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Social life-styles in caterpillars: Behavioral mechanisms and ecological consequences
(2002)
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Claudia Ruf
- The present thesis investigates ecological advantages, ethological adaptations, and behavioral mechanisms connected with sociality in larval Lepidoptera. Data on social thermoregulation, larval communication, developmental benefits, and advantages of survival are presented to contribute to a better understanding of the evolution and maintenance of social systems in caterpillars. I put the main emphasis of this work on the highly social, tent building European lasiocampid moth Eriogaster lanestris. In a comparative study aspects of the social biology of E. lanestris were compared to its congener E. catax and the confamilial species Malacosoma neustria. In addition to these tent building, central-place foraging species a fourth, non-tent building nomadic butterfly species, Araschnia levana (Nymphalidae) was also studied. Caterpillars of E. lanestris are behavioral thermoregulators. In the laboratory (i.e. in the absence of solar radiation) tightly aggregated caterpillars are able to rise their body temperatures compared to ambient temperature for 2.5-3K. Temperature gains are based on metabolic heat production (Chapter 4). Under field conditions grouped caterpillars are able to stabilize their body temperatures between 30-35°C independent of ambient temperature as long as solar radiation is sufficient. Optimal body temperatures are achieved by changing positions in and on the tent frequently. The functionality of the tent is based on the reduction of convective heat exchange (Chapter 5). Foraging bouts of E. lanestris caterpillars are highly synchronized under field conditions. The number of foraging bouts is temperature dependent (influence on speed of digestion and walking). Plasticity in foraging patterns optimizes nutrient uptake and therefore minimize developmental time (Chapter 6). Caterpillars of E. lanestris use trail pheromones for communication. The pheromone is applied by dragging the ventral median sternite of the last abdominal segment over the substrate. Trails contain information about age and suitability of foraging sites, which is encoded by quantitative graduation of the trail marker (opposing processes of aging and (over)marking) (Chapters 7+8). Vibrations of the tent caused by the increasing restlessness of caterpillars at the end of the digestion phase turned out to be tightly linked to the emergence of larvae from the tent and are supposed to play a role for synchronizing the foraging bouts (Chapter 9). Costs of social behavior in E. lanestris are high under field conditions. Total colony mortality (i.e. the complete loss of a female’s offspring) of 100 exposed colonies was 48%. The majority of colony losses was connected to the previous loss of the tent, mostly initiated by heavy rainfalls (Chapter 10). Comparing E. lanestris to E. catax and M. neustria revealed that despite similar life-history traits and overlapping habitat requirements very different ecological strategies evolved with regard to egg size, tent building behavior, foraging strategies, and activity patterns (Chapter 11). Females of A. levana produce several egg clutches of different size over their life time. Caterpillar group size strongly influences development and survival. Single individuals develop more slowly and achieve smaller weights compared to groups of 10, 40 (=mean natural clutch size), or 80 individuals during the social phase of the caterpillars’ life (i.e. first to third instar). Mortality is highest in singly bred individuals and lowest in groups of 40. The advantage of grouping for survival is supposed to result from the strong collective regurgitation behavior which enables the caterpillars to ward off natural enemies (Chapters 12+13). The thesis shows with the example of E. lanestris that highly evolved social systems in larval Lepidoptera afford high parental and larval investment which may in turn lead to high advantages, e.g. with regard to large reductions in developmental time. The extended social phase requires highly sophisticated communication processes. In A. levana flexible egg deposition leads to higher plasticity with regard to the costs of sociality. Nevertheless, physiological and ecological advantages of group living are evident as well.
