Enzymeffizienz bei Heterotrophie im Vergleich zu anderen Wachstumsszenarien hin. Unabhängig vom modellierten Organismus konnte gezeigt werden, dass geschätzte in vivo Wechselzahlen die Genauigkeit der Vorhersagen von Proteinmengen im Vergleich zu in vitro Werten verbessern. Um die Vorhersagen von Proteinmengen weiter zu verbessern, wurden Modelle aus dem Bereich des maschinellen Lernens trainiert, die Prediktoren basierend auf der proteinlimitierten Modellierung und der Proteinsequenz integrieren. Die Kombination der beiden Arten von Prediktoren übertraf die Leistung von Modellen mit nur einer Art von Prediktoren und lieferte gute Vorhersageergebnisse, ohne auf experimentelle Transkriptionsdaten angewiesen zu sein. Die vorgestellte Arbeit stellt einen wertvollen Fortschritt bei der Vorhersage der Enzymallokation in unbekannten Szenarien unter Verwendung von proteinlimitierten Stoffwechselmodellen dar. Sie markiert die erste erfolgreiche Anwendung dieses Modellierungsverfahren in dem biotechnologisch wichtigen Taxon der grünen Mikroalgen und erweitert unser Wissen über die enzymkatalytische Landschaft phototropher Mikroorganismen entscheidend. T2 - Vergleich und Analyse genomweiter Modelle des protein-limitierten Metabolismus in heterotrophen und photosynthetischen Microorganismen KW - Metabolic Modeling KW - Systems Biology KW - Computational Biology KW - Proteomics KW - computergestützte Biologie KW - metabolische Modellierung KW - Proteomics KW - Systembiologie Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-651470 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 - 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 - Wojcik, Laurie Anne Myriam T1 - Beyond a single diversity facet: implications for the links between biodiversity, environmental changes and ecosystem functioning T1 - Mehr als eine einzelne Facette der Biodiversität: Auswirkungen auf die Verbindungen zwischen Biodiversität, Umweltveränderungen und der Funktionalität von Ökosystemen N2 - Human activities modify nature worldwide via changes in the environment, biodiversity and the functioning of ecosystems, which in turn disrupt ecosystem services and feed back negatively on humans. A pressing challenge is thus to limit our impact on nature, and this requires detailed understanding of the interconnections between the environment, biodiversity and ecosystem functioning. These three components of ecosystems each include multiple dimensions, which interact with each other in different ways, but we lack a comprehensive picture of their interconnections and underlying mechanisms. Notably, diversity is often viewed as a single facet, namely species diversity, while many more facets exist at different levels of biological organisation (e.g. genetic, phenotypic, functional, multitrophic diversity), and multiple diversity facets together constitute the raw material for adaptation to environmental changes and shape ecosystem functioning. Consequently, investigating the multidimensionality of ecosystems, and in particular the links between multifaceted diversity, environmental changes and ecosystem functions, is crucial for ecological research, management and conservation. This thesis aims to explore several aspects of this question theoretically. I investigate three broad topics in this thesis. First, I focus on how food webs with varying levels of functional diversity across three trophic levels buffer environmental changes, such as a sudden addition of nutrients or long-term changes (e.g. warming or eutrophication). I observed that functional diversity generally enhanced ecological stability (i.e. the buffering capacity of the food web) by increasing trophic coupling. More precisely, two aspects of ecological stability (resistance and resilience) increased even though a third aspect (the inverse of the time required for the system to reach its post-perturbation