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(alpha)-Glucan-Phosphorylasen aus Weizen (Triticum aestivum L.) Isolierung, Charakterisierung und Analyse der Expression
(2002)
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Nicole Schupp
- Pflanzliche a-Glucan-Phosphorylasen (EC 2.4.1.1) können Stärke sowohl synthetisieren als auch abbauen. In Blättern und Körnern des Weizen var. Star können drei Phosphorylaseformen (P1, P2 und P3) mittels nicht-denaturierender Elektrophorese im Glycogen-haltigen Polyacrylamidgel unterschieden werden. Zwei der Formen (P1 und P2) sind cytosolische Enzyme, jedoch hat nur P1 die den cytosolischen Phosphorylasen eigene hohe Bindungsaffinität zu verzweigten Polyglucanen. Die dritte Form (P3) ist plastidisch und zeigt die für diesen Typ typische höhere katalytische Affinität zu Maltooligosacchariden verglichen mit verzweigten Polyglucanen. In der vorliegenden Arbeit wurde die cytosolische Phosphorylase aus Weizen-blättern mittels einer Affinitätschromatographie an dem an Sepharose gekoppelten Aktivitätsinhibitor Cycloheptaamylose bis zur Homogenität gereinigt. Die Phosphory-lase besteht aus einem Polypeptid, das nach denaturierender Polyacryl-amidgelelektrophorese ein Molekulargewicht von ca. 92 kD aufweist. Sie hat eine spezifische phosphorolytische Aktivität von 57 U/mg Protein, was einer ca. 7000-fa-chen Anreicherung bei einer Ausbeute von 32 % entspricht. Da das Protein die bei-den Phosphorylaseformen P1 und P2 bildet, liegt es vermutlich in zwei verschiede-nen Formen vor, von denen eine eine Maskierung des Polyglucan-Bindungsbereichs aufweist. Die höchste Aktivität hat die cytosolische Weizen-Phosphorylase, wie andere cytosolische Phosphorylasen, sowohl in der abbauenden als auch in der synthetisierenden Reaktion mit großen, verzweigten Polyglucanen im Vergleich zu linearen Maltooligosacchariden als Substrat. Ihre katalytische Affinität zu Amylopektin ist in der abbauenden Reaktion ca. 30mal höher als zu Maltoheptaose, in der Synthesereaktion sogar ca. 150mal höher. Die Umsatzgeschwindigkeiten mit verschiedenen Glucanen als Substrat sind in der Synthesereaktion vier- bis sieben-mal höher als in der abbauenden Reaktion. Maltopentaose ist das kleinste Substrat, das abgebaut werden kann, während Maltotetraose als Primer für die Glu-cansynthese dienen kann. Das pH-Optimum der abbauenden Reaktion liegt mit pH 7,0 etwas höher als das der Synthesereaktion (pH 6,0). Reduzierende Agenzien haben keinen Einfluss auf die Aktivitäten der cytosolischen Phosphorylase. Gegen das Protein der cytosolischen Phosphorylase wurden polyklonale Antikör-per hergestellt. Sie reagierten mit der gereinigten cytosolischen Phosphorylase und entsprechend großen Polypeptiden in Weizenextrakten, nicht aber mit Proteinen von Extrakten, die nur plastidische Phosphorylase enthielten. In hoher Konzentration re-agierte das Serum im Westernblot-Verfahren auch mit anderen Proteinen von Wei-zenextrakten, schien aber in geeigneter Verdünnung spezifisch für die cytosolische Phosphorylase zu sein. Aus einer cDNA-Bank aus jungen Weizenblättern wurde die cDNA einer cytosoli-schen Phosphorylase kloniert. Das erste Methionin (Met 20) der abgeleiteten Amino-säuresequenz des von Anfang an offenen Leserasters der cDNA stellt mit höchstwahrscheinlich den Translationsstart dar. Auch nach Verlängerung des 5´-Endes um 87 Basen in 5´-Richtung konnte kein Stoppcodon, aber auch kein weiteres Methionincodon entdeckt werden. Eine cDNA einer plastidischen Phosphorylase konnte nicht aus der Blatt-cDNA-Bank isoliert werden, aber aus einer cDNA-Bank aus Endosperm einer anderen Weizensorte. Die Sequenzen der beiden cDNAs dienten zur Herstellung spezifischer Primer, mit denen Fragmente von Phosphorylase-cDNAs aus Blättern und Körnern des Weizen var. Star amplifiziert werden konnten. Durch RACE konnten mit anhand dieser Fragmente hergestellten Primern cDNAs einer cytosolischen Phosphorylase aus Körnern und je zweier plastidischer Phosphorylasen aus Blättern und