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Die Funktion der Separase bei der Schwesterchromatiden-Trennung in Drosophila melanogaster
(2002)
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Hubert Jäger
- Grundvoraussetzung für den Erhalt der genetischen Stabilität während der Zellteilung ist die akkurate Verteilung der Schwesterchromatiden auf die entstehenden Tochterzellen. Diese Verteilung erfordert die gleichzeitige Trennung aller Schwesterchromatiden am Metaphasen/Anaphasen-Übergang. Die Drosophila Proteine PIM und THR, die in vivo in einem Komplex vorliegen sind essentiell für die Trennung der Schwesterchromatiden im Verlauf der Mitose. Keines dieser Proteine zeigt signifikante Sequenzübereinstimmungen zu bekannten Proteinen. PIM weist jedoch funktionelle Gemeinsamkeiten zur Klasse der Securine auf. Es wird wie andere Securine am Metaphasen/Anaphasen-Übergang proteolytisch abgebaut, wodurch die Trennung der Schwesterchromatiden ermöglicht wird. Die Securine sind die inhibitorischen Untereinheiten der Separasen, einer konservierten Familie von Cystein-Endoproteasen. Der Abbau der Securine führt zur Aktivierung der Separasen, die über die Spaltung einer konservierten Kohäsin-Untereinheit die Trennung der Schwesterchromatiden einleiten. Um zu untersuchen, inwiefern PIM ebenfalls für die Regulation der Separase-Aktivität verantwortlich ist, wurde in dieser Arbeit das Drosophila Separase-Homolog (SSE) charakterisiert. SSE weist etwa nur die Hälfte bis ein Drittel der Größe von weiteren Separasen auf, und auch die Endoproteasedomäne ist divergent, weshalb SSE ein entferntes Mitglied der Separase-Familie darstellt. Dennoch zeigen die zytologischen Studien an Sse-Mutanten, dass SSE eine essentielle Funktion im Verlauf der mitotischen Separation der Schwesterchromatiden wahrnimmt. Zusätzlich interagiert SSE direkt mit dem Securin PIM aber auch mit dem Securin-assoziierten THR. Insofern unterscheidet sich der ternäre Drosophila Separase-Komplex klar von den binären Separase-Komplexen aus Organismen mit einer „großen“ Separase. Two-Hybrid-Experimente in der Hefe legen jedoch nahe, dass THR funktionell dem N-terminalen Bereich der „großen“ Separasen gleichzusetzen ist. Diese Interaktionsstudien lassen somit Parallelen im Aufbau des humanen und des Drosophila Separase-Komplexes erkennen. Diese Resultate lassen auch vermuten, dass in D. melanogaster eine Aufspaltung einer ursprünglich „großen“ Separase in die beiden Proteine SSE und THR erfolgt ist. Die Identifikation von Sse- und thr-Orthologen aus entfernt verwandten Drosophiliden legt den Schluss nahe, dass die zugrundeliegende Genspaltung vor mindestens 40-60 Millionen Jahren stattgefunden hat.
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Ökologische Untersuchungen an der Schlingnatter (Coronella austriaca Laurenti 1768)
(2002)
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Daniel Käsewieter
- In den Jahren 2000 und 2001 wurde am bayerischen Lech zwischen Landsberg/Lech und der Mündung in die Donau eine Untersuchung über die Biologie und Ökologie der Schlingnatter (Coronella austriaca) durchgeführt. Dabei wurden in den acht Untersuchungsgebieten im Jahr 2000 52 Individuen und im Jahr 2001 74 Individuen erfasst. Ein Schwerpunkt der Art liegt südlich von Augsburg zwischen den Staustufen 19 und 23. Als wichtigste Fundpunkte konnten die steinernen Uferbefestigungen, die Lechdämme sowie Wegränder identifiziert werden. Wird die Umgebung der Fundpunkte in die Analyse mit einbezogen, so gewinnen Hecken und Lechheiden an Bedeutung. Die Auswertung ergab, dass es vor allem die linienhaften Lebensräume waren, die für die Besiedlung durch die Schlingnatter maßgeblich waren. Von entscheidender Bedeutung waren außerdem die deutlich erhöhten Grenzliniendichten in den Schlingnatterlebensräumen. Besonders wichtige Strukturelemente waren Rohbodensituationen, Steine sowie Altgrasbüschel. Die