state) decreased with increasing functional diversity. Second, I explore how several diversity facets served as a raw material for different sources of adaptation and how these sources affected multiple ecosystem functions across two trophic levels. Considering several sources of adaptation enabled the interplay between ecological and evolutionary processes, which affected trophic coupling and thereby ecosystem functioning. Third, I reflect further on the multifaceted nature of diversity by developing an index K able to quantify the facet of functional diversity, which is itself multifaceted. K can provide a comprehensive picture of functional diversity and is a rather good predictor of ecosystem functioning. Finally I synthesise the interdependent mechanisms (complementarity and selection effects, trophic coupling and adaptation) underlying the relationships between multifaceted diversity, ecosystem functioning and the environment, and discuss the generalisation of my findings across ecosystems and further perspectives towards elaborating an operational biodiversity-ecosystem functioning framework for research and conservation. N2 - Menschliche Aktivität verändert die Natur weltweit durch Einflussnahme auf die Umwelt, Biodiversität und Funktionsweise von Ökosystemen, die wiederum Ökosystemdienstleistungen stören und sich negativ auf den Menschen auswirken. Eine dringende Herausforderung besteht daher darin, unsere Wirkung auf die Natur zu begrenzen, was ein tiefgreifendes Verständnis der Zusammenhänge zwischen Umwelt, Biodiversität und dem Funktionalität von Ökosystemen voraussetzt. Diese drei Komponenten von Ökosystemen umfassen jedoch jeweils mehrere Dimensionen, die auf unterschiedliche Weise interagieren, und bisher haben wir kein umfassendes Bild von ihren Zusammenhängen und den zugrundeliegenden Mechanismen. Vor allem Diversität wird oft als eine einzige Facette betrachtet, nämlich als Artendiversität, während es auf verschiedenen biologischen Organisationsebenen viele weitere Facetten gibt, z. B. genetische, phänotypische, funktionelle, multitrophische Diversität, die zusammen mehrere Quellen für Rohmaterial zur die Anpassung an Umweltveränderungen bilden und die Funktionsweise von Ökosystemen beeinflussen. Folglich ist die Untersuchung der Multidimensionalität von Ökosystemen, insbesondere der Zusammenhänge zwischen multifacettierter Diversität, Umweltveränderungen und Ökosystemfunktionen, von entscheidender Bedeutung für Forschung, Management und Naturschutz. In dieser Arbeit sollen mehrere Aspekte dieser Frage theoretisch untersucht werden. In dieser Arbeit untersuche ich drei große Themenbereiche. Erstens konzentriere ich mich auf die Frage, wie Nahrungsnetze mit unterschiedlichem Grad funktioneller Diversität auf drei trophischen Ebenen Umweltveränderungen abpuffern, wie etwa eine plötzliche Zugabe von Nährstoffen oder langfristige Veränderungen (z. B. Erwärmung oder Eutrophierung). Hier habe ich festgestellt, dass die funktionelle Diversität die ökologische Stabilität (d. h. die Pufferkapazität des Nahrungsnetzes) durch eine stärkere trophische Kopplung allgemein erhöht. Im Speziellen nahmen zwei Aspekte der ökologischen Stabilität (Resistenz und Resilienz) zu, obwohl ein dritter Aspekt, der Kehrwert der Zeit, die das System benötigt, um den Post-Störungszustand zu erreichen, mit zunehmender funktioneller Diversität abnahm. Zweitens untersuche ich, wie mehrere Facetten der Diversität als Basis für mehrere Anpassungsprozesse aus verschiedenen Quellen dienten und wie diese Quellen mehrere Ökosystemfunktionen auf zwei trophischen Ebenen beeinflussten. Die Berücksichtigung mehrerer Anpassungsquellen ermöglichte das Zusammenspiel zwischen ökologischen und evolutionären Prozessen, die sich auf die trophische Kopplung und damit auf die Funktionalität des Ökosystems auswirkten. Drittens reflektiere ich weiter über die