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Mikrobielle Kohlenstoff- und Stickstofftransformationen im Verdauungstrakt von Regenwürmern (Oligochaeta)
(2010)
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Pia Katharina Wüst
- Der Regenwurmverdauungstrakt ist eine einzigartige Mikrozone in belüfteten Böden, die ideale Bedingungen für mit der Nahrung aufgenommene Bodenmikroorganismen bietet. In vorangegangenen Studien wurde gezeigt, dass die Emission von N2O durch europäische Regenwürmer auf die Aktivierung von aufgenommenen Boden-Denitrifikanten zurückzuführen ist. Bisher ist nicht bekannt, ob die Emission von N2O ein universelles Merkmal von Regenwürmern ist. Zudem ist nicht vollständig geklärt, welche Gärungsprozesse im Verdauungstrakt des Regenwurms relevant und welche gärenden Taxa dort aktiv sind. Ziel dieser Arbeit war es, die Fähigkeit zur N2O-Emission bei neuseeländischen Regenwurmarten zu untersuchen sowie die Diversität potentieller Denitrifikanten im Verdauungstrakt und im umgebenden Boden zu bestimmen. Weitere Ziele waren, die in situ-Bedingungen entlang des Verdauungstrakts von Lumbricus terrestris mit den mikrobiellen C- und N-Transformationen in Verbindung zu setzen sowie metabolisch aktive und Glucose-verwertende Bacteria im Verdauungstraktinhalt zu identifizieren. Die in Neuseeland eingeführten Arten Lumbricus rubellus und Aporrectodea rosea (beide Familie Lumbricidae) emittierten N2O, während die eingeführte Art Octolasion cyaneum (Familie Lumbricidae) nur teilweise und die einheimische Art Octochaetus multiporus (Familie Megascolecidae) kein N2O unter in situ-Bedingungen emittierten. Das N2O-Emissionspotential des einheimischen Wurms war deutlich schwächer ausgeprägt als das der eingeführten Würmer. Die Diversität der Denitrifikantenpopulationen in Verdauungstrakten und umgebenden Böden von L. rubellus und O. multiporus wurden anhand der Analyse von N2O-Reduktasegenen (nosZ) bestimmt. NosZ Sequenzen aus den Verdauungstrakten waren sehr ähnlich zu nosZ Sequenzen aus den umgebenden Böden und verwandt zu unkultivierten Bodenbakterien. N2O und H2 wurden von europäischen Würmern emittiert. Höchste in situ-Konzentrationen von N2O wurden im Kropf/Magen und im Enddarm detektiert, während H2 im Vorder- und Mitteldarm höchste Konzentrationen aufwies. Analog dazu waren eine hohe N2O-Bildung von Wurmabschnitten der Kropf/Magen- und Enddarmregion und eine hohe H2-Bildung von Abschnitten der Mitteldarmregion zu verzeichnen. Diese Ergebnisse deuten an, dass Denitrifikation vornehmlich im Kropf/Magen und Enddarm stattfindet, während H2-freisetzende Gärungen im Vorder- und Mitteldarm dominieren. In situ-Mikrosensormessungen wiesen darauf hin, dass der komplette Verdauungstrakt sauerstofffrei ist. Das Redoxpotential lag im Verdauungstrakt zwischen -203 und +388 mV. Im Verdauungstraktinhalt kamen Saccharide und organische Säuren in hohen Konzentrationen vor. Monosaccharide nahmen entlang des Verdauungstrakts ab. Die höchste Konzentration und die größte Diversität an organischen Säuren wurden im Mitteldarm nachgewiesen. Diese Ergebnisse zeigen, dass mit der Nahrung aufgenommene Mikroorganismen während der Darmpassage sich ändernden Bedingungen ausgesetzt sind und unterstützen die Annahme, dass im Verdauungstrakt verschiedene anaerobe mikrobielle Prozesse in räumlicher und damit auch in zeitlicher Abfolge aktiv sind. In anoxischen Inkubationen von Verdauungstraktinhalt mit Glucose wurden Gase und lösliche organische Verbindungen gebildet, was auf die Aktivität verschiedener Gärungsprozesse im Verdauungstrakt hinweist. Mit Hilfe der 16S rRNA basierten Stabilen-Isotopenbeprobung wurden Clostridiaceae und Enterobacteriaceae als dominante Glucose-Verwerter des Regenwurmverdauungstrakts identifiziert. Weiterhin ergab die Analyse von 16S rRNA aus frisch entnommenem Darminhalt, dass 79 Familien metabolisch aktiv waren, wovon 17 als neue Familien-ähnliche Gruppen definiert wurden. Diese Ergebnisse (a) bestätigen frühere Erkenntnisse, welche die Emission von N2O und N2 durch Regenwürmer auf aktive Denitrifikation in deren Verdauungstrakt zurückführen und (b) zeigen, dass die Fähigkeit zur N2O-Emission auch bei Regenwürmern der südlichen Hemisphäre auftritt, jedoch unterschiedlich stark ausgeprägt sein kann. Weiterhin wurde demonstriert, (c) dass diverse und teilweise unbekannte Taxa im Regenwurmverdauungstrakt aktiv sind, (d) dass dort Clostridiaceae und Enterobacteriaceae sehr wahrscheinlich an der Verwertung von Sacchariden beteiligt sind und (e) dass aufgenommene obligate Anaerobier und fakultative Aerobier gleichzeitig dieselbe Kohlenstoffquelle nutzen können. Prozessorientierte Inkubationsversuche, in situ-Messungen mit Mikrosensoren, die Charakterisierung der in situ-Bedingungen entlang des Verdauungstrakts sowie die molekularbiologische Analyse der Glucose-verwertenden und denitrifizierenden Bakterien aus dem Verdauungstrakt legen die Schlussfolgerung nahe, dass Regenwürmer durch anaerobe mikrobielle Aktivitäten in ihrem Verdauungstrakt zum terrestrischen C- und N-Kreislauf in belüfteten Böden beitragen und eine bedeutende mobile Elektronenquelle (in Form von emittiertem H2) für die Mikrobiota in diesen Böden darstellen.