Schlingnatter konnte zwischen April und Oktober beobachtet werden, der Beobachtungsschwerpunkt entfiel auf die Sommermonate Juli und August. Im Verlauf beider Jahre kristallisierten sich zwei getrennte Häutungsperioden heraus: die erste im Juni, die zweite von Ende Juli bis Mitte August. Ein Schwerpunkt der Arbeit lag in der Anwendung radiotelemetrischer Methoden, um neue Erkenntnisse über die Migration sowie die Raumnutzung verschiedener Individuen zu gewinnen. Dabei wurde festgestellt, dass Männchen durchschnittlich etwas weitere Strecken zurücklegen als die nichtträchtigen Weibchen, während die trächtigen Weibchen sehr ortstreu waren. Als maximale Distanzen konnten bei Männchen 6,6 km, bei Weibchen 4,5 km festgestellt werden. Die durchschnittliche Tagesdistanz aller Individuen lag bei ca. 10 Meter pro Tag. Die Männchen besetzten home-ranges von bis 2,9 ha, die Weibchen nur etwa 0,5 ha. Als Besonderheit kann gelten, dass ein Weibchen zweimal die Lechseite gewechselt hat. Die Weibchen der Population waren durchschnittlich mit 61,5 cm etwas kleiner als die Männchen mit 62,4 cm. Der Quotient von Gesamtlänge zu Schwanzlänge war bei den Männchen signifikant kleiner als bei den Weibchen. 90 % aller beobachteten Tiere waren größer als 40 cm, dagegen waren juvenile und semiadulte Schlangen kaum im Freiland zu beobachten. Das Geschlechterverhältnis war leicht männchendominiert (1: 0,76). Die juvenilen Schlingnattern kamen zwischen 29.07. und 09.09. zur Welt. Dabei wogen sie durchschnittlich 2,7 Gramm (1,9 Gramm bis 3,5 Gramm). Die Zahl der Jungtiere pro Wurf lag bei 6,6 (4-10). Es ergab sich kein Zusammenhang zwischen Gewicht oder Länge der Mütter und der Anzahl ihrer Jungen, dem Gesamtgewicht der Jungtiere sowie dem durchschnittlichen Gewicht pro Jungtier. Die Mütter investierten etwa 40 % ihres Körpergewichtes in ihren Nachwuchs. Alle Indizien sprechen für einen zweijährigen Fortpflanzungszyklus der weiblichen Schlingnattern in der Lechtalpopulation. Die Neugeborenen nahmen von selbst nur Reptilien (Zauneidechsen (Lacerta agilis) und Blindschleichen (Anguis fragilis)) als Nahrung an. An Babymäuse konnten sie durch Zwangsfütterung gewöhnt werden. Zwischen Geburt und Überwinterung nahmen die Schlangen zwischen 0 und 1,1 Gramm zu. Die Schlangen, die sich von Reptilien ernährten, konnten dabei etwas mehr an Gewicht zunehmen, als diejenigen, die sich von Mäusen ernährten. Das Wintergewicht der Reptiliengruppe lag ebenfalls über dem der Säugergruppe. Es stellte sich heraus, dass das Gewicht der Jungschlangen vor der Überwinterung den entscheidenden Faktor für deren Überleben darstellt. Daher kommt der ausreichenden Verfügbarkeit der beiden potentiellen Beutetierarten Zauneidechse und Blindschleiche große Bedeutung zu. Die Blindschleiche ist im Projektgebiet als durchaus häufig zu bezeichnen. Sie wurde in alle UG regelmäßig beobachtet, insbesondere in den Lechheiden und an Wegrändern. Die Populationsstruktur der Blindschleiche ist sowohl was die Geschlechter betrifft, als auch in Bezug auf die Größenklassen gleichmäßig besetzt. Die Zauneidechse konnte ebenfalls in allen UG beobachtet werden, jedoch schwankt ihre Zahl von Jahr zu Jahr erheblich. Von diesen Schwankungen sind vor allem juvenile Tiere betroffen. Der bevorzugte Lebensraum der Zauneidechse ist ebenfalls in den Lechheiden zu finden. Auch die beiden anderen im Lechtal vorkommenden Schlangenarten Kreuzotter (Vipera berus) und Ringelnatter (Natrix natrix) sind häufig mit der Schlingnatter syntop anzutreffen. Für den Schutz der Art ergeben sich daraus logische Konsequenzen: die Populationen der Nahrungstiere müssen gestützt werden, um das Überleben der Jungtiere zu sichern; die Teilpopulationen müssen vernetzt werden, um einen notwendigen Individuenaustausch zu ermöglichen; die Lebensräume der Schlingnatter müssen vergrößert werden, um ausreichend Raum für individuenstarke Populationen zu schaffen.
