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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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In situ studies of sugar metabolism in Ricinus communis L. and Saccharum officinarum L.
(2004)
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Shih-Long Yan
- In order to find the sucrose efflux transporter of the endosperm of Ricinus communis L., the yeast complementation selection method was used, but it was unsuccessful. Mutation was occurred on the nSC4+ plasmid during the selection. Maybe the stress of the yeast cells was too strong and then induced the mutation in the yeast cells. Using a weak promoter and reducing the copy number of the plasmid may avoid the mutation occur during the selection. The endosperm of Ricinus communis L. stores lipid and converts it to sucrose for the growth of seedlings. Sucrose phosphate phosphatase gene, RcSPP1, was cloned from the endosperm of the germinating seedling of Ricinus communis L. The endosperm cells synthesize sucrose by using SPS and SPP rather than sucrose synthase. Northern blot analysis indicated that the RcSPP1 expression level of the germinating endosperm was very similar from day 2 to day 6. The expression of nsLTPc1 is cotyledon-specific. It is also confirmed by in situ hybridization. The results of nsLTPc1 in situ hybridization indicate that the expression of nsLTPc1 was a cell-specific. The expression of nsLTPc1 was found only in the lower side of the cotyledons of Ricinus communis L. The expression of RcSCR1 is found in the endosperm, hypocotyl and cotyledons of the Ricinus communis L. germinating seeds. By northern blot analysis of the RNA from different days old endosperm, it indicates that the RcSCR1 has a highest expression level at day 5. By in situ hybridization and immunolocalization, the results illustrate that the mRNA and protein can be found in the lower epidermis of cotyledons from day 2 to day 5. In the 6-day-old cotyledons, the mRNA and protein of RcSCR1 are predominantly found in palisade parenchyma cells, but they are also found in the lower epidermis of cotyledons. The results of in situ hybridization indicate that the transcript of RcSCR1 can be found in most of the endosperm cells. RcSCR1 can be found in the middle layer of the endosperm from day 2 to day 5, no transcript of RcSCR1 is found in the cell layers near the seed coat. On the day 6, no RcSCR1 transcript can be detected in the endosperm cells. It is suggest that the function of RcSCR1 protein is to retrieve the sucrose from apoplastic space to avoid sucrose escape. Compared to the amino acid sequence of known sucrose transporters, the putative sucrose transporter of Ricinus communis , RcSCR2, belongs to SUT4 subfamily. The transcript of RcSCR2 is found in the endosperm, hypocotyl and cotyledons of the Ricinus communis L. germinating seeds. The expression of RcSCR2 is very weak. The expression level of RcSCR2 cannot be detected by northern analysis. By quantitative real time RTPCR, it indicates that the RcSCR2 has a highest expression level at 3 day. By in situ hybridization, the results illustrate that the mRNA cannot be found in the endosperm, cotyledons and hypocotyl. The results of in situ RTPCR indicate that the transcript of RcSCR2 can be found in most of the endosperm cells. RcSCR2 can be found in the middle layer of the endosperm from day 2 to day 5, no transcript of RcSCR2 is found in the cell layers near the seed coat. On the day 6, no RcSCR2 transcript can be detected in the endosperm cells. Although RcSCR2 in yeast does not function properly, but it shares high homology to other SUT4 type transporters, so they may have the same function to take up sucrose into cells. It is suggest that the function of RcSCR2 protein is to retrieve the sucrose from the apoplastic space to avoid sucrose escape. How the expression of RcSCR1 and RcSCR2 is regulated in the endosperm is still unknown. Sugarcane is a very important food crop. Sugarcane yellow leaf virus leads to sugarcane yellow syndrome and reduces the sugar production. Starch accumulation was found in the virus-infected plants. Within the starch staining, the results indicate that starch is accumulated in bundle sheath cells and mesophyll cells of virus -infected plants, however, starch can be found only in the bundle-sheath cells of virus-free plants. The in situ hybridization study indicates that the expression of ADP-glucose pyrophosphorylase in the mesophyll cells of virus-infected plant is stronger than it in virus-free plants. The results of in situ hybridization of starch branching enzyme indicates that no significant difference between the virus-free-plants and virus-infected. The results are different to it of starch staining. The mechanisms are still unclear, more carbohydrate metabolism related genes must be studied.
