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The Allatoregulatory Neuropeptides and their Genes in the fall armyworm, Spodoptera frugiperda (Lepidoptera: Noctuidae)
(2004)
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Mohatmed Abdel-latief
- The genes encoding the S. frugiperda allatotropin (Spofr-AT), allatostatin (Spofr-AST), allatostatin type-A (Spofr-AST A) peptide family and allatotropin 2 (Spofr-AT 2) peptides were isolated from S. frugiperda brain cDNA. The Spofr-AT gene is expressed in three mRNA isoforms with 134, 171, and 200 amino acids, respectively, differing from each other by alternative splicing. The Spofr-AST cDNA encodes 125 amino acid residues including one copy of the Manse-AST mature peptide (type-C allatostatin). The deduced precursor sequence of Spofr-AST A gene contains 231 amino acids and allowed unambiguous identification of nine (or ten) peptides of YFXFGL-a peptide family, which are tandemly arranged in three blocks. A cDNA that encodes 53 amino acids was cloned from S. frugiperda brain cDNA, including one copy of a non-amidated decapeptide (Arg-Val-Arg-Gly-Asn-Pro-Ile-Ser-Cys-Phe-OH). This peptide strongly stimulates the synthesis and release of juvenile hormone (JH) in vitro by the corpora allata (CA) of S. frugiperda adult females and was code-named Spofr-AT 2. The primary structure of Spofr-AT 2 is identical at its C-terminus (-NPISCF) with the M. sexta type-C allatostatin (Manse-AST). One-step RT-PCR for semi-quantification of the gene expression, it is demonstrated that both genes (Spofr-AT and Spofr-AST) are expressed in brain, digestive tract, and reproductive organs of larvae, pupae, and adults of S. frugiperda in a time-, tissue-, and sex specific manner. The tissue-specific localization of the prohormone expression, as demonstrated by whole-mount in situ hybridization, confirms the overall tissue distribution of the prohormones as shown by RT-PCR and supports the pleiotropic functions of the peptides. Spofr-AST type-A gene is expressed in the brain, midgut, and reproductive organs of S. frugiperda larvae and adults in a time- and tissue-specific manner. Data confirm the nature of the allatostatin type-A peptides as brain/gut myoregulatory hormones. Northern blotting and RT-PCR analyses revealed that the Spofr-AT 2 gene is expressed as one transcript in the brain, midgut, and ovary in a tissue- and developmental-specific manner. Treating the CA with the synthetic peptide caused an up to tenfold increase in the release of JH. The stimulation of JH release was dose-dependent with an apparent EC50 of ca. 10-7 M. CA that were activated with Spofr-AT 2 could be inhibited by the addition of synthetic Manse-AST. In conclusion, the presented date strengthen the hypothesis that “allatoregulating” neuropeptides are diverse in structure, widely distributed and exhibit multiple functions. The functions may be tissue-specific as well as specific to particular developmental stages of insects. Knowledge of the various peptide precursor sequences has opened the way for synthesis of these peptides for detailed physiological and functional studies. Further quantitative experiments formulated in context of the life history of the animals will certainly yield a more detailed understanding of the mode of action of these peptides in S. frugiperda. Other major challenges in the future will be to clone the receptors for these peptides and to study the receptor distribution in the fall armyworm.
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Aktinabhängige Bewegung und Vererbung von Mitochondrien in Saccharomyces cerevisiae
(2008)
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Katrin Altmann
- Da Mitochondrien nicht de novo synthetisiert werden können, wird durch die koordinierte Vererbung von Mitochondrien und mitochondrialer DNA (mtDNA) sichergestellt, dass während der Zytokinese alle Zellen im Besitz funktioneller Organellen bleiben. Dabei ist bekannt, dass im Modellorganismus Saccharomyces cerevisiae das Aktinzytoskelett für diese mitochondrialen Transportereignisse verantwortlich ist. Weiterhin wird angenommen, dass über einen beide mitochondriale Membranen durchspannenden Komplex (TMS) die mtDNA während der Zytokinese an den Segregationsapparat im Zytosol gebunden wird. Allerdings sind der Mechanismus und die Komponenten der aktinabhängigen Bewegung genauso wie die Gesamtstruktur des TMS bisher nur wenig verstanden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein systematischer Screen nach essentiellen, mitochondrialen Morphologie- und Verteilungskomponenten durchgeführt. 119 Stämme einer Hefe-Bibliothek, in der die Genexpression über einen Fremd-Promotor reguliert wird, zeigten nach Abschalten des Promotors einen veränderten mitochondrialen Phänotyp. Dies ermöglichte die Identifizierung fünf zellulärer Prozesse, die für die mitochondriale Morphogenese von entscheidender Bedeutung sind: Ergosterol-Biosynthese, vesikulärer Transport, mitochondrialer Proteinimport, Ubiquitin/26S Proteasom-abhängiger Proteinabbau und aktinzytoskelettabhängiger Transport. Zwei Mitglieder der letzten Gruppe, das Klasse V Myosin Myo2 und seine leichte Kette Mlc1, wiesen dabei besonders interessante Phänotypen auf. Fluoreszenz- und elektronenmikroskopische Untersuchungen ergaben eine ringähnliche mitochondriale Morphologie in den mutanten Zellen. Cristaestrukturen fehlten vollständig. Da diese Defekte in Zellen mit einem normal ausgeprägten Aktinzytoskelett beobachtet werden konnten, übt Myo2 wahrscheinlich einen primären Effekt auf die Interaktion zwischen Mitochondrien und den Aktinkabeln aus. Diese Vermutung wurde durch in vitro Aktinbindungs-Assays bestärkt. Dabei zeigten isolierte Mitochondrien aus Stämmen ohne Myo2 und Mlc1 und aus Stämmen mit spezifischen Punktmutationen in den Cargo-Bindungsdomänen von Myo2 eine stark beeinträchtigte Bindungskapazität. Zusätzlich ergab zeitauflösende Fluoreszenzmikroskopie der myo2-Punktmutanten, dass Myo2 auch für die knospengerichtete anterograde Bewegung von Mitochondrien verantwortlich ist. Diese Ergebnisse belegen zum ersten Mal die wichtige und direkte Beteiligung eines Myosins an der mitochondrialen Bewegung und Vererbung in S. cerevisiae. Darüber hinaus wurden Mdm31 und Mdm32, zwei funktionell unabhängige Untereinheiten zweier Komplexe der mitochondrialen Innenmembran (IM), als notwendige Komponenten der koordinierten Vererbung von mtDNA etabliert. In vorliegender Arbeit konnte dabei gezeigt werden, dass die Deletion beider Gene jeweils in dem Verlust der Interaktion zwischen mtDNA und Mmm1, einer Außenmembrankomponente des TMS, resultierte. Dies deutet auf eine Funktion von Mdm31 und Mdm32 als Innenmembrankomponenten des TMS hin.
