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Structuring Descriptive Data of Organisms — Requirement Analysis and Information Models
(2007)
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Gregor Hagedorn
- Data that describe organisms in a structured form are indispensable not only for taxonomic and identification purposes, but also many phylogenetic, genetic, or ecological analyses. By analyzing existing information models and performing selected fundamental requirement analyses, the present work contributes to a broadening of the understanding of these forms of data. It falls into an interdisciplinary area between biology and information science. The term “descriptive data” is understood here in a broad sense: As descriptions of individuals, populations, or taxa, intended for various purposes (e. g., genetic, phylogenetic, diagnostic, taxonomic, or ecological), and covering a wide array of observation methods and data types (e. g., morphological, anatomical, genetic, physiological, molecular, or behavioral data). The position of descriptive data in the context of biodiversity framework concepts (covering, e. g., nomenclatural data, specimen collection data, or resource management) is discussed. A number of fundamental problems arise when modeling biological descriptive data. The ways in which existing data exchange formats, information models, and software applications address them are studied and future possible solutions are outlined. One such solution, the information model for the software “DiversityDescriptions (DeltaAccess)” is one of the results of this thesis and fully documented (Ch. 7). This entity relationship model fully supports the concepts of the traditional DELTA data exchange format (Description Language for Taxonomy; TDWG standard since 1986). If further improves on DELTA by introducing “modifiers” as a new terminology class, by introducing a more flexible system of handling statistical measures, by improving the handling of multilingual data sets, by supporting subset and filter features for concurrent collaborative editing (instead of supporting these for report-generation purposes alone), by supporting improved character attributes to create natural language descriptions from structured descriptions, and by adding metadata for a data set to improve the ability of data exchange without external documentation. In preparation of a future improved information model for descriptive data, the results of three requirement analyses are presented: a data-centric analysis of general concepts, a process-centric analysis of identification tools, and a high-level use case analysis. The first analysis (Ch. 4) is a structured inventory of fundamental approaches and problems involved in collecting and summarizing scientific descriptions of organisms. It is informed in part by current practices in information science, comparative data analysis, statistical, descriptive or phylogenetic software applications, and data exchange formats in biodiversity informatics. At the end three topics are discussed in particular detail (“Federation and modularization of terminology”, “Modifiers”, and “Secondary classification resulting in description scopes”). Except for phylogenetic analyses, identification is the most common usage of descriptive data. The second analysis (Ch. 5) therefore studies the processes, data structures, presentational and user interface requirements for printable and computer-aided identification tools (“keys”). Finally, a general use case analysis is performed with the goal of creating a framework of high-level use cases into which present as well as future requirements may be integrated (Ch. 6). All three requirement analyses are explorative and do not fulfill formal criteria of software engineering. They identify many requirements not addressed by the relational DiversityDescriptions model. Some of these could only be explored and await future solutions. For others solutions are proposed (some of which could already be incorporated into the design of SDD, an xml-based TDWG standard since 2005): The traditional data types are changed into an extensible character type model. The importance of data aggregation concepts was recognized to be fundamental. Complementary to data aggregation, the present and potentially future use of data inheritance along the lines of the taxonomic hierarchy is briefly studied. The concept of calculated characters could be addressed only insofar as the mapping between values can potentially be generalized. Character decomposition models are studied, but ultimately the traditional character concept, supplemented with a forest of ontologies for compositional and generalization concept hierarchies, is preferred as a more general concept. Both the traditional character subset and character applicability models can be integrated into concept hierarchies.
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Mikrobiologie der Stickstoffentfernung in den Biofiltern einer marinen Aquakultur mit geschlossenem Wasserkreislauf
