570 Biowissenschaften; Biologie
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Semi-natural habitats (SNHs) are becoming increasingly scarce in modern agricultural landscapes. This may reduce natural ecosystem services such as pest control with its putatively positive effect on crop production. In agreement with other studies, we recently reported wheat yield reductions at field borders which were linked to the type of SNH and the distance to the border. In this experimental landscape-wide study, we asked whether these yield losses have a biotic origin while analyzing fungal seed and fungal leaf pathogens, herbivory of cereal leaf beetles, and weed cover as hypothesized mediators between SNHs and yield. We established experimental winter wheat plots of a single variety within conventionally managed wheat fields at fixed distances either to a hedgerow or to an in-field kettle hole. For each plot, we recorded the fungal infection rate on seeds, fungal infection and herbivory rates on leaves, and weed cover. Using several generalized linear mixed-effects models as well as a structural equation model, we tested the effects of SNHs at a field scale (SNH type and distance to SNH) and at a landscape scale (percentage and diversity of SNHs within a 1000-m radius). In the dry year of 2016, we detected one putative biotic culprit: Weed cover was negatively associated with yield values at a 1-m and 5-m distance from the field border with a SNH. None of the fungal and insect pests, however, significantly affected yield, neither solely nor depending on type of or distance to a SNH. However, the pest groups themselves responded differently to SNH at the field scale and at the landscape scale. Our findings highlight that crop losses at field borders may be caused by biotic culprits; however, their negative impact seems weak and is putatively reduced by conventional farming practices.
During the last decade, intracellular actin waves have attracted much attention due to their essential role in various cellular functions, ranging from motility to cytokinesis. Experimental methods have advanced significantly and can capture the dynamics of actin waves over a large range of spatio-temporal scales. However, the corresponding coarse-grained theory mostly avoids the full complexity of this multi-scale phenomenon. In this perspective, we focus on a minimal continuum model of activator–inhibitor type and highlight the qualitative role of mass conservation, which is typically overlooked. Specifically, our interest is to connect between the mathematical mechanisms of pattern formation in the presence of a large-scale mode, due to mass conservation, and distinct behaviors of actin waves.
During the last decade, intracellular actin waves have attracted much attention due to their essential role in various cellular functions, ranging from motility to cytokinesis. Experimental methods have advanced significantly and can capture the dynamics of actin waves over a large range of spatio-temporal scales. However, the corresponding coarse-grained theory mostly avoids the full complexity of this multi-scale phenomenon. In this perspective, we focus on a minimal continuum model of activator–inhibitor type and highlight the qualitative role of mass conservation, which is typically overlooked. Specifically, our interest is to connect between the mathematical mechanisms of pattern formation in the presence of a large-scale mode, due to mass conservation, and distinct behaviors of actin waves.
Laboratory mice are the most commonly used animal model for Staphylococcus aureus infection studies. We have previously shown that laboratory mice from global vendors are frequently colonized with S. aureus. Laboratory mice originate from wild house mice. Hence, we investigated whether wild rodents, including house mice, as well as shrews are naturally colonized with S. aureus and whether S. aureus adapts to the wild animal host. 295 animals of ten different species were caught in different locations over four years (2012-2015) in Germany, France and the Czech Republic. 45 animals were positive for S. aureus (15.3%). Three animals were co-colonized with two different isolates, resulting in 48 S. aureus isolates in total. Positive animals were found in Germany and the Czech Republic in each studied year. The S. aureus isolates belonged to ten different spa types, which grouped into six lineages (clonal complex (CC) 49, CC88, CC130, CC1956, sequence type (ST) 890, ST3033). CC49 isolates were most abundant (17/48, 35.4%), followed by CC1956 (14/48, 29.2%) and ST890 (9/48, 18.8%). The wild animal isolates lacked certain properties that are common among human isolates, e.g., a phage-encoded immune evasion cluster, superantigen genes on mobile genetic elements and antibiotic resistance genes, which suggests long-term adaptation to the wild animal host. One CC130 isolate contained the mecC gene, implying wild rodents might be both reservoir and vector for methicillin-resistant. In conclusion, we demonstrated that wild rodents and shrews are naturally colonized with S. aureus, and that those S. aureus isolates show signs of host adaptation.
Wildfires, as a key disturbance in forest ecosystems, are shaping the world's boreal landscapes. Changes in fire regimes are closely linked to a wide array of environmental factors, such as vegetation composition, climate change, and human activity. Arctic and boreal regions and, in particular, Siberian boreal forests are experiencing rising air and ground temperatures with the subsequent degradation of permafrost soils leading to shifts in tree cover and species composition. Compared to the boreal zones of North America or Europe, little is known about how such environmental changes might influence long-term fire regimes in Russia. The larch-dominated eastern Siberian deciduous boreal forests differ markedly from the composition of other boreal forests, yet data about past fire regimes remain sparse. Here, we present a high-resolution macroscopic charcoal record from lacustrine sediments of Lake Khamra (southwest Yakutia, Siberia) spanning the last ca. 2200 years, including information about charcoal particle sizes and morphotypes. Our results reveal a phase of increased charcoal accumulation between 600 and 900 CE, indicative of relatively high amounts of burnt biomass and high fire frequencies. This is followed by an almost 900-year-long period of low charcoal accumulation without significant peaks likely corresponding to cooler climate conditions. After 1750 CE fire frequencies and the relative amount of biomass burnt start to increase again, coinciding with a warming climate and increased anthropogenic land development after Russian colonization. In the 20th century, total charcoal accumulation decreases again to very low levels despite higher fire frequency, potentially reflecting a change in fire management strategies and/or a shift of the fire regime towards more frequent but smaller fires. A similar pattern for different charcoal morphotypes and comparison to a pollen and non-pollen palynomorph (NPP) record from the same sediment core indicate that broad-scale changes in vegetation composition were probably not a major driver of recorded fire regime changes. Instead, the fire regime of the last two millennia at Lake Khamra seems to be controlled mainly by a combination of short-term climate variability and anthropogenic fire ignition and suppression.