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The signal transduction of the adipokinetic hormone and regulation of energy metabolism in the cricket, Gryllus bimaculatus de Geer (Ensifera: Gryllidae)
(2004)
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Anurag N. Anand
- The fat body from the cricket, Gryllus bimaculatus incorporates acetate, glycerol or palmitate into lipid in vitro. Adipokinetic hormone (AKH) inhibits acetate incorporation into lipid by the fat body from adult crickets in vitro. AKH inhibits palmitate incorporation into lipid to a small extent, however, it does not influence the incorporation of palmitate into different lipid classes. In the presence of AKH, glycerol incorporation into lipid by the adult cricket fat body increases by several fold. AKH does not influence the incorporation of glycerol into different lipid classes. The fat body incorporates glycerol mainly into triacylglycerol (TAG) and almost exclusively into the backbone. AKH inhibits fatty acid (FA) synthesis but not the coupling of FAs with the glycerol backbone. Triacylglycerol lipase (TGL) from the fat body, in last larval instar and adult crickets, shows an age-dependent pattern of activity. AKH activates TGL, but does not regulate ACCase, ACL and FAS upon treatment of the fat body for a short period, under the assay conditions. The FAS and acetate incorporation activities are highly correlated in an age-dependent manner and are highest on day 2 of the adult stage. The activation of the formation of sn-1,2-DAG from TAG, in the fat body by AKH seems to be via the removal of FAs at positions 1 and 3, followed by reacylation of 2-MAG. The presence of calcium in the incubation medium is crucial for the inhibition of acetate incorporation by AKH; possibly it is essential for the binding of AKH to the receptor. The influx of acetate and calcium into and efflux of calcium from the cytosol are not affected by AKH. The release of calcium from intracellular calcium stores in the fat body, caused by thapsigargin, inhibits acetate incorporation irreversibly and shows a tendency for the activation of TGL. The calcium ionophore ionomycin inhibits acetate incorporation by the fat body reversibly and shows a tendency for TGL activation. Another ionophore, A23187 also inhibits acetate incorporation. Caffeine and theophylline inhibit acetate incorporation by the fat body in a reversible manner and tend to activate TGL. Caffeine seems to act via the release of calcium from intracellular stores and not via increase in the cellular cAMP concentrations. cAMP analogues and agonists do not influence acetate incorporation, however, the agonists, IBMX and forskolin cause a multifold increase in the cAMP concentrations in the fat body. AKH does not affect the cAMP concentrations in the fat body suggesting that cAMP is not involved in the signal transduction. As the activation of protein kinase C by PMA (a phorbol ester) does not affect acetate incorporation, diacylglycerol does not seem to be involved in the AKH signal transduction. The activation and/or translocation of TGL and inhibition of fatty acid synthesis by AKH seems to be via the release of calcium from intracellular calcium stores. Lipid and protein form a major part of the fat body in the penultimate larval instar crickets, while glycogen forms a minor part. However, in comparison with the adult (glycogen content of fat body about 1%) and last larval instar crickets (glycogen content about 3%), the penultimate larval instar crickets contain higher amounts of glycogen (about 9%). AKH inhibits acetate incorporation into lipid by the fat body from penultimate larval instar crickets. The patterns of acetate incorporation and inhibition by AKH are similar in both, males and females. The inhibition is dose-dependent with an EC50 of 79 pM AKH. AKH seems to play an important role in the development and reproduction of insects, in addition to its role during flight metabolism.