(2007)
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Bärbel Fösel
- Die drohende Erschöpfung mariner Fischbestände bedingte die Entwicklung mariner Aquakulturtechniken und machte die marine Aquakultur zu einem der am schnellsten wachsenden Industriezweige der Welt. Derzeit werden marine Fischarten meist in schwimmenden Netzeinfriedungen oder Käfigen in Küstennähe gezüchtet, was mit einer erheblichen Beeinträchtigung der marinen Umgebung einher geht. Eine umweltfreundliche Alternative zu diesen offenen Systemen sind geschlossene Systeme mit vollständiger Wasserwiederaufbereitung. Die Pilot-Anlage in Rehovot, Israel ist ein derartiges System, das über drei verschiedene Biofilter Nitrifikation, Denitrifikation/Abbau von abgesetztem Schlamm und Sulfidoxidation miteinander verbindet. Die Nitrifikation in einem derartigen System muss einerseits effizient genug ablaufen, um die Ammoniakkonzentrationen unterhalb der für Fische toxischen Werte zu halten. Andererseits muss sie dynamisch genug sein, um auch Fluktuationen in der Ammoniumproduktion puffern zu können. Der erste Teil dieser Arbeit zielte deshalb darauf ab, die Nitrifikantenpopulation in dem marinen Tropfkörperbiofilm zu identifizieren und zu charakterisieren sowie Diversität, Verteilung, Abundanz und Aktivität der Ammonium- und Nitritoxidierer in situ zu bestimmen. Wiederholte Runden des sogenannten „full cycle rRNA-approach“ waren erforderlich, um DNA-Extraktionsprotokoll und Sondenset für die Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH) zu optimieren. Die abundanteste Gruppe der ammoniumoxidierenden Bakterien (AOB) waren Mitglieder der Nitrosomonas sp. Nm143-„Lineage“ (6,7% des Gesamtbiovolumens), gefolgt von einer Nitrosomonas marina-verwandten AOB-Gruppe (2,2% des Gesamtbiovolumens). Beide zusammen wurden zahlenmäßig übertroffen von den nitritoxidierenden Bakterien (NOB) der Nitrospira marina-„Lineage“ (15,7% des Gesamtbiovolumens). Die mittels Mikrosensormessungen bestimmten Nitrifikationsraten stiegen bis zu einer Ammoniumkonzentration von 200 µM nahezu linear an und erhöhten sich weiter bis zu einer Konzentration von 2 mM. Der geschätzte KM(NH3+NH4+)-Wert lag bei 294 ( 70) µM, die maximale Geschwindigkeit (vmax) der Ammoniumoxidation bei 65 ( 6) µM cm-3 h-1. Mikroautoradiographie (MAR) mit 14C-markiertem Bicarbonat wurde mit FISH kombiniert, um herauszufinden, welche AOB-Populationen in Gegenwart verschiedener Substratkonzentrationen aktiv sind. Weder Mikrosensordaten noch MAR-FISH-Experimente sprachen jedoch für die postulierte Nischendifferenzierung in eine bezüglich der Ammoniumkonzentration hoch affine und eine weniger affine AOB-Population. Es bleibt weiter unklar, welche Faktoren für die beobachtete Koexistenz verschiedener AOB-Populationen verantwortlich sind. Zusammengenommen scheint die Nitrifikantengemeinschaft jedoch sowohl an die normalerweise geringen Ammoniumkonzentrationen als auch an die wiederkehrenden Peaks nach dem Füttern gut angepasst zu sein. Da Stickstoff, vor allem in Form von Nitrat, in geschlossenen Aquakultursystemen häufig akkumuliert, wird versucht, zumindest einen Teil des Nitrat-N - klassischerweise über Denitrifikation - wieder aus dem System zu entfernen. Ein Problem, das bei der anaeroben Abwasserbehandlung speziell in marinen Systemen auftritt, ist die Sulfatreduktion. Neben seiner toxischen Wirkung auf Fische und andere aquatische Organismen hat Sulfid auch einen spezifischen Effekt auf Nitratreduktion und Denitrifikation. Das Ziel des zweiten Teils dieser Arbeit war es deshalb, die Prozesse der Denitrifikation und der DNRA in den anaeroben Teilen der Anlage zu quantifizieren, Nitratreduzierer und Denitrifikanten zu identifizieren und zu isolieren sowie ihre Reaktion auf Sulfid als einem systemrelevanten Faktor genauer zu untersuchen. Sowohl Denitrifikation als auch DNRA waren - wie durch 15N-Experimente bestätigt - systemrelevante Prozesse. Anzeichen für eine N-Entfernung über den Anammox-Prozess wurden hingegen nicht gefunden. Von insgesamt ca. 780 Isolaten verbrauchten knapp 500 Nitrat. Es wurden 41 verschiedene, teilweise neuen Artengruppen identifiziert, die den Alpha-, Beta- und Gammaproteobacteria, den Bacteroidetes, Firmicutes und Actinobacteria angehörten. 15 enthielten Denitrifikanten, bei Mitgliedern der restlichen Gruppen wurde nur Nitratreduktion zu Nitrit festgestellt. Die kultivierungsunabhängige Analyse anhand der funktionellen Markergene narG und nosZ erbrachte eine beträchtliche Anzahl unterschiedlicher Klongruppen. Im Unterschied zum Kultivierungsansatz ergab die vergleichende Analyse der narG-Genbibliotheken sehr klare Unterschiede zwischen den drei untersuchten Teilsystemen. Wachstumsexperimente mit zuvor aus der Aquakultur isolierten Reinkulturen erbrachten große Unterschiede in der Sulfidtoleranz der getesteten Isolate, die von < 50 µM bis zu 5 mM reichte. Generell gingen steigende Sulfidkonzentrationen mit einer zunehmenden Hemmung des Wachstums und - bei denitrifizierenden Isolaten - mit einer steigenden N2O-Produktion einher.
