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Untersuchung und Charakterisierung des Lichtsammelkomplexes (LHPP) in etiolierten Pflanzen
(2006)
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Frank Buhr
- In früheren Experimenten konnte ein hochmolekularer Lichtsammelkomplex (LHPP =Light-harvesting Protochlorophyllide-Oxidoreduktase:Protochlorophyllide complex´) aus POR (NADPH:Protochlorophyllid-Oxidoreduktase)A-Zn Protopheophorbid b-NADPH- und PORB-Zn Protopheophorbid a-NADPH-Ternärkomplexen mit einer Stöchiometrie von 5:1 in vitro gebildet werden. Unter Verwendung von chemisch hergestelltem Protochlorophyllid a und b konnte nun ebenfalls ein hochmolekularer Komplex isoliert werden, welcher durch Nachweis mit POR-spezifischem Antikörper und aufgrund seiner spektroskopischen Eigenschaften als LHPP identifiziert wurde. Gleichzeitig konnte ein analoger Komplex von annähernd gleicher Molekulargewichtsgröße aus dem Prolamellarkörper von Gerstenetioplasten isoliert und durch einen POR-spezifischen Antikörper als vermutlicher LHPP-Komplex charakterisiert werden. Komplementiert mit aus dem Prolamellarkörper extrahierten Lipidmolekülen wie Galakto- und Sulfolipiden konnte für diesen Komplex gezeigt werden, dass wie auch im mutmaßlichen nativen LHPP-Komplex, photoaktives Protochlorophyllid 650/657 neben photoinaktiven Protochlorophyllid 628/632 vorliegt. Nach Belichtung mit einem 1 msec langen Weißlichtblitz stellte sich durch Fluoreszenzspektroskopie bei 77 K heraus, dass das photoaktive Protochlorophyllid 650/675 in Chlorophyllid 684/690 umgewandelt wurde, während das photoinaktive Protochlorophyllid nicht umgesetzt wurde. Ähnliche Pigmentverteilungen vor und nach der Belichtung konnten auch in dem isolierten nativen LHPP-Komplex nachgewiesen werden. Dabei wurde nur an PORB gebundenes Protochlorophyllid a zu Chlorophyllid a umgesetzt, während an PORA gebundenes Protochlorophyllid b unverändert blieb. Dieser Befund untermauert die Hypothese einer Antennenfunktion von PORA-gebundenem Protochlorophyllid b, um Lichtenergie zu sammeln, auf PORB-gebundenes Protochlorophyllid a zu übertragen und dessen Reduktion zu Chlorophyllid a zu vermitteln. Eine bedeutende Funktion in der katalytischen Reaktion von POR wird den evolutionär hochkonservierten Cysteinresten des Enzyms zugeschrieben. Für eine vertiefende Untersuchung wurden bei PORA und PORB aus Gerste durch „site-directed“ Mutagenese die jeweiligen vier Cysteinreste gegen Alanin ersetzt und deren Fähigkeit zur Pigmentbindung als auch zur Komplexierung zu LHPP geprüft. In PORB konnten von den vier existierenden Cysteinen zwei (Cys276 und Cys303) identifiziert werden, welche verschiedenartige Pigmentbindungsstellen im Enzym repräsentieren. Cys276 nimmt eine Pigmentbindungsstelle im aktiven Zentrum des Enzyms ein und wirkt bei der katalytischen Umsetzung seines Substrats, Protochlorophyllid a mit. Die zweite Pigmentbindungsstelle von PORB stellt das an der Enzymperipherie liegende Cys303 mit nur einer schwachen Wechselwirkung des mit ihm assoziierten Protochlorophyllidmoleküls dar. Dieses Cystein erwies sich als essentiell für die Interaktion der ternären POR-Protochlorophyllid-NADPH-Komplexen, ist also an der Bildung von LHPP maßgeblich beteiligt. Auch in PORA wurde von den vier im Enzym vorliegenden Cysteinresten von zweien deren Pigmentbindungsfähigkeit nachgewiesen. Es handelt sich um die Cysteinreste Cys202 und Cys229. Wiederum steht ein Rest, Cys202, für die Bindung – diesmal eines Protochlorophyllid-b-moleküls – im aktiven Zentrum des Enzyms zur Verfügung. Dennoch ist dieses Protochlorophyllid b in LHPP photoinaktiv und wird erst nach dem Zerfall von LHPP durch Belichtung zu Chlorophyllid b umgesetzt. Der andere an der Pigmentbindung beteiligte Cysteinrest Cys229 an der Peripherie des Enzyms zeigt nur eine schwache Bindungsaffinität zu Protochlorophyllid b. Die Bindung dieses Pigments an den Enzymkomplex ermöglicht jedoch erst die Bildung höhermolekularen LHPPs. Damit ist Cys229 also sowohl an dessen Genese beteiligt als auch für die funktionelle Energieübertragung durch „Fluorescence resonance energy transfer“ auf das das photoaktive Pigment enthaltende PORB-Protein verantwortlich. Die wichtige Rolle eines funktionalen LHPP-Komplexes zeigte die Untersuchung einer OEP16 Knockout Mutante von Arabidopsis thaliana auf. OEP16 wurde in Arabidopsis thaliana als Translokationskanal eines speziellen Importapparates für PORA identifiziert. Das Fehlen dieses Translokationsproteins in der Plastidenhülle beeinträchtigte nicht die Aufnahme anderer plastidärer Proteine, bedingte jedoch die Abwesenheit von PORA in Etioplasten. Dies hatte zur Folge, dass Etioplasten dieser Mutante im Vergleich zu denen von Wildtyp-Arabidopsis kein LHPP und keine Prolamellarkörper bilden, aber höhere Mengen an Protochlorophyllid akkumulieren. Damit einhergehend trugen etiolierte Mutantenkeimlinge bei anschließender Dauerbelichtung photooxidative Schäden davon und starben schließlich ab. Dies lässt die Schlussfolgerung zu, dass LHPP große Bedeutung bei der Deetiolierung, d.h. dem Wechsel von Skotomorphogenese zu Photomorphogenese einnimmt.