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Funktion und Regulation von D- und E-Typ-Cyclin-Cdk-Komplexen während der Entwicklung von Drosophila
(2002)
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Claas Aiko Meyer
- In dem vorliegenden Dokument werden 3 Originalarbeiten (s. S. 35) zusammengefasst. Die Embryonalentwicklung eines Vielzellers beginnt im allgemeinen mit einer Pha-se exponentieller Zellproliferation. Anschließend erfolgt in den meisten Zellen ein Zellproliferationsarrest und die terminale Zelldifferenzierung. Hierbei muss das Ausmaß der Zellproliferation mit anderen Entwicklungsvorgängen wie Musterbil-dung und Wachstum abgestimmt werden. Der G1/S-Übergang im Zellzyklus ist ein wichtiger Kontrollpunkt für die Zellproliferation. Hier wird in der Zelle entschieden, ob die DNA in einer S-Phase repliziert und ein weiterer Zellteilungszyklus durchlaufen wird. Die Aktivität von Cyclin E-Cdk(Cyclin-dependent kinase)2-Proteinkomplexen ist essentiell für den Eintritt in die S-Phase. Umgekehrt erfordert der Austritt aus der Zellproliferation zum korrekten Zeitpunkt in der Entwicklung die Inaktivierung von Cyclin E-Cdk2-Komplexen. Es wird allgemein angenommen, dass Cyclin E-Cdk2-Komplexe durch Cyclin D-Cdk4-Komplexe reguliert werden. So phosphorylieren Cyclin D-abhängige Kina-sen das Retinoblastoma-Protein Rb, wodurch die Repression von Klasse I-Zielgenen des Rb-Signalwegs, wie Cyclin E, beendet wird. Anschließend kommt es infolge der Cyclin E-Aktivierung zur Hyperphosphorylierung von Rb durch Cyc-lin E-Cdk2-Komplexe. Dies bewirkt die Freisetzung und Aktivierung von E2F-Transkriptionsfaktoren, welche die Expression von S-Phasen-Genen kontrollieren. Um die funktionelle Bedeutung von Cyclin D-Cdk4-Komplexen während der Entwicklung zu untersuchen, wurde in dieser Arbeit eine Cdk4-Nullmutation in Drosophila melanogaster charakterisiert. Überraschenderweise entwickeln sich adulte Fliegen auch in Abwesenheit jeglicher Cdk4-Funktion. Cdk4-Mutanten sind allerdings von reduzierter Größe und eingeschränkter Fertilität. Cdk4 ist daher nicht essentiell für die Zellproliferation. Vielmehr konnte gezeigt werden, dass Cyclin D-Cdk4-Komplexe eine wachstumsstimulatorische Funktion besitzen und für das Wachstum sowohl der einzelnen Zelle als auch des gesamten Organismus benötigt werden. Konditionale Überexpression von Cyclin D und Cdk4 zeigt, dass Cyclin D-Cdk4-Komplexe im Rb-Signalweg wirken und unabhängig von Cyclin E die Transkription von RnrS in physiologischer Stärke induzieren. RnrS kodiert für die kleine Untereinheit der Ribonukleotidreduktase und ist ein bekanntes Zielgen von E2F-Transkriptionsfaktoren. Die Überexpression von Cyclin D-Cdk4 in der embry-onalen Epidermis kann jedoch den rechtzeitigen Austritt aus dem Zellzyklus nicht verhindern. Cyclin D-Cdk4-Komplexe sind daher keine Entscheidungsträger über Ein- und Austritt aus der Zellproliferation. Im Gegensatz zu Cyclin D-Cdk4-Komplexen müssen Cyclin E-Cdk2-Komplexe inhibiert werden, um einen rechtzeitigen Zellproliferationsarrest sicher-zustellen. Für die rechtzeitige Inhibition wird beginnend in der G2-Phase vor der terminalen Mitose das dacapo(dap)-Gen exprimiert. DAP-Protein bindet an Cyclin E-Cdk2-Komplexe und inhibiert diese. In dieser Arbeit wurde untersucht, welche Mechanismen die embryonale Ex-pression von dap und damit den Austritt aus dem Zellzyklus steuern. Die Analyse verschiedener Mutanten hat gezeigt, dass dap-Expression auch unabhängig vom vollständigen Ablauf des Zellproliferationsprogramms direkt durch Zellschicksals-determinanten reguliert wird. Eine Analyse der genomischen 5´-Kontrollregion von dap mit Hilfe von Deletions- und Reporterkonstrukten ergab, dass die Expression von dap in verschiedenen Geweben durch unabhängige Enhancermodule gesteu-ert wird. An einem dieser Enhancer wirkt der HOX-Transkriptionsfaktor Abdominal B (ABD-B), der eine zentrale Bedeutung für die Spezifizierung von Entwicklungs-schicksalen besitzt. Die 5´-Kontrollregion von dap spielt daher eine wichtige Rolle bei der Koordination von Entwicklungschicksal und Zellproliferation.