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Die Steuerung physiologischer Anpassungen von Blattläusen an veränderte ökologische Bedingungen durch endokrine Signale
(2007)
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Nora Kim Becker
- · Durch die Aufreinigung von Blattlausmaterial mittels Umkehrphasen-Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (Reverse-Phase High Performance Liquid Chromatographie) in Kombination mit einem in vitro-Bioassay wurde für ein mutmaßliches Acyrthosiphon pisum-AKH die Aminosäure-Teilsequenz -NFST- erhalten. · Die Suche in den ersten bisher veröffentlichten Sequenzen des Genoms von A. pisum führte zu der Sequenz QVNFTPTWGQamid, die ein mutmaßliches adipokinetisches/ hypertrehalosämisches Peptid darstellt. · Der Stoffbestand der geflügelten (alaten) und der ungeflügelten (apteren) Morphe wurde im letzten Larven- und im Adultstadium analysiert. - Das Frischgewicht der ungeflügelten Morphe ist während des letzten Larvenstadiums und des Adultstadiums höher als das der geflügelten. Das Trockengewicht der Alatae ist nur am ersten Tag des Adultstadiums höher als das der Apterae. - Die geflügelten Blattläuse haben, abgesehen von Tag 10 des Adultstadiums, immer einen höheren Gehalt an Protein als die ungeflügelten. - Der Gehalt an Glykogen steigt bei beiden Morphen zum Ende des letzten Larvenstadiums stark an und nimmt dann mit steigendem Alter wieder ab. - Die geflügelte Morphe hat am Ende des letzten Larvenstadiums und während des Adultstadiums, außer an Tag 3, einen höheren Gehalt an freien Kohlenhydraten als die ungeflügelte Morphe. - Der Lipidgehalt ist bei den Alatae während des letzten Larvenstadiums und bis zu Tag 3 des Adultstadiums höher als bei den Apterae. Bei der geflügelten Morphe nimmt der Gehalt an Lipid bis zum 1. Tag des Adultstadiums zu und dann mit steigendem Alter wieder ab. - Protein ist in allen Altersstadien und bei beiden Morphen der vorherrschende Inhaltsstoff. Glykogen ist am Ende des letzten Larvenstadiums in größerer Menge vorhanden als freie Kohlenhydrate und Lipid, aber im späteren Adultstadium der quantitativ unbedeutenste Bestandteil. · Rosa gefärbte A. pisum haben ein höheres Frischgewicht als heller gefärbte. An Tag drei des Adultstadiums haben rosa gefärbte ungeflügelte Blattläuse einen höheren Kohlenhydratgehalt und rosa gefärbte geflügelte Tiere einen höheren Protein- und Glykogengehalt als heller gefärbte. · Der Einbau von Glucose und Trehalose in Glykogen ist bei den Adulttieren der geflügelten Morphe höher als bei den ungeflügelten Tieren. · Im Adultstadium baut die geflügelte Morphe mehr Acetat in Lipid ein als die ungeflügelte Morphe. Die Lipidsyntheserate steigt bei beiden Morphen von Tag 0 zu Tag 3 des Adultstadiums stark an. · Der Einbau von Acetat in die Lipidklassen Phospholipide, freie Fettsäuren, DAG und TAG konnte nachgewiesen werden. Die ungeflügelte Morphe baut einen höheren Anteil von Acetat in Phospholipide und weniger Acetat in TAG ein als die geflügelte. An Tag 3 des Adultstadiums synthetisieren die Apterae zusätzlich mehr freie Fettsäuren als die Alatae. Die geflügelte Morphe baut indessen an Tag 0 eine größere Menge an Acetat in DAG ein als die ungeflügelte Morphe und synthetisiert an Tag 3 weniger DAG und mehr TAG als zuvor an Tag 0. · Die Zugabe von 5 × 10-4 M Grybi-AKH führt zu einer tendenziellen Hemmung des Acetateinbaus in Gesamtlipid. · Methopren-behandelte geflügelte Tiere bauen mehr Acetat in TAG und weniger Acetat in freie Fettsäuren ein als die Kontrolltiere. · Aufgrund der Trehalase-Aktivität in der Hämolymphe wird in verdünnten Hämolymphproben, die bei Raumtemperatur gelagert werden, Trehalose zu Glucose abgebaut. · Die Hämolmyphe der adulten geflügelten Morphe hat einen höheren Trehalosegehalt als die der ungeflügelten. Der Gehalt an Trehalose nimmt bei den Alatae vom Larvenstadium zum Adultstadium zu. Die topikale Applikation von Grybi-AKH verändert die Trehalosekonzentration in der Hämolymphe nicht.
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Canopy transpiration of beech forests in Northern Bavaria – Structure and function in pure and mixed stands with oak at colline and montane sites
(2007)
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Markus Schmidt
- Mixed stands of broadleaved deciduous tree species are increasing in importance in Bavaria and all of Germany, especially in the context of climate change, forest conversion and sustainable forestry. Very few investigations to date have quantified the canopy transpiration of mixed forest stands, and particularly of mixed stands of European beech and sessile oak. This study shows results of transpiration on different spatial-structural scales (within-tree, whole-tree and stand level) as estimated from xylem sap flow measurements, in two mixed stands in the colline-submontane Steigerwald, a pure beech plot in the Steigerwald and a montane pure beech stand in the Fichtelgebirge in Northern Bavaria. Both the short-term control on transpiration via environmental drivers and longer-term control via structural drivers were analysed. Assessed structural characteristics were stem diameter, tree height, stand density, basal area, sapwood area and leaf area index LAI. At the within-tree level the axial xylem sap flow density, Js, declined radially from outer to inner sapwood in beech. This decrease was stronger in small trees than in large trees. Js at any sapwood depth increased with stem diameter. In oak a significant correlation of Js with stem diameter was only observed in the oak-rich stand. Js in the outer sapwood was the same order of magnitude in beech and oak at a given stem diameter. The seasonal maximum daily whole-tree water use, Qt max, of all studied beech trees was influenced positively but non-linearly by stem diameter, leaf area and sapwood area, whereas in oaks such correlations were weaker. The maximum tree water use per unit leaf area increased with tree height in beech. In oak, values were smaller and followed an opposite trend. At the stand level and at comparable LAI or basal area, maximum daily and seasonal rates of canopy transpiration for the mixed stands in the Steigerwald were 2.3 to 2.7 mm per day and 166 to 217 mm per season, while the highest rates, observed in the pure beech plot in the Steigerwald, reached up to 4.4 mm per day and 349 mm per season. Among the mixed stands, Ec increased with a higher contribution of beech to stand level LAI or sapwood area, As. Maximum daily canopy transpiration, Ec max, increased with increasing LAI. Ec max also increased with As and saturated at the highest values of As observed in the pure beech plots. The pattern of the highest values of maximum diurnal canopy conductance among the sites and species studied reflected that of Ec max. At the higher elevation site in the Fichtelgebirge beech trees with comparable stem diameter achieved rates of Js and Qt max similar to those at the lower elevation site in the Steigerwald. Also at the stand level, the two sites with similar LAI compared well regarding Ec max. The high elevation stand transpired about 120 mm less over the whole season. The results show that systematic relationships exist between structure and function in pure beech stands and in mixed stands with oak; at the within-tree, the whole-tree and the stand level.