Facetten der Diversität, indem ich einen Index K entwickle, der die Facette der funktionalen Diversität quantifizieren kann, welche wiederum selbst vielschichtig ist. K kann ein umfassendes Bild der funktionellen Diversität vermitteln und ist ein recht guter Prädiktor für das Funktionieren von Ökosystemen. Schließlich fasse ich die voneinander abhängigen Mechanismen (Komplementarität und Selektionseffekte, trophische Kopplung und Anpassung) zusammen, die den Beziehungen zwischen multi-facettierter Diversität, dem Funktionieren von Ökosystemen und der Umwelt zugrunde liegen, und erörtere die Möglichkeiten zur Verallgemeinerung meiner Ergebnisse über Ökosysteme hinweg sowie Perspektiven für die Ausarbeitung eines operativen Rahmens für der Biodiversität-Ökosystem- Funktionalität für Forscher und Anwender. KW - multifaceted diversity KW - multi-facettierter Diversität KW - perturbation KW - Störung KW - trait-based approaches KW - merkmalsbasierte Ansätze KW - food web models KW - Modelle der Nahrungsnetze KW - ecological stability KW - ökologische Stabilität KW - trait adaptation KW - Anpassung Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-646925 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 - Dronsella, Beau B. T1 - Overcoming natural biomass limitations in gram-negative bacteria through synthetic carbon fixation T1 - Überwindung natürlicher Biomasselimitationen in gramnegativen Bakterien mittels synthetischer Kohlenstofffixierung N2 - The carbon demands of an ever-increasing human population and the concomitant rise in net carbon emissions requires CO2 sequestering approaches for production of carbon-containing molecules. Microbial production of carbon-containing products from plant-based sugars could replace current fossil-based production. However, this form of sugar-based microbial production directly competes with human food supply and natural ecosystems. Instead, one-carbon feedstocks derived from CO2 and renewable energy were proposed as an alternative. The one carbon molecule formate is a stable, readily soluble and safe-to-store energetic mediator that can be electrochemically generated from CO2 and (excess off-peak) renewable electricity. Formate-based microbial production could represent a promising approach for a circular carbon economy. However, easy-to-engineer and efficient formate-utilizing microbes are lacking. Multiple synthetic metabolic pathways were designed for better-than-nature carbon fixation. Among them, the reductive glycine pathway was proposed as the most efficient pathway for aerobic formate assimilation. While some of these pathways have been successfully engineered in microbial hosts, these synthetic strains did so far not exceed the performance of natural strains. In this work, I engineered and optimized two different synthetic formate assimilation pathways in gram-negative bacteria to exceed the limits of a natural carbon fixation pathway, the Calvin cycle. The first chapter solidified Cupriavidus necator as a promising formatotrophic host to produce value-added chemicals. The formate tolerance of C. necator was assessed and a production pathway for crotonate established in a modularized fashion. Last, bioprocess optimization was leveraged to produce crotonate from formate at a titer of 148 mg/L. In the second chapter, I chromosomally integrated and optimized the synthetic reductive glycine pathway in C. necator using a transposon-mediated selection approach. The insertion methodology allowed selection for condition-specific tailored pathway expression as improved pathway performance led to better growth. I then showed my engineered strains to exceed the biomass yields of the Calvin cycle utilizing wildtype C. necator on formate. This demonstrated for the first time the superiority of a synthetic formate assimilation pathway and by extension of synthetic carbon fixation efforts