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Transfer and Distribution of Cantharidin within Selected Members of Blister Beetles (Coleoptera: Meloidae) and Its Probable Importance in Sexual Behaviour
(2004)
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Mahmood Reza Nikbakhtzadeh
- Cantharidin (C10H12O4) is a repellent against a wide variety of predators and is known to be produced by blister beetles (Coleoptera: Meloidae) and oedemerid beetles (Col: Oedemeridae) where it is found in hemolymph and various tissues. Males of blister beetles transfer large pockets of cantharidin along with sperm to the female during copulation. Cantharidin movement through different parts of male and female genitalia was surveyed to get a better time sequence of the pharmacodynamic of this compound. Since cantharidin titre in meloid beetles highly depends on the age, sex and mating record of the individuals, deuterated cantharidin (D2C) was introduced into meloids’ body by injection, mixed with artificial diet or floating the beetles’ internal organs in Ringer and D2C solution. All samples were analysed by GC-MS, but because of the approximate coelution of cantharidin and D2C, their exact measurement via normal MS seemed to be very difficult. Therefore, MRM (Multiple Reaction Monitoring) method for cantharidin/D2C separation and independent quantitation was developed for the first time. Cantharidin pharmacodynamic in male of studied species could be quite different over a period of time. As the accessory glands absorb high amount of D2C in short term, they will eventually accumulate less amount than the testis. Confirming the previous studies, it has been concluded that post-farnesyl steps in the cantharidin pathway may occur entirely in the male’s body outside the reproductive system but the ultimate product is transported into male internal genitalia via membrane of the accessory glands which should be permeable to the chemical. It transfers afterwards to epididimis and the vas deferens in higher volume comparing to the other organs of the male genitalia and finally absorbed by the testis. In females, cantharidin is first absorbed by spermatophoral receptacle in high volume while at the same time goes through ovary and is distributed upon eggs; by the way the up-taken volume by ovaries remains considerably lower than the receptacle. By time these two organs stopped accumulating of cantharidin, whereas the bursa copulatrix starts incorporating the gift actively. This reserved amount should be mainly supplied by the receptacle and ovaries directly, so that the internal way of the terpene transfer remains as the main transport way. Analysis of the eggs laid by D2C injected females of Hycleus polymorphus demonstrated that the marker has been transferred from female to the eggs. It was found that D2C had been also incorporated into the triungulin larvae; however the titre decreased significantly from egg to larva. There is a good correlation between density of cuticular pores and the cantharidin/D2C level of the scape and pedicel antennomeres of the male specimens of Cyaneolytta sp. Light microscopy of semi thin cross sections of male scape and pedicel indicates that there are plenty of canal shape structures which have been stretched from the antennal hemolymph to the antennomere surface where cuticular pores situated. These structures can be uni- or multicellular tubules which bring the circulating cantharidin of hemolymph into the surface where later on released via the opening of cuticular pores. Tracing the head capsule and antennal segments of those Cyaneolytta females which were injected by D2C shows that the marker is found mostly in the two first antennal segments. Similarly, a higher concentration of the cuticular pores was also observed on the scape and pedicel. Tubular cells or any other carrying structures such as tyloids were found neither in cross sectioning of female antennomeres nor on integument surface. We suppose a natural system has been evolved in females of genus Cyaneolytta which let them select males with abundant reservoir of cantharidin prior to any mating behaviour. Males and females have antennation during which males antennomeres as well as cantharidin containing pores which are located on the 1st and 2nd antennomeres come into direct contact with the female antennae and thus release cantharidin on its surface. So, the porous area of male antennae can be considered as cantharidin release structures (CRS). In contrast, female porous area of antennae is apparently regarded as multiporous gustatory sensillae (MGS) which means a chemoreceptor to recognize the cantharidin titre of male sexual partner. We hereby refer to cantharidin as a precopulatory sex pheromone and support the idea who suggests cantharidin role in close range sexual selection.