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Natur- und Umweltschutzbewusstsein: Dimensionalität und Validität beim Messen von Einstellungen und Verhalten
(2007)
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Britta Oerke
- In dieser Arbeit wurden zwei bestehende Maße für Umwelteinstellungen (1) und -verhalten (2) auf neue Zielgruppen (Schüler/innen bzw. Lehrer/innen) übertragen und validiert. Da in der Vergangenheit ähnliche Konzepte mit unterschiedlichen Subskalen erfasst wurden, stand bei der Validierung die Dimensionalität der Skalen im Vordergrund. 1. Im Rahmen des EU-Projekts BIOHEAD-Citizen wurden die für Jugendliche entwickelten Skalen Utilisation und Preservation aus dem Zwei-Werte-Modell der Umwelteinstellung von Bogner und Wiseman (2006) erstmals auf Erwachsene übertragen. Die beiden Faktoren des Modells ließen sich erfolgreich replizieren, obwohl ein Verlust an Varianzaufklärung gegenüber den Schülerstudien zu verzeichnen war. Die beiden Faktoren wurden anhand des Geschlechts, des Alters und der Ausbildung, insbesondere des Unterrichtsfachs (Biologie versus Deutsch), differenziert. 2. Auf Basis der für Erwachsene entwickelten Skala Allgemeinen Ökologischen Verhaltens von Kaiser und Kollegen (Kaiser, 1998; Kaiser und Wilson, 2004) wurde eine entsprechende Skala für Jugendliche kalibriert. Dabei wurde gezeigt, dass Umweltverhalten auf einer Dimension abgebildet werden kann, obwohl in früheren Untersuchungen verschiedene Verhaltenstypen unterschieden wurden. Die inhaltliche Vergleichbarkeit der neuen Skala für Jugendliche mit traditionellen Maßen wurde durch Entwicklung von vier Verhaltenstypen gezeigt, die auf Basis derselben Items wie in der eindimensionalen Skala entwickelt wurden. Die in der Forschungsliteratur oft berichtete „Kluft“ zwischen Einstellung und Verhalten wurde nicht bestätigt. Eine hohe Varianzaufklärung durch die Einstellungsskalen Preservation und Utilisation unterstützt eine Konzeption von Einstellung als Verhaltensdisposition bzw. das Konzept der Skala als verhaltensbasiertes Einstellungsmaß. 3. Schließlich wurde die potentielle Beeinträchtigung der Validität beider Maße durch soziale Erwünschtheit untersucht. Sowohl die Werte der Verhaltens- als auch der Einstellungsskala Preservation wurden aufgrund sozial erwünschten Antwortens etwas zu hoch eingeschätzt. Die Utilisation-Werte wurden nicht beeinflusst, und auch die Vorhersage der Verhaltens- aus den Einstellungswerten wurde kaum beeinträchtigt. 4. Beide Messinstrumente erfassen Umwelteinstellungen auf verschiedenen Ebenen. Während zwischen Preservation und dem Verhaltensmaß ein hoher Zusammenhang besteht, muss der Einfluss von Utilisation auf Verhalten noch näher untersucht werden.
