OPUS 4 | Biologie

Ökologische Untersuchungen an der Schlingnatter (Coronella austriaca Laurenti 1768) (2002)

Daniel Käsewieter

In den Jahren 2000 und 2001 wurde am bayerischen Lech zwischen Landsberg/Lech und der Mündung in die Donau eine Untersuchung über die Biologie und Ökologie der Schlingnatter (Coronella austriaca) durchgeführt. Dabei wurden in den acht Untersuchungsgebieten im Jahr 2000 52 Individuen und im Jahr 2001 74 Individuen erfasst. Ein Schwerpunkt der Art liegt südlich von Augsburg zwischen den Staustufen 19 und 23. Als wichtigste Fundpunkte konnten die steinernen Uferbefestigungen, die Lechdämme sowie Wegränder identifiziert werden. Wird die Umgebung der Fundpunkte in die Analyse mit einbezogen, so gewinnen Hecken und Lechheiden an Bedeutung. Die Auswertung ergab, dass es vor allem die linienhaften Lebensräume waren, die für die Besiedlung durch die Schlingnatter maßgeblich waren. Von entscheidender Bedeutung waren außerdem die deutlich erhöhten Grenzliniendichten in den Schlingnatterlebensräumen. Besonders wichtige Strukturelemente waren Rohbodensituationen, Steine sowie Altgrasbüschel. Die Schlingnatter konnte zwischen April und Oktober beobachtet werden, der Beobachtungsschwerpunkt entfiel auf die Sommermonate Juli und August. Im Verlauf beider Jahre kristallisierten sich zwei getrennte Häutungsperioden heraus: die erste im Juni, die zweite von Ende Juli bis Mitte August. Ein Schwerpunkt der Arbeit lag in der Anwendung radiotelemetrischer Methoden, um neue Erkenntnisse über die Migration sowie die Raumnutzung verschiedener Individuen zu gewinnen. Dabei wurde festgestellt, dass Männchen durchschnittlich etwas weitere Strecken zurücklegen als die nichtträchtigen Weibchen, während die trächtigen Weibchen sehr ortstreu waren. Als maximale Distanzen konnten bei Männchen 6,6 km, bei Weibchen 4,5 km festgestellt werden. Die durchschnittliche Tagesdistanz aller Individuen lag bei ca. 10 Meter pro Tag. Die Männchen besetzten home-ranges von bis 2,9 ha, die Weibchen nur etwa 0,5 ha. Als Besonderheit kann gelten, dass ein Weibchen zweimal die Lechseite gewechselt hat. Die Weibchen der Population waren durchschnittlich mit 61,5 cm etwas kleiner als die Männchen mit 62,4 cm. Der Quotient von Gesamtlänge zu Schwanzlänge war bei den Männchen signifikant kleiner als bei den Weibchen. 90 % aller beobachteten Tiere waren größer als 40 cm, dagegen waren juvenile und semiadulte Schlangen kaum im Freiland zu beobachten. Das Geschlechterverhältnis war leicht männchendominiert (1: 0,76). Die juvenilen Schlingnattern kamen zwischen 29.07. und 09.09. zur Welt. Dabei wogen sie durchschnittlich 2,7 Gramm (1,9 Gramm bis 3,5 Gramm). Die Zahl der Jungtiere pro Wurf lag bei 6,6 (4-10). Es ergab sich kein Zusammenhang zwischen Gewicht oder Länge der Mütter und der Anzahl ihrer Jungen, dem Gesamtgewicht der Jungtiere sowie dem durchschnittlichen Gewicht pro Jungtier. Die Mütter investierten etwa 40 % ihres Körpergewichtes in ihren Nachwuchs. Alle Indizien sprechen für einen zweijährigen Fortpflanzungszyklus der weiblichen Schlingnattern in der Lechtalpopulation. Die Neugeborenen nahmen von selbst nur Reptilien (Zauneidechsen (Lacerta agilis) und Blindschleichen (Anguis fragilis)) als Nahrung an. An Babymäuse konnten sie durch Zwangsfütterung gewöhnt werden. Zwischen Geburt und Überwinterung nahmen die Schlangen zwischen 0 und 1,1 Gramm zu. Die Schlangen, die sich von Reptilien ernährten, konnten dabei etwas mehr an Gewicht zunehmen, als diejenigen, die sich von Mäusen ernährten. Das Wintergewicht der Reptiliengruppe lag ebenfalls über dem der Säugergruppe. Es stellte sich heraus, dass das Gewicht der Jungschlangen vor der Überwinterung den entscheidenden Faktor für deren Überleben darstellt. Daher kommt der ausreichenden Verfügbarkeit der beiden potentiellen Beutetierarten Zauneidechse und Blindschleiche große Bedeutung zu. Die Blindschleiche ist im Projektgebiet als durchaus häufig zu bezeichnen. Sie wurde in alle UG regelmäßig beobachtet, insbesondere in den Lechheiden und an Wegrändern. Die Populationsstruktur der Blindschleiche ist sowohl was die Geschlechter betrifft, als auch in Bezug auf die Größenklassen gleichmäßig besetzt. Die Zauneidechse konnte ebenfalls in allen UG beobachtet werden, jedoch schwankt ihre Zahl von Jahr zu Jahr erheblich. Von diesen Schwankungen sind vor allem juvenile Tiere betroffen. Der bevorzugte Lebensraum der Zauneidechse ist ebenfalls in den Lechheiden zu finden. Auch die beiden anderen im Lechtal vorkommenden Schlangenarten Kreuzotter (Vipera berus) und Ringelnatter (Natrix natrix) sind häufig mit der Schlingnatter syntop anzutreffen. Für den Schutz der Art ergeben sich daraus logische Konsequenzen: die Populationen der Nahrungstiere müssen gestützt werden, um das Überleben der Jungtiere zu sichern; die Teilpopulationen müssen vernetzt werden, um einen notwendigen Individuenaustausch zu ermöglichen; die Lebensräume der Schlingnatter müssen vergrößert werden, um ausreichend Raum für individuenstarke Populationen zu schaffen.