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Factors regulating signal composition and task allocation in colonies of the ant Myrmicaria eumenoides
(2004)
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Lengyel Florian
- The integrity of social insect colonies is facilitated by nestmate recognition. A defining characteristic of social insect colonies is their elaborate division of labour system. Cuticular hydrocarbons (CHCs) have long been implicated in nestmate recognition. In the African ant Myrmicaria eumenoides they also appear to vary with task. The factors regulating the task allocation (i.e. division of labour), as well as the CHC profiles (i.e. signalling) are still not well understood. Both external and internal (endocrine) factors have both been postulated in the past. Most of the evidence to-date suggests that juvenile hormones (JHs) and ecdysteroids are the prime endocrine control candidates. The aim of this project is to investigate how signalling and task allocation are dynamically governed in M. eumenoides colonies. Firstly, the CHC profiles of individual workers in relation to their task (behavioural development phase) over their life span are assessed. Secondly, the influences of the two endocrinological factors (JHs, ecdysteroids) hypothesised to play a role in task allocation, as well as signalling, are investigated. 1) The behavioural transition from callow to brood-tender, and on to forager was shown to be continuous and to change in a synchronous manner in all individual M. eumenoides focus workers. In addition, all workers were shown to go through the “reserve” phase (characterised by a high degree of inactivity) before changing to foraging activities. 2) The CHC profiles of all individual workers were shown to change parallel to the behavioural development transition noted above. Overall, the CHC profile change is only quantitative, and characterised by a decrease in short-chain, and a simultaneous increase in long-chain components, as well as an increase in saturated, and a decrease in unsaturated CHCs. 3) Direct behavioural evidence, and the strong correlation of signalling with task suggests that in M. eumenoides the CHC profiles inform task decisions. Only five components were shown to contribute more then 90% to the variance between brood-tender-type and forager-type CHC profiles. This suggests that perhaps “task signalling” requires only a few CHCs. These may be of a saturated and/or unsaturated nature, but must be of a high or medium high relative concentration. 4) The levels of ecdysone and 20-hydroxyecdysone (found to be the main free ecdysteroids in workers), as well as the sum of the total free ecdysteroids in workers, are only high after eclosion, and then fall to a low, steady level within two weeks. Thus no correlation was found between the above and signalling, or task. 5) Interestingly, JH I was found (only) in the haemolymph of female M. eumenoides alates: this is the first time this JH homologue has been identified in the Hymenoptera. It is hypothesised that JH I plays a role in either flight or migratory behaviour, and is thus absent from worker haemolymph. 6) Foragers were demonstrated to have significantly higher JH III titres than brood-tenders. Exogenous JH III and JH analogue application however did not result in an observable change in, or acceleration of, the behavioural development of workers. This may however be due to the much reduced longevity of the applied workers, and the hence decreased observational period. 7) The changes from a brood-tender-type to a forager-type CHC profile are accelerated in a concentration-dependent manner by the application of JH III, and JH analogue. This appears to take place independent of task changes, resulting in e.g. brood-tending workers that display clear forager-type CHC profiles. Thus these results demonstrate for the first time that signalling in Hymenoptera is strongly influenced by JH. Several possible pathways for the action of JH III are discussed. 8) Finally, it is suggested that workers assess the colony needs using CHCs as simple, localised cues. The CHCs would thus play a key role in efficiently regulating a colony’s behaviour. Several promising approaches were also detailed with respect to further work on this topic.
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Coordinated Tree Responses to Drought -Vulnerability and Sustainable Production: Hypotheses on Arid Ecosystem Adjustments to Limitations in Water Resources
(2004)