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Soziale Prozesse der Selbstregulation einer Wildkaninchenpopulation (Oryctolagus cuniculus L.)
(2010)
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Paul Ernst Kaetzke
- Wahrend einer Populationsstudie von Wildkaninchen innerhalb eines 22000 m2 großen Freigeheges wurden strukturelle und demographische Parameter über 16 Jahre aufgenommen. 1. Populationsdynamik: Trotz einer jährlichen Produktion von 258-1080 Jungtieren verblieb die Adulttierdichte stabil und schwankte nur um etwa 50 Tiere. Die Populationsgröße wird in Abhängigkeit von ihrer Dichte und Altersaufbau reguliert, was ihren Ausdruck in einem Zyklus der Wachstumsrate mit einer Periode von ca. 5 Jahren findet. 2. Sozialstruktur: Wildkaninchen leben in Mischeinheiten mit geschlechtsspezifischen linearen Dominanzhierarchien, die durch das Territorialverhalten von Männchen voneinander isoliert sind. Innerhalb von Männchenterritorien können Weibchen Untergruppen bilden. 3. Populationsdynamische Faktoren Jahreszeit: In der Nichtreproduktionszeit bleiben strukturbildende Verhaltensweisen erhalten. Dichte: Mobilität und strukturbildende Verhaltensweisen, wie rangabhängiges nahes Beisammensitzen, aggressives Verhalten und Hüteverhalten sind dichteabhängig. 4. Sozialdynamik Folgende Mechanismen regulieren und stabilisieren die Gruppengröße während der Abnahme der Populationsdichte: Männchen: Dominante Männchen vergrößern ihre Reviere; subdominante Männchen wandern in Gruppen mit vielen Weibchen ab und / oder ersetzen verstorbene dominante Männchen. Subdominante Männchen pendeln zwischen zwei Revieren. Reviere werden von dominanten und subdominanten Männchen verteidigt. Weibchen: Weibchen aus Gruppen mit wenig Raum wandern in Gruppen mit mehr Raum ab. Weibchen großer Gruppen wandern in kleine Gruppen ab. Weibchen erhalten ihre kleine Gruppengröße durch Territorialverhalten. Weibchen großer Gruppen spalten sich und bilden Untergruppen. Männchen und Weibchen: Individuelle Bindungen können bei Mangel an Männchen beobachtet werden. Folgende Mechanismen destabilisieren das System und können zu einer Erhöhung der Populationsdichte führen. a) Eine begrenzte Kapazität der Männchen, Reviere zu vergrößern und zu verteidigen; b) ein Mangel an Männchen, der zur Neubildung von Weibchengruppen führt, die disharmonisch sind; c) eine Abnahme der Weibchengruppengröße, die zu klein werden, um gegen eine Emigration von Weibchen aus größeren Gruppen verteidigt zu werden. 5. Funktion der Prozesse Strukturell-funktionale Aspekte: Männchen erhöhen bzw. erhalten ihren Zugang zu Weibchen durch Zusammenschluß in Dominanzhierarchien, Verbesserung des sozialen Status sowie durch Vergrößerung ihrer Reviere. Weibchen erhöhen bzw. erhalten ihren Zugang zu Wurfbauten durch Zusammenschluß in Dominanzhierarchien bzw Untergruppen, durch Verbesserung des sozialen Status und Abwanderung in Gruppen mit mehr Raum. Reproduktion: Eine Reproduktionssupression konnte nur auf der individuellen Ebene in Abhängigkeit von der Gruppengröße und dem Rang festgestellt werden. Die Reproduktionssuppression wirkt sich bei hoher Dichte auf die Wurfsynchronisation aus. Verwandtschaft: Eine geringer matrilineare Verwandtschaftsgrad innerhalb der Gruppen wird verursacht durch einen Generationsaustausch, Abwanderung und Geschwistertrennung. Homoöstase: Die Ausbildung sozial stabiler Beziehungen puffert direkte Konkurrenz ab, was sich in der Erniedrigung der Nebennierenrindenaktivität (NNR) äußert. Soziale Veränderungen bewirken unabhängig vom Rang eine Erhöhung der NNR. Copingstrategien wie Konfrontation bzw. Konfliktvermeidung können in Sozialbindungen und damit einhergehenden Ortsbindungen resultieren, die sich gegenläufig zu rangabhängigen NNR auswirken. Aufgrund der Komplementarität von Verhalten, sozialen Prozessen und Positionen mit der Lebenserwartung von Tieren können über die NNR Rückschlüsse auf die Befindlichkeit von Tieren, wie Sicher-, Unsicherheit und Selbstvertrauen getroffen werden. 6. Vernetzung: Strukturell-funktionale Mechanismen selbstorganisieren die horizontale Vernetzung der Population in unterschiedlich zusammengesetzte Gruppen. Innerhalb der Population bestimmen endogene Mechanismen der Sicherheit von Individuen die Selbstorganisation in soziale Gruppen. Sie sind das Ergebnis zentrifugaler Kräfte positiver Rückkopplungsprozesse eines Aggressionsvermeidungssystems sowie der zentripetalen Bindungskräfte von Wurfbauen und Paarungspartnern. 7. Lebensgeschichte und Demographie: Dichteabhängige Oszillationen sind gebunden an die Alters- und Geschlechterzusammensetzung der Population. Dies kann als zirkuläre Geschlossenheit von Ursache und Effekt des Auf- und Abbaus eines sozialen Netzwerkes als Regel generierendes (konstitutives) und Regel basierendes (evaluatives) System der Prozesse, die soziale Unsicherheit reduzieren, verstanden werden. 8. Synthese: Die Populationsdynamik der Jungtiere lässt sich allein aus der systemhaften Vernetzung von Populationsparametern formalisieren und vorhersagen.