Körnern amplifiziert werden, die nur an den 5´-Enden noch vervollständigt werden müssen. In Blättern ist die Aktivität der cytosolischen Phosphorylase weitgehend auf junge, stark wachsende Primärblätter beschränkt. In Körnern wird sie während der späten Kornentwicklung höchstwahrscheinlich im Embryo gebildet und bleibt dort aktiv während der Keimung. Somit könnte die cytosolische Phosphorylase wichtig für die Aufrechterhaltung eines cytosolischen Glucose-1-Phosphatpools in Geweben sein, die massiv antransportierte Reservestärke-Abbauprodukte für das Wachstum des Keimlings verarbeiten müssen. Die Aktivität der plastidischen Phosphorylase bleibt langfristig in ausgewachsenen Blättern erhalten. Sie ist vermutlich am Metabolismus der transitorischen Stärke dieser Blätter beteiligt, zeigt aber keine diurnale Aktivitätsschwankung. Eine transient hohe Aktivität zeigte die plastidische Phosphorylase ebenfalls beim Einsetzen massiver Stärkesynthese im sich ent-wickelnden Korn. Da auch das Expressionsmuster ihres Transkripts dem der Stärke-synthetisierenden Enzyme ADP-Glucose-Pyrophosphorylase und Stärkesynthase ähnelt, spielt die plastidische Phosphorylase möglicherweise eine Rolle bei der Initi-ierung der Synthese von Reservestärke
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Abschätzung der mikrobiellen Diversität in anoxisch sauren Sedimenten von Braunkohle-Restseen unter Berücksichtigung des Eisenschwefelkreislaufs
(2004)
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Marco Blöthe
- Das Sediment im Restsee 77 wird durch den Verlauf des pH-Wertes dominiert. Dieser liegt im oberen Bereich bei 3 und steigt mit der Tiefe auf Werte von 5,5-6 an. Anhand des pH-Verlaufs wurde das Sediment in die Zonen I bis IV unterteilt. In Zonen I und III konnte eine spontane Fe(II)ges.-Freisetzung beobachtet werden, wobei diese in Zone I abhängig vom pH-Wert war. Diese konnte durch eine Anhebung des pH um den Faktor 2,2 gesteigert werden. Für die Zone III konnte bei Absenkung des pH-Wertes hingegen kein eindeutiger Effekt beobachtet werden. Mit Anstieg des pH im Sediment konnte zwar eine Abnahme der Zellzahl/ml beobachtet werden, die Diversität der Mikrobiota stieg jedoch an. Dies konnte mit unterschiedlichen molekularbiologischen Methoden bestätigt werden. Die allgemeine sowie die DGGE-Klonbibliothek wiesen in Zonen III eine höhere Diversität als in Zone I auf. Dominierend war die ubiquitär vorkommende Gruppe der Acidobacteria. Allerdings ist bis heute mit A. capsulatum nur eine Art kultiviert worden, von der eine dissimilatorische Fe(III) Reduktion nicht bekannt ist. Die allgemeinen Klondatenbank enthielt keinen Hinweis auf eine spezifische Fe(III)-reduzierende Mikrobiota. Von den bis heute bekannten dissimilatorischen Fe(III)-Reduzierern wurden nur Vertreter aus der Gruppe der Geobacteriaceae gefunden. Mit dem Primer-Set GM3/Geo825R für Geobacter konnte ein positives Signal in Zone III bei einer Verdünnugsstufe von 10-1 erhalten werden. In Zone I und Zone II lag die höchste positive Verdünnungsstufe bei 100. Mit dem Primer-Set Gb564/Gb1290 ergab sich ein leicht abgewandeltes Bild. Mit diesen Primern lag die höchste positive Verdünnungsstufe in Zone II und Zone III bei 10-2. Hingegen konnte in Zone I nur mit der unverdünnten DNA ein positives Signal erhalten werden. Mit den für Geothrix spezifischen Primern konnte nur in Zone II bis zu einer Verdünnungsstufe von 10-1 ein positives Signal erhalten werden. Allerdings bestand das erhaltene Produkt aus einer Doppelbande, was auf eine unspezifischen Reaktion während der PCR hindeutet. Kein positives Signal konnte für Shewanella erhalten werden. Für die azidophilen Fe(III)-Reduzierer konnte eine Anpassung beobachtet werden. Für die Acidiphilium-Spezies konnten acht Phylotypen differenziert werden, von denen vier in Zone I und III vorkamen. Die restlichen vier wurden hingegen nur in Zone III nachgewiesen. Ein Sequenzvergleich der Phylotypen aus Zone I und Zone III mit der EMBL-Datenbank ergab ausschließliche