as a whole. In chapter 3, I engineered a segment of a synthetic carbon fixation cycle in Escherichia coli. The GED cycle was proposed as a Calvin cycle alternative that does not perform a wasteful oxygenation reaction and is more energy efficient. The pathways simple architecture and reasonable driving force made it a promising candidate for enhanced carbon fixation. I created a deletion strain that coupled growth to carboxylation via the GED pathway segment. The CO2 dependence of the engineered strain and 13C-tracer analysis confirmed operation of the pathway in vivo. In the final chapter, I present my efforts of implementing the GED cycle also in C. necator, which might be a better-suited host, as it is accustomed to formatotrophic and hydrogenotrophic growth. To provide the carboxylation substrate in vivo, I engineered C. necator to utilize xylose as carbon source and created a selection strain for carboxylase activity. I verify activity of the key enzyme, the carboxylase, in the decarboxylative direction. Although CO2-dependent growth of the strain was not obtained, I showed that all enzymes required for operation of the GED cycle are active in vivo in C. necator. I then evaluate my success with engineering a linear and cyclical one-carbon fixation pathway in two different microbial hosts. The linear reductive glycine pathway presents itself as a much simpler metabolic solution for formate dependent growth over the sophisticated establishment of hard-to-balance carbon fixation cycles. Last, I highlight advantages and disadvantages of C. necator as an upcoming microbial benchmark organism for synthetic metabolism efforts and give and outlook on its potential for the future of C1-based manufacturing. N2 - Der Rohstoffbedarf einer ständig wachsenden menschlichen Bevölkerung und der damit einhergehende Anstieg der Kohlenstoffemissionen erfordert Konzepte zur CO2-Bindung für die Produktion von kohlenstoffhaltigen Molekülen. Hier bietet die mikrobielle Produktion von Chemikalien eine nachhaltige Alternative zu den bisher etablierten Syntheseprozessen. Da die Nutzung von pflanzlich hergestelltem Zucker durch die entsprechenden Mikroben allerdings in direkter Konkurrenz zur menschlichen Nahrungsmittelversorgung steht, soll aus CO2 und erneuerbarer Energie synthetisiertes Formiat (Ameisensäure) als alternativer Nährstoff nutzbar gemacht werden. Formiat fungiert als ein stabiler, leicht löslicher und sicher zu lagernder Energiespeicher, der als Ausgangsstoff mikrobieller Produktionen einen vielversprechenden Ansatz für eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft eröffnet. Dieses Potenzial wurde bisher nicht realisiert, da es an einfach zu modifizierenden Mikroben, die Formiat effizient nutzen, mangelt. Zwecks mikrobieller Formiatnutzung wurden deshalb synthetische Stoffwechselwege entwickelt, die die Ein-Kohlenstoff Quelle deutlich effizienter als natürliche Alternativen in den Metabolismus einbringen. Die effizienteste Variante für die aerobe Formiat-Assimilation ist hierbei der reduktive Glycin-Stoffwechselweg. Während Letzterer zwar bereits erfolgreich in Mikroben eingebracht wurde, übertraf die Leistung dieser synthetischen Stämme trotz der theoretisch höheren Stoffwechseleffizienz nicht die des natürlichen Stoffwechsels. In dieser Arbeit entwickelte und optimierte ich zwei verschiedene synthetische Ein-Kohlenstoff-Fixierungswege in gramnegativen Bakterien, um die Grenzen der natürlichen CO2 Nutzung zu überschreiten. Das erste Kapitel untersuchte das Potenzial von Cupriavidus necator als vielversprechenden formatotrophen Wirt für die Produktion von Chemikalien mit hohem Mehrwert. Die Ameisensäuretoleranz von C. necator wurde getestet und ein Produktionsweg für Crotonat in einer modularen Weise etabliert. Schließlich wurde Bioprozessoptimierung genutzt, um Crotonat aus Formiat mit einem Titer von 148 mg/L zu produzieren. Im