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Untersuchungen zum Wissenserwerb, zur kognitiven Belastung und zu emotionalen Faktoren im experimentellen Unterricht über Grundlagen der Gentechnik im Lernort Labor unter besonderer Berücksichtigung von Schülervorstellungen (am Beispiel des Demonstrationslabors Bio-/Gentechnik der Universität Bayreuth mit Schülern der 10. Klasse Realschule)
(2010)
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Gaitano Franke
- Gentechnik ist ein aktuelles Thema des Biologieunterrichtes der 10. Jahrgangsstufe des Lehrplans der sechsstufigen Realschule in Bayern. Um eine praktische Auseinandersetzung mit dieser Thematik zu ermöglichen, wurde das Demonstrationslabor Bio-/ Gentechnik des Lehrstuhls Didaktik der Biologie an der Universität Bayreuth seit 2007 erstmals auch für dieses Schülerklientel zugänglich gemacht. In einem mehrstündigen Praktikumsunterricht wurden 293 Schülerinnen und Schülern aus 13 nordbayerischen Realschulklassen Grundlagen der Gentechnik näher gebracht, indem Experimente zu den einzelnen Schritten eines Klonierungsversuchs (Restriktion und Ligation von DNA, Transformation von E. coli- Bakterien, Ausplattieren von Bakterien) durchgeführt wurden. Gleichzeitig zu den Praktika wurden drei Begleitstudien durchgeführt, deren Zweck die Evaluation des Unterrichtserfolgs war: Hierbei sollte überprüft werden, welche Auswirkungen der Praktikumsbesuch auf verschiedene kognitive Faktoren, wie den Wissenserwerb oder die geistige Anstrengung, aber auch auf affektive Faktoren, wie situationsbezogene Emotionen (z.B. Interesse und Wohlbefinden), hat. Weiterhin sollte der Frage nachgegangen werden, ob ein Konzeptwechsel in diesem Rahmen möglich ist. Ein Schwerpunkt lag dabei auf der Beobachtung der Auswirkungen einer Berücksichtigung von Schülervorstellungen im Unterricht. Zu diesem Zweck wurden die Schülerinnen und Schüler klassenweise auf zwei Interventionsgruppen (I-1, I-2) verteilt. Beide Gruppen erhielten im Demonstrationslabor denselben experimentellen Unterricht mit dem Unterschied, dass die Lernenden in I-2 zusätzlich mit Schülervorstellungen zur Gentechnik konfrontiert wurden. Dazu wurden in einer zuvor durchgeführten Studie die Vorstellungen von 144 Schülerinnen und Schülern zu acht Begriffen und Prozessen der Gentechnik erfasst und kategorisiert sowie anschließend in die Unterrichtskonzeption integriert. Die unterrichtliche Umsetzung orientierte sich dabei an einem konstruktivistischen Lehrmodell. Die Ergebnisse der drei Begleitstudien ergaben, dass sich die Behandlung von Schülervorstellungen im Unterricht in vielerlei Hinsicht positiv auf die Lernenden auswirkte: So zeigten sich die Schülerinnen und Schüler der Gruppe I-2 interessierter und fühlten sich wohler. Auch erzielten sie signifikant bessere Ergebnisse im Wissenstest, der im Anschluss an den Unterricht durchgeführt wurde, bei gleichzeitig verringerter geistiger Anstrengung. Es ist auch in dieser Gruppe gelungen, einen Konzeptwechsel zugunsten der fachwissenschaftlichen Vorstellungen zu erzielen. Hervorzuheben war die besondere Wirkung der Konfrontationsmethode auf die Schüler, die sich durch die Berücksichtigung ihrer Vorstellungen - im Gegensatz zu Schülerinnen - verstärkt angesprochen fühlten. Ausgehend von diesen positiven Ergebnissen empfiehlt es sich, die Erfassung von Schülervorstellungen auf weitere Themen auszudehnen, um es den Lehrern zu ermöglichen, in vielen Unterrichtssituationen auf diese zurückgreifen zu können.