Ähnlichkeiten von 99% zu Acidiphilium-Spezies. Die Sequenzen der vier Phylotypen aus Zone III waren zu 95% sequenzähnlich zu kultivierten Acidiphilium oder Acidosphaera Spezies. Die phylogenetische Analyse ergab zwei Gruppen. Gruppe 1 enthält die Phylotypen, die nur in Zone III gefunden wurden. Die Phylotypen von Zone I und Zone III clusterten in Gruppe 2. Für die 'Bioleaching-Assoziierten'-16S rDNA wurden 20 Klone aus Zone I und 28 Klone aus Zone III auf redundante Klone über RFLP gescreent, wobei nur 1 Phylotyp mit 99%ige Sequenzähnlichkeit mit A. ferrooxidans unterschieden werden konnte. A. ferrooxidans reduziert unter sauren pH-Bedingungen (pH 3) mit 20 mM S° als Elektronenquelle alle getesteten Eisenfestphasen, wobei die Fe(II)ges.-Freisetzung mit abnehmender Kristallinität der Fe(III)-Minerale zunimmt. Unter erhöhten pH-Bedingungen (pH 5) erfolgte keine nennenswerte Fe(III)-Reduktion. Die Ergebnisse mit den Reinkulturen deuten darauf hin, dass autotrophe azidophile Fe(III)-Reduzierer unter erhöhten pH-Werten keinen Beitrag zur Fe(III)-Reduktion in Zone III leisten. Eine Fe(III)-Reduktion konnte ebenfalls für den heterotrophen Modellorganismus A. capsulatum gezeigt werden. In Reinkulturexperimenten mit A. capsulatum wurde die Fähigkeit zur Fe(III)-Reduktion getestet. Dabei konnte gezeigt werden, das sowohl Fe(III)-Minerale als auch lösliche Fe(III)-Formen in einem pH-Bereich von 2,2-5 reduziert werden. Hierbei werden zwischen 5 und 40% der aus der Glukoseoxidation gewonnenen Elektronen auf Fe(III) übertragen. Die von PEINE (1998) formulierte Hypothese eins gekoppelten Eisen-Schwefelkreislaufs konnte an zwei Anreicherungskulturen sowie einem Isolat demonstriert werden. Hierbei wurden unterschiedliche Prozesse identifiziert. Anreicherungskulturen MB1 und MB2 oxidierten elementaren Schwefel bzw. Thiosulfat, wobei die Elektronen auf die Fe(III)-Minerale übertragen werden. Isolat MB3 betrieb eine Disproportionierung, bei der das gebildete Sulfid mit den Fe(III)-Mineralen chemisch zu Fe(II) und elementarem Schwefel reagiert. Beide Prozesse gehen vom elementarem Schwefel aus, der im Sediment durch eine Reaktion des Sulfids aus der Sulfatreduktion mit den Fe(III)-Mineralen entsteht. Die Bildung von elementarem Schwefel als Reaktionsprodukt aus der chemischen Reaktion von Na2S mit Fe(III) unter sauren Bedingungen konnte sowohl in Batch-Versuchen als auch in Mikrokosmenexperimenten gezeigt werden.
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Adaptation or physiological constraint: Temperature-mediated plasticity in Reproduction.
(2008)
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Marc Johan Steigenga
- Da Lebewesen in der Natur oft mit Temperatur variation konfrontiert werden, sind sie gezwungen, sich entweder plastisch oder genetisch an diese wechselnden Umweltbedingungen anzupassen. Weil die Eigröße von Arthropoden, und damit auch die Größe ihrer Nachkommen, aus evolutionärer sowie ökologischer Sicht eine wichtige Eigenschaft darstellt, zeigt die Fortpflanzung von Arthropoden häufig eine durch die Temperatur vermittelte phänotypische Plastizität. Die vorliegende Studie, in welcher der tropische Schmetterling Bicyclus anynana als Modellorganismus verwendet wird, konzentriert sich auf die Mechanismen, welche der temperaturvermittelten reproduktiven Plastizität zu Grunde liegen. Ein Halbgeschwister-Verpaarungsexperiment (Kapitel 5.2) zeigte, dass die Eigröße von B. anynana in Abhängigkeit von der Temperatur schwankt. Weiterhin ergab sich, dass die Plastizität von Eigröße eine erbliche Komponente aufweist. Die additiven genetischen Effekte auf die Eigröße waren jedoch schwach ausgeprägt und unterschieden sich ziemlich stark von anderen Studien, welche sich der Eigrößenerblichkeit von Bicyclus anynana widmeten. Im Gegensatz zur additiven genetischen Varianz waren die mütterlichen Effekte in dieser Untersuchung durchgehend hochsignifikant, was eine relativ hohe Erblichkeit der mütterlichen Anteile zur Folge hatte. Die naheliegendste