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Dennis Otieno
- Field and controlled greenhouse experiments were carried out to investigate tree responses to declining soil water content. Field experiments were conducted on naturally growing trees of Acacia tortilis and A. xanthophloea in the savanna region of Kenya and Quercus suber in the Mediterranean region of Portugal. The selected field sites were regions that experience regular drought periods during the year. Greenhouse experiments constituted two watering regimes. Seedlings of A. tortilis and A. xanthophloea grown from seeds initially obtained from the Kenya field site were raised and arranged on a greenhouse bench into two groups per species. The first set of plants were watered every other day (controls) while the second set were watered every seven days (water stress treatments). Field measurements included weather parameters, soil and plant water status, growth, sap flux density, leaf transpiration and stomatal conductance, tissue water relations and isotope labeling. Similar measurements were conducted on plants growing in the greenhouse. Also examined in the greenhouse were root biomass, root structure as well as whole plant biomass accumulation. A second set of experiments was carried out in the greenhouse by subjecting plants initially stressed and non-stressed to severe water stress by withholding water until plants were wilted overnight. The wilted plants were then re-watered regularly and their recovery after stress alleviation was monitored. Declining soil water content significantly affected plant water status in all the trees studied. Lowest psi pd recorded during the study period occurred in the month of June and were –2.0 and –1.1 MPa for A. xanthophloea and A. tortilis respectively. The same species subjected to repeated water stress in the greenhouse attained mean minimum psi pd of –2.4 and –1.2 MPa for A. xanthophloea and A. tortilis respectively at the end of the drying cycle. Mean minimum psi pd recorded for Q. suber during summer was –1.8 MPa and occurred in September. There were however, significant differences among trees. Decline in psi associated with increasing soil drought led to decline in leaf initiation and leaf expansion and both processes ceased at higher water stress levels. For the Acacia species, even leaf shedding occurred at higher stress levels. There was also a decline in stomatal conductance (gs) during water stress, leading to decrease in transpiration rates (E). Maximum stomatal conductance of 340 mmol m-2 s-1 were observed during rainy seasons for the Acacia trees while mean maximum values of 300 mmol m-2 s-1 were recorded for Q. suber when soil moisture conditions were favorable. Stomatal conductance declined by 31%, 67% and 67% in A. tortilis and A. xanthophloea in the savanna and Q. suber in the Mediterranean regions respectively. Daily tree water use (Qtree) as well as leaf transpiration reflected changes in psi and gs. Root to leaf hydraulic conductance equally declined with increasing soil drought. Q. suber trees adjusted osmotically by a magnitude of 0.7 MPa, while bulk modulus of elasticity (epsilon) increased by a magnitude of 17 MPa. Osmotic adjustment of 0.48 MPa was observed in greenhouse plants of A. tortilis while epsilon declined by a magnitude of 7 MPa in A. xanthophloea. A. tortilis plants in the greenhouse showed increased absolute root growth, root depth and root:shoot (r:s) ratio. The dimorphic rooting pattern in Q. suber resulted into hydraulic lift and this could as well occur in A. tortilis because of similarity in their rooting patterns. Most plant responses were reactionary and were aimed at enhancing soil water uptake and reducing transpiration water loss when soil water content was declining. Similar responses were observed for both greenhouse and naturally growing field plants of the same species. Decline in leaf initiation and leaf expansion as well as leaf senescence reduced tree crown size hence potential tree transpiration. This however, had negative impact on plant productivity. Increased root growth as well as osmotic adjustment increased tree water uptake from the soil. The balance between root water uptake and leaf transpiration through growth and stomatal regulation was aimed at protecting xylem integrity. The overall results showed that soil characteristics, root activities and root distribution patterns are the main factors determining tree functioning and productivity in drylands, while the coordinated interaction between the aboveground shoot and belowground root activities ensures survival during drought. Maintained production and survival will ensure distribution and success in the arid environments. Repeated water stress imparted water stress resistance qualities on seedlings enabling them to survive longer during severe stress. The study emphasizes the role of soil resource base as well as species interactions in the functioning and balance of dryland ecosystems.