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Chromosome dynamics during cell divisions in Drosophila melanogaster: The role of Rad21 in meiotic cohesion and dynamic analysis of the condensin subunit CapG in early embryonic mitotic divisions
(2010)
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Sonal Nagarkar
- Faithful segregation of genetic material is an essential hallmark of cell division. In eukaryotic cells, the DNA is replicated during S phase into two identical copies, which reside intimately paired (cohesed) in the nucleus as dispersed and entangled interphase chromatin fibers. At the onset of mitosis, the chromatin fibers start to resolve and by the end of metaphase they are compacted and individualized into a pair of cylindrical structures called sister chromatids, which remain connected until anaphase onset by residual sister chromatid cohesion in their centromeric regions. The compaction process is known as chromosome condensation, which is a prerequisite for accurate segregation of sister chromatids in anaphase. Chromosome condensation and sister chromatid cohesion require multisubunit protein complexes, the condensin and the cohesin complexes, respectively. Both complexes are composed of two core SMC subunits and a set of non-SMC subunits, which are conserved among most eukaryotes. In the first part of my thesis, I have analyzed the localization and dynamic behavior of a functional, EGFP-fused variant of CapG, one of the non-SMC subunits of the condensin I complex in Drosophila melanogaster. In vivo fluorescence microscopy of early embryonic mitotic divisions revealed that CapG-EGFP is mainly nuclear during interphase and that it starts to enrich at centromeric proximal regions in late interphase. Thereafter, CapG-EGFP spreads onto the chromosome arms concomitantly with the initiation of chromosome condensation (ICC) and loading is complete already in prophase at the time of nuclear envelope breakdown. Furthermore, FRAP analyses revealed that a major proportion of CapG-EGFP is stably bound to chromatin during metaphase and only a minor fraction shows a dynamic association with chromatin. These results are similar, but not identical, to findings previously obtained for another non-SMC subunit, CapH/Barren, suggesting interactions of the individual non-SMC subunits with chromatin outside a bona fide condensin complex. Since a non-SMC cohesin subunit homologous to the typical meiotic Rec8 protein found in other eukaryotes appears to be missing in Drosophila, I have assessed in the second part of my thesis a possible cohesive role for the mitotic subunit Rad21 during female meiosis. Furthermore, a potential redundancy during oogenesis between Rad21 and another candidate cohesin subunit, C(2)M, was analyzed. Forced proteolysis of Rad21 during oogenesis resulted in delocalization of the canonical cohesin core subunit Smc1 from oocyte chromatin. Furthermore, immunofluorescence and fluorescence in situ hybridization analyses revealed a high proportion of premature homolog disjunction and premature sister chromatid separation in the developing mutant oocytes and also during the meiotic divisions. Moreover, it was established that Rad21 has a role in the maintenance of the synaptonemal complex (SC), as shown by delocalization of the transversal SC component C(3)G. Taken together, these results suggest that Rad21 is indeed involved in sister chromatid cohesion during female meiosis in D. melanogaster. Since in the absence of Rad21 and the concomitant presence of C(2)M meiotic sister chromatid cohesion is compromised, Rad21 appears to play the major role in meiotic sister chromatid cohesion in D. melanogaster and a functional redundancy between C(2)M and Rad21 is unlikely.
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Effektivität von interaktivem außerschulischem Unterricht vor dem Hintergrund der Cognitive Load-Theorie
(2010)
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Barbara Meissner
- Anspruchsvolle Lernumgebungen zeichnen sich dadurch aus, dass Schüler über den reinen Wissenserwerb hinaus viele kognitive Ressourcen für die Anwendung von Schlüsselkompetenzen (Koordination, Zusammenarbeit, Planung, Orientierung, …) aufwenden müssen. Eine Förderung dieser Kompetenzen ist Bestandteil der Lehrpläne und der nationalen Bildungsstandards (KMK 2005), ihre Bedeutung für den Alltag und das spätere Berufsleben sind wohl unumstritten. In der vorliegenden Studie wurden die Schüler mit einer neuartigen, außerschulischen Umgebung konfrontiert, und sie mussten schülerzentriert in einer Gruppe mit Klassenkameraden praktische Tätigkeiten ausführen: Das Unterrichtsprojekt am Salzbergwerk Berchtesgaden umfasste fünf Versuche, die zentrale Eigenschaften von Kochsalz altersgerecht und anschaulich vermitteln . Sowohl außerschulischer Unterricht als auch interaktives Lernen (Gruppenarbeit, experimentelles Arbeiten) sind sehr anspruchsvoll. Sie verursachen zusätzliche (wirkungslose) kognitive Last, die unabhängig von der reinen Auseinandersetzung mit dem Thema (intrinsische kognitive Last) und den damit verbundenen Lernprozessen (wirksame kognitive Last) ist (z. B. Kirschner et al. 2006, Sweller et al. 1998, Hofstein und Lunetta 2004). Um eine Überlastung des Arbeitsgedächtnisses