Erklärung ist, dass die maternalen Effekte vom weiblichen Genotyp stammen. Diese Resultate implizieren, dass die durch die Temperatur vermittelte Eigrößenplastizität bei dieser Art adaptiv sein könnte, da die notwendigen Bedingungen für das Auftreten evolutiver Veränderungen von phänotypischer Plastizität erfüllt sind. Nicht-genetische parentale Effekte können den Phänotyp ebenfalls stark beeinflussen und sind möglicherweise adaptiv. Maternale Effekte könnten in der Lebensgeschichte von B. anynana eine erhebliche Rolle spielen. Mit Hilfe eines Temperaturtransfer-Experimentes (Kapitel 5.2) wurden beträchtliche generationenübergreifende, parentale Effekte festgestellt, welche in der Frühentwicklung am stärksten ausgeprägt waren und sich mit der Zeit verringerten. Höhere Temperaturen während der Entwicklung verminderten Entwicklungszeiten und Eigröße und ließen die Eizahl ansteigen, wirkten sich jedoch nicht auf das Puppengewicht aus. Die Temperaturbedingungen in der vorhergehenden Generation beeinflussten, ähnlich der Entwicklungstemperatur, die Entwicklungszeit der Puppen und Larven, die larvale Wachstumsrate sowie die Eigröße. Darüberhinaus wirkten sie sich auf das Gewicht der Puppen aus, nicht jedoch auf die Eizahl. Parentale Effekte sind daher wichtige Vermittler der phänotypischen Plastizität von B anynana und können antagonistisch auf verschiedene Fitnesskomponenten wirken, welche die Evolution der generationenübergreifenden adaptiven Plastizität bei dieser Schmetterlingsart einschränken könnten. Derartige phänotypische Plastizität könnte auf Variation in Juvenilhormon-Titern zurückzuführen sein, vor allem wegen seiner weitverbreiteten regulatorischen Rolle in der Lebensgeschichte von Insekten. Weibliche B. anynana-Schmetterlinge, denen am 4. oder 5. Tag ihres adulten Lebens Pyriproxifen (Kapitel 6.1), ein Analog von Juvenilhormon, verabreicht wurde, wiesen, verglichen mit den Kontrolltieren, gesteigerte Eiablageraten bei verkürzter Lebensdauer auf. Die Auswirkungen von Pyriproxifen waren vorübergehend und auf einige Tage nach der Anwendung beschränkt. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Weibchen zu Beginn ihrer Eiablageperiode am sensibelsten auf Pyriproxifen reagieren. Dies stimmt mit der Tatsache überein, dass der Juvenilhormontiter bei anderen Lepidopteren in dieser Zeit von Natur aus ansteigt. Weiterhin könnte durch Juvenilhormon ein möglicher ‚Trade-off‘ zwischen gegenwärtiger und zukünftiger Fortpflanzung gesteuert werden. Effekte der Temperatur auf die Eireifung wurden bislang wenig untersucht, wobei verschiedene alternative Hypothesen versuchen, phänotypische Plastizität bei der Fortpflanzung zu erklären. Ein Temperaturtransfer-Experiment mit anschließender Ovarienpräparierung bei B. anynana-Weibchen (Kapitel 6.2) ergab einen gesteigerten Fortpflanzungsaufwand mit einer höheren Anzahl kleinerer Eier bei der höheren Temperatur und einer kleineren Anzahl größerer Eier bei der niedrigeren Temperatur. Die Anzahl unchorionisierter Oozyten fällt während der Eiablage von einem anfänglichen Höhepunkt zu einer geringeren Zahl hin ab, wobei die Anzahl chorionisierter Oozyten während den Tagen 0-6 der Eiablage am höchsten war. Der prozentuale Anteil stieg zu Beginn der Eiablage aufgrund von Chorionisierung, gefolgt von einem späteren Rückgang. Die Zahl der Oozyten unterschied sich nicht zwischen den Temperaturen, aber die Größe der terminalen Oozyten stieg bei niedrigerer Temperatur eindeutig an. Paarung minderte die Anzahl chorionisierter und unchorionisierter Oozyten. Dies lässt darauf schließen, dass die Paarung einen wichtigen Stimulus für die Eiablage darstellt, ohne den unverpaarte Weibchen ihre Eier so lange wie möglich zurückbehalten. Angesichts gleichbleibender Oozytenzahlen in den Ovarien über alle Temperaturen zu jedem Zeitpunkt, aber stark verminderter Eiablageraten bei niedrigeren Temperaturen, deuten die Daten auf verminderte Raten der Oozytenproduktion bzw. Differenzierung bei niedrigeren Temperaturen hin.