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Motivationale Variablen und Wissenserwerb beim Lernen an Stationen zum Thema "Vogelflug und Auftrieb im Biologieunterricht"
(2007)
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Heike Sturm
- "Vogelflug und Auftrieb" ist ein komplexes und nicht leicht zu unterrichtendes Thema in der Schule. Offene Unterrichtsformen könnten dabei das Unterrichten dieses lehrplanbezogenen Themas erleichtern. In dieser Arbeit werden verschiedene Ansätze offener Unterrichtsformen auf ihre Effektivität hin untersucht, das schwierige Thema Schülern der 6. Jahrgangsstufe im Gymnasium möglichst optimal zu vermitteln. "Effektivität" beinhaltet in diesem Sinne den kognitiven Lernerfolg und die Motivation der Schüler. Offener Unterricht umfasst drei Dimensionen: Eine inhaltliche Dimension, eine methodische Dimension und einen institutionellen Rahmen. Der inhaltliche Bereich ist innerhalb dieser Arbeit bereits durch das Thema festgelegt. Hinsichtlich des methodischen Bereichs wurden zwei unterschiedliche Unterrichtsformen miteinander verglichen: Eine schülerorientierte mit einer lehrerzentrierten Form des Unterrichtens. Den institutionellen Rahmen betreffend wurde die schülerorientierte Unterrichtsform an zwei unterschiedlichen Lernorten durchgeführt: In einem Museum und im Klassenzimmer. Die schülerorientierte Unterrichtsform bestand aus dem Lernen an Stationen. Aufgrund eines Mangels an geeigneten Schülerexperimenten zur Untersuchung der aerodynamischen Eigenschaften verschieden geformter Körper wurde ein entsprechendes Versuch-Modell entwickelt und als eigenständige Lernstation mit integriert. Die Evaluation dieses Modelleinsatzes im Klassenzimmer zeigte einen deutlichen kognitiven Lernerfolg und eine hohe affektive Wirkung. Demnach wird dem Modell ein hoher potentieller Nutzen für den Einsatz im Unterricht zugeschrieben. Die Evaluation der verschiedenen Instruktionen ergab folgende Ergebnisse: Im lehrerzentrierten Unterricht lernten die Schüler mehr als in der schülerorientierten Unterrichtsform. Jedoch gaben die Schüler des Stationenlernens eine höhere Motivation an. Betrachtet man den institutionellen Rahmen, so zeigte die Museumsgruppe einen höheren Lernerfolg als die Schüler, die das Stationenlernen im Klassenzimmer durchführten. Allerdings lag bei beiden Gruppen die Motivation gleich hoch. Obwohl der Lernerfolg im lehrerzentrierten Unterricht höher als beim Stationenlernen war, zeigten doch beide Gruppen einen signifikanten Wissenszuwachs. Aufgrund der höheren Motivation wird als optimale Lernumgebung für das schwer zu unterrichtende Thema "Vogelflug und Auftrieb" eine schülerorientierte Unterrichtsform, nämlich das Stationenlernen, angenommen. Zusätzlich kann ein Unterrichtsgang an einen außerschulischen Lernort das Thema bereichern.
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Floral Scent in Salix L. and the Role of Olfactory and Visual Cues for Pollinator Attraction of Salix caprea L.
(2007)
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Ulrike Füssel
- The chemical composition of floral scent of different Salix species as well as its inter- and intraspecific variability were analysed. The role of floral scent for attracting flower visitors was examined in S. caprea by means of electroantennographic studies and bioassays. The relevance of different pollen vectors for the reproductive success of this willow species was examined by pollination experiments. The floral scent from 34 Salix species was collected using a dynamic headpace MicroSPE method and analysed by gas chromatography coupled with mass spectrometry. Isoprenoids and aromatic compounds were identified as typical floral scent compounds. Particularly 1,4-dimethoxybenzene and trans-β-ocimene were responsible for the interspecific variation. In some species gender-specific differences in the floral scent pattern were determined. The circadian rhythm of floral scent emission was studied in S. caprea. Generally, a larger quantity of floral scent was emitted during the day than at night. Primarily, lilac aldehyde was responsible for significant circadian differences. It is produced in higher quantities at night, which could be interpreted as an adaptation to nocturnal flower visitors – e. g. Orthosia gothica, which responded strongly to lilac aldehyde in bioassays. Insect species from the orders Coleoptera, Diptera, Hemiptera, Hymenoptera, and Lepidoptera were identified as flower visitors of S. caprea. The visiting frequency was highest for Hymenoptera (primarily honeybees, bumblebees, and solitary wild bees) and Lepidoptera (many nocturnal and only few diurnal species). During the day primarily bees and butterflies dominated, whereas during and after dawn moths were the only flower visitors. Altogether, nocturnal flower visitors had a lower frequency than diurnal ones. Floral scents of S. caprea and S. atrocinerea were tested for their electrophysiological activity on the oligolectic wild bee Andrena vaga by gas chromatography coupled with electroantennography. Altogether 16 floral scent compounds of both Salix species were physiologically active. The main component 1,4-dimethoxybenzene led to the strongest antennal signals. 1,4-Dimethoxybenzene and lilac aldehyde are main floral scent compounds of S. caprea. 1,4-Dimethoxybenzene dominated day and night, but its proportion decreased over night, while the proportion of lilac aldehyde increased at night. Both compounds elicited antennal signals in both Apis mellifera, the most frequent diurnal visitor, and Orthosia gothica, the most frequent nocturnal visitor. In biotests, the honeybee was attracted most strongly by 1,4-dimethoxybenzene; in contrast, O. gothica was attracted most strongly by lilac aldehyde. Biotests highlighted that male S. caprea is more attractive to A. mellifera than female ones. Considering the relatively high similarity of floral scent of both genders, this is most likely due to visual cues. Because of their conspicuously yellow-coloured pollen, the male catkins are obviously visually more attractive than the greenish female catkins. The genders differed also in the sugar composition of nectar. While females produced hexose-rich nectar, males had sucrose-dominated nectar. The higher visit frequency to male S. caprea may be of ecological importance, since it increases the probability that flower visitors collect sufficient pollen – of possibly several male individuals – before visiting a female individual. Thus not only the probability for successful pollination and fertilisation, but also the genotypic variability might increase within a population.