Wind influences the development, architecture and morphology of plant roots and may modify subsequent interactions between plants and soil (plant–soil feedbacks—PSFs). However, information on wind effects on fine root morphology is scarce and the extent to which wind changes plant–soil interactions remains unclear. Therefore, we investigated the effects of two wind intensity levels by manipulating surrounding vegetation height in a grassland PSF field experiment. We grew four common plant species (two grasses and two non-leguminous forbs) with soil biota either previously conditioned by these or other species and tested the effect of wind on root:shoot ratio, fine root morphological traits as well as the outcome for PSFs. Wind intensity did not affect biomass allocation (i.e. root:shoot ratio) in any species. However, fine-root morphology of all species changed under high wind intensity. High wind intensity increased specific root length and surface area and decreased root tissue density, especially in the two grasses. Similarly, the direction of PSFs changed under high wind intensity in all four species, but differences in biomass production on the different soils between high and low wind intensity were marginal and most pronounced when comparing grasses with forbs. Because soils did not differ in plant-available nor total nutrient content, the results suggest that wind-induced changes in root morphology have the potential to influence plant–soil interactions. Linking wind-induced changes in fine-root morphology to effects on PSF improves our understanding of plant–soil interactions under changing environmental conditions.
Wind influences the development, architecture and morphology of plant roots and may modify subsequent interactions between plants and soil (plant–soil feedbacks—PSFs). However, information on wind effects on fine root morphology is scarce and the extent to which wind changes plant–soil interactions remains unclear. Therefore, we investigated the effects of two wind intensity levels by manipulating surrounding vegetation height in a grassland PSF field experiment. We grew four common plant species (two grasses and two non-leguminous forbs) with soil biota either previously conditioned by these or other species and tested the effect of wind on root:shoot ratio, fine root morphological traits as well as the outcome for PSFs. Wind intensity did not affect biomass allocation (i.e. root:shoot ratio) in any species. However, fine-root morphology of all species changed under high wind intensity. High wind intensity increased specific root length and surface area and decreased root tissue density, especially in the two grasses. Similarly, the direction of PSFs changed under high wind intensity in all four species, but differences in biomass production on the different soils between high and low wind intensity were marginal and most pronounced when comparing grasses with forbs. Because soils did not differ in plant-available nor total nutrient content, the results suggest that wind-induced changes in root morphology have the potential to influence plant–soil interactions. Linking wind-induced changes in fine-root morphology to effects on PSF improves our understanding of plant–soil interactions under changing environmental conditions.
Wind turbines without curtailment produce large numbers of bat fatalities throughout their lifetime
(2022)
Bats are protected by national and international legislation in European countries, yet many species, particularly migratory aerial insectivores, collide with wind turbines which counteracts conservation efforts. Within the European Union it is legally required to curtail the operation of wind turbines at periods of high bat activity, yet this is not practiced at old wind turbines. Based on data from the national carcass repository in Germany and from our own carcass searches at a wind park with three turbines west of Berlin, we evaluated the magnitude of bat casualties at old, potentially poor-sited wind turbines operating without curtailment. We report 88 documented bat carcasses collected by various searchers over the 20-year operation period of this wind park from 2001 to 2021. Common noctule bats (Nyctalus noctula) and common pipistrelles (Pipistrellus pipistrellus) were most often found dead at these turbines. Our search campaign in August and September 2021 yielded a total of 18 carcasses. We estimated that at least 209 bats were likely killed during our field survey, yielding more than 70 casualties/wind turbine or 39 casualties/ MW in two months. Since our campaign covered only part of the migration season, we consider this value as an underestimate. The 20-year period of the wind park emphasises the substantial impact old turbines may have on bat individuals and populations when operating without curtailments. We call for reconsidering the operation procedures of old wind turbines to stop the continuous loss of bats in Germany and other countries where turbine curtailments are even less practiced than in Germany.
Die gesundheitsfördernden Eigenschaften von grünem Tee sind weitgehend akzeptiert. Den Teecatechinen, insbesondere dem Epigallocatechin-3-gallat (EGCG), werden zahlreiche positive Effekte zugesprochen (z. B. antioxidativ, antikanzerogen, antiinflammatorisch, Blutdruck und Cholesterinspiegel senkend). Die Mechanismen, die zu einer Reduktion der in Tierversuchen beschriebenen Körper- und Fettmasse führen, sind nicht ausreichend geklärt. Ziel dieser Arbeit bestand darin, die kurz- und mittelfristigen Wirkungen einer TEAVIGO®-Applikation (mind. 94 % EGCG) am Mausmodell im Hinblick auf den Energie- und Fettstoffwechsel sowie die Expression daran beteiligter Gene in wichtigen Organen und Geweben zu untersuchen. In verschiedenen Tierversuchen wurde männlichen C57BL/6-Mäusen eine Hochfettdiät (HFD) mit und ohne Supplementation (oral, diätetisch) des entkoffeinierten Grüntee-Extraktes TEAVIGO® in unterschiedlichen Dosierungen gefüttert. Es wurden sowohl kurz- als auch mittelfristige Wirkungen des EGCG auf die Energiebilanz (u. a. indirekte Tierkalorimetrie) und Körperzusammensetzung (NMR) sowie die exogene Substratoxidation (Stabilisotopentechnik: Atemtests, Inkorporation natürlicher 13C-angereicherter Triglyceride aus Maiskeimöl in diverse Organe/Gewebe) und Gen-expression (quantitative real-time PCR) untersucht. Die Applikationsform und ihre Dauer riefen unterschiedliche Wirkungen hervor. Mäuse mit diätetischer Supplementation zeigten bereits nach kurzer Zeit eine verminderte Körperfettmasse, die bei weiterer Verabreichung auch zu einer Reduktion der Körpermasse führte. Beide Applikationsformen resultieren, unabhängig von der Dauer der Intervention, in einer erhöhten Energieausscheidung, während die Futter- und Energieaufnahme durch EGCG nicht beeinflusst wurden. Der Energieverlust war von einer erhöhten Fett- und Stickstoffausscheidung begleitet, deren Ursache die in der Literatur beschriebene Interaktion und Hemmung digestiver Enzyme sein könnte. Besonders unter postprandialen Bedingungen wiesen EGCG-Mäuse erniedrigte Triglycerid- und Glycogengehalte in der Leber auf, was auf eine eingeschränkte intestinale Absorption der Nährstoffe hindeutet. Transkriptanalysen ergaben im Darm eine verminderte Expression von Fettsäuretransportern, während die Expression von Glucosetransportern durch EGCG erhöht wurde. Weiterhin reduzierte EGCG, nach Umstellung von Standard- auf eine maiskeimölhaltige Hochfettdiät, die Inkorporation natürlicher 13C-angereicherter Triglyceride in diverse Organe und Gewebe – insbesondere Leber, viszerales und braunes Fettgewebe sowie Skelettmuskel. Die Analyse der 13C-Anreicherung im Atem der Mäuse und die Energieumsatzmessungen ergaben nach kurzer Applikation eine erhöhte Fettoxidation, die im weiteren Verlauf der Intervention auf eine erhöhte Kohlenhydratoxidation umgeschaltet wurde. Weiterhin war die orale Applikation von EGCG bei gleichzeitiger Fütterung einer Hochfettdiät von makroskopischen und mikroskopischen degenerativen Veränderungen der Leber begleitet. Diese Effekte wurden nach diätetischer Supplementation der Hochfettdiät mit EGCG nicht beobachtet. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass die Körpergewichts- und Fettgewebs-abnahme durch diätetisches EGCG sich durch eine herabgesetzte Verdaulichkeit der Nahrung erklären lässt. Dies führte zu verschiedenen kurz- und mittelfristigen Veränderungen in der Fettverteilung und im Fettmetabolismus.