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The Corticolous Crustose and Microfoliose Lichens of Northeastern Brazil – Diversity, Ecology, and Conservation
(2006)
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Marcela Eugenia Da Silva Cáceres
- Collections of crustose and microfoliose corticolous lichens made in a number of 22 localities of Atlantic rainforest, Caatinga and Brejos de Altitudes (caatinga enclaves) in the states of Rio Grande do Norte, Paraiba, Pernambuco, Alagoas, and Sergipe, in northeastern Brazil yielded a total of 450 species, distributed in 110 genera, in 32 families, 12 orders, and 4 classes of Ascomycota and one of Basidiomycota. A total of 14 taxa are described here as new to science in the genera Aciculopsora, Bacidina, Calopadia, Cryptothecia, Enterographa, Graphis, Malcolmiella, Phaeographis, and Plectocarpon. In addition, 5 new combinations are proposed in the genera Chapsa and 7 in the genera Malcolmiella. Identification keys to the genera and species of corticolous crustose and microfoliose lichens of northeastern Brazil are provided, with complete checklist and descriptions of new species. The comparison between different vegetation types and localities across the study area used the lichen species composition at each site to ordinate and classify sites. The highest dissimilarity was registered between the Atlantic rainforest sites, with an average of 21% and maximum of 55%. The lichen species composition from the Atlantic rainforest sites as a whole compared to the Caatinga sites showed dissimilarity values averaging 0.92 or 8% of shared species. The influence of tree bark characteristics and phorophyte species on lichen species composition, richness, and area cover, in a selected fragment of Atlantic rainforest was analyzed. Multivariate analysis of sample plots, including non-metric multidimensional scaling (NMS), detrended correspondence analysis (DCA), and canonical correspondence analysis (CCA), and also cluster analysis, indicated subtle patterns of phorophyte preferences among certain lichen species, as well as correlation with environmental parameters, in particular bark pH, degree of bark shedding, and density and size of bark lenticels. Individual and multiple correlation also revealed correlations between lichen species richness and area cover on one hand and bark pH (negative), density and size of bark lenticels (negative), degree of bark shedding (negative), presence of milk sap (positive), and diffuse site factor (positive). No distinct lichen communities were detected among the samples, but cluster analysis revealed three main sample groups and six subgroups with slightly different lichen species composition, each one with characteristic indicator species but with highly variable overall species composition. It is concluded that community formation in tropical rainforest understory lichens is governed by two main factors, phorophyte bark characteristics and microclimate, but is largely obscured by the stochastic effects of species dispersal and rare species, and also the amount of phorophyte tree diversity. It is predicted that phorophyte specificity is best observed in model systems with low tree and low lichen diversity, distinct differences between tree species in terms of bark characteristics, homogeneous population structure, and low microclimatic variation. Finally, three different sampling methods were considered on the present study and their efficiency for more accurate estimation of tropical microlichen diversity was tested. The analysis showed that opportunistic sampling fails to detect rare, inconspicuous, sterile, and/or cryptic species, usually neglected or overlooked in the field. It is also apparent that it is not the higher number of specimens collected via quantitative sampling that results in a higher number of species, but the method of selection of the specimens, which is subjective and biased towards abundant, conspicuous, fertile and/or distinctive species in opportunistic sampling, but objective and unbiased in quantitative sampling.