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Advanced Technologies in Education - Developing the Science Classroom of the Future
(2010)
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Sofoklis A. Sotiriou
- Information communication technology (ICT) nowadays provides innovative learning systems which although routinely available needs adjustment to real educational environments. Due to the complexity of the task an appropriate integration into everyday classrooms is an important global research challenges focusing on its utilization and effects in both, classroom and non-classroom settings. By rigorous collecting data on teaching methods, classroom characteristics and students learning effects needs analysis by concentrating on selected variables that may determine effectiveness as well as teachers characteristics such as teacherspreparation and professional development. Therefore, the aim of the four presented research papers focuses on envision the science classroom of the future, by constructing a framework for improving current educational practices and learning processes in science and mathematics through the effective implementation of advanced technological tools and applications. Overall this work presents a vision for the science classroom of the future: It will not be an island, a self-contained campus, a counter-world. The classroom of the future will be able to emit and absorb along different wavelengths, be immersed in contemporary culture, be open to the emotions, facts and news of its time. It will be permeated by society, but not unprotected: the relationship between school and society will be one of osmosis, where the pedagogical tools and applications act as a membrane and interface. For this purpose, four empirical studies were carried out in real school environments, based on the use of advanced educational systems. (i) The first system under study is the COSMOS Portal, which is an educational repository that offers access to a network of robotic telescopes across the world. At the same time it offers access to more than 85,000 educational resources. The behaviour of the teachers who are using this system was mapped through the log files of the system database for a period of one year. (ii) The second system, called Lab of Tomorrow, is a wearable device that allows high school students to use their every day life as the field where they will conduct sophisticated experiments and thus will deepen their understanding of the science concepts involved in the activities. The impact of the system on students learning and to the lesson profile was studied for a period of one school year. (iii) The third system, called CONNECT, is also a wearable device that includes an advanced visualization system that augments additional information to the optical view of the user. The system is used in the framework of educational visits in science centres and museums enriching the experiences of the visitors. The effectiveness of the system in supporting the students conceptual change was studied in this case. (iv) The fourth system, called EXPLOAR, evolved from the described CONNECT system to a much more user-friendly handheld device. Taking into account the school curriculum we have designed a series of scenarios of use of these tools. The scenarios of use include classroom activities, field trips in science centres and museums, informal learning activities, professional development opportunities and community building. In all four studies, students cognitive learning is analysed as well as selected teachers tasks on the job. By applying different assessment methods and tools (questionnaires, video captures of lessons, log files and web based data) we monitored the implementation procedure across different European countries. Our working hypothesis is that amending the traditional scientific methodology for experi¬mentation with visualization applications and model building tools will help students to articulate their mental models, make better predictions, and reflect more effectively. Additionally, working to reconcile the gaps and inconsistencies within their mental models, system models, predictions and results, will provide the learners with a powerful, explicit representation of their misconceptions and a means to repair them. Additionally our aim is to support teachers professional development. Apart from the purely technical training, in order for teachers to introduce ICT-enhanced learning methods into their everyday practice, they will have to perform a change in behaviour and to adapt a new culture and philosophy. The use of the new tools asks for systematic and detailed lesson planning procedures and use of student centred approaches. In our work we are demonstrating methods for involving teachers in this process but also tools to monitor this behavioural change.
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AFRICAN TRADITIONAL PLANT KNOWLEDGE TODAY: An ethnobotanical study of the Digo at the Kenya Coast
(2005)
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Mohamed PAKIA
- The Digo are farmers and fishermen living in the coastal belt stretching from Mombasa in Kenya to Tanga in Tanzania. They settled there in the 16th Century or earlier, and their original settlements were forest villages, kaya. During the kaya life, wild plants were important to them for most basic needs, hence they accumulated a traditional plant knowledge. In the 19th Century they moved out of the kaya, but the forests were protected as sacred sites, and this preserved the traditional plant knowledge. On the other hand, modern scientific botany was introduced to the Digo through teaching in schools and as modern agriculture to farmers, creating two types of plant knowledge with little overlap. Although Digo history indicates intimacy with their plant world, in this technologically advanced era traditional knowledge systems are threatened of being lost. It was on this premise that the study was established, aimed at ‘documenting the traditional Digo plant knowledge, and examining the global influence on it’. Information was collected with formal and informal interviews with both the traditional Digo plant users (herbalists, farmers, and carpenters), and ‘modernists’ (pupils, students, and teachers). In summary, Digo plant knowledge has a considerable verbal component, minimal description and no conception of internal plant processes. The knowledge is voluntarily incomplete, with