In der vorliegenden Arbeit habe ich wichtige Teilmechanismen der Erregungs-Sekretionskopplung in der Speicheldrüse der Schabe Periplaneta americana (L.) untersucht. Die Speicheldrüse ist von dopaminergen und serotonergen Fasern innerviert (Baumann et al., 2002). Beide Transmitter stimulieren eine unterschiedliche Reaktion der Drüse: Dopamin (DA) stimuliert die P-Zellen der Acini und die Ausführgangzellen, während Serotonin (5-HT) die P- und C-Zellen der Acini stimuliert, nicht jedoch die Ausführgangzellen. Der Endspeichel ist nach einer DA-Stimulierung proteinfrei. Dagegen enthält er nach einer 5-HT-Stimulierung Proteine, die von den C-Zellen sezerniert werden (Just & Walz, 1996). Im ersten Teil meiner Arbeit habe ich mittels Kapillarelektrophoretischer Analyse (CE-Analyse) die Elektrolytkonzentrationen im Endspeichel untersucht sowie die Raten der Flüssigkeitssekretion gemessen. Damit wollte ich klären, welche Transporter an der Sekretion des Primärspeichels und an dessen Modifikation beteiligt sind. Ausserdem wollte ich die Rolle der transportaktiven Epithelzellen der Ausführgänge für die Modifikation des Primärspeichels untersuchen. Dafür habe ich einen Vergleich der Elektrolytkonzentrationen im DA- und 5-HT-stimulierten Endspeichel durchgeführt. Der Elektrolytgehalt des DA- und 5-HT-stimulierten Endspeichels unterscheidet sich nicht signifikant voneinander. Er ist nach beiden Stimulierungen hypoosmotisch zum verwendeten Ringer. Die Ausführgangzellen werden durch DA stimuliert und modifizieren den Primärspeichel durch eine netto-Ionenreabsorption. Meine Versuche zeigen jedoch, dass auch die während einer 5-HT-Stimulierung der Drüse unstimulierten Ausführgangzellen den Primärspeichel modifizieren. In einer nachfolgenden Versuchsreihe habe ich den Einfluss von Ouabain, einem Hemmstoff der Na+-K+-ATPase, und Bumetanid, einem Hemmstoff des NKCC, auf die Raten der Flüssigkeitssekretion sowie den Elektrolytgehalt des Endspeichels untersucht. Ich habe gefunden, dass die Aktivität der Na+-K+-ATPase wichtig für die Modifikation des DA-stimulierten Primärspeichels ist. Im Gegensatz dazu ist sie für die Modifikation des 5-HT-stimulierten Primärspeichels nicht von Bedeutung. Bezüglich der Flüssigkeitssekretion habe ich keinen Einfluss der Na+-K+-ATPase-Aktivität auf die DA-stimulierten Sekretionsraten gefunden, dagegen ist die 5-HT-stimulierte Sekretionsrate in Anwesenheit von Ouabain gesteigert. Die Aktivität des NKCC ist für beide sekretorische Prozesse, die Ionen- und die Flüssigkeitssekretion, wichtig. Eine Hemmung des NKCC bewirkt eine signifikante Verringerung der Raten der Flüssigkeitssekretion nach DA- und 5-HT-Stimulierung sowie in beiden Fällen einen signifikanten Abfall der Ionenkonzentrationen im Endspeichel. Im zweiten Teil meiner Arbeit habe ich versucht, Änderungen der intrazellulären Ionenkonzentrationen in den Acinuszellen während einer DA- oder 5-HT-Stimulierung zu messen. Diese Experimente sollten mit der Methode des "ratiometric imaging" durchgeführt werden. Messungen mit dem Ca2+-sensitiven Fluoreszenzfarbstoff Fura-2 zeigten keinen globalen Anstieg in der intrazellulären Ca2+-Konzentration der P-Zellen. Aufgrund von Problemen mit einer schlechten Beladung der Zellen, einer starken und sich während der Stimulierung ändernden Autofluoreszenz der Zellen sowie Änderungen im Zellvolumen wurden keine Messungen mit Na+- und K+-sensitiven Fluoreszenzfarbstoffen durchgeführt. Im dritten Teil dieser Arbeit habe ich die intrazellulären Signalwege untersucht, die zwischen einer 5-HT-Stimulierung der Drüse und der Proteinsekretion vermitteln. Dazu wurde der Proteingehalt im Endspeichel biochemisch mittels eines modifizierten Bradford Assay gemessen. Eine erstellte Dosis-Wirkungskurve zeigt, dass die Rate der Proteinsekretion von der zur Stimulierung verwendeten 5-HT-Konzentration abhängt. In einer Serie von Experimenten habe ich die intrazellulären Konzentrationen von Ca2+, cAMP und / oder cGMP erhöht und anschließend den Proteingehalt im Endspeichel gemessen. Ein Anstieg der intrazellulären Ca2+-Konzentration aktiviert nur eine geringe Rate der Proteinsekretion. Dagegen kann die Steigerung der intrazellulären cAMP-Konzentration eine stärkere Proteinsekretion aktivieren, die sich nicht signifikant von der nach 5-HT-Stimulierung unterscheidet. Die cAMP-stimulierte Proteinsekretion kann durch gleichzeitige Erhöhung der intrazellulären Ca2+-Konzentration weiter gesteigert werden. Dagegen aktivierte eine Erhöhung der intrazellulären cGMP-Konzentration die Proteinsekretion nicht. Aufgrund dieser Ergebnisse postuliere ich die Existenz eines die Adenylatcyclase aktivierenden 5-HT-Rezeptors in der Basolateralmembran der C-Zellen.