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Zur Rolle der Hämolymph-Inhaltsstoffe bei der Feindabwehr von Zikaden (Cicadomorpha et Fulgoromorpha) unter besonderer Berücksichtigung der Blutzikade Cercopis vulnerata ROSSI
(2006)
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Monika Körner
- Während chemische Abwehr bei vielen Insektengruppen intensiv untersucht wurde, ist bei Zikaden (Cicadomorpha, Fulgoromorpha) wenig darüber bekannt, inwieweit diese Abwehrstoffe einsetzen. Lediglich das Vorkommen von Cantharidin und Indolalkaloiden in Lycorma delicatula (Fulgoromorpha: Fulgoridae) ist bislang beschrieben. Ein weiterer Wirkstoff mit Bedeutung für die Feindabwehr ist das nicht giftige Methoxypyrazin, welches in der Blutzikade Cercopis vulnerata (Cicadomorpha: Cercopoidae) vorkommt. Diese auffällig schwarz-rot gefärbte Blutzikade mit der Fähigkeit zum Reflexbluten – einem bei vielen anderen chemisch geschützten Insekten bekannten Verhalten – stand im Mittelpunkt der Untersuchung. Alle weiteren in Deutschland vorkommenden Arten der Cercopidae und einige Arten der Schwesterfamilie Aphrophoridae konnten durch mechanische Reizung erfolgreich auf Reflexbluten getestet werden. Es wird gezeigt, dass es sich bei dem von C. vulnerata am Prätarsus abgegebenen Flüssigkeitstropfen tatsächlich um Hämolymphe handelt. Mittels Gaschromatographie und Massenspektrometrie (GC-MS) wurden die Hämolymph-Inhaltsstoffe von Weibchen und Männchen sowie von verschiedenen Zikadenarten miteinander verglichen und potenzielle Abwehrstoffe in C. vulnerata und weiteren Zikaden gesucht. Außerdem wurde versucht, die Herkunft dieser Wirkstoffe zu klären; deren Bedeutung für die Feindabwehr wird diskutiert. Die Totalionenstromchromatogramme (TICs) der Hämolymph-Proben von Weibchen und Männchen der schwarz-rot gefärbten Cercopiden (Cercopis vulnerata, C. sanguinolenta, Haematoloma dorsatum), der unscheinbar gefärbten Aphrophoridae (Philaenus spumarius, Lepyronia coleoptrata) und einer unauffällig gefärbten Membracide (Centrotus cornutus), sowie von Gryllus bimaculatus (Ensifera: Gryllidae) als Kontrolle, wurden in einer Ähnlichkeitsanalyse miteinander verglichen. Die Ordination zeigt eine signifikante Abtrennung der Cercopide von den restlichen untersuchten Arten inklusive Kontrolle. In den GC-MS-Analysen der Hämolymphe von C. vulnerata dominierten als Hauptkomponenten C23- und C25-Alkene, die sich qualitativ und insbesondere quantitativ zwischen den Geschlechtern unterschieden. Diese langkettigen Kohlenwasserstoffe wurden auch in Oberflächenextrakten gefunden und dienen möglicherweise als cuticuläre Abzeichen; deren potenzielle Funktion bei der Partnerwahl wird diskutiert. Im Gegensatz zu früheren Untersuchungen gelang kein Nachweis von Cantharidin bei diesen und weiteren 24 Zikadenarten. Jedoch wurden in den untersuchten Individuen von C. vulnerata leicht flüchtige Substanzen gefunden, denen eine mögliche Funktion bei der Feindabwehr zukommen könnte (Warngeruch): Dimethyldisulfid (DMDS), Dimethyltrisulfid (DMTS), 3-Ethyl-2,5-dimethylpyrazin, Dimethyltetrasulfid (DMTetS) und Indol wurden anhand von Referenzsubstanzen identifiziert. Innerhalb dieser leicht flüchtigen Substanzen war das DMTS die Hauptkomponente. Auch in C. sanguinolenta bzw. H. dorsatum konnten diese Substanzen, abgesehen von 3-Ethyl-2,5-dimethylpyrazin bzw. DMTetS, detektiert werden. Vereinzelt ließen sich diese Volatile ebenfalls in den restlichen Zikadenarten spurenanalytisch nachweisen. Bei G. bimaculatus hingegen wurde keine dieser Verbindungen gefunden. Da Sulfide