zu vermeiden und dennoch der Forderung nach Kompetenzförderung gerecht zu werden muss deshalb in anspruchsvollen Lernumgebungen besonders auf ein sorgfältiges Unterrichtsdesign geachtet werden. Die Theorie der kognitiven Last (Sweller et al. 1998, Sweller 2010) diente in der vorliegenden Arbeit als Richtlinie für das instruktionale Design. In Teilstudie A konnte gezeigt werden, dass der Lernort selbst nur bedingten Einfluss auf kognitive wie affektive Resultate hat: Eine Durchführung am Salzbergwerk und an einem neutralen Lernort ohne Bezug zum Thema ‚Salz führten zu keinen signifikanten Unterschieden im Lernerfolg und im motivationalen und emotionalen Feedback der Schüler. In den Teilstudien B und C wurde die Eignung der Theorie der kognitiven Last (Sweller et al. 1998, Sweller 2010) als Richtlinie für das instruktionale Design außerschulischer naturwissenschaftlicher Lerneinheiten überprüft. Dazu wurden Cluster entsprechend der individuellen Effektivität des Unterrichts gebildet. Etwa die Hälfte der Schüler zeigte sehr gute Ergebnisse, jeweils etwa ein Viertel hätte besser abschneiden können bzw. lieferte schlechte Resultate. Analysen auf kognitiver und motivationaler Ebene bestätigten die Eignung der Theorie der kognitiven Last als Grundlage für die Ausgestaltung anspruchsvoller naturwissenschaftlicher Lernumgebungen. Es konnte lediglich ein fehlendes Element identifiziert werden: Die Ergebnisse der Teilstudien B und C zeigten, dass mit intensiverer Anleitung, z. B. in Form gezielter Fragen und ermutigenden Feedbacks, die meisten Defizite vermutlich hätten ausgeglichen werden können. Angemessene Anleitung wird zwar im Rahmen der Theorie der kognitiven Last gefordert (van Merrienboer et al. 2006), es werden jedoch keine Spezifikationen gegeben, welchen Kriterien diese im naturwissenschaftlichen Unterricht genügen sollte. Anhaltspunkte für weitere Überlegungen sind vorhanden (van Merrienboer et al. 2006) und sollten als Grundlage für zukünftige Studien herangezogen werden. Die vorliegende Gesamtstudie zeigt, dass effektives und effizientes Lernen in anspruchsvollen Lernumgebungen möglich ist. Die Eignung der Theorie der kognitiven Last wurde bestätigt, wobei der Aspekt der adäquaten Anleitung im naturwissenschaftlichen Unterricht noch weiterer Forschung bedarf. Ein besonderes Anliegen war es, die Bedeutung adäquater Anleitung zu betonen, deren systematische Erforschung und Umsetzung in vielen Forschungsbereichen bislang eher zu kurz kam. Diese Arbeit trägt zu einer Verbesserung von Unterricht in anspruchsvollen Lernumgebungen bei, indem sie Faktoren aufzeigt, die Vermittlung von Wissen effektiv und effizient mit individueller Kompetenzförderung zu verknüpfen.
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Untersuchungen zum Zusammenhang zwischen mitochondrialer Morphologie, Alterung und Apoptose in Saccharomyces cerevisiae
(2010)
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Mark Dürr
- Mitochondrien üben viele essentielle Funktionen in eukaryotischen Organismen aus. Ihre Aufgaben bestehen zum Beispiel in der Bereitstellung von Energie in Form von ATP durch die oxidative Phosphorylierung sowie in der Bildung von Eisen-Schwefel-Clustern. Mitochondrien bilden ein Netzwerk, dessen Form sich hochdynamisch an spezifische Bedingungen und Änderungen im Metabolismus anpassen kann. Die Bedeutung einer intakten Dynamik wird dann offensichtlich, wenn man die Auswirkungen der Fehlregulierung dieses Prozesses betrachtet. Die Störung der mitochondrialen Fusion geht in Säugern mit einer Reihe von schweren Erkrankungen, wie Charcot-Marie-Tooth Neuropathie Typ 2A oder Dominanter Optischer Atrophie einher. Zudem spielen Mitochondrien und die mitochondriale Dynamik eine zentrale Rolle beim programmierten Zelltod (Apoptose). Die Fragmentierung der Mitochondrien ist dabei ein entscheidender Schritt beim Ablauf dieses Prozesses. Auch in der Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae, einem fakultativ anaeroben eukaryotischen Organismus, spielen mitochondriale Teilung und Fusion eine wichtige Rolle bei der Apoptose. Bis heute sind jedoch kaum negative Auswirkungen fehlgesteuerter mitochondrialer Dynamik auf andere Prozesse wie Zelldifferenzierung oder Alterung in Hefezellen bekannt. In dieser Arbeit wurde der Effekt von gestörter mitochondrialer Teilung und Fusion auf die Sporulation von Hefezellen sowie auf deren Lebensdauer untersucht. Dabei wurde auch der Zusammenhang zwischen Apoptose und Zellalterung in Hefekulturen näher betrachtet. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigten, dass die Deletion von Mdm30 (mitochondrial distribution und morphology protein 30), einem Regulator des mitochondrialen Fusionsproteins Fzo1 (fuzzy onions homolog 1), zu einer eingeschränkten Sporulationseffizienz sowie zu mitochondrialen Vererbungsdefekten in den einzelnen Sporen führt. Des Weiteren zeigten die Untersuchungen, dass eine intakte mitochondriale Dynamik ausschlaggebend für die Alterung von Hefekulturen ist. Die gleichzeitige Blockade der mitochondrialen Fusion und Teilung durch Deletion der Fusionskomponente Fzo1 und des mitochondrialen Teilungsproteins Dnm1 (dynamin-related protein 1) hat negative Auswirkungen auf das Wachstum und die Fitness der Hefekulturen. Der mitochondriale Fusionsdefekt führt zudem zu einer stark herabgesetzten chronologischen Lebensdauer verbunden mit verstärkter Apoptose der Hefezellen. Eine direkte Blockade der Apoptose durch die Deletion des proapoptotischen Faktors Yca1 (yeast caspase 1) führt ebenfalls zu einer Reduktion der chronologischen Lebensdauer von Hefekulturen. Interessanterweise verlängert die gleichzeitige Inkubation der Mutante mit wildtypischen Zellen die Lebensdauer der Δyca1-Zellen. Die Ergebnisse dieser Arbeit deuten darauf hin, dass Hefekulturen vom programmierten Zelltod einzelner Zellen profitieren können, was zu einer Verlängerung der chronologischen Lebensspanne führt. Obwohl Sinn und Nutzen des programmierten Zelltodes für S. cerevisiae immer noch kontrovers diskutiert werden, liefern die in dieser Arbeit erzielten Erkenntnisse weitere Argumente für die Notwendigkeit der Apoptose für diese einzelligen Organismen.
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Bedeutung der Baumart für die Aktivität, Diversität und Abundanz methanoxidierender Bakterien in temperaten Waldböden
(2010)
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Daniela Degelmann
- Die mikrobielle Oxidation atmosphärischen Methans ist in Nadelwaldböden bis zu drei Mal niedriger als in Laubwaldböden. Ziel dieser Dissertation war es, anhand von drei deutschen Waldstandorten (Solling, Steigerwald und Unterlüß) mit jeweils benachbarten Beständen der Rotbuche (Fagus sylvatica L.) und der Gemeinen Fichte (Picea abies L.), die Umweltparameter zu identifizieren, die diese unterschiedlichen Methanoxidationsraten hervorrufen, und deren Auswirkungen auf die Diversität und Abundanz der methanotrophen Lebensgemeinschaft zu bestimmen. Die Aufnahme von Michaelis-Menten-Kinetiken an intakten Bodenkernen bei konstanter Methankonzentration, Temperatur sowie konstantem Matrixpotenzial ergab, dass die kinetischen Parameter Vmax(app) und KM(app) in Fichtenwaldböden bis zu 65% niedriger waren als in entsprechenden Buchenwaldböden. In situ Methanaufnahmeraten und atmosphärische Methanoxidationsraten gestörter Bodenproben waren in Böden unter Fichte ebenfalls niedriger. Die maximale methanotrophe Aktivität war im Oa-Horizont (Buche) oder in den ersten fünf Zentimetern des Mineralbodens lokalisiert. Unter Fichte wurde im Oa-Horizont keine Methanoxidation detektiert. Im Oi- und Oe-Horizont wurde in keinem der beiden Waldbodentypen methanotrophe Aktivität verzeichnet. Die Gasdiffusion durch die organische Auflage der Böden, der pH-Wert und die Ammoniumkonzentration waren in beiden Waldbodentypen ähnlich und schieden somit als regulierende Faktoren für die atmosphärische Methanoxidation in Laub- und Nadelwaldböden aus. Die Produktion von Ethylen unter oxischen Bedingungen war vernachlässigbar, so dass Ethylen ebenfalls ausgeschlossen werden konnte. β-Pinen, welches in Fichtennadeln und -wurzeln vorkommt und eine sehr hohe inhibitorische Wirkung auf die Methanoxidation zeigt, inhibierte die Oxidation von Methan in Bodenaufschlämmungen des Steigerwalds vollständig bei einer Konzentration, die dem Fünffachen der in situ Konzentration entsprach. Die von Fichten freigesetzten Monoterpene können die verminderte Methanaufnahme in Fichtenwaldböden erklären. Der Einfluss der Baumart auf die Zusammensetzung der methanotrophen Lebensgemeinschaft wurde durch vergleichende Analyse der Gene der partikulären Methanmonooxygenase (pmoA) untersucht. Von den insgesamt 366 analysierten pmoA-Genen waren 82% Upland Soil Cluster alpha (USCα) zuzuordnen, dem global am häufigsten detektierten pmoA-Genotyp in Waldböden. Durch Vergleich der PmoA-Sequenzen mit den entsprechenden 16S rRNA-Gensequenzen bekannter methanotropher Isolate wurde ein distanzbasierter „Cut-off“ von 7% auf Proteinebene zur Differenzierung methanotropher OTUs auf Artenebene kalkuliert. Unter Anwendung dieses „Cut-offs“ konnten in Buchenwaldböden sieben OTUs innerhalb von USCα unterschieden werden. Außerdem wurden zwei tiefabzweigende Genotypen (Cluster 6 und Cluster 7) detektiert, die nur entfernt verwandt zu bekannten PmoA-/AmoA-Sequenzen waren. In Fichtenwaldböden waren dagegen nur vier USCα-OTUs sowie Cluster 6 detektierbar. Die erniedrigte Diversität Methanotropher in Fichtenwaldböden wurde durch statistische Analysen bestätigt. Genfragmente von mmoX und der pmoA von methanotrophen Verrucomicrobia wurden nicht detektiert. amoA-Gene mit hoher Verwandtschaft zur amoA von Nitrosospira briensis wurden gelegentlich kodetektiert. Die Abundanz der pmoA-Gene von USCα, der Anteil von USCα an der bakteriellen Gemeinschaft sowie die zellspezifische Aktivität von USCα waren in Böden unter Fichte niedriger als unter Buche. Die ermittelten Werte für die zellspezifische Aktivität von USCα lagen unterhalb des theoretischen Mindestwerts, der für das Überleben einer methanotrophen Zelle bei Oxidation von atmosphärischem Methan notwendig ist. Dies lässt vermuten, dass USCα neben atmosphärischem Methan auf alternative Kohlenstoff- und Energiequellen angewiesen sein könnte. Zusammenfassend lassen die Ergebnisse dieser Disseration den Schluss zu, dass von Fichten freigesetzte Monoterpene die Aktivität, Diversität und Abundanz atmosphärischer Methanoxidierer reduzieren und so die atmospherische Methanaufnahme von Fichtenwaldböden verringern.