WRKY23 is a component of the transcriptional network mediating auxin feedback on PIN polarity
(2018)
Auxin is unique among plant hormones due to its directional transport that is mediated by the polarly distributed PIN auxin transporters at the plasma membrane. The canalization hypothesis proposes that the auxin feedback on its polar flow is a crucial, plant-specific mechanism mediating multiple self-organizing developmental processes. Here, we used the auxin effect on the PIN polar localization in Arabidopsis thaliana roots as a proxy for the auxin feedback on the PIN polarity during canalization. We performed microarray experiments to find regulators of this process that act downstream of auxin. We identified genes that were transcriptionally regulated by auxin in an AXR3/IAA17-and ARF7/ARF19-dependent manner. Besides the known components of the PIN polarity, such as PID and PIP5K kinases, a number of potential new regulators were detected, among which the WRKY23 transcription factor, which was characterized in more detail. Gain-and loss-of-function mutants confirmed a role for WRKY23 in mediating the auxin effect on the PIN polarity. Accordingly, processes requiring auxin-mediated PIN polarity rearrangements, such as vascular tissue development during leaf venation, showed a higher WRKY23 expression and required the WRKY23 activity. Our results provide initial insights into the auxin transcriptional network acting upstream of PIN polarization and, potentially, canalization-mediated plant development.
WRKY23 is a component of the transcriptional network mediating auxin feedback on PIN polarity
(2018)
Auxin is unique among plant hormones due to its directional transport that is mediated by the polarly distributed PIN auxin transporters at the plasma membrane. The canalization hypothesis proposes that the auxin feedback on its polar flow is a crucial, plant-specific mechanism mediating multiple self-organizing developmental processes. Here, we used the auxin effect on the PIN polar localization in Arabidopsis thaliana roots as a proxy for the auxin feedback on the PIN polarity during canalization. We performed microarray experiments to find regulators of this process that act downstream of auxin. We identified genes that were transcriptionally regulated by auxin in an AXR3/IAA17-and ARF7/ARF19-dependent manner. Besides the known components of the PIN polarity, such as PID and PIP5K kinases, a number of potential new regulators were detected, among which the WRKY23 transcription factor, which was characterized in more detail. Gain-and loss-of-function mutants confirmed a role for WRKY23 in mediating the auxin effect on the PIN polarity. Accordingly, processes requiring auxin-mediated PIN polarity rearrangements, such as vascular tissue development during leaf venation, showed a higher WRKY23 expression and required the WRKY23 activity. Our results provide initial insights into the auxin transcriptional network acting upstream of PIN polarization and, potentially, canalization-mediated plant development.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei humane Varianten des von Wang et al., 1999, erstmals beschriebenen muskelspezifischen Proteins Xin (Huhn und Maus) über Sequenzanalyse, Immunofluoreszenzmikroskopie, Transfektionsstudien und biochemischer Analyse näher charakterisiert. Die Proteine wurden mit human Xin related proteins 1 und 2 – hXirp1 und 2 –bezeichnet. Die Xin-Proteine enthielten bisher unbekannte, sowie spezifische, repetitive Motive, die aus jeweils mindestens 16 Aminosäuren bestanden. Ihre Aminosäuresequenz, mit einer Vielzahl weiterer putativer Motivsequenzen, verwies auf eine potentielle Funktion von hXirp als Adapterprotein in Muskelzellen. Das hier näher untersuchte hXirp1 lokalisierte an den Zell-Matrix-Verbindungen der Muskel-Sehnen-Übergangszone im Skelettmuskel, sowie an den Zell-Zell-Verbindungen der Glanzstreifen im Herzmuskel. Während der Muskelentwicklung zeigte hXirp1 eine sehr frühe Expression, zusammen mit einer prägnanten Lokalisation an den Prämyofibrillen und deren Verankerungsstrukturen, die auf eine Funktion des Proteins in der Myofibrillogenese deuten. Ektopische Expressionen von hXirp1 in einer Vielzahl von Nichtmuskel-Kulturzellen zeigten wiederum eine Lokalisation des Proteins an den Zell-Matrix-Kontakten dieser Zellen. Am Beispiel von hXirp1 und 2 wurde stellvertretend für die Familie der Xin-Proteine gezeigt, daß es sich bei den repetitiven Motiven um neuartige, F-Aktin bindende Sequenzmotive handelte. Die Xin-Proteine können somit als muskelspezifische, aktinbindende, potentielle Adapterproteine bezeichnet werden, denen eine strukturelle und funktionelle Beteiligung an der Verankerung der Myofibrillen im adulten Muskel, wie auch während der Myofibrillogenese zukommt.