zweiten Kapitel integrierte ich den synthetischen reduktiven Glycinweg anstelle der nativen Formiatassimilierung chromosomal in C. necator und optimierte die Expressionsniveaus der beteiligten Enzyme und somit Wachstum des Stammes mit Hilfe eines transposonbasierten Selektionsansatzes. Die Kombination von randomisierter Insertionsmethodik und erzwungener Nutzung des Stoffwechselwegs für Wachstum auf Formiat ermöglichte hier die Selektion für bedingungsspezifisch optimale Expression des Stoffwechselweges, da eine höhere Operationsrate des Stoffwechselweges zu verbessertem Wachstum führte. Anschließend zeigte ich, dass meine optimierten synthetischen Stämme die Biomasseerträge des Calvin-Zyklus von C. necator auf Formiat übertrafen. Dies zeigte zum ersten Mal die bisher nur theoretisch prognostizierte Überlegenheit eines synthetischen Formiat-Assimilationsweges und damit der synthetischen Kohlenstofffixierung gegenüber natürlicher Kohlenstofffixierung. In Kapitel 3 entwickelte ich ein Segment des GED-Zyklus zur synthetischen CO2-Fixierung in Escherichia coli. Der GED-Zyklus ist eine Alternative zum Calvin-Zyklus, die im Gegensatz zu Letzterem keine ungewollte Aktivität mit Sauerstoff hat und somit energieeffizienter CO2 fixiert. Die einfache Architektur des Kreislaufs mit nur einer kritischen Reaktion macht ihn zu einem vielversprechenden Kandidaten für verbesserte Kohlenstofffixierung. Ich erzeugte einen Deletionsstamm, dessen Wachstum an besagte Reaktion, genauer die Carboxylierung mittels des GED-Segments, gekoppelt war. Die Fähigkeit des Stammes, CO2-abhängig zu wachsen, und die 13C-Tracer-Analyse bestätigten die Funktionalität des Weges in vivo. Im letzten Kapitel versuchte ich den GED-Zyklus auch in C. necator zu implementieren, da C. necator durch sein formatotrophes Wachstum potenziell ein vielversprechenderer Wirt sein könnte. Hierbei war das Wachstum des Calvin-Zyklus abhängigen Wildtyps, wie auch für den reduktiven Glycin-Weg, ein guter Referenzwert für den Vergleich mit den synthetischen Stämmen. Ich veränderte C. necator genetisch, sodass es das GED Substrat Xylose nutzt und zeigte, dass alle Enzyme für den Betrieb des Kohlenstofffixierungsweges in separierten Testeinheiten in vivo in C. necator funktional sind. Schließlich vergleiche ich meine Ergebnisse bezüglich der Entwicklung von linearer und zyklischer Ein-Kohlenstoff-Fixierung in zwei verschiedenen mikrobiellen Wirten. Es zeigt sich, dass der simplere lineare reduktive Glycinweg synthetische Formatotrophie von bisher unerschlossener Effizienz erlaubt, während sich die Realisierung komplexer autokatalytischer Kohlenstofffixierungszyklen als deutlich schwieriger erweist. Ich hebe die Vor- und Nachteile von C. necator als zukünftigem Plattformorganismus für synthetische Stoffwechselprozesse hervor und gebe einen Ausblick auf sein Potenzial für die Zukunft der C1-basierten Produktion. KW - synthetic biology KW - metabolic engineering KW - synthetic metabolism KW - carbon fixation KW - C1 assimilation KW - formate KW - reductive glycine pathway KW - GED cycle KW - cupriavidus necator KW - Ralstonia eutropha KW - H16 KW - Alcaligenes eutrophus KW - Wautersia eutropha KW - Hydrogenomonas eutrophus KW - Escherichia coli KW - bio-economy KW - Calvin cycle KW - Alcaligenes eutrophus KW - C1-Assimilation KW - Calvinzyklus KW - Escherichia coli KW - GED-Zyklus KW - H16 KW - Hydrogenomonas eutrophus KW - Ralstonia eutropha KW - Wautersia eutropha KW - Bioökonomie KW - Kohlenstofffixerung KW - Cupriavidus necator KW - Formiat KW - metabolisches Modifizieren KW - reduktiver Glycinstoffwechselweg KW - synthetische Biologie KW - synthetischer Metabolismus Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-646273 ER - TY - THES A1 - Liu, Qingting T1 - Regulation of Starch Granule Morphogenesis in Arabidopsis thaliana N2 - Carbohydrates play a vital role in all living