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Analysis of alkali-inducible genes of Bacillus subtilis
(2003)
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Akram Atalla
- Using the DNA macroarray technique, it could be shown that more than 80 genes induced after alkali shock (Wiegert et al., 2001). While most of them are under the control of the alternative sigma factor (sigmaW), the remaining genes are under the control of one or more unknown regulator(s). By their signature, two of them kipR and yvdT code for regulatory proteins, while pspA, member of the sigmaW regulon, encodes another potential regulator. In this doctoral work, the genes kipR, yvd and pspA were analyzed. The kipR and yvdT genes code for a transcriptional regulator of the IcIR and TetR/AcrR family while the pspA encode a transcriptional anti-activator in E. coli . In Northern blot analyses, it could be shown that all three genes are induced after alkali shock. The transcription start points of the kipR and yvdT genes were identified by primer extension experiments, and it appeared that the transcription is dependent on a vegetative sigma A-like promoter. To identify genes which are under the negative control of the transcriptional anti-activator PspA, a DNA macroarray experiment was carried out. It turned out that several genes are repressed by a factor of at least three under conditions of PspA overproduction. By using the Far-western blot technique, a protein which might interact with the PspA protein was identified. This protein has a molecular weight approximately 50 kDa. In addition, expression of the pst operon ( pst stay for phosphate-specific transport) was analyzed which is induced after phosphate starvation and after alkaline shock. The genes of this operon are involved in the phosphate transport into the cytoplasma. By Northern-blot experiments, it could be shown that all genes of this operon are alkali-inducible. When the transcriptional start point was determined by primer extension, it turned out to be identical to the one determined under phosphate limitation. This transcription start point is preceded by a typical sigmaA-type promoter. Furthermore, alkali-induction is dependent on the PhoP-PhoR two-component signal transduction system. Phosphate-uptake experiments revealed that the uptake of inorganic phosphate was completely abolished after increasing the external pH value.
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Mineral sequestration of CO2 by reaction with alkaline residues
(2012)
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Martin Back
- With the onset of industrialization within the last 150 years, a significant increase in the concentration of the greenhouse gas carbon dioxide (CO2) is recorded in the atmosphere. According to current scientific understanding the rising atmospheric CO2 levels can be linked with high probability to the observed phenomenon of global warming. Consequently, the reduction of anthropogenic greenhouse gas emissions has become a global challenge of environmental research and policy.
In this thesis, a novel approach to achieve a long-term mineral sequestration of CO2 was studied, using alkaline residue materials. This study examined for the first time a process that allows for rapid removal of CO2 from flue gas through reaction with lignite fly ashes in aqueous solution.
In this process the basicity of the residues is utilized for mineral trapping of CO2 by precipitating stable calcite. Lignite fly ashes are a cheap, inexpensive, highly reactive byproduct of coal combustion. Due to the exposure to heat, these waste streams generally contain high amounts of reactive Ca/Mg (hydr)oxides and thus offer a high alkalinity. The alkaline residues were therefore not considered as an environmental problem, but rather as useful reactants for technical CO2 neutralization in the context of combustion processes.
Carbonates are end-products of weathering processes at the earth surface and mineral carbonation is thus assessed to be a permanent and safe storage option of CO2. Compared to alternative forms of carbon storage (e.g. the injection into gas reservoirs) cost-intensive monitoring programs for safety reasons can be omitted. Also, the carbonation generally leads to heavy metal fixation in the residues, allowing for an environmentally less problematic disposal of the products or even their industrial re-use (e.g. road construction, cement industry). Due to the common high reactivity of alkaline fly ashes no pre-treatment (e.g. grinding, using chemical additives) is needed compared to the use of natural silicate minerals as feedstock material. For these reasons mineral carbonation of alkaline residues can be considered as a process with low costs and low energy consumption, thus making it an interesting CO2 reduction pathway from an economical point of view.
In Chapter 1, the mechanisms and rates of reactions between alkaline lignite fly ash and CO2 in aqueous suspensions were evaluated. Aqueous laboratory experiments showed that CO2 from flue gas can be bound directly as carbonate. Additionally, solutions with high dissolved inorganic carbon content are formed, which can be injected into aquifers for mineral CO2 sequestration. As the dissolution rates of the alkaline mineral phases are high, gas phase CO2 transfer into the aqueous phase is mostly the limiting factor for the overall carbonation process. CO2 dissolution is controlled by the solution pH, by the available surface area of the gas/water interface and by the gradient at that interface.
The maximum conversion of 5.2 moles of CO2 per kg fly ash (≈ 0.23 kg kg-1) obtained at 75 °C demonstrates the high potential of alkaline fly ashes to sequester CO2. This value accounts for a CO2 sequestration capacity of nearly 3.5 million t of CO2 in Germany alone based on the available lignite fly ash, which corresponds to 2 percents of the CO2 emissions from lignite power combustion (168 million t a-1 in 2009).
In Chapter 2, laboratory carbonation experiments are described, which were carried out with the individual mineral phases CaO and MgO in aqueous solution. The process showed parallels with the reactions observed during carbonation of lignite fly ashes, suggesting that Ca and Mg (hydr)oxides can be used as proxies to estimate alkaline waste reaction with CO2 in general.