Im ersten Teil der Arbeit wurden Strategien zur Analyse von Transkripten erarbeitet. Die ersten Versuche zielten darauf ab, in mit Glaskapillaren genommenen Einzelzellproben verschiedener Gewebeschichten RT-PCR durchzuführen, um spezifische Transkripte nachweisen zu können. Dies gelang für eine Reihe von Genen aus verschiedenen Pflanzenspezies. Dabei konnten sowohl Transkripte stark wie auch schwach exprimierter Gene nachgewiesen werden. Für die Erstellung von Gewebe-spezifischen Expressionsprofilen war es notwendig, die in vereinigten Zellproben enthaltene mRNA zunächst zu amplifizieren, um eine ausreichende Menge für Arrayhybridisierungen zu erhalten. Vor der Vermehrung wurde die mRNA revers transkribiert. Es wurden daran anschließend verschiedene Amplifikationsstrategien getestet: Die neben Tailing, Adapterligation und anderen PCR-basierenden Protokollen getestete Arbitrary-PCR hat sich in dieser Arbeit als einfache und einzige Methode herausgestellt, die mit so geringen cDNA-Mengen reproduzierbar arbeitet. Durch Gewebe-spezifische Array-hybridisierungen mit der so amplifizierten RNA konnten schon bekannte Expressionsmuster verschiedener Gene, vornehmlich solcher, die an der Photosynthese beteiligt sind, beobachtet werden. Es wurden aber auch eine ganze Reihe neuer offensichtlich Gewebe-spezifisch exprimierter Gene gefunden. Exemplarisch für die differentiell exprimierten Gene konnte das durch Arrayhybridisierungen gefundene Expressionsmuster der kleinen Untereinheit von Rubisco verifiziert werden. Hierzu wurden Methoden zum Gewebe-spezifischen Northernblot sowie semiquantitativer und Echtzeit-Einzelzell-RT-PCR entwickelt. Im zweiten Teil der Arbeit wurden Methoden zur Analyse von Metaboliten einschließlich anorganischer Ionen verwendet. Es stellte sich heraus, daß die multiparallele Methode der Gaschromatographie-Massenspektrometrie keine geeignete Methode für die Analyse selbst vieler vereinigter Zellinhalte ist. Daher wurde auf Kapillarelektrophorese zurückgegriffen. Eine Methode, die mit sehr kleinen Probenvolumina auskommt, eine hohe Trennung erzielt und zudem extrem geringe Detektionslimits besitzt. Die Analyse von Kohlenhydraten und Anionen erfordert eine weitere Optimierung. Über UV-Detektion konnte die K+-Konzentration in verschiedenen Geweben von A. thaliana bestimmt werden. Sie lag in Epidermis und Mesophyll mit ca. 25 mM unterhalb der für andere Pflanzenspezies (Solanum tuberosum und Hordeum vulgare) publizierten Konzentration. Weiter konnte gezeigt werden, daß zwölf freie Aminosäuren mittels einer auf Kapillarelektrophorese basierenden Methode in vereinigten Zellproben von Cucurbita maxima identifiziert werden konnten. Die Übertragung der Methode auf A. thaliana-Proben muß jedoch weiter optimiert werden, da die Sensitivität selbst bei Laser induzierter Fluoreszenz-Detektion nicht ausreichte. Im dritten und letzten Teil der Arbeit wurde eine Methode entwickelt, die die Analyse bekannter wie unbekannter Proteine in Gewebe-spezifischen Proben ermöglicht. Hierzu wurde zur Probennahme mittels mechanischer Mikrodissektion eine alternative Methode zur Laser Capture Microdissection verwendet, um aus eingebetteten Gewebeschnitten distinkte Bereiche herauszuschneiden und somit homogenes Gewebe anzureichern. Aus diesem konnten die Proteine extrahiert und über Polyacrylamidgelelektrophorese separariert werden. Banden konnten ausgeschnitten, tryptisch verdaut und massenspektrometrisch die Primärsequenz der Peptidfragmente bestimmt werden. So konnten als Hauptproteine im Mesophyll die große Untereinheit von Rubisco sowie ein Chlorophyll bindendes Protein gefunden werden. Die in dieser Arbeit entwickelten und auf die Modellpflanze Arabidopsis thaliana angewandten Einzelzellanalysetechniken erlauben es in Zukunft, physiologische Prozesse besser sowohl räumlich als auch zeitlich aufzulösen. Dies wird zu einem detaillierteren Verständnis mannigfaltiger Vorgänge wie Zell-Zell-Kommunikation, Signalweiterleitung oder Pflanzen-Pathogen-Interaktionen führen.
In dieser Arbeit wurden die Möglichkeiten und Grenzen für Zirkulardichroismus-Messungen mit Synchrotronstrahlung untersucht. Dazu wurde ein Messaufbau für Zirkulardichroismus-Messungen an zwei Strahlrohren am Berliner Elektronenspeicherring für Synchrotronstrahlung eingesetzt, die für Messungen im Bereich des ultravioletten Lichts geeignet sind. Eigenschaften der Strahlrohre und des Messaufbau wurden in einigen wichtigen Punkten mit kommerziellen Zirkulardichroismus-Spektrometern verglichen. Der Schwerpunkt lag auf der Ausdehnung des zugänglichen Wellenlängenbereichs unterhalb von 180 nm zur Untersuchung des Zirkulardichroismus von Proteinen in diesem Bereich. In diesem Bereich ist es nicht nur die Lichtquelle sondern vor allem die Absorption des Lichts durch Wasser, die den Messbereich bei der Messung biologischer Proben in wässriger Lösung einschränkt. Es wurden Bedingungen gefunden, unter denen der Messbereich auf etwa 160 nm, in einigen Fällen bis auf 130 nm ausgedehnt werden konnte. Dazu musste die Pfadlänge deutlich reduziert werden und verschieden Probenküvetten wurden getestet. Der Einfluss der dabei auftretenden Spannungsdoppelbrechung in den Probenküvetten auf das Messsignal konnte mit einem alternativen Messaufbau deutlich reduziert werden. Systematische Fehler im Messsignal und auftretende Strahlenschäden begrenzen jedoch die Zuverlässigkeit der gemessenen Spektren. Bei Proteinfilmen schränkt die Absorption von Wasser den Messbereich kaum ein. Es wurden jedoch meist deutliche Unterschiede zwischen den Spektren von Proteinfilmen und den Spektren von Proteinen in wässriger Lösung festgestellt. Solange diese Unterschiede nicht minimiert werden können, stellen Proteinfilme keine praktikable Alternative zu Messungen in wässriger Lösung dar.