a conscious ignorance of some areas of plant life. Also the knowledge is mainly value oriented, and confined to the known, with the objective of addressing realities of social life. Globalisation will affect the plant lexicon and description, but less so the application of traditional materials. The subject areas of the thesis: Digo plant lexicon and description Digo plant knowledge has a considerable verbal component, with limited description and no conception of internal plant processes. And there are non-verbalised areas and under-labelled elements of plants and plant life. Clearly there is intentional selectivity of what to label and describe, meaning the Digo are not striving for completeness of plant knowledge. The incentive for labelling and description is predominantly value oriented, as commonly used plants and plant parts are labelled in detail. Some Digo plant names have a prefix borrowed from ‘female’ human names, meaning the species are perceived as ‘female’. ‘Unmarked’ Digo plant names refer to them in ‘female’ status, as in reference to ‘male’ plants the name is always marked with the term mlume [male]. Semantic analysis of the interpretable plant names indicates that Digo plant naming is guided by several unwritten principles. Digo plant identification methods Digo plant identification is characterised by familiarity and little verbal descriptions. Experienced plant collectors identify plants using ‘fixed images’ in their memory, without rigorous procedures. ‘Procedural’ identifications are used by less experienced collectors, for doubted identifications or in new environments. In procedural identification different plant user groups focus on the part ‘useful’ to them, creating a variety of approaches in identification of the same species. Digo folk taxonomy Digo folk taxonomy is shallow. It does not correspond to comprehensive folk taxonomies reported by most other ethnographers. In Digo there is no term for ‘unique beginner’, thus ‘plant kingdom’ is not a recognised rank. Recognised ranks are life-forms and folk species, with occasional presence of folk generics and folk varietals. Plant life-forms are recognised on the basis of discontinuity of kinds, which is consistent with rationalism theory, but lower taxonomic ranks are constructed on basis of utility value, which agrees with utilitarian view. The Digo folk taxonomy, therefore, is an intermediate kind of knowledge. Digo perception of internal plant processes The perception of plants as being ‘female’ is twined with an understanding that male plants are irrelevant in plant reproduction and propagation, hence associated processes (pollination and fertilization) are not perceived; neither are other scientific concepts e.g. photosynthesis and transpiration. At a community level, it is not obligatory for the Digo to understand details in plant processes, which contrasts labelling and descriptions of plants. Digo farming practices Digo farmers have a knowledge built by experience, hence a stabilized understanding of correlations between different components such as demand of crop plants, performance of soils, diseases and pest menace. A Digo farmer recognizes and classifies soils in relation to crop production. Although some old farming practices have been dropped due to various socio-political changes, the Digo farmers maintain to a considerable degree traditional practices, magico-religious practices and preference of local crop varieties. The future of Digo plant knowledge The Digo plant knowledge reacts to global influence in a multitude of ways, depending on the risk of material loss. In plant lexicon and description, where there is no risk of material loss, change is acceptable. Thus school-mediated plant knowledge complements Digo lexicon and description, sometimes only temporarily. On the other hand, in plant description the role of primary Digo colour terms is fading off. National and global support has changed the Digo healing only in the tools i.e., in hygiene, processing and dosage of medicinal plants, but not in content, as traditional cures are still the main phytotherapical substances. Digo farmers however, resist modern agriculture, partly due to the economic implications. The continued lack of material support to the farmers strengthens the future of traditional farming practices.
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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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Altersabhängige Veränderungen von Immunsystem und Verhalten weiblicher Tapjas (Tupaia belangeri)
(2006)
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Christian Münkel
- In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, ob es bei Tupaia belangeri (Spitzhörnchen) Veränderungen von Verhalten und im Immunsystem im Alter gibt. In einem ersten Versuch wurden unter Standard Laborbedingungen (Heimatkäfig) gehaltene, zwischen 3 Monaten und 7 Jahren alte, Tiere untersucht. Hierfür wurden Verhaltensaufzeichnungen der Hellphase (12h) per Video für eine spätere Auswertung erstellt. Für die Bestimmung von Hormonen und Immunparametern wurde den Tieren zwei Stunden vor Beginn der Aktivitätsphase Blut entnommen. In einem weiteren Versuch wurden dieselben Individuen für 2 Stunden in eine ihnen unbekannte Umgebung gebracht, um zu erforschen, ob die Tiere verschiedenen Alters unterschiedlich in Verhalten und Physiologie auf diese leichte Belastung reagieren. Während der Zeit in der neuen Umgebung (Versuchsräume) wurden wiederum Verhaltensaufzeichnungen angefertigt und im Anschluss eine Blutabnahme durchgeführt. Zusätzlich wurden 2 Wochen vor diesem Versuch Vorwerte zu dieser Tageszeit bestimmt, um über individuelle Veränderungen Aussagen treffen zu können. Die wichtigsten Befunde sind: -Die Aktivität nimmt mit zunehmendem Alter ab. -Körpermasse und Nahrungsaufnahme ändern sich nicht im Alter. -Die Funktionalität und Anteile der Zellen des spezifischen Immunsystems nehmen bei Tupajas mit zunehmendem Alter ab. -Die morgendlichen Glucokortikoidkonzentrationen im Serum nehmen mit dem Alter ab. -Auf eine leichte Belastung reagieren alte und junge Tiere mit vergleichbarem Verhalten; ältere Tiere explorieren im Unterschied weniger das neue Umfeld. -Die Glucokortikoidausschüttung auf eine Belastung hin nimmt mit zunehmendem Alter der Tiere ab.
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Alterung und Seneszenz des Phloems und des Blattes von Ricinus communis L.