The carbonation of CaO happens fast, occurs at high pH values > 12 and is controlled at the mineral surface by the dissolution of Ca(OH)2. As long as Ca(OH)2 is available CO2 uptake by the system is high and leads to the simultaneous precipitation of calcite (CaCO3). Under similar conditions MgO carbonation is a slower and much more complex process. In the presence of MgO an initial pH of ~ 10.8, indicating solubility equilibrium, was reached. Subsequently, TDIC concentrations and EC increased almost linearly. The pool of MgO based alkalinity can be made available for mineral trapping if the kinetic restrictions for precipitation of Mg-carbonate can be overcome, e. g. by running the processes at higher temperature (> 50 °C) and higher s/l-ratio. Corresponding to related work the precipitation of hydromagnesite (Mg5(CO3)4 (OH)2 ∙ 4H2O) is found for temperatures above 50 ° C already at a suspended amount of 4 g L-1. Precipitation of nesquehonite (MgCO3 ∙ 3H2O)) starts upon a suspended amount of MgO of more than 10 g L-1 at 25 ° C.
In Chapter 3 the setup and the results of a model are shown, which was used to simulate and evaluate the process of alkaline material carbonation over time. Experimentally derived specific dissolution rates for CaO/MgO and CO2 are used for the development of a kinetic geochemical model based on the freely available PHREEQC algorithm. The software offers the access to databases, which containing thermodynamic constants of all common dissolved species in natural and industrial processes.
Experimental assays conducted in an aqueous carbonation reactor (see Chapter 1 and 2) were used as reference to test the model and evaluate its robustness and sensitivity.
The reaction course of the experiments based on the use of the pure phases (CaO and MgO) was successfully reproduced by our simulations. The developed model may thus be used as a valuable tool for the optimization of technical scenarios/facilities for CO2 sequestration. In order to study different mineral sequestration scenarios for calcite precipitation, we used the simulation to test the variation of process parameters and the addition of chemical additives (CaCl2, CaSO4). Finally, the simulation of the carbonation of lignite fly ash was tested using our simplified model based on CaO, MgO, calcite, anhydrite as kinetic reactants. It was shown that advanced techniques to determine the exact mineralogy of combustion residues and the extension of the availability of thermodynamic data of specific mineral phases are necessary to improve geochemical modelling in future work.
In Chapter 4, the potential contribution of lignite fly ash to mineral CO2 trapping in a high anhydrite (CaSO4) containing aquifer were analyzed. The study examined the possibility of combining underground CO2 storage and geothermal heat/energy production from an anhydrite rich aquifer. In such a scenario Ca2+ for the precipitation of calcite could be provided from the dissolution of the calcium sulfate. The dissolution of anhydrite concurrently releases acid, being counterproductive with respect to the formation of carbonates. The possibility of pH buffering by the addition of alkaline lignite fly ash is therefore appraised to optimize the conditions of carbonate precipitation.
The performed laboratory experiments, as basis for thermodynamic simulations with PHREEC, confirmed that the buffering capacity derived from the fly ashes is essential for calcite precipitation in such a system. Already with an addition of 0.1 weight percent of fly ash per volume of the injection solution the amount of precipitated calcite was maximized. The dissolution of anhydrite is associated with a concurrent increase in pore space and can balance the porespace reduction by precipitation of carbonates and secondary silicates in the geothermal reservoir.
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Analyse der physiologischen Funktion von Mitgliedern der Rieske-Typ Eisen-Schwefel-Proteinfamilie in der inneren Plastidenhülle
(2009)
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Sandra Bartsch