organisms; serving as a cornerstone in primary metabolism through the release of energy from their hydrolysis and subsequent re-utilization (Apriyanto et al., 2022). Starch is the principal carbohydrate reserve in plants, providing essential energy for plant growth. Furthermore, starch serves as a significant carbohydrate source in the human diet. Beyond its nutritional value, starch has extensive industrial application associated with many aspects of human society, such as feed, pharmacy, textiles, and the production of biodegradable plastics. Understanding the mechanisms underlying starch metabolism in plants carries multifaceted benefits. Not only does it contribute to increasing crop yield and refining grain quality, but also can improve the efficiency of industrial applications. Starch in plants is categorized into two classes based on their location and function: transitory starch and storage starch. Transitory starch is produced in chloroplasts of autotrophic tissues/organs, such as leaves. It is synthesized during the day and degraded during the night. Storage starch is synthesized in heterotrophic tissues/organs, such as endosperm, roots and tubers, which is utilized for plant reproduction and industrial application in human life. Most studies aiming to comprehend starch metabolism of Arabidopsis thaliana primarily focus on transitory starch. Starch is stored as granular form in chloroplast and amyloplast. The parameters of starch granules, including size, morphology, and quantity per chloroplast serve as indicators of starch metabolism status. However, the understanding of their regulatory mechanism is still incomplete. In this research, I initially employed a simple and adapted method based on laser confocal scanning microscopy (LCSM) to observe size, morphology and quantity of starch granules within chloroplasts in Arabidopsis thaliana in vivo. This method facilitated a rapid and versatile analysis of starch granule parameters across numerous samples. Utilizing this approach, I compared starch granule number per chloroplast between mesophyll cells and guard cells in both wild type plants (Col-0) and several starch related mutants. The results revealed that the granule number is distinct between mesophyll cells and guard cells, even within the same genetic background, suggesting that guard cells operate a unique regulatory mechanism of starch granule number. Subsequently, I redirected my attention toward examining starch morphology. Through microscopy analyses, I observed a gradual alteration in starch granule morphology in certain mutants during leaf aging. Specifically, in mutants such as sex1-8 and dpe2phs1ss4, there was a progressive alteration in starch granule morphology over time. Conversely, in Col-0 and ss4 mutant, these morphological alterations were not evident. This discovery suggests a new perspective to understand the development of starch morphology. Further investigation revealed that mutants lacking either Disproportionating enzyme 2 (DPE2) or MALTOSE-EXCESS 1 (MEX1) exhibited gradual alterations in starch morphology with leaf aging. Notably, the most severe effects on starch morphology occurred in double mutants lacking either DPE2 or MEX1 in conjunction with a lack of starch synthase 4 (SS4). In these mutations, a transformation of the starch granule morphology from the typical discoid morphology to oval and eventually to a spherical shape. To investigate the changes in the internal structure of starch during this alteration, I analyzed the chain length distribution (CLD) of the amylopectin of young, intermediate and old leaves of the mutants. Throughout starch granule development, I found an increased presence of short glucan chains within the granules, particularly evident in dpe2ss4 and mex1ss4 mutants, as well as their parental single mutants. Notably, the single mutant ss4 also showed an