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Diversity of geometrid moths in a montane rainforest in Ecuador
(2002)
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Gunnar Brehm
- The diversity of the very species-rich family of geometrid moths was investigated in a montane forest at the border of the Podocarpus National Park in southern Ecuador along an altitudinal gradient ranging from 1,040 m to 2,677 m above sea level. This study is part of a larger interdisciplinary project on diversity and functioning of a montane forest ecosystem. A total of 13,938 moths representing 1,010 species were sampled in light-traps at eleven elevational levels (two replicate sites each). Most species belonged to the subfamily Ennominae (500 sp.), followed by Larentiinae (391 sp.), Sterrhinae (58 sp.), Geometrinae (57 sp.), Oenochrominae (3 sp.), and Desmobatrinae (1 sp.). The study covers aspects of host-plant relationships, community structure, endemism, alpha-, beta-, and gamma-diversity. The role of different environmental factors as mechanisms for the diversity of the moths is discussed. Furthermore, methodological aspects of light-trap sampling, and selection of appropriate diversity measures and analytical tools are considered in this study.
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Regulation der Transkription durch das Ubiquitin/Proteasom-System
(2002)
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Michael Rape
- Ein Großteil eukaryontischer Proteine wird nach regulierter Modifikation mit Ubiquitin durch das 26S-Proteasom abgebaut. In wenigen bisher bekannten Fällen wird ein ubiquitiniertes Protein durch diese Protease zwar erkannt, jedoch nur teilweise degradiert. Diese regulierte Ubiquitin/Proteasom-abhängige Prozessierung (RUP) wurde bei den Transkriptionsfaktoren NF-kB aus Säugerzellen sowie SPT23 und MGA2 aus der Bäckerhefe S. cerevisiae beobachtet. In dieser Arbeit wurde zunächst der Mechanismus der proteasomalen Prozes-sierung des Transkriptionsfaktors SPT23 analysiert. SPT23 wird als integrales Mem-branprotein des Endoplasmatischen Retikulums synthetisiert. Dort wird es durch die Ubiquitin-Ligase RSP5 ubiquitiniert und durch das 26S-Proteasom in eine verkürzte 90kDa-Form prozessiert. Die proteasomale Prozessierung von SPT23 setzt die Ausbildung von Homodimeren voraus und resultiert in einem stabilen Komplex aus Prozessierungssubstrat (SPT23 p90) und Dimerisierungspartner (SPT23 p120). In diesem Komplex liegt SPT23 p90 als monoubiquitiniertes Protein vor und wird so durch die konservierte CDC48UFD1/NPL4-Segregase, die in dieser Arbeit für S. cerevisiae beschrieben wurde, erkannt. CDC48UFD1/NPL4 entwindet in einer ATP-abhängigen Reaktion den membranständigen Komplex und ermöglicht den Transport von SPT23 p90 in den Zellkern. Interessanterweise erkennt CDC48UFD1/NPL4 präferentiell ubiquitinierte Proteine und ist daher ein ubiquitin-selektives Enzym. SPT23 p90 kontrolliert die Transkription der D9-Fettsäuredesaturase OLE1. Es konnte gezeigt werden, daß die Inaktivierung des Transkriptionsfaktors im Zellkern mit Hilfe des E4-Enzyms UFD2 erfolgt. Dieser Ubiquitinierungsfaktor fördert die Multiubiquitinierung von SPT23 p90 und führt es dem proteasomalen Abbau zu. Mit SPT23 p90 konnte damit das erste natürliche Substrat des E4-Enzyms UFD2 in S. cerevisiae identifiziert werden. Interessanterweise wird UFD2 mit dem Substrat und der Segregase CDC48 in einen ternären Komplex rekrutiert. In diesem Komplex kann CDC48 die Aktivität des Multiubiquitinierungsfaktors UFD2 regulieren. Die beobachteten Reaktionen sind von physiologischer Relevanz. Ist die durch UFD2 vermittelte Inaktivierung von SPT23 p90 gestört, können Zellen die OLE1-Transkription in Gegenwart ungesättigter Fettsäuren nicht reprimieren. Diese Produkte der von OLE1 katalysierten Reaktion sind dadurch für UFD2-Deletions-mutanten toxisch. Die vorgestellten Daten veranschaulichen, wie ein Transkriptionsfaktor mit Hilfe des Ubiquitin/Proteasom-Systems reguliert werden kann. Das bereits synthetisierte Protein kann durch Prozessierung und Mobilisierung schnell aktiviert werden, wobei gleichzeitig die Lebensdauer der aktiven Form begrenzt wird. Dies gibt der Hefezelle die Möglichkeit, sich effizient variablen Umweltbedingungen anzupassen.