- Höher entwickelte Pflanzen enthalten eine Superfamilie von non-Häm Oxygenasen, deren Mitglieder über identische, konservierte Rieske- und mononukleare Fe-Bindungsdomänen verfügen. Diese Familie umfasst Tic55, PAO, CAO, CMO und ein 52 kDa schweres Protein (PTC52), welches in Assoziation mit dem Präkursor NADPH:Protochlorophyllid (Pchlid) Oxidoreduktase A (pPORA) Translocon vorliegt. Die Expression von AtCAO cDNA in Synechocystis, welches kein CAO-Gen enthält, führte zur Bildung von Chlorophyll b (Chl b) und geringen Mengen an Pchlid b. Pulse labeling Experimente mit dem isolierten PTC-Komplex und dem Pchlid Präkursor 5-Aminolävulinsäure (5-ALA) zeigten, dass PTC52 als Pchlid a Oxygenase agiert. Die gekoppelte in vitro Transkription/Translation von Arabidopsis CAO (AtCAO) bzw. PTC52 (AtPTC52) cDNAs führte zur Bildung von katalytisch aktiven Proteinen, wobei CAO Chlid a in Chlid b umwandelte, wohingegen PTC52 die Umwandlung von Pchlid a zu Pchlid b katalysierte. In Kotyledonen von Gerste und Arabidopsis ist der Import von pPORA von Pchlid abhängig. Während der Membran-Passage interagiert pPORA mit Komponenten des PTC-Komplexes und bildet dabei sog. „junction“-Komplexe zwischen äußerer und innerer Plastidenhülle. CAO wird als größeres Präkursor-Protein synthetisiert, über den Standard-Import-Komplex in den Intermembran-Raum importiert und liegt in seiner prozessierten Form als intrinsisches Protein der Thylakoid-Membranen bzw. der inneren Plastidenhülle vor, wo es mit Tic40, Tic22 und Tic20 interagiert und einen neuen Tic-Subkomplex bildet. Weitere Analysen mit Chloroplasten der Chlorina Mutanten ch1-3 (kein funktionelles CAO-Gen; keine Akkumulation von Chl b bzw. LHC-Proteinen) zeigten keinen Import von pLhcb1 (= Präkursor des LHCII-Apoproteins) bzw. pLhcb4 (= Präkursor des CP29-Apoproteins). PTC52 wird als größeres, ca. 57 kDa schweres Vorstufenprotein synthetisiert, in Chloroplasten importiert und zur endgültigen Größe prozessiert. Das reife, 52 kDa schwere Protein wurde als intrinsisches Membranprotein der inneren Plastidenhülle identifiziert, wo es mit PTC130, PTC90, PTC16/Oep16 und PTC33/Toc33 interagiert und einen funktionellen Protein-Import-Komplex (PTC-Komplex) bildet. Während des substratabhängigen Imports von pPORA katalysiert PTC52 die Oxygenierung von Pchlid a zu Pchlid b. DEPC agiert, indem es konservierte His-Reste im Rieske-Fe-S-Cluster ethoxyformyliert. Während bei geringen DEPC-Konzentrationen allein der Import von pPORA inhibiert war, war dieser in Anwesenheit von 1 mM DEPC nicht nachweisbar, wohingegen die Translokation von Tic55-Import-Substraten um ca. 10 % verringert war. Dies bestätigte die Beteiligung der His-Reste am katalytischen Mechanismus von PTC52 und Teil des PTC-Komplexes. Anhand von zwei PTC52-knockout-Linien (SALK_011945 und SAIL_148.HC5) wurde gezeigt, dass loss-of-function-Mutationen im Arabidopsis PTC52-Gen zu einem embryoletalen Phänotyp führten, so dass heterozygote AtPTC52/Atptc52-Pflanzen zur Analyse der Bedeutung von PTC52 in planta herangezogen wurden. Diese Keimlinge waren empfindlicher gegenüber einer Belichtung, was durch die geringeren Mengen an „light-harvesting“ POR-Pchlid (LHPP) – Komplexen im Prolamellarkörper der Etioplasten erklärbar war. Durch Pigmentanalysen konnte sowohl Pchlid a als auch Pchlid b in Wildtyp-Keimlingen identifiziert werden, wobei deren relative Anteile in AtPTC52/Atptc52-Pflanzen in Richtung Pchlid a verschoben waren. Zusätzlich waren ein Rückgang der Chl-Akkumulation, ein verändertes Chl b/Chl a-Verhältnis und eine Verringerung der LHCII-Mengen während des frühen Ergrünens erkennbar. Mittels Affinitätschromatographie wurden Tic55, PTC52 und PAO als Thioredoxin (Trx)-Targets in der inneren Plastidenhülle identifiziert. Abgesehen von konservierten Rieske- und [2Fe-2S]-Clustern weisen diese Proteine ein CxxC-Motiv auf. Aktivitätsmessungen in An- bzw. Abwesenheit von stromalem Trx f bzw. Trx m lassen darauf schließen, dass PTC52 und PAO aus Gerste reversiblen Oxidations/Reduktionsvorgängen, vermittelt durch redox-aktive SH-Gruppen, unterliegen, wobei die reduzierte Form eine höhere Aktivität aufweist. Um zu verifizieren, ob Trx die Aktivität von Tic55, PTC52 und PAO als Reaktion auf die Licht-Dunkel-Regulation und/oder oxidativen Stress regulieren könnte, verglichen wir die In-Vitro-Import-Kapazitäten der verschiedenen Import-Komplexe in tigrina d12 – Chloroplasten, die aus Pflanzen stammten, die entweder unter kontinuierlichem Weiß-Licht angezogen oder vor der Plastiden-Isolierung verdunkelt bzw. einem Dunkel-Licht-Shift unterworfen worden waren. Tic55, PTC52 und PAO reagierten sensitiv gegenüber einer oxidativen Kontrolle und waren in wiederbelichteten tigrina d12 – Pflanzen inaktiv. In CAO ist kein CxxC-Motiv vorhanden, so dass CAO weder auf das Thioredoxin-System noch auf oxidativen Stress reagiert.