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Exocrine glands in Erotylidae (Coleoptera, Cucujoidea): chemical ecology, morphology and evolution
(2010)
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Kai Drilling
- In most insect orders chemical defence is highly important and a multiplicity of partly spectacular defence mechanisms were described in the last years. It is well known that members of the Erotylidae show a particularly rich equipment of exocrine compound glands. However, morphology and ultrastructure as well as the chemistry of the secretions of these compound glands remain unexplored so far. The cosmopolitan Erotylidae is assigned to the superfamily Cucujoidea (Clavicornia) of the Coleoptera-Cucujiformia and comprises about 3500 described species in 258 genera. Today the family includes both the phytophagous species of the former Languriidae and the mycophagous species of the former Erotylidae s. str. (now ranked as the subfamily Erotylinae). The adult beetles, as well as their larvae, are bounded to different bracket fungi or live under the bark. Most species are striking in appearance, frequently in combination with conspicuous patters of stripes, spots or rings. The present contribution deals with species of this coleopteran family and concerns altogether five different subject areas: (1) Morphological details of the internal structure and ultrastructure of the compound glands were examined in exemplar species of the family (Tritoma bipustulata, Triplax scutellaris) for the first time (SEM, TEM). Each compound gland consists of a central excretory duct and numerous identical gland units. These gland units are composed of two different cells, whereof one forms a cuticular ductule. Thus the glands belong to class III as defined by Noirot and Quennedey (1974, 1991). Furthermore, the glands offered two structural features (lateral appendix, the spongious wall of the ductus), which were previously not known from compound glands of beetles. (2) Hitherto hardly known was the ability of reflex bleeding in these species. The phenomenon is reported, for instance, from the closely related families Coccinellidae and Endomychidae. However, the hemolymph is not, like in the mentioned taxa, released from the joints of the leg, but from the abdominal tip. The chemistry of the reflex blood as well as the discharged secretion of the pronotal glands was examined by GC-MS for the first time. Biological effects of the identified compounds of both secretions were evaluated in bioassays and agar diffusion tests. (3) Furthermore, a study on the role of emitted fungal volatile compounds in recognition of the hostfungus by mycophagous beetles was conducted (GC-EAD, EAG). Beside the two erotylid-species (Tritoma bipustulata and Dacne bipustulata), mycophagous species of the families Tenebrionidae and Ciidae were included in this study. The scents of young as well as aged fungi were tested. The results imply that the species are able to discriminate between fungi of different ages as well as the degree of colonization. (4) Due to the multiplicity of different exocrine compound glands in Erotylidae (within the angles, as well as along the lateral margin of the pronotum, on the prosternal and mesoventral intercoxal processes, anteromesal to the compound eyes, on the subgenal braces, and rarely on the mentum), a comparative analysis on the occurrence of compound glands was carried out. 47 species were included in this analysis. The results were mapped on an existing phylogeny of the family and other phylogenetic hypotheses were discussed. Several glandular characters support the monophyly of the Erotylidae, Erotylinae as well as some tribes of the latter subfamily. Also the postulated position of Languria bicolor (Languriinae) within the Erotylinae is confirmed by glandular characters. (5) Finally, it was possible to identify Brachyserphus parvulus (Proctotrupidae) as a parasitoid of T. bipustulata. Members of this group of Hymenoptera are endoparasites in larvae of numerous families of the Coleoptera, Diptera and Lepidoptera. B. parvulus was hitherto known from species of Nitidulidae, Melandryidae, Phalacridae as well as the erotylid genus Triplax.