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In vitro-Selektion am lentiviralen Transaktivator-Protein aus HIV-1
(2002)
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Gesa Jonas
- In der vorliegenden Arbeit konnte für das lentivirale Transaktivatorprotein HIV-1-Tat ein ternäres Phagen-Display-System etabliert werden. Die Bindung von phagenpräsentiertem HIV-Tat an HIV-TAR-RNA erfolgt im Phagen-Display nur mit geringer Affinität. Durch die Erweiterung des Tat-TAR-Phagen-Displays mit dem zellulären Kofaktor Cyclin T1 konnte die Affinität und Spezifität der Bindung von HIV-Tat an HIV-TAR-RNA gesteigert werden. Somit konnte zum ersten Mal der in vitro und in vivo dokumentierte Einfluss eines Kofaktors in einem Phagen-Display-System reproduziert werden. Bereits durch erste funktionelle Tests des ternären Phagen-Display-Systems konnte gezeigt werden, dass der Verlust der basischen Aminosäuren der basischen Sequenzdomäne von HIV-Tat keine negative Auswirkung auf die Wechselwirkung zwischen Cyclin T1 und HIV-Tat hat. Für die weitere Untersuchung der Rolle der Aminosäuren der basischen Sequenzdomäne wurden voneinander unabhängige Tat-random-Bibliotheken konstruiert, in denen die Aminosäurepositionen R49, K50, K51, R52 bzw. die Aminosäurepositionen R53, R55, R56, R57 vollständig randomisiert wurden. Zusätzlich wurde eine Tat-C31S-random-Bibliothek basierend auf der Mutante Tat-C31S konstruiert, in der die Randomisierung an den Positionen R53, R55, R56, R57 erfolgte. Die Bibliotheken erwiesen sich mit einer Anzahl an unabhängigen Klonen zwischen 1,1 x 106 und 1,5 x106 als ausreichend divers für eine Selektion. Das Selektionssystem ermöglicht die Anreicherung von Tat-Varianten, die tatsächlich unter den gegebenen Selektionsbedingungen d.h. in Anwesenheit oder Abwesenheit von Cyclin T1 an TAR-RNA binden. Tat-wt wurde in keiner der Selektionen angereichert. Ebenso wurde keine Präferenz für basische Aminosäuren erhalten. Sie scheinen für die Bindung von HIV-Tat an TAR-RNA nicht notwendig zu sein. Alle selektierten Tat-Varianten besitzen die Fähigkeit, einen ternären Tat-TAR-Cyclin T1-Komplex auszubilden. Alle charakterisierten Tat-Varianten besitzen in vivo Transaktivierungsaktivität, die mit der Lokalisation der Tat-Variante in der Zelle korreliert ist. Tat-Varianten, die ausschließlich im Kern lokalisieren, weisen die größte Aktivität auf, während Tat-Varianten, die nur in geringem Maß in die Zelle gelangen auch nur eine geringe Aktivität aufweisen. Die Anhäufung von Argininen und Lysinen innerhalb eines Peptides übt keinen entgegengesetzten Selektionsdruck aus. Dies konnte durch die Selektion einer Ph.D.12-Peptidbibliothek nachgewiesen werden. Unter verschiedenen Selktionsbedingungen konnten Peptide selektiert werden, die mit verschiedenen Affinitäten und Spezifitäten TAR-RNA binden. Unter unspezifischen Bedingungen konnte ein Peptid mit einer großen Anzahl an basischen Aminosäuren gefunden werden, welches hochaffin aber unspezifisch an TAR-RNA bindet. Im Gegensatz dazu wurden unter spezifischen Bedingungen Peptide gefunden, die mit hoher Affinität spezifisch an TAR-RNA binden. In dieser Arbeit wurde zum ersten Mal ein ternäres Phagen-Display-System für die Untersuchung von Protein-RNA Wechselwirkungen genutzt. Damit gelang es, Aufschluss über die Bedeutung der basischen Sequenzdomäne von HIV-1-Tat für die Bindung an TAR RNA zu erhalten.