While the underlying mechanisms of Parkinson’s disease (PD) are still insufficiently studied, a complex interaction between genetic and environmental factors is emphasized. Nevertheless, the role of the essential trace element zinc (Zn) in this regard remains controversial. In this study we altered Zn balance within PD models of the versatile model organism Caenorhabditis elegans (C. elegans) in order to examine whether a genetic predisposition in selected genes with relevance for PD affects Zn homeostasis. Protein-bound and labile Zn species act in various areas, such as enzymatic catalysis, protein stabilization pathways and cell signaling. Therefore, total Zn and labile Zn were quantitatively determined in living nematodes as individual biomarkers of Zn uptake and bioavailability with inductively coupled plasma tandem mass spectrometry (ICP-MS/MS) or a multi-well method using the fluorescent probe ZinPyr-1. Young and middle-aged deletion mutants of catp-6 and pdr-1, which are orthologues of mammalian ATP13A2 (PARK9) and parkin (PARK2), showed altered Zn homeostasis following Zn exposure compared to wildtype worms. Furthermore, age-specific differences in Zn uptake were observed in wildtype worms for total as well as labile Zn species. These data emphasize the importance of differentiation between Zn species as meaningful biomarkers of Zn uptake as well as the need for further studies investigating the role of dysregulated Zn homeostasis in the etiology of PD.
Precipitation and land use in terms of livestock grazing have been identified as two of the most important drivers structuring the vegetation composition of semi-arid and arid savannas. Savanna research on the impact of these drivers has widely applied the so-called plant functional type (PFT) approach, grouping the vegetation into two or three broad types (here called meta-PFTs): woody plants and grasses, which are sometimes divided into perennial and annual grasses. However, little is known about the response of functional traits within these coarse types towards water availability or livestock grazing. In this study, we extended an existing eco-hydrological savanna vegetation model to capture trait diversity within the three broad meta-PFTs to assess the effects of both grazing and mean annual precipitation (MAP) on trait composition along a gradient of both drivers. Our results show a complex pattern of trait responses to grazing and aridity. The response differs for the three meta-PFTs. From our findings, we derive that trait responses to grazing and aridity for perennial grasses are similar, as suggested by the convergence model for grazing and aridity. However, we also see that this only holds for simulations below a MAP of 500 mm. This combined with the finding that trait response differs between the three meta-PFTs leads to the conclusion that there is no single, universal trait or set of traits determining the response to grazing and aridity. We finally discuss how simulation models including trait variability within meta-PFTs are necessary to understand ecosystem responses to environmental drivers, both locally and globally and how this perspective will help to extend conceptual frameworks of other ecosystems to savanna research.
In times of ongoing biodiversity loss, understanding how communities are structured and what mechanisms and local adaptations underlie the patterns we observe in nature is crucial for predicting how future ecological and anthropogenic changes might affect local and regional biodiversity. Aquatic zooplankton are a group of primary consumers that represent a critical link in the food chain, providing nutrients for the entire food web. Thus, understanding the adaptability and structure of zooplankton communities is essential. In this work, the genetic basis for the different temperature adaptations of two seasonally shifted (i.e., temperature-dependent) occurring freshwater rotifers of a formerly cryptic species complex (Brachionus calyciflorus) was investigated to understand the overall genetic diversity and evolutionary scenario for putative adaptations to different temperature regimes. Furthermore, this work aimed to clarify to what extent the different temperature adaptations may represent a niche partitioning process thus enabling co-existence. The findings were then embedded in a metacommunity context to understand how zooplankton communities assemble in a kettle hole metacommunity located in the northeastern German "Uckermark" and which underlying processes contribute to the biodiversity patterns we observe. Using a combined approach of newly generated mitochondrial resources (genomes/cds) and the analysis of a candidate gene (Heat Shock Protein 40kDa) for temperature adaptation, I showed that the global representatives of B. calyciflorus s.s.. are genetically more similar than B. fernandoi (average pairwise nucleotide diversity: 0.079 intraspecific vs. 0.257 interspecific) indicating that both species carry different standing genetic variation. In addition to differential expression in the thermotolerant B. calyciflorus s.s. and thermosensitive B. fernandoi, the HSP 40kDa also showed structural variation with eleven fixed and six positively selected sites, some of which are located in functional areas of the protein. The estimated divergence time of ~ 25-29 Myr combined with the fixed sites and a prevalence of ancestral amino acids in B. calyciflorus s.s. indicate that B. calyciflorus s.s. remained in the ancestral niche, while B. fernandoi partitioned into a new niche. The comparison of mitochondrial and nuclear markers (HPS 40kDa, ITS1, COI) revealed a hybridisation event between the two species. However, as hybridisation between the two species is rare, it can be concluded that the temporally isolated niches (i.e., seasonal-shifted occurrence) they inhabit based on their different temperature preferences most likely represent a pre-zygotic isolation mechanism that allows sympatric occurrence while maintaining species boundaries. To determine the processes underlying zooplankton community assembly, a zooplankton metacommunity comprising 24 kettle holes was sampled over a two-year period. Active (i.e., water samples) and dormant communities (i.e., dormant eggs hatched from sediment) were identified using a two-fragment DNA metabarcoding approach (COI and 18S). Species richness and diversity as well as community composition were analysed considering spatial, temporal and environmental parameters. The analysis revealed that environmental filtering based on parameters such as pH, size and location of the habitat patch (i.e., kettle hole) and surrounding field crops largely determined zooplankton community composition (explained variance: Bray-Curtis dissimilarities: 10.5%; Jaccard dissimilarities: 12.9%), indicating that adaptation to a particular habitat is a key feature of zooplankton species in this system. While the spatial configuration of the kettle holes played a minor role (explained variance: Bray-Curtis dissimilarities: 2.8% and Jaccard dissimilarities: 5.5%), the individual kettle hole sites had a significant influence on the community composition. This suggests monopolisation/priority effects (i.e., dormant communities) of certain species in individual kettle holes. As environmental filtering is the dominating process structuring zooplankton communities, this system could be significantly influenced by future land-use change, pollution and climate change.