oft von Bakterien produziert werden, sollte geklärt werden, ob das Auftreten dieser Hämolymph-Wirkstoffe mit der Präsenz von Endosymbionten zusammenhängt. Nach Behandlung von C. vulnerata-Individuen mit dem Antibiotikum Tetracyclin konnte allerdings anhand der gemessenen DMTS- und DMTetS-Konzentrationen in der Hämolymphe kein Unterschied zwischen behandelten und unbehandelten Versuchstieren festgestellt werden. Auch die Größe der Symbiontenorgane (Mycetome), als Indiz für die Wirksamkeit der Antibiotikum-Behandlung, unterschied sich zwischen behandelten und unbehandelten Tieren nicht. Dagegen wurde gezeigt, dass die Weibchen im Durchschnitt größere Mycetome besitzen als die Männchen. Eine Mehrkomponenten-Abwehr von C. vulnerata zum Schutz vor Prädatoren wird diskutiert: Wahrscheinlich profitieren die Adulti von (i) ihrer auffälligen Färbung als Alarmsignal für insektivore Vögel, (ii) beim Reflexbluten emittierten unangenehmen Geruch als Feindirritierung – hervorgerufen durch die flüchtigen Verbindungen in der Hämolymphe –, und (iii) ihrem sehr guten Sprungvermögen als Fluchtmechanismus.
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Funktionelle Charakterisierung und Positionierung von Drosophila Cenp-C im Zentromer/Kinetochor-Komplex
(2006)
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Sebastian Heeger
- Die korrekte Verteilung der genetischen Information während der Mitose ist wesentlich für den Erhalt der genetischen Stabilität. Die Chromatiden der linearen Chromosomen der Eukaryoten werden in der Anaphase durch die mitotische Spindel zu gegenüberliegenden Polen transportiert. Die Spindel greift hierbei an spezialisierten Strukturen der Schwesterchromatiden an. Diese Strukturen, bestehend aus der zentromeren DNS und angelagerten Zentromer- und Kinetochorproteinen, werden im Folgenden Zentromer/Kinetochor-Komplex (kurz CKC für "centromere kinetochore complex") genannt. Die Basis des CKC bilden die konstitutiven Komponenten, welche während des gesamten Zellzyklus am CKC lokalisieren. Cenp-A, eine für das Zentromer spezifische Variante des Histon H3, war bis vor Kurzem die einzige bekannte ubiquitäre konstitutive Komponente des CKC. Mit der Identifizierung des stark abgeleiteten Cenp-C von Drosophila wurde eine weitere konstitutive Komponente enthüllt. Das Cenp-C-Motiv, das einzige kurze Stück mit konservierter Aminosäuresequenz unter den bekannten Cenp-C-Homologen, konnte als notwendig für die CKC-Lokalisierung bestätigt werden. Untersuchungen des Cenp-C-mutanten Phänotyps belegten die essentielle Rolle von Cenp-C beim Aufbau eines funktionellen CKC. Während der Mitose dienen die konstitutiven CKC-Komponenten als Plattform für die Anlagerung transienter CKC-Komponenten, welche die Interaktion mit der Spindel vermitteln. Zu den transienten CKC-Komponenten gehören der Ndc80- und der MIND-Komplex. Die Identifizierung der Drosophila Ndc80- und MIND-Komplex-Untereinheiten (Ndc80, Nuf2, Spc25, Mis12, Nsl1, Nnf1a, Nnf1b) in dieser Arbeit bekräftigt die Existenz einer konservierten CKC-Struktur. Überdies wurden verschiedene fluoreszierende Fusionsproteine von CKC-Komponenten verwendet, um, nach mikroskopischer Untersuchung neuartig präparierter nativer mitotischer Chromosomen, eine Karte des CKC mit bisher ungekannter Auflösung zu erstellen. Die Interaktion der CKC mit der Spindel wird von einem komplizierten Mechanismus überwacht, der Spindelkontrollpunkt genannt wird. Die Proteine des Spindelkontrollpunktes reichern sich an den CKC an, welche noch nicht korrekt in die Spindel integriert wurden. In vivo Mikroskopie wurde benutzt, um die CKC-Lokalisierung des Spindelkontrollpunktproteins Mps1 zu charakterisieren. Zudem wurde das Verhalten von Cenp-C, der Ndc80-Komplex-Komponente Nuf2 und Mps1 als Antwort auf eine beschädigte Spindel nach Sauerstoffentzug untersucht.