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Populationsökologische Untersuchungen zur Spargelfliege (Platyparea poeciloptera) und Zwiebelfliege (Delia antiqua) unter besonderer Berücksichtigung des Einsatzes von Simulationsmodellen im Integrierten Pflanzenschutz
(2002)
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Mathias Otto
- Spargelfliege (Plioreocepta poeciloptera, Syn.: Platyparea poeciloptera; Diptera: Tephritidae) und Zwiebelfliege (Delia antiqua; Diptera: Anthomyidae) sind durch den Fraß ihrer Larven Schädlinge in Spargel- (Asparagus officinalis) bzw. Zwiebelkulturen (Allium spp.). In der vor-liegenden Arbeit wurde die Populationsökologie beider Schadfliegen untersucht und die Er-gebnisse in ein Konzept für den Integrierten Pflanzenschutz (IPM) umgesetzt. Als Teil des IPM-Ansatzes wurde ein Simulationsmodell zur Populationsdynamik erstellt. Entwicklungsgeschwindigkeit, Lebensdauer, Fekundität und Ressourcennutzung beider Arten wurden unter Labor- und Freilandbedingungen untersucht. Die zur Befallskontrolle entwickelten Methoden basieren auf dem Nachweis der Pupalstadien und sind in der Praxis anwendbar. Spargelfliege P. poeciloptera Die hohe Bindung aller Entwicklungsstadien von P. poeciloptera an die Wirtspflanze, der univoltine Lebenszyklus und die relativ kurze adulte Lebensdauer (ca. 20 Tage) entsprechen der von Zwölfer (1983) aufgestellten IIIb-Strategie zur ökologischen Klassifizierung von Bohrfliegen. Spargelfliegen erwiesen sich in Versuchen als sehr ortsfest. Die Untersuchungen der vorliegenden Arbeit zeigen, daß der Flug von Spargelfliegen - im Ge-gensatz zu den meisten anderen Schadfliegen - nicht mittels Klebetafeln oder Wasserfallen erfaßt werden kann. Lediglich Stabfallen erwiesen sich als attraktiv für P. poeciloptera. In weiteren Versuchen wurde das Fallendesign der Stableimfallen optimiert (Farbe, Dicke, Länge und Aufstellwinkel). Grüne Stableimfallen (grasgrün; Höhe 400 mm; Durchmesser 25 mm) stel-len eine sehr effektive Fangmethode für P. poeciloptera dar. Die Anzahl gefangener Fliegen mit diesen Fallen war stark mit dem Prozentsatz befallener Pflanzen korreliert. Die vorliegende Arbeit liefert erstmals detaillierte Daten zum Flugverlauf von P. poeciloptera. Adulte P. poeciloptera wurden von Mitte April bis Anfang August (Flugspitzen: Mai, Juni und Juli) nachgewiesen. Die Dauer der Flugperiode kann dabei sehr ausgedehnt sein, und betrug im Einzelfall bis zu 132 Tage. Der Flugverlauf variierte stark innerhalb der Regionen und korre-lierte mit dem Anlagenalter. Im Vergleich zu Altanlagen (> 4. Pflanzjahr) konnte in Junganlagen (2. und 3. Pflanzjahr) ein deutlich verfrühter Flugverlauf beobachtet werden. Schlupfversuche unter Labor- und Freilandbedingungen mit überwinterten Puppen belegen, daß der im Feld beobachtete Flugverlauf durch einen stark gestreuten Schlupf der Spargel-fliegen zustande kommt. Befallszeitpunkt (Eiablage) und Schlupf im Folgejahr sind positiv mitei-nander korreliert. Dieser Befund erklärt den beobachteten früheren Schlupf von P. poeciloptera aus Junganlagen, da diese nicht oder lediglich kurz beerntet werden und damit eher von P. poeciloptera befallen werden können als Altanlagen. Aufbauend auf den Ergebnissen dieser Arbeit wurde ein alternatives Bekämpfungskonzept ge-gen P. poeciloptera entwickelt, das auf Routinespritzungen verzichtet und Insektizidapplika-tionen vom Befallsgrad des Vorjahrs und dem aktuellen Flugaufkommen abhängig macht. Zwiebelfliege D. antiqua Anhand von Laborversuchen wurde die temperaturabhängige Entwicklungsdauer aller Stadien von D. antiqua ermittelt, und in ein Simulationsmodell zur Populationsdynamik überführt. Die Struktur des Modells entspricht einem erweiterten Leslie-Modell (Söndgerath 1987; Söndgerath & Richter 1990) und baut auf zwei existierenden Simulationsmodellen für D. radicum und Psila rosae auf, die bereits als Expertensysteme im Pflanzenschutz eingesetzt werden. Erwartungsgemäß werden in den kommenden Jahren weitere Tests und eine Feinanpassung des Modells für D. antiqua erforderlich sein. Aus diesem Grund wurde das Modell Anfang des Jahres 2000 in PASO (Prognose Agrarischer Schadorganismen) integriert, das über die Zen-trale der Pflanzenschutzdienste für computergestützte Entscheidungshilfen (ZEPP, Mainz) ver-fügbar ist. Das Zwiebelfliegenmodell steht somit den Pflanzenschutzdienststellen zur Evaluierung und Nutzung zur Verfügung. Der Flugverlauf von D. antiqua wurde in kommerziellen Schnittlauchfeldern untersucht. Zwie-belfliegen bilden in Deutschland i.d.R. drei Generationen aus. Sowohl Wasserschalen als auch Klebetafeln eignen sich zum Fang von D. antiqua. Von den drei im Feld getesteten Fallenfarben erwiesen sich Weiß und Blau attraktiver für D. antiqua als Gelb. Untersuchungen an Zuchten im Freilandinsektarium weisen darauf hin, daß die Entwicklung der zweiten und dritten Generation bei hohen Temperaturen durch eine Sommerruhe (Aestivation) unterbrochen werden kann. Die Versuche weisen auf eine mögliche Kopplung von Sommer- und Winterdormanz hin.