Einleitung & Problemstellung: Beschwerden nach Beschleunigungsverletzungen der Halswirbelsäule sind oft nur unzureichend einzuordnen und diagnostizierbar. Eine eindeutige Diagnostik ist jedoch für eine entsprechende Therapie wie auch möglicherweise entstehende versicherungsrechtliche Forderungen notwendig. Die Entwicklung eines geeigneten Diagnoseverfahrens liegt damit im Interesse von Betroffenen wie auch Kostenträgern. Neben Störungen der Weichteilgewebe ist fast immer die Funktion der Halsmuskulatur in Folge eines Traumas beeinträchtigt. Dabei wird vor allem die sensorische Funktion der HWS-Muskulatur, die an der Regulation des Gleichgewichts beteiligt ist, gestört. In Folge dessen kann angenommen werden, dass es zu einer Beeinträchtigung der Gleichgewichtsregulation kommt. Die Zielstellung der Arbeit lautete deshalb, die möglicherweise gestörte Gleichgewichtsregulation nach einem Trauma im HWS-Bereich apparativ zu erfassen, um so die Verletzung eindeutig diagnostizieren zu können. Methodik: Unter Verwendung eines posturographischen Messsystems mit Kraftmomentensensorik wurden bei 478 Probanden einer Vergleichsgruppe und bei 85 Probanden eines Patientenpools Kraftmomente unter der Fußsohle als Äußerung der posturalen Balanceregulation aufgezeichnet. Die gemessenen Balancezeitreihen wurden nichtlinear analysiert, um die hohe Variabilität der Gleichgewichtsregulation optimal zu beschreiben. Über die dabei gewonnenen Parameter kann überprüft werden, ob sich spezifische Unterschiede im Schwankungsverhalten anhand der plantaren Druckverteilung zwischen HWS-Traumatisierten und den Probanden der Kontrollgruppe klassifizieren lassen. Ergebnisse: Die beste Klassifizierung konnte dabei über Parameter erzielt werden, die das Schwankungsverhalten in Phasen beschreiben, in denen die Amplitudenschwankungen relativ gering ausgeprägt waren. Die Analysen ergaben signifikante Unterschiede im Balanceverhalten zwischen der Gruppe HWS-traumatisierter Probanden und der Vergleichsgruppe. Die höchsten Trennbarkeitsraten wurden dabei durch Messungen im ruhigen beidbeinigen Stand mit geschlossenen Augen erzielt. Diskussion: Das posturale Balanceverhalten wies jedoch in allen Messpositionen eine hohe individuelle Varianz auf, so dass kein allgemeingültiges Schwankungsmuster für eine Gruppengesamtheit klassifiziert werden konnte. Eine individuelle Vorhersage der Gruppenzugehörigkeit ist damit nicht möglich. Die verwendete Messtechnik und die angewandten Auswerteverfahren tragen somit zwar zu einem Erkenntnisgewinn und zur Beschreibung des Gleichgewichtsverhaltens nach HWS-Traumatisierung bei. Sie können jedoch zum derzeitigen Stand für den Einzelfall keinen Beitrag zu einer eindeutigen Bestimmung eines Schleudertraumas leisten.
Zu cervicalen Distorsionsverletzungen und deren Auswirkungen auf posturographische Schwankungsmuster
(2008)
Einleitung & Problemstellung: Beschwerden nach Beschleunigungsverletzungen der Halswirbel-säule sind oft nur unzureichend einzuordnen und diagnostizierbar. Eine eindeutige Diagnostik ist jedoch für eine entsprechende Therapie wie auch möglicherweise entstehende versicherungsrechtliche Forderungen notwendig. Die Entwicklung eines geeigneten Diagnoseverfahrens liegt damit im Interesse von Betroffenen wie auch Kostenträgern. Neben Störungen der Weichteilgewebe ist fast immer die Funktion der Halsmuskulatur in Folge eines Traumas beeinträchtigt. Dabei wird vor allem die sensorische Funktion der HWS-Muskulatur, die an der Regulation des Gleichgewichts beteiligt ist, gestört. In Folge dessen kann angenommen werden, dass es zu einer Beeinträchtigung der Gleichgewichtsregulation kommt. Die Zielstellung der Arbeit lautete deshalb, die möglicherweise gestörte Gleichgewichtsregulation nach einem Trauma im HWS-Bereich apparativ zu erfassen, um so die Verletzung eindeutig diagnostizieren zu können. Methodik: Unter Verwendung eines posturographischen Messsystems mit Kraftmomentensensorik wurden bei 478 Probanden einer Vergleichsgruppe und bei 85 Probanden eines Patientenpools Kraftmomente unter der Fußsohle als Äußerung der posturalen Balanceregulation aufgezeichnet. Die gemessenen Balancezeitreihen wurden nichtlinear analysiert, um die hohe Variabilität der Gleichgewichtsregulation optimal zu beschreiben. Über die dabei gewonnenen Parameter kann überprüft werden, ob sich spezifische Unterschiede im Schwankungsverhalten anhand der plantaren Druckverteilung zwischen HWS-Traumatisierten und den Probanden der Kontrollgruppe klassifizieren lassen. Ergebnisse: Die beste Klassifizierung konnte dabei über Parameter erzielt werden, die das Schwankungsverhalten in Phasen beschreiben, in denen die Amplitudenschwankungen relativ gering ausgeprägt waren. Die Analysen ergaben signifikante Unterschiede im Balanceverhalten zwischen der Gruppe HWS-traumatisierter Probanden und der Vergleichsgruppe. Die höchsten Trennbarkeitsraten wurden dabei durch Messungen im ruhigen beidbeinigen Stand mit geschlossenen Augen erzielt. Diskussion: Das posturale Balanceverhalten wies jedoch in allen Messpositionen eine hohe individuelle Varianz auf, so dass kein allgemeingültiges Schwankungsmuster für eine Gruppen-gesamtheit klassifiziert werden konnte. Eine individuelle Vorhersage der Gruppenzugehörigkeit ist damit nicht möglich. Die verwendete Messtechnik und die angewandten Auswerteverfahren tragen somit zwar zu einem Erkenntnisgewinn und zur Beschreibung des Gleichgewichtsverhaltens nach HWS-Traumatisierung bei. Sie können jedoch zum derzeitigen Stand für den Einzelfall keinen Beitrag zu einer eindeutigen Bestimmung eines Schleudertraumas leisten.