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Construction of plasmid-based expression and secretion vectors and study of the immobilization of proteins on the surface of Bacillus subtilis cells
(2006)
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Duc Hoang Nguyen
- Plasmids are useful tools to study gene expression and their function. However, most of the available plasmids for Bacillus subtilis suffer from structural instability because of their rolling-circle replication mechanism. In this work, stable plasmids have been constructed allowing expression of recombinant proteins in the cytoplasm and their secretion into the culture supernatant. The author has also established an experimental system to immobilize proteins on the cell wall of B. subtilis. The sorting of surface proteins to the cell wall in B. subtilis has been investigated. A first generation of plasmids, the series of plasmid-based expression vectors pHCMCs has been constructed allowing stable intracellular expression of recombinant proteins in B. subtilis cells. These expression vectors are based on the recently described Escherichia coli - B. subtilis shuttle vector pMTLBs72 that uses the theta mode of replication. Three different controlable promoters have been inserted into the shuttle vector: PgsiB that can be induced by heat, acid shock, and by ethanol, and PxylA and Pspac that respond to the addition of xylose and IPTG, respectively. The versatility of these expression vectors was demonstrated by fusing their promoters to a reporter gene and by overexpression the gene of the HtpG (a heat shock protein) protein with three of them. All recombinant vectors exhibited full structural stability. A second generation of plasmids, two plasmid-based expression vectors have been constructed, where one plasmid allows intracellular production of recombinant proteins while the second directs the proteins into the culture medium. Both vectors use the strong promoter preceding the groESL operon (codes for the essential heat shock proteins GroES and GroEL) of B. subtilis fused to the lac operator allowing their induction by addition of IPTG. While the background level of expression of these expression cassettes was very low in the absence of the inducer, an induction factor of about 1300 was measured. When the genes htpG and pbpE (coding for a penicillin-binding protein) were fused to the groE promoter, the amount of recombinant protein produced after addition of IPTG represented 10 and 13%, respectively, of the total cellular protein. To obtain secretion of recombinant proteins, the coding region for the signal peptide of the amyQ gene encoding the amylase from Bacillus amyloliquefaciens was fused to the groE promoter. High-level secretion of amyQ amylase and cellulase A and B of Clostridium thermocellum was demonstrated. Gram-positive bacteria code for one or more enzymes termed sortases that catalyze the covalent anchoring of substrate proteins on their cell wall. They recognize an amino acid sequence designated sorting motif, present close to the C-terminal end of the substrate proteins, cleave within this motif, and catalyze anchoring of the polypeptide chain to the peptide crossbridge linking the peptidoglycan strands in a transpeptidation reaction. B. subtilis has been