(2003)
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Udo Jongebloed
- Die Seneszenz beinhaltet den letzten Abschnitt im Leben eines Blattes und umfasst die Entwicklung vom voll entfalteten Blatt bis zu seinem Tod. Das Schicksal der Siebröhren ist untrennbar mit jenem des Blattes verbunden. Zum einen drückt es in seinen Inhaltsstoffen den metabolischen Status des Blattes aus und zum anderen ist seine Funktionsfähigkeit eine Voraussetzung, um die Aufrechterhaltung bestimmter physiologischer Leistungen im Blatt zu garantieren. In dieser Arbeit wurde das Seneszenzgeschehen in Rizinusblättern charakterisiert und der Inhalt der Siebröhren analysiert. Ein Seneszenzcharakteristikum ist der Chlorophyllabbau und die damit verbundene Reduktion der photosynthetischen Kapazität des Blattes. Nach der vollständigen Expansion des Blattes sank die Nettophotosyntheserate in Rizinusblättern altersabhängig ab. Auch der Kohlenstoffgehalt des Blattgewebes nahm leicht ab, während die Kohlenhydratgehalte im Blattgewebe anstiegen. Der Stickstoffgehalt und alle gemessenen Stickstoffverbindungen nahmen mit zunehmendem Alter im Blattgewebe ab. Ursache könnte eine geringere Stickstoffassimilation des ausgewachsenen Blattes sein. Die Aktivität der Nitratreduktase deutet auf eine geringere Nitratassimilation im alten Blatt hin. Auch die Aktivität der Glutaminsynthetase sank mit steigendem Blattalter. Die niedrige Aktivität war auf den Verlust der chloroplastidären GS2 zurückzuführen, während das GS1-Protein erst im seneszenten Blatt eine verstärkte Aktivität zeigte. Die vermutliche Aufgabe der GS1 ist die Bereitstellung von Glutamin als wichtigste Verbindung für den Stickstoffexport aus dem alternden Blatt. Trotz dieser erhöhten GS1-Aktivität sank der Glutamingehalt im Siebröhrenexsudat mit dem Alter beträchtlich und schloss sich mit diesem Trend den sinkenden Aminosäuregehalten im Blatt an. Neben dem Kohlenstoff- und dem Stickstoffmetabolismus wurden die Schwefel-, Magnesium- und Kalzium gemessen. Diese Elemente häuften sich im Blattgewebe an. Für Kalium und Phosphor konnte keine solche Akkumulation gezeigt werden. Ihre Gehalte waren im ausgewachsenen Blatt hoch und sanken asymptotisch auf einen bestimmten Wert ab. Besonders der Stickstoffgehalt im Blattgewebe weist auf ein funktionstüchtiges Phloem im seneszenten Blatt hin. Aber auch die Elemente Kalium und Phosphor müssten mit dem Alter im ausgewachsenen Blatt akkumulieren, wenn das Phloem blockiert wäre. Selbst der Kohlenstoffgehalt des Blattes sank in den Versuchspflanzen trotz der akkumulierenden Kohlenhydratgehalte mit zunehmendem Blattalter ab. Obwohl die Anzahl der funktionstüchtig erscheinenden Siebröhren in der Mittelrippe mit dem Alter abnahm, ist also davon auszugehen, dass das letzte grüne Gewebe des Blattes, das Phloem, auch in seneszenten Blättern noch funktioniert. Im Siebröhrenexsudat sanken die Konzentrationen der Stickstoffverbindungen (vor allem Aminosäuren und z.T. Proteine) ab. Dies korrelierte mit den sinkenden Stickstoffgehalten im Blattgewebe. Die Saccharosekonzentration des Siebröhrenexsudates blieb mehr oder minder gleich. Saccharose stellt das Haupttransportmolekül des Kohlenstoffs in den Siebröhren dar. Glukose und Fruktose lagen in einer Konzentration von nur ungefähr 1 mM im Siebröhrenexsudat vor. Die Zusammensetzung der Proteine aus Siebröhrenexsudat seneszenter Blätter veränderte sich altersabhängig. Neben Proteinen, die zu jeder Zeit präsent waren, wurden Proteine gefunden, die in ihrer Menge zu- oder abnahmen und solche, die entweder im Siebröhrenexsudat alter Blätter neu auftauchten oder nicht mehr detektierbar waren. Oxidative Prozesse, die für die Seneszenz verantwortlich gemacht werden, scheinen bei der natürlichen Blattseneszenz in Rizinuspflanzen keine herausragende Rolle zu spielen. Zwar lagen in jungen Blättern oxidierte Proteine vor, aber dies änderte sich auch mit steigendem Blattalter nicht. Die Askorbatgehalte der Blätter stiegen leicht an, während die Askorbatkonzentrationen im Siebröhrenexsudat leicht sanken. Alles in allem wurden also keine nennenswerten Veränderungen des oxidativen Zustandes während der Entwicklung zum seneszenten Blatt gefunden. Die Hypothese, dass ein Verlust der Funktionsfähigkeit des Phloems möglicherweise der Auslöser der Blattseneszenz ist, wurde somit nicht als zutreffend erwiesen. Dennoch wurde ein partieller Verlust der Transportkapazität des Phloems durch die Akkumulation von Zuckern im Blattgewebe und der Abnahme funktionstüchtig erscheinender Siebröhren der Mittelrippe nachgewiesen. Eine wechselseitige Beeinflussung von Phloem und Blattgewebe hinsichtlich der Seneszenz, ist somit nicht auszuschließen.