In den letzten 20 Jahren hat sich der Maiszünsler (Ostrinia nubilalis HÜBNER), aus der Schmetterlingsfamilie der Pyralidae oder Zünsler, zum bedeutendsten tierischen Schädling des Maises (Zea mays) entwickelt. Eine Möglichkeit den Befall des Maiszünslers abzuwenden, bietet der Anbau von Bacillus thuringiensis-Mais (Bt-Mais). Mit Hilfe der Gentechnik wurden Gene des Bakteriums Bacillus thuringiensis übertragen, die einen für Fraßinsekten giftigen Wirkstoff bilden, wodurch die Pflanzen während der kompletten Vegetation vor den Larven des Maiszünslers geschützt sind. Ziel des vorliegenden Projektes war es, in einer 3-jährigen Studie die Auswirkungen des großflächigen Anbaus von Bt-Mais auf die ökologische Situation und den Handlungsrahmen des integrierten Pflanzenschutzes komplex zu untersuchen. Dazu wurden in Betrieben im Oderbruch, das als permanentes Befallsgebiet des Maiszünslers gilt, in den Jahren 2002 bis 2004 jährlich zwei Felder mit jeweils einer Bt-Sorte und einer konventionellen Sorte angelegt. Zusätzlich wurden biologische und chemische Maiszünsler-Bekämpfungsvarianten geprüft. Durch verschiedene Methoden wie Bonituren, Ganzpflanzenernten, Bodenfallenfänge und Beobachtungen des Wahlverhaltens von (Flug-)insekten konnten Aussagen zum Vorkommen von Insekten und Spinnentieren getroffen werden, wobei hierfür Daten aus Untersuchungen der Jahre 2000 und 2001 im Oderbruch ergänzend herangezogen werden konnten. Durch Ertragsmessungen, Energie- und Qualitätsermittlungen, sowie Fusarium- und Mykotoxinanalysen konnte der Anbau von Bt-Mais als neue Alternative zur Bekämpfung des Maiszünslers bewertet werden. Bezüglich des Auftretens von Insekten und Spinnentieren wurden im Mittel der fünfjährigen Datenerhebung beim Vergleich der Bt-Sorte zur konventionellen Sorte, mit Ausnahme der fast 100 %igen Bekämpfung des Maiszünslers, keine signifikanten Unterschiede festgestellt. Hierfür wurde ein besonderes Augenmerk auf Thripse, Wanzen, Blattläuse und deren Fraßfeinde, sowie mittels Bodenfallenfängen auf Laufkäfer und Spinnen gerichtet. Die erwarteten ökonomischen Vorteile wie etwa Ertragsplus oder bessere Nährstoff- und Energiegehalte durch geringeren Schaden beim Anbau von Bt-Mais als Silomais blieben in den Untersuchungsjahren aus. Allerdings zeigten Fusarium- und Mykotoxinanalysen eine geringere Belastung des Bt-Maises, was möglicherweise auf den geringeren Schaden zurückzuführen ist, da beschädigte Pflanzen für Fusarium und Mykotoxine anfälliger sind. Desweiteren konnten erste methodische Ansätze für ein auf EU-Ebene gefordertes, den Anbau von Bt-Mais begleitendes Monitoring, erarbeitet werden. So konnten Vorschläge für geeignete Methoden, deren Umfang sowie des Zeitpunktes der Durchführungen gemacht werden.
Intensive Forschung hat in den vergangenen Jahrzehnten zu einer sehr detaillierten Charakterisierung des Geschmackssystems der Säugetiere geführt. Dennoch sind mit den bislang eingesetzten Methoden wichtige Fragestellungen unbeantwortet geblieben. Eine dieser Fragen gilt der Unterscheidung von Bitterstoffen. Die Zahl der Substanzen, die für den Menschen bitter schmecken und in Tieren angeborenes Aversionsverhalten auslösen, geht in die Tausende. Diese Substanzen sind sowohl von der chemischen Struktur als auch von ihrer Wirkung auf den Organismus sehr verschieden. Während viele Bitterstoffe potente Gifte darstellen, sind andere in den Mengen, die mit der Nahrung aufgenommen werden, harmlos oder haben sogar positive Effekte auf den Körper. Zwischen diesen Gruppen unterscheiden zu können, wäre für ein Tier von Vorteil. Ein solcher Mechanismus ist jedoch bei Säugetieren nicht bekannt. Das Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung der Verarbeitung von Geschmacksinformation in der ersten Station der Geschmacksbahn im Mausgehirn, dem Nucleus tractus solitarii (NTS), mit besonderem Augenmerk auf der Frage nach der Diskriminierung verschiedener Bitterstoffe. Zu diesem Zweck wurde eine neue Untersuchungsmethode für das Geschmackssystem etabliert, die die Nachteile bereits verfügbarer Methoden umgeht und ihre Vorteile kombiniert. Die Arc-catFISH-Methode (cellular compartment analysis of temporal activity by fluorescent in situ hybridization), die die Charakterisierung der Antwort großer Neuronengruppen auf zwei Stimuli erlaubt, wurde zur Untersuchung geschmacksverarbeitender Zellen im NTS angewandt. Im Zuge dieses Projekts wurde erstmals eine stimulusinduzierte Arc-Expression im NTS gezeigt. Die ersten Ergebnisse offenbarten, dass die Arc-Expression im NTS spezifisch nach Stimulation mit Bitterstoffen auftritt und sich die Arc exprimierenden Neurone vornehmlich im gustatorischen Teil des NTS befinden. Dies weist darauf hin, dass Arc-Expression ein Marker für bitterverarbeitende gustatorische Neurone im NTS ist. Nach zweimaliger Stimulation mit Bittersubstanzen konnten überlappende, aber verschiedene Populationen von Neuronen beobachtet werden, die unterschiedlich auf die drei verwendeten Bittersubstanzen Cycloheximid, Chininhydrochlorid und Cucurbitacin I reagierten. Diese Neurone sind vermutlich an der Steuerung von Abwehrreflexen beteiligt und könnten so die Grundlage für divergentes Verhalten gegenüber verschiedenen Bitterstoffen bilden.