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Dynamik der Aquaporine und des Wassertransports im elongierenden Hypokotyl von Ricinus communis L. Keimlingen
(2004)
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Daniel Augustinus Eisenbarth
- Seit den wegweisenden Arbeiten von Peter Agre war bekannt, dass Gene aus der Familie der major intrinsic proteins für funktionelle Aquaporine codieren. Auch in Pflanzen stellen diese Wasserkanäle die molekulare Grundlage für hohe Wasserleitfähigkeiten von Membranen dar. Weiterhin zeigte sich eine Korrelation von hoher zellulärer Wasserleitfähigkeit und einer starken Expression verschiedener MIP in jungen, wachsenden Geweben. Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag daher auf der Frage, welche physiologische Rolle Aquaporine bei der Regulation des Steckungswachstums pflanzlicher Gewebe spielen. Als Modellorgan diente dabei das Hypopkotyl des Keimlings von Ricinus communis. Es vollführt im Dunkeln ein starkes Elongationswachstum, welches einerseits unter dem Einfluss eines endogenen Entwicklungsprogramms steht, andererseits als Teilaspekt der Photomorphogenese durch Licht inhibiert wird. Von insgesamt zehn bekannten Ricinus-MIP wurden RcPIP1-1, RcPIP2-1 und RcTIP1-1 kloniert, da sie gerade im Hypokotyl dominant exprimiert sind. RcPIP2-1 und RcTIP1-1 konnten erfolgreich heterolog in Hefe exprimiert, und durch stopped-flow Spektroskopie auch als Aquaporine charakterisiert werden. Die Expression von RcPIP2-1 zeigt eine deutliche Korrelation mit der Elongationsaktivität des Gewebes entlang der Hypokotylachse sowie mit der Inhibition des Streckungswachstums durch Belichtung. Strukturelle Eigenschaften des RcPIP2-1 deuten auf eine posttranslationale Regulation hin, welche speziell bei der Beendigung der Elongation innerhalb des endogenen Entwicklungsprogramms von Bedeutung zu sein scheint. Innerhalb der Elongationszone ist RcPIP2-1 stark in den kleinen Zellen des Xylemparenchyms exprimiert, wo es möglicherweise eine hohe Barriere für radial fließendes 'Wachstumswasser' reduziert. Darüber hinaus zeigt sich während der Elongation eine transient erhöhte Expression von RcPIP2-1 in der Kortexperipherie. Gerade in Zellen dieses Gewebes ergaben Messungen mit der Zelldrucksonde stark erhöhte Wasserleitfähigkeiten, verglichen mit Zellen aus nicht-elongierenden Hypokotylzonen. Durch eine Modellierung radialer Gradienten des Wasserpotentials konnte gezeigt werden, dass die hydraulische Leitfähigkeit von Zellen im Gewebeverband das Streckungswachstum des Ricinus-Hypopkotyls grundsätzlich limitieren kann. Auch die Expression des RcSCR1 korreliert mit der Elongation und damit der Stärke des sink entlang des Hypokotyls. Dieser potentiell Phloem-beladende Saccharosetransporter ist in den Geweben nicht exprimiert, die aufgrund starker Wachstums- und Teilungsaktivität auf die Versorgung mit energiereichen Assimilaten angewiesen sind. Erst wenn mit Beendigung des Streckungswachstums die sink-Stärke reduziert wird, tritt eine Induktion des RcSCR1 auf. Aus diesen Befunden wird evident, dass die Regulation des Streckungswachstums von Ricinus-Keimlingen über eine Veränderung der zellulären Wasserleitfähigkeit erfolgen kann und, dass RcPIP2-1 eine molekulare Komponente dieses Regulationsmechanismus ist. Darüber hinaus scheint RcSCR1 in den Ablauf des Streckungswachstums involviert zu sein, indem er die Verfügbarkeit osmotisch aktiver Substanzen bzw. energiereicher Assimilate kontrolliert.
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Fouragierstrategien, Ressourcennutzung und Mortalitätsrisiken von Blattlausparasitoiden: Der Einfluss von Habitatsdiversität und Wirtsvorkommen
(2004)
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Manuela Weinbrenner