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Soziale Belastung während der Trächtigkeit bei Long-Evans Laborratten (Rattus norvegicus) und ihre Effekte auf die Reproduktion sowie die Physiologie, das Verhalten und die Reproduktion ihrer Nachkommen
(2007)
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Alexander Götz
- Im Rahmen dieser Studie wurde untersucht, ob und wie sich chronische soziale Belastung während der Trächtigkeit (maternaler Stress) bei Long-Evans Laborratten auf die Reproduktion der Parentalgeneration (F0-Weibchen) selbst, sowie auf die Reproduktion, das Verhalten und die Physiologie ihrer pränatal gestressten Nachkommen (F1-Generation) auswirkt (pränataler Stress). Hierbei galt das Hauptaugenmerk der Untersuchung dem Einfluss pränataler Belastung auf Verhalten und Physiologie, insbesondere auf das Immunsystem adulter männlicher Nachkommen. Induziert wurde die maternale Belastung durch wiederholte Konfrontation trächtiger F0-Weibchen mit weiblichen Artgenossen im so genannten Resident-Intruder Modell. Die vorliegende Studie zeigte auf maternaler Ebene einen deutlichen Einfluss chronischer sozialer Belastung auf die Reproduktion der F0-Weibchen, obwohl es sich um einen eher milden Stressor handelte. Die maternale Belastung resultierte in einer Verminderung der Nachkommenzahl, spiegelte sich jedoch nicht in einem verminderten Geburtsgewicht der Jungtiere wider. Jedoch zeigte sich während der frühen Entwicklungsphase bis zum Zeitpunkt der Entwöhnung eine stärkere Zunahme an Körpermasse bei Nachkommen gestresster F0-Weibchen (PS-Nachkommen) als bei Nachkommen unbelasteter F0-Weibchen (PC-Nachkommen). Diese Veränderungen der Reproduktion gestresster F0-Weibchen deuten auf eine adaptive reproduktive Strategie hin. Die Untersuchung der Reproduktion der F1-Generation zeigte zwar keinen Effekt pränataler Belastung auf die Nachkommenzahl, jedoch lag das Geburtsgewicht der Nachkommen von PS-Weibchen höher als das der entsprechenden Kontrollen. Zudem deutete die größere Varianz der Wurfzeitpunkte innerhalb des Hell-Dunkel-Rhythmus bei PS-Weibchen auf eine Verschiebung ihrer tagesrhythmischen Aktivität hin. Somit waren Effekte pränataler Belastung auf die Reproduktion der F1-Generation ersichtlich, fielen jedoch weniger deutlich aus, als die Effekte maternaler Belastung auf die F0-Generation. Unterschiede zwischen beiden Gruppen männlicher F1-Nachkommen zeigten sich sowohl auf ethologischer und physiologischer Ebene. So konnten PS-Männchen in ihrem Verhalten in neuen Umweltsituationen als aktiver und weniger ängstlich charakterisiert werden (elevated plus maze und open-field Test). Weiterhin konnte im Blutserum der PS-Männchen eine geringere Konzentration des Stresshormons Corticosteron, sowohl unter standardisierten Haltungsbedingungen wie unter Belastung (ACTH challenge), festgestellt werden. Dieser Befund deutet auf eine geringere Aktivierung des adrenocorticalen Systems bei PS-Männchen hin. Diese eher als positiv zu erachtenden Effekte pränatalen Stresses wurden auf immunologischer Ebene nicht bestätigt. Bei PS-Männchen zeigte sich eine verminderte Anzahl und Funktionalität immunrelevanter Zellen im Blut, speziell der T-Helferzellen. Dies gilt sowohl für die Ausgangswerte, als auch für die nach wiederholter Konfrontation ermittelten Werte. Zudem konnte ein verändertes Reaktionsmuster der Zellen des Immunsystems bei PS-Männchen während wiederholter sozialer Konfrontation festgestellt werden. Die Befunde der Untersuchungen an adulten Nachkommen legen dauerhafte Effekte der pränatalen Belastung auf die Tiere nahe.