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Der Keimblattapoplast von Ricinus communis L. - Kinetische Wechselwirkungen zwischen der Substratkonzentration und dem Langstreckentransport
(2002)
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Heike Bauer-Ruckdeschel
- Die stoffliche Zusammensetzung der Apoplastenlösung ist keine unabhängige Größe, sondern Ausgangspunkt und Ergebnis mehrerer in gegensätzliche Richtungen verlaufende Flüsse. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Nährstoffflüsse zwischen Blattapoplast, Blattgewebe, Phloem und Xylem nach Equilibrierung mit einer definierten apoplastischen Substratkonzentration zu messen und zu bilanzieren. Von Interesse waren die Elemente und Ionen Kohlenstoff (Saccharose), Stickstoff (Glutamin), Kalium, Phosphat und Sulfat. Als Versuchsobjekt diente der sechs Tage alte Keimling von Ricinus communis L.. Es kommt zu keiner Zirkulation von Saccharose über Phloem und Xylem. Die in den sink importierte Saccharose wird annähernd quantitativ verbraucht oder gespeichert. Auch der Xylemtransport der Hexosen Glukose und Fruktose erfolgt relativ unabhängig vom apoplastischen Angebot und spielt zu keiner Zeit eine entscheidende Rolle für die Ernährung der Pflanze. Externes Glutamin wird aktiv sowohl in den Keimblättern als auch im Phloem aufgenommen, jedoch mit unterschiedlichen Raten. Der Akkumulationsfaktor zwischen Exsudat und Medium zeigt, daß v.a. bei niedriger apoplastischer Konzentration der Fluß bevorzugt in den Ferntransport läuft. Es scheint, daß der/die Glutamincarrier am Phloem wesentlich aktiver sind als der/die Carrier am Mesophyll. Nur unter moderaten Mangelbedingungen fließt Glutamin in den Stoffwechsel der sink-Organe ein, ansonsten kommt es zu einer 1:1-Zirkulation über Phloem und Xylem. Nitrat wird bereits in der Wurzel größtenteils reduziert und nach Import in die Keimblätter erneut, vermutlich nach Aufnahme in spezielle Transfer-Zellen, über das Phloem exportiert. Kalium-Ionen haben einen entscheidenden Einfluß auf die Saccharosebeladung ins Phloem und den Volumenfluß dort. Sie scheinen sowohl aus dem Apoplasten als auch aus den Zellen der Keimblätter ins Phloem beladen zu werden, wobei die maximale Rate nicht sehr hoch ist (maximal 0,55 µMol x h-1 x Keimling-1). Bei Überangebot aus dem Xylem akkumuliert Kalium folglich in den Keimblättern. Die über das Phloem exportierten Kalium-Ionen werden kaum im sink festgelegt sondern zirkulieren (bis zu 80 %). Das Verhältnis Phosphat zu Phosphor insgesamt beträgt in den Keimblättern mit Endosperm 0,6, gleiches findet man im Siebröhrenexsudat wieder. Nach Transfer in phosphathaltiges Medium ist anteilig mehr Phosphat in den Keimblättern vorhanden, zusätzlich wird nun mengenmäßig mehr Phosphor über das Phloem exportiert. Nur ein Überangebot an externem, apoplastischem Phosphat verhindert einen Netto-Verlust von organisch-gebundenem Phosphor aus den Keimblättern. Eine Zirkulation von Phosphat zwischen Phloem und Xylem konnte zwar gefunden werden, jedoch ist sie in ihrem Ausmaß gering. Nach Angebot von Phosphat über die Wurzel kommt es zu einer konzentrationsabhängigen Erhöhung der Phosphatflüsse im Xylem, aber zu keiner Phosphorakkumulation in den Keimblättern. Erfolgt die Phosphorzufuhr gleichzeitig über den Keimblattapoplasten und über die Wurzel sind die Massenflüsse in den Leitbahnen im Vergleich zu den Einzelinkubationen reduziert. Der Phosphattransport im Keimling wird somit hauptsächlich durch das Phosphatangebot an der Wurzel und den Phosphateintrag in die Wurzel (über das Phloem) bestimmt. Die Sulfataufnahme in die Keimblätter ist schon bei relativ geringen apoplastischen Konzentrationen maximal, anders verhält es sich mit der Phloembeladung. Dies läßt den Schluß zu, daß sich der/die Carrier an den Parenchymzellen (Mesophyll) in ihren Raten unterscheiden. 70 % der über das Phloem exportierten Sulfat-Ionen zirkulieren zwischen Phloem und Xylem. Die Sulfat-Assimilation scheint gleichzeitig in den Keimblättern und der Wurzel zu erfolgen. Dafür spricht auch die Feststellung, daß nach Angebot über die Wurzel der Xylemfluß und der Phloemfluß deutlich reduziert sind. Glutamin, Phosphat, Sulfat und Kalium-Ionen treten in weit höheren Konzentrationen in den Keimblättern auf als sie im Siebröhrenexsudat nachweisbar sind. Neben der apoplastischen scheint auch eine symplastische Phloembeladung dieser Substrate möglich. Um Hinweise über den Beladungsweg des Phloems zu gewinnen, wurde die Versorgung des Keimlings mit Substraten aus dem apoplastischen Raum zwischen dem Endosperm und der Unterseite der Keimblättern unterbrochen. Bleibt die Nachlieferung aus dem apoplastischen Raum und über die Wurzel aus, kommt es bei Kalium, Phosphat und Sulfat spätestens nach drei Tagen, trotz beträchtlicher intrazellulärer Gehalte, zum Erliegen der Netto-Translokation aus den Keimblättern. Dies läßt auf eine rein apoplastische Beladung des Phloems schließen. Stickstoffverbindungen werden weiterhin aus den Zellen des Phloems bzw. den Geweben entlang des Transportweges ins Phloem entlassen (symplastisch).