affected granule morphology, albeit not influenced by leaf aging.. The CLD pattern of the amylopectin reflects an integrative regulation involving several participants in starch synthesis, including starch synthases (SSs), starch branching/debranching enzymes (SBEs/DBEs). Therefore, I further detected the expression of related genes on transcription level and the enzymatic activity of their respective proteins. Results indicated altered gene expression of several regulators in these mutants, particularly demonstrating dramatic alterations in dpe2 and dpe2ss4 with leaf aging. These changes corresponded with the observed alterations in starch granule morphology. Taken together, I have identified and characterized a progressive alteration in starch granule morphology primarily resulting from the deficiencies in DPE2 and MEX1. Furthermore, I have associated the CLD pattern with the granule morphogenesis, as well as the gene expression and enzymatic activity of proteins involved in starch synthesis. Unlike SS4, which is implicated in starch initiation, MEX1 and DPE2 are involved into starch degradation. MEX1 is located in chloroplast envelope and DPE2 is situated in the cytosol. Considering the locations and known functions of DPE2/MEX1 and SS4, I infer that there might be two pathways influencing starch morphology: an initiation-affected pathway via SS4 and a degradation-affected pathway via DPE2/MEX1. N2 - Kohlenhydrate spielen eine wichtige Rolle in allen lebenden Organismen, als Grundpfeiler im primären Stoffwechsel, indem sie Energie durch ihre Hydrolyse freisetzen und anschließend wiederverwendet werden können (Apriyanto et al., 2022). Stärke ist die Hauptreserve an Kohlenhydraten in Pflanzen und liefert die essentielle Energie für das Pflanzenwachstum. Darüber hinaus dient Stärke als bedeutende Kohlenhydratquelle in der menschlichen Ernährung. Abgesehen von ihrem Nährwert hat Stärke umfangreiche industrielle Anwendungen in Bereichen wie Futtermittel, Pharmazie, Textilien und der Herstellung biologisch abbaubarer Kunststoffe. Das Verständnis der Mechanismen, die dem Stoffwechsel von Stärke in Pflanzen zugrunde liegen, birgt vielfältige Vorteile. Es trägt nicht nur zur Steigerung des Ernteertrags und zur Verbesserung der Kornqualität bei, sondern kann auch die Effizienz industrieller Anwendungen verbessern. Stärke in Pflanzen wird je nach ihrem Ort und ihrer Funktion in zwei Klassen eingeteilt: transitorische Stärke und Speicherstärke. Transitorische Stärke wird in Chloroplasten autotropher Gewebe/Organe wie Blätter produziert. Sie wird tagsüber synthetisiert und nachts abgebaut. Speicherstärke wird in heterotrophen Geweben/Organen wie Endosperm, Wurzeln und Knollen synthetisiert und für die Pflanzenreproduktion sowie industrielle Anwendungen im menschlichen Leben genutzt. Die meisten Studien zur Aufklärung des Stärkestoffwechsels von Arabidopsis thaliana konzentrieren sich hauptsächlich auf transitorische Stärke. Stärke wird in granularer Form in Chloroplasten und Amyloplasten gespeichert. Die Parameter der Stärkegranula, einschließlich Größe, Morphologie und Anzahl pro Chloroplast, dienen als Indikatoren für den Status des Stärkestoffwechsels. Das Verständnis ihrer regulatorischen Mechanismen ist jedoch noch unvollständig. In meiner Forschung habe ich zunächst eine Methode auf Basis der laser-konfokalen Rastermikroskopie (LCSM) etabliert, um Größe, Morphologie und Anzahl der Stärkegranula innerhalb der Chloroplaste von Arabidopsis thaliana in vivo zu beobachten. Diese Methode ermöglicht eine schnelle und vielseitige Analyse der Parameter der Stärkegranula in zahlreichen Proben. Unter Verwendung dieses Ansatzes verglich ich die Anzahl der Stärkegranula pro Chloroplast zwischen Mesophyllzellen und Schließzellen sowohl bei Wildtyp-Pflanzen (Col-0) als auch bei verschiedenen stärkebezogenen Mutanten. Die Ergebnisse zeigten, dass die