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Lokalisierung und molekulare Charakterisierung eines Pederin produzierenden Endosymbionten der Gattung Pseudomonas aus dem Kurzflügler Paederus riparius(Coleoptera: Staphylinidae)
(2007)
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Kador Matthias
- Weibliche Kurzflügelkäfer der Gattung Paederus beherbergen einen mit Pseudomonas aeruginosa sehr nahe verwandten Endosymbionten, der für die Synthese des stark cytotoxischen Naturstoffs Pederin verantwortlich ist. Die ökologische Bedeutung dieses Giftstoffs für die Käfer liegt dabei offenbar in einer Abwehrfunktion gegenüber potentiellen Prädatoren, wie z. B. Wolfsspinnen, begründet. Aufgrund einer sehr hohen tumorhemmenden und antiviralen Wirksamkeit ist Pederin in erster Linie für die medizinische Forschung interessant. Ziel dieser Arbeit war es, den Endosymbionten von Paederus riparius mit verschiedenen mikrobiologischen und molekularen Methoden in den Käfern bzw. auf deren Eiern exakt zu lokalisieren, um somit die Organisation dieser Bakterien im Wirtsinneren näher zu beleuchten und deren Übertragungsweg auf die Nachkommenschaft aufklären zu können. Durch eine gezielte Isolierung des Pederin-Symbionten sollte dieser schließlich auf exakt abgestimmten, Agar basierten Kulturmedien angezüchtet werden, um letztlich eine Produktion dieses komplizierten Polyketids außerhalb der Käfer in ökologisch nachhaltiger Weise gewährleisten zu können. 1. Mit Hilfe von Pederin-Gen-spezifischen Primern konnte der Endosymbiont in den Abdominalspitzen der Käfer detektiert werden. Eine sich anschließende molekulare Untersuchung verschiedener abdominaler Organe zeigte, dass das Vorhandensein des symbiontischen Bakteriums ausschließlich auf die am weiblichen Geschlechtsapparat paarig angelegten Anhangsdrüsen und den Ausführgang begrenzt ist. Über eine in situ-Färbung dieser Drüsen mit dem Nucleinsäurefarbstoff DAPI konnte daraufhin zum ersten Mal das Vorhandensein einer morphologisch einheitlichen, stark an Pseudomonas erinnernden Kolonie gezeigt werden. 2. Der Einsatz einer fluoreszenzmarkierten Gensonde ermöglichte es, das endosymbiontische Bakterium in Serien-Dünnschnitten von Abdomina und Eiern gezielt sichtbar zu machen. Dabei zeigte sich im Falle der Abdominalschnitte, dass der Pederin-Produzent in einer enorm hohen Dichte als Reinkultur in den Anhangsdrüsen und in etwas geringerer Menge in bestimmten Bereichen des Ausführgangs lokalisiert ist, in den die beiden Symbionten-Drüsen münden. Im Falle der Ei-Dünnschnitte konnte der Endosymbiont auf einer die Eischale umgebenden warzenartigen Schicht detektiert werden, auf die das Bakterium in einer biofilmartigen, festen Matrix aufgebracht ist. Die Verteilung der Symbionten-Zellen erstreckte sich dabei stets über die gesamte Ei-Oberfläche. Ein möglicher Weg der Übertragung vom Weibchen auf die Eier wäre die aktive oder passive Abgabe einer definierten Menge Bakterienmaterial über einen Schleusenmechanismus, der die Anhangsdrüsen gegenüber dem Inneren des Ausführgangs während der Ei-Passage öffnen und verschließen kann. 3. Mit einer speziellen Sektionstechnik gelang es, den Endosymbionten von seinem Insekten-Wirt zu isolieren. Die lichtmikroskopische Untersuchung der Bakterienlösung zeigte dabei das Vorhandensein einer Pseudomonas aeruginosa sehr ähnlichen, offenbar kontaminationsfreien Zellkolonie. Den endgültigen Beweis, dass es sich dabei um eine Reinkultur des Paederus-Endosymbionten handelte, erbrachte jedoch erst die fluoreszenzmikroskopische Auswertung der mit der spezifischen Gensonde hybridisierten Zellen. 4. Anhand der isolierten Reinkultur des Pederin produzierenden Symbionten konnte über verschiedene Enzymtests gezeigt werden, dass es sich um ein gramnegatives Bakterium mit einem aeroben oder mikroaerophilen Stoffwechsel handelt, das jedoch im Gegensatz zu den Pseudomonaden vollständig unbegeißelt ist. Die dafür benötigten Gene sind offenbar im Zuge der endosymbiontischen Anpassung an den Käfer-Wirt durch zahlreiche Genomreduktionen verloren gegangen. Dies gilt wahrscheinlich ebenso für die Gene, die Pseudomonas aeruginosa die Fähigkeit zur Denitrifikation verleihen. Diese Gene konnten im Rahmen spezifischer PCR-Experimente in den Endosymbionten nicht nachgewiesen werden. Darüber hinaus erbrachte eine vergleichende RFLP-Analyse der endosymbiontischen 16S rDNAs der beiden voneinander kontinental getrennten Paederus-Arten P. riparius und P. sabeus die Erkenntnis, dass eine genetische Aufspaltung des Pederin-Symbionten in eigenständige Arten noch nicht stattgefunden hat. 5. Ein mögliches Wachstum des Endosymbionten konnte mit den Pederin-Gen-spezifischen Primern in einem flüssigen Anreicherungsmedium nachgewiesen werden. Durch eine Beimpfung der verschiedensten universellen und selektiven Nährböden mit Ei- bzw. Käfer-Homogenisat konnte im Laufe der Kultivierungsexperimente eine Vielzahl grampositiver und gramnegativer Bakterien kultiviert werden. Eine gezielte Anzucht des Paederus-Endosymbionten auf diesen Medien konnte jedoch nicht erreicht werden, was nicht zuletzt auch auf einen zu geringen Kenntnisstand über die möglicherweise sehr speziellen Nährstoffanforderungen der Pederin-Produzenten außerhalb ihrer Käfer-Wirte zurückgeführt werden kann.