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Evolutionary and proximate constraints on egg size in butterflies
(2007)
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Stephanie Sandra Bauerfeind
- Arthropod egg and thus progeny size is an evolutionary and ecologically significant trait, showing tremendous variation within and across species. The high variation found is caused by a complex set of interacting proximate and evolutionary factors, but despite increasing effort this network is still only partially resolved. Using butterflies as model organisms, this study focuses on two main factors that are assumed to strongly shape variation in offspring size and number: maternal size and maternal nutrition. Both are assumed to affect reproductive traits and thereby maternal and offspring fitness. Phenotypic correlations between maternal size and egg size within various butterfly species as well as a two-trait selection experiment on simultaneous changes in both traits in the butterfly Bicyclus anynana clearly demonstrated that the importance of maternal size in shaping variation in egg size is limited, both in sense of a morphological as well as an evolutionary constraint. These results strongly contrast to the general assumption of a positive scaling relationship between both traits. This is one of the few studies addressing the issue of evolutionary constraints directly, employing artificial two-trait selection which has been proven to be a powerful tool to unravel genetic variances and covariances that underlie the evolution of traits. While the importance of maternal size in shaping variation in egg size is limited, proximate factors including larval and adult crowding as well as the quantity and quality of available food during the larval and adult stage affect variation in reproductive traits to a high degree. In the butterfly B. anynana, larval and adult densities had surprisingly little effects on female reproduction, whereas dietary limitations yielded strong responses in female reproductive output. Larval food stress reduced fecundity and reproductive investment (mediated through a reduction in body size), but effects on egg size were overall marginal. Additional negative effects of adult food stress on fecundity were largely confined to females being fed as larvae ad libitum, while those being previously starved showed reduced performance regardless of adult income. When abundantly fed during the larval stage, a limitation of adult resources reduced reproductive output, proving the need for adult feeding in B. anynana for egg production. Thus, restricted food access in different developmental stages of B. anynana sets different limits to reproduction, either posed by shortage of larval-derived storage reserves (i.e. nitrogenous compounds) or adult income (i.e. carbohydrates). Consequently, restrictions in both, larval- and adult-derived resources, limit reproduction in B. anynana. Further, this study deals with questions regarding effects of different adult dietary compounds for a fruit-feeding butterfly being novel in its reductionist approach and in the breadth of different nutrient classes considered. This study demonstrates that B. anynana relies to a large extent on adult feeding in order to realise full reproductive output. Female B. anynana require adult-derived carbohydrates for egg production and exhibit a tremendous gain in reproductive output when fed on fruit as compared to sucrose solutions. Contrary to initial expectations, I could not pinpoint a single pivotal substance (in addition to sucrose) that was able to elicit a comparably high reproductive performance as banana, although I tested the micronutrients being most abundantly available in banana (minerals: potassium and magnesium chloride; a mixture of vitamins and a combination of both) and all major substances known to be involved in insect egg production (amino acids, cholesterol, polyunsaturated fatty acids). Further, it is also excluded that the growth of microorganisms and fungi (associated with the production of fermentative products like organic acids and alcohols, thereby providing access to additional resources) explains the found results. In conclusion, reproduction does not only depend on a small number of adult-derived nutrients, but on a larger number having relatively small effects each. Thus, resource congruence (the use of nutrient types in a specified ratio) rather than any specific component may be the key to answer the question.
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Die Steuerung physiologischer Anpassungen von Blattläusen an veränderte ökologische Bedingungen durch endokrine Signale
(2007)
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Nora Kim Becker
- · Durch die Aufreinigung von Blattlausmaterial mittels Umkehrphasen-Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (Reverse-Phase High Performance Liquid Chromatographie) in Kombination mit einem in vitro-Bioassay wurde für ein mutmaßliches Acyrthosiphon pisum-AKH die Aminosäure-Teilsequenz -NFST- erhalten. · Die Suche in den ersten bisher veröffentlichten Sequenzen des Genoms von A. pisum führte zu der Sequenz QVNFTPTWGQamid, die ein mutmaßliches adipokinetisches/ hypertrehalosämisches Peptid darstellt. · Der Stoffbestand der geflügelten (alaten) und der ungeflügelten (apteren) Morphe wurde im letzten Larven- und im Adultstadium analysiert. - Das Frischgewicht der ungeflügelten Morphe ist während des letzten Larvenstadiums und des Adultstadiums höher als das der geflügelten. Das Trockengewicht der Alatae ist nur am ersten Tag des Adultstadiums höher als das der Apterae. - Die geflügelten Blattläuse haben, abgesehen von Tag 10 des Adultstadiums, immer einen höheren Gehalt an Protein als die ungeflügelten. - Der Gehalt an Glykogen steigt bei beiden Morphen zum Ende des letzten Larvenstadiums stark an und nimmt dann mit steigendem Alter wieder ab. - Die geflügelte Morphe hat am Ende des letzten Larvenstadiums und während des Adultstadiums, außer an Tag 3, einen höheren Gehalt an freien Kohlenhydraten als die ungeflügelte Morphe. - Der Lipidgehalt ist bei den Alatae während des letzten Larvenstadiums und bis zu Tag 3 des Adultstadiums höher als bei den Apterae. Bei der geflügelten Morphe nimmt der Gehalt an Lipid bis zum 1. Tag des Adultstadiums zu und dann mit steigendem Alter wieder ab. - Protein ist in allen Altersstadien und bei beiden Morphen der vorherrschende Inhaltsstoff. Glykogen ist am Ende des letzten Larvenstadiums in größerer Menge vorhanden als freie Kohlenhydrate und Lipid, aber im späteren Adultstadium der quantitativ unbedeutenste Bestandteil. · Rosa gefärbte A. pisum haben ein höheres Frischgewicht als heller gefärbte. An Tag drei des Adultstadiums haben rosa gefärbte