reported to code for two putative sortases, YhcS and YwpE, but the sorting sequences recognized by them are yet unknown. To be able to immobilize proteins on the surface of B. subtilis cells, the srtA gene coding for sortase A of Listeria monocytogenes that recognizes a known sorting motif was introduced into B. subtilis. L. monocytogenes and B. subtilis share the same peptide crossbridge. Next, the coding region of the amylase gene was fused to the C-terminal region of Staphylococcus aureus fibronectin binding protein B (FnBPB) containing the sorting sequence including its sorting motif (LPETG). Covalent linkage could be proven by treatment of the cells with lysozyme and by immunofluorescence microscopy. Up to 240,000 molecules of amylase could be immobilized per cell, 24 times more than previously reported for other bacterial species. To study the influence of the distance between the sorting motif and the C-terminus of the amylase (AmyQ) on the activity of the enzyme, the length of the spacer was varied. It turned out that the highest activity was measured with a spacer length of 123 aa residues. To elucidate whether the putative sortases YhcS and YwpE of B. subtilis can retain the two potential substrates of the sortase YfkN and YhcR, the yhcS and/or ywpE knockout strains were constructed and the translational fusions between AmyQ and N-terminal of YfkN or YhcR, both harbouring the 123-aa spacers, were generated resulting in AmyQ-YfkN123 and AmyQ-YhcR123, respectively. The results demonstrated that YhcS could retain the fusion AmyQ-YhcR123 on the cell wall and YwpE seems to assist YhcS to perform its functions. YhcS could recognize the sequence containing the sorting motif LPDTS from YhcR but not LPETG from FnBPB. YhcR could be a substrate of YhcS, while it is not clear whether YfkN is a cell wall protein. A model for the covalent anchoring of proteins on the cell wall by sortases is presented.
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Die Biologie der Weideunkräuter Lobelia achrochila (E. Wimm.) und Kniphofia foliosa Hochst. und ihre Einnischung in die Vegetation des Bale Mountains Nationalpark, Äthiopien
(2006)
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Pascale Annette Nauke
- Der Bale Mts. Nationalpark im südöstlichen Hochland von Äthiopien umfasst ein Gebiet von fast 2500 km² mit Höhen zwischen 1500 und 4377 m ü. NN. Auf der Höhenstufe zwischen 2950 und 3200 m ü. NN befindet sich das Untersuchungsgebiet dieser Arbeit. Am Rande der Kleinstadt Dinsho im nördlichen Nationalparkbereich wurde 1972 90 ha offenes Waldland eingezäunt und 1997 um 30 ha erweitert. Diese Fläche (BMNP) ist ausschließlich dem Wild vorbehalten. Aufgrund der Erweiterung des BMNP sind Flächen mit vier unterschiedlichen Nutzungen vorhanden: die seit 1972 nur vom Wild beweideten Flächen und die 1997 von Haustier- zu Wildweide umgewidmeten Areale im BMNP, sowie zwei gegen Beweidung vollständig geschützte, 100 m² große Versuchsflächen (gezäunt in 1999 bzw. 2000) und die sehr intensiv genutzten, daher stark degradierten, öffentlichen Haustierweiden außerhalb des BMNP. Auf letzteren breiten sich Weideunkräuter aus, von denen zwei endemische Arten, Lobelia achrochila und Kniphofia foliosa, hinsichtlich ihrer Biologie, Populationsdynamik und Bekämpfungsmöglichkeiten näher untersucht werden. Von L. achrochila wird zudem eine vollständige Erstbeschreibung verfasst. Die Regenerationsfähigkeit der Weiden aus der Bodensamenbank heraus wird auf Flächen mit reduzierter Beweidung und nach Eindämmung der Weideunkräuter untersucht. Der