- Die Wirtssuche und das Eiablageverhalten von Blattlausparasitoiden (Hymenoptera: Braconidae) auf höherer räumlicher Ebene zeigten sich durch verschiedene Bedingungen des Habitatausschnittes wesentlich beeinflusst. Wichtige Faktoren waren die Dichte und Verteilung der Wirte, die Konstellation des Fouragierraumes aus Wirts- und Nichtwirtspflanzen, der Mehltaubefall der Wirtspflanzen und die Predation durch Spinnen. Außerdem resultierten erhebliche Differenzen zwischen Primärparasitoiden mit unterschiedlicher Wirtsspezialisierung. Ein interspezifischer Vergleich lieferte große Parallelen zwischen den beiden Spezialisten Aphidius tanacetarius (monophag) und Aphidius absinthii (oligophag), während sich die Fouragierstrategien und der Reproduktionserfolg von Aphidius ervi (polyphag) deutlich von diesen abhob. Die Wirtsdichte hatte erheblichen Einfluss auf das Fouragierverhalten der Parasitoide: • Mit zunehmender Wirtsdichte resultierten höhere Aufenthaltszeiten der Parasitoidenweibchen in dem Pflanzenbestand. Dieses Muster zeichnete sich mit steigender Wirtsspezialisierung stärker ab. • Sowohl A. ervi als auch A. absinthii verwendeten auf wirtsbefallene Pflanzen relativ mehr Suchzeit als auf unbefallene, bei A. tanacetarius war dies nicht der Fall. • Der Eiablageerfolg nahm bei A. ervi mit wachsender Wirtsdichte zu, während A. tanacetarius und A. absinthii allgemein geringe Eiablageraten zeigten. • Generell wurden lokalisierte Blattlauskolonien nur zu einem geringen Anteil parasitiert, v. a. aufgrund des Abwehrverhaltens der Wirte. Die räumliche Verteilung der Wirte nahm großen Einfluss auf den Erfolg der Parasitoide: • Das aggregierte Auftreten von Blattlauskolonien erhöhte den Such- und Parasitierungserfolg von A. ervi signifikant gegenüber der uniformen Verteilung. Ursache kann die evolutive Adaption der Parasitoide an die natürliche Verteilungsform ihrer Wirte sein. Die Zusammensetzung des Bestandes aus Wirts- und Nichtwirtspflanzen wirkte sich wesentlich auf die Wirtssuche der Parasitoiden aus. In Abhängigkeit von der Wirtsspezialisierung folgten unterschiedliche Fouragierstrategien: • Die polyphage Art A. ervi reagierte in Gegenwart von Nichtwirtspflanzen mit einer kürzeren Aufenthaltszeit als in reinen Wirtspflanzenbeständen. Tendenziell war dies auch bei den Spezialisten A. tanacetarius und A. absinthii ausgebildet. Im interspezifischen Vergleich ergaben sich höhere Aufenthaltszeiten mit reduziertem Wirtsspektrum. • Während A. ervi auch Nichtwirtspflanzen zu einem relativ hohen Anteil anflog, konnten diese von den Spezialisten weitgehend gemieden werden, am extremsten von der monophagen Art A. tanacetarius. • Allerdings konnte A. ervi die Besuchszeit auf Nichtwirtspflanzen gering halten, signifikant kürzer als auf Wirtspflanzen. Diese Fähigkeit besaßen die spezialisierten Parasitoidenarten zusätzlich zu dem Meiden ungeeigneter Pflanzen. • Der Sucherfolg fiel bei A. tanacetarius und A. absinthii unabhängig von der Zusammensetzung des Pflanzenbestandes gering aus. Dagegen hatte A. ervi insgesamt eine sehr viel höhere Erfolgsquote und einen stark reduzierten Sucherfolg in Anwesenheit von Nichtwirtspflanzen ab. Die Vorerfahrung erzeugte bei A. ervi beträchtliche Modifikationen der Wirtssuche: • Die Vorerfahrung mit dem der Fouragiersituation entsprechenden Pflanze-Wirt-System führte bei A. ervi Weibchen zu intensiviertem Suchverhalten und infolgedessen zu einer Erfolgssteigerung in der Parasitierung verfügbarer Wirte. Der Befall von Wirtspflanzen mit Echtem Mehltau (Erysiphe trifolii; Mycobionta: Ascomycetes, Erysiphales) modifizierte stark das Suchverhalten von A. ervi: • Bei Mehltaubefall resultierten signifikant kürzere Aufenthaltszeiten der Parasitoide als in gesunden Pflanzenbeständen. • Die Intensität der Suche war in Anwesenheit von Mehltau reduziert, indem eine signifikant geringere Anzahl von Pflanzen abgesucht wurde. • Als direkter Effekt des Mehltaus auf die Parasitoiden zeigte sich die Verhaltenskomponente "Putzen" gegenüber der Suche auf gesunden Pflanzen signifikant erhöht, verursacht durch die Kontamination mit Pilzsporen. Eine nasse Blattlauskutikula beeinträchtigte die Wirtserkennung von A. ervi-Weibchen: • Die Eiablagerate von A. ervi war bei nassen A. pisum mangels Erkennung signifikant reduziert. • Die Reduktion der Eiablage in nasse Wirte nahm mit der Zeit kontinuierlich ab, so dass die gewaschenen A. pisum bereits eine Stunde nach der Behandlung wieder uneingeschränkt parasitiert wurden. • Das gleiche Phänomen trat bei gewaschenen toten Blattläusen auf. Das Mortalitätsrisiko durch Netzspinnen für Parasitoide: • Die Suche auf höherer räumlicher Ebene war für die Primärparasitoidenarten A. absinthii und A. ervi mit einem hohen Mortalitätsrisiko durch Netzspinnen verbunden, während die Hyperparasitoidenart Dendrocerus carpenteri (Hymenoptera: Megaspilidae) dieser Gefahr nicht unterlag.