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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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Behavior and Ecology of Wild Slow Lorises (Nycticebus coucang): Social Organization, Infant Care System, and Diet
(2002)
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Frank Wiens
- In this thesis I describe the social organization, infant care system, and diet of the slow loris Nycticebus coucang, a nocturnal arboreal prosimian primate, in the Malaysian rainforest. Data collected are locational data obtained during 1,000 h of radio-tracking slow lorises, behavioral data from visually observing radio-collared individuals, morphometric data, and records on food remains from fecal analysis. Though close-range encounters were very rare, I observed slow lorises to form stable social units ('social groups') characterized by home range overlap and friendly interactions among members and nonoverlap between groups. Four groups were observed, each consisting of a single adult female, a single adult male and a varying number of younger individuals. Group composition, together with relatively small testis volume and natal dispersal occuring in both sexes, hints towards a monogamous mating system. In one case an extended family group formed by delayed dispersal of a primary pair's offspring. Friendly interactions among group members included allogrooming, following, alternate click-calls, and sleeping in contact. Yet, members did not engage in any co-operative behaviour of the types usually thought to be responsible for group formation in gregarious mammals. One important factor contributing to the sharing of space between slow lorises is probably that chances of successful dispersal are low. However, subtle benefits arising from the presence of conspecifics (allogrooming, transfer of information on food resources) may also be crucial for the formation or maintenance of slow loris spatial groups. The infant care system was also notable for the very low frequency of direct encounters between animals. Active maternal care seemed to be limited to carrying the young to the sleeping place and regular suckling, and grooming of the infant. Non-maternal infant care appeared to be restricted to occasional infant grooming and infant carrying. It has been suggested that young lorises depend on their mothers for information on diet and that they obtain this information by watching their mothers feeding or interacting directly with their mothers over food. I tested this hypothesis on a group including one infant and four older individuals. The infant of the focus group only took food items to the mouth which were also part of its social group's diet and showed concordance in the frequency of use of feeding sites with other members of its group. These results speak against diet learning by trial and error. They indicate that diet learning by infants probably does depend on information obtained from older conspecifics. However, the infant of the focus group was not involved in direct interactions with conspecifics over food and fed mostly alone. It was not within a distance where it could see older conspecifics feeding more often than expected from the configuration and utilization of the individuals` home ranges. When feeding in vicinity of other slow lorises the infant never looked at them. This suggests that, contrary to expectations, visual observation or direct interaction over food are not the mechanisms by which information on food resources is passed from older individuals to young, but that other ways of obtaining such information are used by immature wild slow lorises. The slow loris is a slow-moving animal known to have a very low basal metabolic rate relative to other eutherian species of its body mass. A slow pace of life has been causally linked to a low intake rate of usable energy due to a diet that (1) is generally low in energy, (2) is unpredictably periodically scarce, and (3) contains high amounts of toxins or digestion inhibitors. In order to assess whether the slow loris faces any of these three kinds of limitation in energy supply I studied its dietary habits by direct observations of feeding behavior and by fecal analysis. The diet was composed of five distinct types of food: floral nectar and nectar-producing parts, phloem sap, fruits, gums (another group of plant exudates), and arthropods. The largest proportion of feeding time was spent on phloem sap (34.9%), floral nectar and nectar-producing parts (31.7%), and fruits (22.5%). These food types should provide the slow lorises with high amounts of easily digestible sugars indicating that slow lorises did not face an energy-poor diet. Furthermore, I found no evidence for seasonal food shortages: dietary habits were indistinguishable between rainy- and dry seasons, even though most dry season data were collected during periods of extreme drought induced by the 1997-1998 El Nino Southern-Oscillation event. However, many genera of food plants are known to contain secondary compounds that are toxic or reduce digestibility. I suggest that low metabolism in slow lorises is at least partly related to the need to detoxify secondary compounds in high-energy plant diet.