Vergleich der Vegetation der Wild-beweideten und vollständig geschützten Flächen mit den öffentlichen Weiden zeigt keine grundsätzlich verschiedenen Artenzusammen-setzungen. Die vegetationskundlichen Unterschiede beruhen auf der Abnahme der Gesamtartenzahl bei verringertem Beweidungsdruck und der gleichzeitigen Zunahme der Abundanzen der dominanten Arten. Dadurch wird die Vegetation der vom Wild-beweideten und der nicht-beweideten Areale homogener, während die stark beweideten Flächen heterogen sind. Die Vegetation auf den durch Einzäunung vor Beweidung beschützten Versuchsflächen nähert sich im Laufe des Untersuchungszeitraums der Vegetation der BMNP Flächen an. Diese wird daher als typische, Wild-beweidete Vegetation dieser Höhenstufe betrachtet. Da die Regeneration der überweideten Vegetation aus der Bodensamenbank heraus limitiert ist, aber der BMNP durch Samenniederschlag zur Regeneration beiträgt, wird der BMNP als wichtiger Refugialraum angesehen. Sein Erhalt und Schutz sind daher dringend geboten, zumal die sehr hohe Wilddichte an der Grenze der Belastbarkeit liegt. Der größte Unterschied zwischen den vier Nutzungsformen tritt in der Struktur der Vegetation auf. Bei geringerer Beweidung bleibt mehr Biomasse stehen und damit wird die Vegetationsdecke dichter und höher. Die Keimversuche mit Samen von Kniphofia foliosa zeigen, dass eine dichte und kräftige Vegetation die Etablierung dieser Art verhindert. Die beiden Weideunkräuter Lobelia achrochila und Kniphofia foliosa schützten sich vor Beweidung durch bestimmte Inhaltsstoffe. Bei L. achrochila ist es u. a. das Alkaloid Lobelin und bei K. foliosa das Hauptanthrachinon Knipholon. L. achrochila wird aufgrund dreier deutlicher Merkmalsunterschiede zu L. rhynchopetalum als eigenständige Art anerkannt: Ihre Blattrosette streckt sich durch interkalares Wachstum während der Infloreszenzentwicklung, das Wurzelsystem ist allorhiz und die Blütenstiele und die fünf Sepalen der Calyx sind kurz behaart. Beide Unkräuter haben unterschiedliche Verbreitungsstrategien entwickelt. Die hapaxanthe L. achrochila produziert bis zu 27.000 Samen pro Infloreszenz. Obgleich sich davon weniger als 1 % etablieren, stehen auf Hangstandorten mit guter Wasserversorgung dichte, große Lobelia-Populationen. Aufgrund der begrenzten Anzahl dieser geeigneten Standorte stellt L. achrochila nur ein lokales Problem dar und deshalb wird eine besondere Bekämpfung nicht empfohlen. Kniphofia foliosa entwickelt ein starkes Rhizom, von dessen Kurzsprossen die Rosetten des nächsten Jahres ausgehen. Aufgrund dieses starken Rhizoms versagt die Bekämpfungs-methode des Abbrennens, da das unterirdische Rhizom nicht zerstört wird. Das Ausgraben ganzer Pflanzen ist zu zeit- und arbeitsaufwendig. Die einzige erfolgreiche Methode der Bekämpfung schon etablierter K. foliosa Pflanzen ist das regelmäßige Abschneiden der oberirdischen Sprosse in der Hauptwachstumszeit (April bis Juli). Am Ende des dreijährigen Versuchs waren große Teile des Rhizoms abgestorben und der Rest sichtbar geschwächt. Da eine dichte und starke Vegetation die Ansiedlung von Kniphofia foliosa verhindert, wird eine Verbindung von Unkraut-Bekämpfung und Regeneration der Weiden vorgeschlagen. In abgezäunten, ausreichend großen Teilen der überweideten Flächen wird für 2 bis 3 Jahre die Bekämpfung der Kniphofia foliosa vorgenommen, währenddessen erholt sich parallel dazu die Weidevegetation. Deshalb sollte es auf der Grundlage der erhaltenen Ergebnisse zu einer Eindämmung des Weideunkrautes mit gleichzeitiger Verbesserung der Weiden kommen.