Granulanzahl zwischen Mesophyllzellen und Schließzellen, selbst im identischen genetischen Hintergrund, unterschiedlich ist, was darauf hindeutet, dass Schließzellen einen einzigartigen regulatorischen Mechanismus der Stärkegranulanzahl aufweisen. Anschließend richtete ich meine Aufmerksamkeit darauf, die Stärkemorphologie zu untersuchen. Durch mikroskopische Analysen beobachtete ich eine allmähliche Veränderung der Stärkegranulamorphologie bei bestimmten Mutanten während des Blattalters. Insbesondere bei Mutanten wie sex1-8 und dpe2phs1ss4 gab es im Laufe der Zeit eine fortschreitende Veränderung der Stärkegranulamorphologie. Im Gegensatz dazu waren bei Col-0 und den ss4-Mutanten diese morphologischen Veränderungen nicht erkennbar. Diese Entdeckung ermöglicht eine neue Perspektive, um die Entwicklung der Stärkemorphologie zu verstehen. Weitere Untersuchungen zeigten, dass Mutanten, denen entweder das Disproportionierende Enzym 2 (DPE2) oder MALTOSE-EXCESS 1 (MEX1) fehlen, im Laufe des Blattalters allmähliche Veränderungen in der Stärkemorphologie aufwiesen. Bemerkenswerterweise traten die schwerwiegendsten Auswirkungen auf die Stärkemorphologie bei Doppelmutanten auf, die entweder DPE2 oder MEX1 in Verbindung mit einem Mangel an Stärkesynthase 4 (SS4) aufwiesen. Bei diesen Mutationen wurde eine Transformation der Stärkegranulamorphologie von der typischen scheibenförmigen Morphologie zu ovalen und schließlich zu einer kugelförmigen Form festgestellt. Um die Veränderungen in der inneren Struktur der Stärke während dieser Veränderung zu untersuchen, analysierte ich die Kettenlängenverteilung (KLV) des Amylopektins von jungen, mittleren und alten Blättern der Mutanten. Während der Entwicklung der Stärkegranula fand ich eine vermehrte Anwesenheit kurzer Glukanketten innerhalb der Granula, insbesondere bei den Mutanten dpe2ss4 und mex1ss4 sowie der zugrundeliegenden Einzelmutanten. Bemerkenswerterweise zeigte auch die Einzelmutant ss4 eine beeinträchtigte Granulamorphologie, die jedoch nicht durch das Blattalter beeinflusst wurde. Das KLV-Muster des Amylopektins spiegelt eine integrierte Regulation mehrerer an der Stärkesynthese Beteiligter Enzyme wider, einschließlich Stärkesynthasen (SSs) und Stärkeverzweigungs-/entzweigungs-Enzymen (SBEs/DBEs). Daher habe ich die Expression der beteiligten Gene auf Transkriptionsebene und die enzymatische Aktivität ihrer entsprechenden Proteine weiter untersucht. Die Ergebnisse deuten auf veränderte Genexpression mehrerer Regulatoren in diesen Mutanten hin, insbesondere auf dramatische Veränderungen bei dpe2 und dpe2ss4 mit zunehmendem Blattalter. Diese Veränderungen korrelieren mit den beobachteten Veränderungen in der Stärkegranulamorphologie. Zusammenfassend habe ich eine fortschreitende Veränderung der Stärkegranulat-Morphologie identifiziert und charakterisiert, die hauptsächlich auf Defizite in DPE2 und MEX1 zurückzuführen ist. Des Weiteren habe ich das KLV-Muster mit der Granulatmorphogenese sowie der Genexpression und enzymatischen Aktivität von Proteinen, die an der Stärkesynthese beteiligt sind, in Verbindung gebracht. Im Gegensatz zu SS4, dass in die Stärkeinitiierung involviert ist, spielen MEX1 und DPE2 eine Rolle bei Stärkeabbauprozessen. MEX1 befindet sich in der Chloroplastenhülle und DPE2 im Zytoplasma. Unter Berücksichtigung der Lokalisationen und bekannten Funktionen von DPE2, MEX1 und SS4 schließe ich darauf, dass es möglicherweise zwei Wege gibt, die die Stärkemorphologie beeinflussen: einen unter Beeinflussung von SS4 der mit dem Initiierungsprozess verknüpft ist und einen durch den Stärkeabbauprozess beeinflussten verbunden mit DPE2 bzw. MEX1. T2 - Regulation der Stärkegranulat-Morphogenese in Arabidopsis thaliana KW - Arabidopsis thaliana KW - transitory starch KW - starch granule morphology KW - starch metabolism KW - maltose KW - SS4 KW - DPE2 KW - MEX1 Y1 - 2024 ER -