ungeflügelte Blattläuse einen höheren Kohlenhydratgehalt und rosa gefärbte geflügelte Tiere einen höheren Protein- und Glykogengehalt als heller gefärbte. · Der Einbau von Glucose und Trehalose in Glykogen ist bei den Adulttieren der geflügelten Morphe höher als bei den ungeflügelten Tieren. · Im Adultstadium baut die geflügelte Morphe mehr Acetat in Lipid ein als die ungeflügelte Morphe. Die Lipidsyntheserate steigt bei beiden Morphen von Tag 0 zu Tag 3 des Adultstadiums stark an. · Der Einbau von Acetat in die Lipidklassen Phospholipide, freie Fettsäuren, DAG und TAG konnte nachgewiesen werden. Die ungeflügelte Morphe baut einen höheren Anteil von Acetat in Phospholipide und weniger Acetat in TAG ein als die geflügelte. An Tag 3 des Adultstadiums synthetisieren die Apterae zusätzlich mehr freie Fettsäuren als die Alatae. Die geflügelte Morphe baut indessen an Tag 0 eine größere Menge an Acetat in DAG ein als die ungeflügelte Morphe und synthetisiert an Tag 3 weniger DAG und mehr TAG als zuvor an Tag 0. · Die Zugabe von 5 × 10-4 M Grybi-AKH führt zu einer tendenziellen Hemmung des Acetateinbaus in Gesamtlipid. · Methopren-behandelte geflügelte Tiere bauen mehr Acetat in TAG und weniger Acetat in freie Fettsäuren ein als die Kontrolltiere. · Aufgrund der Trehalase-Aktivität in der Hämolymphe wird in verdünnten Hämolymphproben, die bei Raumtemperatur gelagert werden, Trehalose zu Glucose abgebaut. · Die Hämolmyphe der adulten geflügelten Morphe hat einen höheren Trehalosegehalt als die der ungeflügelten. Der Gehalt an Trehalose nimmt bei den Alatae vom Larvenstadium zum Adultstadium zu. Die topikale Applikation von Grybi-AKH verändert die Trehalosekonzentration in der Hämolymphe nicht.
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Climate change impacts on habitats and biodiversity :
From environmental envelope modelling to nature conservation strategies
(2011)
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Torsten Bittner
- Climate change will pose entirely new challenges for nature conservation. A literature study of 852 publications (between 2003 and 2010) illuminates this topic, examines driving research forces as well as focal points and shows recent research gaps. Here could be shown that changes in species distribution, diverse consequences for habitats, changing communities as well as biotic interactions and general aspects of diversity are the major challenges. The potential climatic modifications can alter deeply the distribution of animals and plants. Range changes due to recent climate change already exist and are traceable. In order to quantify such changes, environmental envelope modelling can be used. In addition to individual species, changes in distribution of more complex units are also conceivable. The present work mainly focuses on habitat types listed in the Annex I of the European Habitats Directive. To reveal the potential range changes of habitat types, two principally different modelling approaches have been developed. An indirect approach modelling the distribution of a habitat type using the distribution of its characteristic plant species and a direct approach, using the distribution of the habitat type itself. These two approaches were tested by modelling five grassland habitat types. Looking at the modelled results all habitats are projected to lose between 22% and 93% of their range in the ‘no dispersal’ scenario. Both approaches produce reasonable results. However, modelling an extensive set of habitat types using the indirect approach is currently not possible, because of the required but actually lacking amount of plant distribution data. Therefore, the direct approach is an appropriate instrument for modelling habitat types. Here, all 127 widespread terrestrial habitat types defined in the Annex I of the Habitats Directive were modelled and, resulting from this, a map of terrestrial habitat type diversity was calculated. Several habitat types are projected to lose many of their actually suitable areas, in particular bogs, rocky habitats, grassland and in part forests. Due to their developmental time or rather due to their special abiotic requirements, bogs and rocky habitats even lose under the assumption of a full dispersal scenario. However, most heath and grassland habitats are also projected to lose in the full dispersal scenario. Pooling all modelled results together, terrestrial habitat type diversity is shifting partly to mountain regions and the atlantic biogeographical region is projected to decrease in habitat type diversity. According to the Habitats Directive habitat types listed in Annex I are protected in ‘sites of community interest’ aiming to maintain or restore them at a favourable conservation status. Due to the projected changes a static nature conservation concept could face problems which particularly concern the coherence of the protected area network. This could lead to a loss of protective goods in spite of protected areas. To illustrate the potential problems and difficulties emerging with respect to spatial coherence of habitat types between protected areas, an analysis of spatial coherence under future conditions for a variety of habitat types in Germany was conducted. Here, a combination of environmental envelope modelling and graph theory is presented to assess the coherence of nature conservation networks. The possible incapacity of species to reach all climatically suitable areas is currently debated. Therefore, spatial scales are not only crucial for the coherence of protected areas but also for the question if future projected suitable areas could be colonized. Dispersal movements of species are only infrequently possible in our highly fragmented landscape. To answer this raising question, Odonata listed in the Habitats Directive with known dispersal distances were contemplated. The species Coenagrion ornatum, C. mercuriale and Ophiogomphus cecilia are projected to lose range when incorporating specific dispersal distances, while they are projected to extend their range in the unrestricted dispersal scenario. Furthermore, suitable climatic conditions tend to decline for Leucorrhinia albifrons and L. caudalis, whereas L. pectoralis is projected to gain distribution area assuming either species-specific or unrestricted dispersal. The nature conservation measure of translocation is an at least 100 years old methodology with pros and cons. In this thesis, the emerging problems and opportunities of this species preservation strategy are presented. Further, a new question about the ‘focal unit’ is pointed out as well as the problem of genetic variability and the aspect of pre-adopted subspecies. Moreover, a selective assisted colonisation not by moving species but ecotypes is referred.