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Biologieunterricht im Naturkundemuseum im Spannungsfeld zwischen Instruktion und Konstruktion – eine empirische Untersuchung zu kognitiven und affektiven Lerneffekten (am Beispiel des Umweltschutz-Informationszentrums Lindenhof in Bayreuth)
(2004)
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Matthias Wilde
- 1. Auf der Erkenntnistheorie des Konstruktivismus basierend, existieren unterschiedliche Lerntheorien des Konstruktivismus. Nach der Position des gemäßigten Konstruktivismus von Reinmann-Rothmeier & Mandl (2001) wird das „Prozessmerkmal“ Selbstbestimmung als besonders wesentlich identifiziert und in einer empirischen Studie kontrolliert variiert. Die Untersuchung findet in einem außerschulischen Lernort, einem Naturkundemuseum, das beschrieben und in seiner didaktischen Bedeutung (einschließlich Lernziele) charakterisiert wird, statt. An 366 Gymnasiasten der fünften Jahrgangsstufe wird auf kognitiver und affektiver Ebene die Lernwirkung dieses Faktors in einer eintägigen Intervention evaluiert. Die Schüler durchlaufen im „Museumsunterricht“ entweder ein weitgehend selbstbestimmtes (S-Gruppe), ein fremdbestimmtes (F-Gruppe) Treatment oder eine Mischform aus Selbst- und Fremdbestimmung (SF-Gruppe). 2. In einem Vortest-Nachtest-Design mit Follow-up-Test nach 40 Tagen (Vortest, Nachtest I und II) werden die kognitiven Leistungen der Probanden mit zwei Messinstrumenten, einem Haupttest aus Items mit Antwortvorgaben (Multiple-Choice Test) und einem Nebentest mit Items ohne Antwortvorgaben (offener Test) bestimmt. Die affektiven Bewertungen der Schüler werden in den Nachtests ebenfalls mit geschlossenen und offenen Formaten erfasst. 3. Die zentralen Fragen nach der affektiven Wirkung und dem kognitiven Lernerfolg sind differenziert zu beantworten: a) Auf affektiver Ebene unterscheiden sich die Schülereinschätzungen der drei Treatments unabhängig vom Messinstrument kaum. In allen Gruppen (Gesamt- und Treatmentgruppen) sind die Bewertungen zu Museumsbesuch insgesamt und Elementen dieses Unterrichts im Nachtest I sehr positiv, im Nachtest II kaum geringer. b) Auf kognitiver Ebene zeigen beide Messinstrumente für die Gesamtgruppe aller Schüler Erwerb, Persistenz aber auch Vergessen von Wissen an. Der Museumsbesuch führt somit zu bleibendem Lernerfolg. Bei der Betrachtung der Treatmentgruppen unterscheiden sich die Ergebnisse der beiden Messinstrumente grundlegend: - Im offenen kognitiven Test sind die Schüler des selbstgesteuerten Treatments am besten. Die beiden anderen Gruppen fallen dagegen deutlich ab, unterscheiden sich untereinander jedoch nicht. Im Nachtest II verschwinden alle Unterschiede zwischen den Treatmentgruppen. - Im Multiple-Choice Test führt das mittlere Treatment in beiden Nachtests zu den besten Resultaten. Die fremdbestimmten Probanden zeigen nur im Nachtest I akzeptablen Lernerfolg, im Nachtest II dagegen schlechtere Ergebnisse. Auch das selbstgesteuerte Treatment schneidet in beiden Nachtests relativ schwach ab. Eine entsprechende Analyse deutet darauf hin, dass hier eine Beeinträchtigung dieser Treatmentergebnisse resultierend aus Itemkonstruktion und einem der Grundfrage der Untersuchung immanenten Dilemma zurückzuführen sein könnte. c) Entscheidende Auswirkung hat der Faktor Bekanntheit des Lindenhofs auf die Lernergebnisse des Multiple-Choice Tests. Obwohl die Schüler, die den Lindenhof schon vor diesem Museumsbesuch kannten, von einem höheren Kenntnisstand starten, ist das Niveau des Wissenszuwachses von Kennern und Nicht-Kennern in beiden Nachtests gleich hoch. Die Lindenhof-Nicht-Kenner reagieren in allen entscheidenden Punkten wie die Gesamtgruppe, die Kenner dagegen lassen kein Vergessen nachweisen, nicht in der Gruppe aller Kenner und nicht in den entsprechenden Gruppen der S-, SF- und F- Schüler. Besonders verwunderlich ist ein Fehlen von Treatmentunterschieden. Möglicherweise verfügen Lindenhof-Kenner über andere Strategien, sich das Museum zu erschließen, und werden darum von den Treatmentaufgaben weniger beeinflusst. 4. Unterrichtliche Konsequenzen der Untersuchung: a) Exkursionen zu einem Naturkundemuseum lohnen sich. Unabhängig von der Treatmentaufgabe führt der Unterrichtsbesuch zu dauerhaftem Lernerfolg und zu anhaltender positiver affektiver Gestimmtheit bezüglich dieses Besuchs. b) Je nach Absicht, sollte man für den Museumsbesuch ein passendes Treatment wählen: Soll es um planbaren Wissenserwerb gehen, einem Unterricht nach operationalisierbaren vorher festgelegten Anforderungen, so ist eine Mischform zwischen Selbstbestimmung und Fremdbestimmung zu empfehlen. Ein sehr deutlich gelenktes Vorgehen kann zu schlechten Behaltensleistungen führen. Ist die Vorbedingung der Planbarkeit verzichtbar, so kann selbstgesteuertes Lernen zu guten Ergebnissen führen und ist bedingt zu empfehlen. c) Die vorherige Bekanntheit des Museums bei Schülern sollte nicht von einem weiteren Besuch abhalten. Gerade in dieser Situation lernen Schüler besonders gut. Das Treatment spielt für diese Situation eine untergeordnete Rolle.