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Analyse der Funktion und Regulation des ECF-Sigmafaktors YlaC aus Bacillus subtilis
(2005)
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Stephan Zellmeier
- Alternative Sigmafaktoren mit extracytoplasmatischer Funktion (ECF-Sigmafaktoren) repräsentieren eine sich kontinuierlich vergrößernde Gruppe an Regulatorproteinen, die an der differentiellen Genexpression in Bakterien beteiligt sind. Obwohl Gene, welche durch diese Regulatorproteine kontrolliert werden, ebenso wie die Regulationsmechanismen noch weitgehend unaufgeklärt sind, scheinen ECF-Sigmafaktoren in Bakterien eine Schlüsselrolle im Bereich der Stressantwort, der Differenzierung und der Pathogenese zu spielen. In dem Gram-positiven Modellorganismus B. subtilis konnten bislang sieben Gene mit Ähnlichkeiten zu ECF-Sigmafaktoren identifiziert werden (sigX, sigW, sigM, sigY, sigV, sigZ und ylaC), wobei hauptsächlich sigX, sigW und sigM im Zentrum durchgeführter Untersuchungen standen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde der potentielle ECF-Sigmafaktor YlaC hinsichtlich seiner Funktion und Regulation untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass ylaC Teil eines tetracistronischen Operons ist und mit dem Gen seines möglichen Anti-Sigmafaktors kotranskribiert wird. Zusätzlich kodiert das Operon für zwei weitere Membranproteine mit bislang unbekannter Funktion. Obgleich kein spezifischer Stressfaktor identifiziert werden konnte, wurde die positive Regulation des ylaA-Operons durch YlaC eindeutig gezeigt. Die Ergebnisse einer globalen Transkriptionsanalyse deuten darauf hin, dass YlaC ausschließlich sein eigenes Operon reguliert. Durch Primer-Extension konnte der Transkriptionsstartpunkt des ylaA-Operons bestimmt werden. Die ermittelte Promotorsequenz ähnelt bereits identifizierten Promotorsequenzen von ECF-Sigmafaktoren aus B. subtilis. Die für den ylaA-Promotor ermittelte Sequenz konnte vor keinem anderen Ges des B. subtilis-Genoms gefunden werden. Durch Northern-Blots und b-Galaktosidase-Tests mit einem DylaD-Stamm wurde gezeigt, dass YlaD als Anti-Sigmafaktor von YlaC wirkt. Gereinigtes YlaD bindet Zink in äquimolaren Mengen und wird deshalb einer neu-definierten Familie von Zink-bindenden Anti-Sigmafaktoren zugeordnet. YlaD ist ein Membranprotein, dessen C-terminus in der Cytoplasmamembran verankert ist. Nach Überexpression konnte YlaD in Western-Blots nur dann nachgewiesen werden, wenn das yluC-Gen, welches für eine intramembrane Protease kodiert, deletiert war. Eine YluC-Variante mit einer Mutation im aktiven Zentrum war nicht mehr in der Lage, das sW-Regulon aus B. subtilis zu aktivieren. In einer DyluC-Mutante reicherten sich auch verkürzte Formen der SigX und SigM Anti-Sigmafaktoren an, was auf eine generelle Rolle von YluC bzw. von intramembraner Proteolyse bei der Regulation von ECF-Sigmafaktoren in B. subtilis hindeutet. Eine mögliche Funktion der bislang uncharakterisierten Membranproteine YlaA und YlaB bei der Regulation der YlaC-Aktivität wurde durch die Konstruktion von Reporterstämmen, welche verschiedene Kombinationen aller vier Gene des ylaA-Operons enthielten, analysiert. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Anwesenheit von YlaB einen Einfluss auf die Anti-Sigmafaktor-Aktivität von YlaD hat. Durch Western-Blots war ein stabilisierender Einfluss von YlaB auf YlaD nachweisbar. Eine direkte Interaktion zwischen YlaB und YlaD konnte durch in vitro-Experimente gezeigt werden. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass YlaD, zusammen mit YlaB und eventuell auch mit YlaA, Teil eines membrangebundenen Proteinkomplexes ist, der YlaD vor dem Abbau durch YluC schützt.
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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.