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Fischökologische Funktionalität von Fließgewässerrenaturierungen im oberfränkischen Mainsystem
(2007)
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Thomas Speierl
- 1. Im oberen Mainsystem, an Main und Rodach (Oberfranken) wurden seit 1992 ausgedehnte Fließgewässerrenaturierungen durchgeführt (Wasserwirtschaftsamt Bamberg). Aktuell umfassen die Maßnahmen 25 Flussbereiche mit mehr als 15 km Länge. Die Maßnahmen verbesserten die natürliche Flussdynamik und Habitatvielfalt (Flussaufweitungen, neue Seitenarme, Anbindung der Aue und lateraler Gewässer). 2. Die Untersuchung (1999, 2002-2004) erfasste die fischökologische Funktionalität unterschiedlicher Renaturierungsmaßnahmen. Die Zusammensetzung und zeitliche Veränderung von Fischgemeinschaften wurde zwischen drei regulierten und renaturierten Flussbereichen verglichen (Monitoring-Bereiche). Der Einfluss morphologischer und hydrologischer Faktoren erfasst (Breiten- und Tiefenvarianz, Abfluss). Verhaltensökologische Mechanismen wurden analysiert (Migrationsverhalten, Drift). Für die Leitart Barbe (Barbus barbus) wurden Bestandsdynamik und Populationsaufbau ermittelt. Aktive Fangmethoden waren die Elektrofischerei und das Zugnetz, passive Methoden Forney- und Lichtfallen, Drift- und Trappnetze. 3. Insgesamt wurden 32 Fischarten erfasst, 70% der Fischarten Oberfrankens. 15 Arten waren in der RL Deutschlands geführt, von denen wiederum 13 Arten in der RL Bayerns vorkamen. Aus naturschutzfachlicher Sicht war der Nachweis von 8 kieslaichenden und bundesweit gefährdeten Fischarten hoch zu bewerten (Äsche, Thymallus thymallus; Bachforelle, Salmo trutta; Barbe, Barbus barbus; Hasel, Leuciscus leuciscus; Lachs, Salmo salar; Nase, Chondrostoma nasus; Nerfling, Leuciscus idus und Rapfen, Aspius aspius). 4. Es gab keine einheitlichen, charakteristischen Fischgemeinschaften der regulierten und renaturierten Flussstrecken. Die renaturierten Flussbereiche waren insgesamt produktivere Fischbezirke. 5. In den regulierten und renaturierten Flussbereichen aller Monitoring-Bereiche dominierten die euryöken Cyprinidenarten Aitel (Leuciscus leuciscus), Laube (Alburnus alburnus) und Rotauge (Rutilus rutilus) die adulte und juvenile Fischgemeinschaft. In den renaturierten Flussbereichen bildeten sich mit den Jahren spezialisiertere Fischgemeinschaften aus, während die regulierten Bereiche zunehmend von euryöken Arten bestimmt wurden. In den regulierten Flussbereichen waren die Jungfischbestände gering. 6. Die renaturierten Seitengewässer waren wichtige Winterstandorte für die adulten und juvenilen Fischbestände. Die Variabilität der Gewässertiefe war das wichtigste Strukturmerkmal für die Qualität der Winterhabitate. Im Winter stiegen die Artenvielfalt, Diversität, Evenness und das durchschnittliche Körpergewicht der Jungfische bei zunehmender Tiefenvarianz signifikant an. 7. Die renaturierten Flussbereiche waren für die Driftstadien der larvalen und juvenilen Fische Refugien mit günstigen Wachstumsbedingungen. Sie waren wichtige Ausgangspunkte für deren Verbreitung im Flusssystem. Die Drift zeigte ein saisonales und tageszeitliches Muster. Das Driftaufkommen nahm mit steigenden Wassertemperaturen zu. Hydrologische Parameter bestimmten die Driftintensität. 8. Eine neu gestaltete Altwasser-Kiesseeanbindung zum Main war ein wichtiges Laichgebiet und Jungfischhabitat. Sie wurde von den juvenilen und adulten Fischen als Nahrungshabitat und Wintereinstand genutzt. Es kam zu umfangreichen saisonalen und tagesrhythmischen Wanderbewegungen zwischen Fluss und Seitengewässer. Für die phythophilen Arten Hecht (Esox lucius), Schleie (Tinca tinca) und Rotfeder (Scardinius erythrophthalmus) waren die Laichbedingungen im Seitengewässer günstig. Die Anbindung war ein hochwertiges Jungfischhabitat. Das reiche Zooplanktonangebot in der Anbindung führte zu tageszeitabhängigen „feeding migrations“ juveniler und adulter Fische. Im Oktober begannen die juvenilen und adulten Fische ihre Wintermigration in das Seitengewässer. 9. Die Renaturierungsmaßnahmen verbesserten für die Leitart Barbe das Angebot, die Größe und die Verknüpfung lebenswichtiger Habitattypen. In 5 Jahren (1999-2004) stieg der Anteil der Barbe am gesamten Fischbestand um 25%. Die Erträge erreichten natürliche Bestandswerte. 10. Die Untersuchung an Flutmulden zeigte, dass neu geschaffene Auengewässer eine wichtige Funktion als Refugien und Jungfischhabitate haben und folglich den natürlichen Fischbestand stabilisieren. 11. Die Abflussdynamik beeinflusste die Fischgemeinschaften. Während Hochwasserwellen konzentrierten sich die Fischbestände kurzfristig entlang der Ufer, in den Seitengewässern und den Überflutungszonen der Aue. Das bessere Angebot an Refugien in renaturierten Flussbereichen erleichterte den Fischen ein schnelles Ausweichen. 12. Die aktuell ausgeführten Renaturierungsmaßnahmen konzentrieren sich vorrangig auf den Hauptstrom. Von ihnen profitieren v.a. die strömungsliebenden (rheophilen) Fischarten. In Zukunft muss die laterale Gewässerverknüpfung verbessert werden, um die Situation der phythophilen Fischarten zu stärken und das Angebot an Refugialräumen zu erhöhen.