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The complex foraging strategy of the specialised gallfly Urophora cardui (Diptera: Tephritidae) for host plants (Cirsium arvense, Asteraceae)
(2004)
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Wiltrud Daniels
- Nearly all herbivorous insects in terrestrial ecosystems depend on plants for their survival and reproduction. They dominate terrestrial ecosystems due to species and individual abundance. Interactions between these two groups are thus of a high significance for the analysis and the understanding of complex interactions in terrestrial ecosystems. Foraging for host plants by herbivorous insects is of a central importance. In the present thesis the foraging strategy of the specialised gall fly Urophora cardui on the creeping thistle, Cirsium arvense, was investigated as an example for the foraging of a specialised herbivorous insect. Males and females of U. cardui use the larval host plant as rendezvous place. The males establish territories on the plant, which they defend against conspecifics. The females lay eggs into axillary buds in order to initiate gall development. Male and female body size, measured as weight at eclosure or capsule width, was not correlated with male respectively female longevity. Males lived shorter than females. Capsule width of males and females was not significantly different, while weight at eclosure and fresh weight at death was. Females weighed more, which may be due to their higher need of energy during adult life. Both sexes lost body weight during life. All behaviours, which are performed by males and females on the host plant were defined, recorded and analysed. Females spent most of the time on resting, probing axillary buds, running on the plant and grooming. Males spent most of the time on copulation and patrolling their territory. The behaviour of both sexes was highly variable between individuals. Concerning the movement pattern on an already chosen host plant, females concentrate on the upper parts of the host plant. They were mainly occupied with extensive probing of various axillary buds, which occurred in a suitable developmental stage at the top of the plant. In contrast males patrolled the whole plant, although only the upper leaves became marked. If they encountered another male threatening and fighting were inevitable. Fights lasted several hours interrupted by threatening periods. Mating of males and females usually followed oviposition. Neither females nor males accepted modified host plants or models of thistles. Their behaviour on modified thistles was reduced mainly to running around the plant and grooming. These results indicate a rigid host plant template using the input of several senses, the flies always recognise models and modified plants as a non-host plant. Both sexes were able to discriminate host plants and non-host plants from a distance of 0.8-2m. The time male and female flies needed until they selected one of the host plants in a particular host plant stand depended on the number of non-host plants, host plants and the number of suitable hosts. The decision-time became shorter, if there were not too many suitable host plants. This may be due to decreasing sampling time of the host plants present. U. cardui females did not prefer plants of a certain height. In contrast the branching level, which indicates the number of axillary buds, and the number of flower buds played a significant role during foraging for host plants. Plants with an intermediate branching level were preferred, while those with many flower buds were avoided. Males of U. cardui were able to select their territorial plant on olfactory cues or on visual cues likewise. In contrast, emales were not able to recognise their host plant on olfactorial cues alone. But, if male-marked and unmarked host plants were available they significantly preferred the marked thistles. The differentiation between marked and unmarked C. arvense was made according to olfactorial cues, since plants did not differ in their height, nor in their branching level, nor in the number of flower buds. Thus, female selection of larval host plants depended on male choice for territories. This result is remarkable, especially in evolutionary terms, since males select the larval host for the offspring of their predecessor. Interestingly males preferred plants marked by conspecifics also. On the tip of the females’ ovipositor there is a receptor field with several morphological different receptor types. Mainly they seem to have mechanoreceptive as well as chemosensory functions. These receptors enable the females to measure and analyse the inner structure of the plant tissue at the axillary bud. The width of the apical meristem of the axillary buds was proven to influence female choice of the oviposition site. Axillary buds with an apical meristem-diameter above 0.62mm had a higher probability to became chosen by the U. cardui females. The clutch size was adjusted to the diameter of the apical meristem, indicating, that females were able to estimate the quality of the respective axillary bud influencing larval performance. These results were summarized in a model of the foraging strategy of U. cardui.
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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.