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Identification and characterization of Sgo2 interactions - Insights into dynamic chromosomal localization, mechanism of cohesin protection and putative checkpoint function
(2010)
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Bernd Mayer
- Sister chromatids are embraced and held together by a ring-shaped multiprotein complex called cohesin, from the time of their generation in S-phase until their separation in M-phase. Shugoshins protect centromeric cohesin from premature dissociation and, hence, are important regulators of genome stability. This work demonstrates that hSgo2, one of the two shugoshins in humans, first binds to kinetochores in prophase, then localizes to centromeres in prometaphase before finally traveling back to kinetochores in metaphase. It is further shown that (1) chromatin binding requires the C-terminus of hSgo2, (2) the catalytic activity of the aurora B kinase is essential to focus hSgo2 at centromeres, and (3) attachment of microtubules to kinetochores is not only necessary for the metaphase-specific re-localization of hSgo2 but also sufficient; pulling forces are not required. These newly discovered regulations allow to formulate a mechanistic model that explains shugoshin’s dynamic subcellular localization. An existing conflict in the literature concerns the relative importance of mammalian Sgo1 and Sgo2 in mitosis. Cell biological analyses now demonstrate unambiguously that, contrary to earlier claims, hSgo2 is dispensable for several aspects of mitotic cell divisions. Thus, shugoshin functions are strictly separated, being fulfilled by hSgo1 in mitosis and by hSgo2 in meiosis. Initially, it was unclear how shugoshins exert their cohesin protective function at the molecular level. Using a biochemical approach, protein phosphatase 2A (PP2A) was identified as a prominent interactor of shugoshins in this thesis. Shortly thereafter, it was reported that shugoshins protect cohesin by mediating PP2A-dependent dephosphorylation. Nevertheless, it is shown here for the first time that hSgo2 binds PP2A via its N-terminus. A Sgo2 point mutant deficient in PP2A binding is created and characterized by cell biological experiments. Importantly, biochemical assays demonstrate that hSgo2 greatly stimulates PP2A’s enzymatic activity. Shugoshin function therefore extends beyond simple provision of a linkage between cohesin and PP2A. Mitosis and meiosis are chiefly controlled by the spindle assembly checkpoint (SAC), which allows anaphase to take place only after all chromosomes have become properly attached to the mitotic spindle. Central to SAC signaling, kinetochore bound Mad1-Mad2 complex catalyzes a conformational switch of soluble Mad2, thereby allowing its inhibitory binding to the downstream effector protein Cdc20. SAC-dependent inhibition of anaphase correlates well in timing with shugoshin-dependent protection of cohesin. Here, Mad2 is identified as another novel interactor of hSgo2. Precise mapping reveal a conserved Mad2 interaction motif (MIM) in hSgo2, which is shared by the known Mad2 interactors Mad1 and Cdc20. In fact, several lines of evidence show that the Sgo2-Mad2 complex is structurally very similar to the Mad1-Mad2 and the Cdc20-Mad2 complexes. These biochemical studies challenge the current “one source (kinetochore bound Mad1) – one target (Cdc20)” dogma in the field of SAC research. Mad2 binding is conserved in the only Xenopus laevis shugoshin, xSgo1, indicating an important function of this interaction during vertebrate meiosis.
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Secondary Plant Compounds as Feeding Deterrents in the African Subterranean Termite Schedorhinotermes lamanianus Sjöstedt (Isoptera: Rhinotermitidae): A Behavioural and Neurophysiological Approach
(2010)
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Stefan Gross
- In the present study, the influence of plant-derived secondary compounds on feeding behaviour in the subterranean termite Schedorhinotermes lamanianus was investigated. Furthermore, the chemosensory input system responsible for the perception of these compounds was investigated using electrophysiological methods. The obtained results provide evidence that in S. lamanianus a variety of structurally diverse secondary plant compounds (alkaloids and non-alkaloids) other than securinega-alkaloids influence feeding behaviour. These compounds evoke an avoidance of food sources or lower food consumption under choice conditions even at lower concentrations obtained for securinega-alkaloids. Furthermore, these compounds also reduce feeding under no-choice conditions. Termites seem to ingest less food even when they started feeding and no alternative food source is available. Therefore these compounds act as repellents and feeding deterrents in S. lamanianus depending on the test conditions under which they are applied. Furthermore, the present study provides strong evidence that different proximate mechanisms explain feeding inhibition in S. lamanianus: 1) Twelve structurally very diverse alkaloids, including feeding deterrent alkaloids in S. lamanianus, stimulated the taste neuron II/3 in TP II sensilla on antennae of this termite species. Non-alkaloids did not stimulate neuron II/3. Therefore, this neuron II/3 is an "alkaloid cell" negatively influencing feeding behaviour in this termite. 2) Feeding inhibition seems also to be influenced by the inhibition of phagostimulant taste neurons ("water cells") on antennae. 3) A second sensory input system for the perception feeding deterrent plant-derived secondary compounds seems to be evident as some tested compounds (alkaloids and non-alkaloids) are clear antifeedants in S. lamanianus but do not influence feeding behaviour by the former two mechanisms. Hence, in termites feeding inhibition by secondary plant compounds is a very complex process which needs further investigation. Including neurophysiological investigations of the chemosensory input system seems to be a promising approach to better understand feeding inhibition in termites which may lead to improved wood protection and termite management.