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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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Gating of water channels (aquaporins) in plants: effects of osmotic and oxidative stresses and the role of unstirred layers
(2006)
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Qing Ye
- There is accumulating evidence that water channels (aquaporins; AQPs) play an important role in plant water relations at the levels of cells, tissues, organs, and whole plants. AQPs facilitate the rapid, passive exchange of water across cell membranes. Most of the water permeability of plasma membranes is due to AQP activity, i.e. the open/closed state of AQPs can be ‘gated’ in order to regulate water movement. Many internal (metabolic) factors or external (environmental) stresses have been found to cause a gating of AQPs, but the precise gating mechanisms are not well understood. Using pressure probe techniques, water and solute flows across cell membranes (internodes of giant green alga Chara and of cortical cells of corn root) and across an entire organ (roots of young corn seedlings) were studied. Based on detailed information on the function of AQPs, two new gating mechanisms of AQPs have been proposed. One is the ‘cohesion/tension (C/T) mechanism’ for the osmotic gating of AQPs, which is used to interpret the effect of high concentration on cell hydraulic conductivity (Lp) during osmotic stress. The other one is the ‘oxidative gating mechanism’ of AQPs in the presence of hydroxyl radicals (*OH) or of hydrogen peroxide (H2O2). Evidence for an osmotic gating of AQPs was provided from measurements of effects of high concentration on cell Lp in Chara internodes. The osmotic dehydration is thought to be caused by the fact that the exclusion of solutes from AQPs creates tensions (negative pressures) within the water channel pores, when the osmolyte is present on both sides of the membrane. This should have affected the open/closed state by changing the free energy between states favouring a reversible distorted/collapsed state rather than the open. As expected from the C/T model, effects increased with increasing both the concentration and size of osmolytes. Pore volumes of AQPs in the plasma membrane of Chara internodes were estimated from exponential ‘dehydration curves’. The analysis of osmotic responses showed that there were narrow pores with a volume of 2.3 ± 0.2 nm3 and bigger ones with a volume of between 5.5 ± 0.8 and 6.1 ± 0.8 nm3. Alternatively, pore volumes were estimated from ratios between osmotic ( ) and diffusional (Pd) water flow as derived from measurements of hydraulic and isotopic water flows, which represent the number of water molecules (N) in a single-file pore transporting water. Values of N ranged between 35 and 60, which referred to volumes of 0.51 and 0.88 nm3/pore. This value was substantially smaller than that obtained during osmotic dehydration, but bigger than values from literature. The difference may be due to an underestimation caused by unstirred layers (USLs), which would affect Pd rather than Pf (Lp). Based on analytical solutions from diffusion kinetics and measured experimental results, even for the most rapidly permeating solute heavy water (HDO), USLs should have resulted in an underestimation of Pd by less than 30 %. Evidence for an ‘oxidative gating’ of AQPs was derived from experiments with Chara internodes, which was then tested for higher plant tissue cells as well (root cortical cells of corn). In the presence of hydroxyl radicals (*OH) as produced during the Fenton reaction (Fe2+ + H2O2 = Fe3+ + OH- + *OH), cell Lp of Chara internodes was dramatically but reversibly reduced. In experiments with young corn roots, in the presence of hydrogen peroxide (H2O2), half times of water flows increased at the level of both entire roots and individual cortical cells by factors of 3 and 9, respectively, i.e., hydraulic conductivity decreased by the same factors. Results indicated that there might be a common interaction between the redox state (oxidative stress) and water relations (water stress) in plants. For solutes rapidly permeating through cell membranes, closure of water channel resulted in anomalous osmosis (negative reflection coefficients), i.e., in the striking situation that a cell did not shrink but swelled in a hypertonic medium. For the first time, anomalous osmosis has been demonstrated in roots as well, i.e., for an entire organ and in the presence of a rather complicated osmotic barrier. The phenomenon has been interpreted in terms of the composite transport structure of both the cell membrane and the root. In the presence of a rapidly permeating solute like acetone, channel closure resulted in a situation that the solute moved faster than the water, and the reflection coefficient (ss) reversed its sign.