Zur Rolle der Hämolymph-Inhaltsstoffe bei der Feindabwehr von Zikaden (Cicadomorpha et Fulgoromorpha) unter besonderer Berücksichtigung der Blutzikade Cercopis vulnerata ROSSI (2006)

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.

Zellteilungsregulation meristematischer Wurzelzellen (Tabak BY-2) durch Phytohormone und Zucker (2005)

Katja Hartig

Die Phytohormone Cytokinin und Auxin sind essentiell für die Zellteilungsaktivität in meristematischen Geweben. Trotz ihrer zentralen Bedeutung im pflanzlichen Zellzyklus, ist über deren Bedeutung und Wirksamkeit auf molekularer Ebene bisher nur wenig bekannt. Einige Untersuchungen deuten darauf hin, dass mit Hilfe hormoneller Signale die Zellteilungsaktivität der Meristeme an die physiologischen Gegebenheiten der gesamten Pflanze angepasst wird, und auf diese Weise der Verbrauch an Zucker, die sogenannte Sinkstärke des Meristems definiert wird. Besonders bedeutsam ist deshalb der "cross-talk" der hormonellen Signale mit den metabolischen Signalen. Da diese Signalverknüpfung bisher kaum Ziel wissenschaftlicher Untersuchungen war, sollte diese Arbeit zur Aufklärung betragen. Die Untersuchungen wurden mit einer Tabak Zellkultur (BY-2) durchgeführt, die als Modell eines Wurzelmeristems dienen sollte. Ein Vorteil dieser Zellkultur ist die Möglichkeit, den Zellzyklus der Zellen durch auswaschbare Hemmstoffe synchronisieren zu können. Diese Synchronisierung eröffnet die Möglichkeit, die Effekte von Cytokininen, Auxinen und Zucker auf den Ablauf des Zellzyklus mittels Durchflusscytometrie untersuchen zu können, in dem Qualität und Quantität dieser Faktoren variiert wurde. Parallel dazu wurde die Expression von Zellzyklus-Kontrollgenen mittels semiquantitativer RT-PCR analysiert und entsprechend responsive Gene identifiziert. Ergänzt wurden die Untersuchen der Regulation des Zellzyklus durch längerfristige Beobachtungen der Entwicklung der Zellzahl, des Frischgewichtes und des Volumens der Zellen. Zur Charakterisierung der Signalentstehung, wurden die extrazellulären und intrazellulären Konzentrationen der die Zellteilung steuernden Faktoren gemessen.

Water use of forests along elevation gradients in the Berchtesgaden National Park (2005)

Olimpia Kolcun

Forests are major sources of water vapor to the atmosphere and have an important influence on both regional and global climate. Understanding of the water exchange between the vegetation and the atmosphere, and recognition of factors to predict the water fluxes is necessary to estimate the changes in water use according to possible climate change. In this study the processes affecting the transpiration of Norway spruce (Picea abies) in the Berchtesgaden National Park along an elevation gradient were investigated. Sapflow and meteorological measurements were carried out during the summer of 2002. For each stand, structural differences (tree height, circumference, diameter (DBH), tree density, basal area) were also analyzed. For the experiment, three Norway spruce stands – with similar inclination, exposition, LAI and soil conditions, but situated at different elevations a.s.l in the Berchtesgaden National Park were selected. The transpiration rates of spruce were compared with those of other species: Fagus sylvatica, Larix decidua and Pinus mugo. In each stand, six to fifteen trees were selected for sapflow measurements. Xylem sap flux was observed with constant-heating-method according to Granier. Sapflow rates of individual trees were scaled up to the stand level according to the cross-sectional sapwood area of the DBH class (for spruce and beech) or total cross-sectional sapwood area (for larch). Within the sparse Larix decidua stand, both the sapflow in trees and water loss from understory vegetation were measured. Strong correlations between transpiration rates and maximum VPD and daily integrated PPFD were found for the experimental species. For the Norway spruce stands, needle nutrient concentrations were also determined. During the 2002 growing season (May- September), the seasonal patterns of tree canopy transpiration were similar for the different experimental stands. The highest water use was observed in June and July for spruce and dwarf-pine, and in July and August for beech. The seasonal changes in canopy transpiration and conductance, and the variation between spruce stands, may be in part explained by differences in meteorological conditions. Canopy conductance was calculated from canopy transpiration (Ec) and vapor pressure deficit (VPD). Absolute rates of seasonal canopy transpiration within experimental Picea abies sites differed greatly from 78 to 165 mm. The highest transpiration rates occurred in the lowest situated stand and they decreased with increasing elevation. The seasonal water loss from the Fagus sylvatica site (78 mm) was similar to the water loss at the highest situated spruce site. The seasonal transpiration of Pinus mugo site reached 44 mm. Transpiration of Larix decidua was only measured successfully during June and during a few days in July. A strong decrease of canopy conductance (gt) with increasing VPD was observed for all stands. The highest maximum canopy conductance for spruce, 20 mm s-1, was calculated for the 630 m site, while for the 1040 m and the 1360 m sites the maximum gtmax reached 15 mm s-1. In comparison the maximum canopy conductance for the beech site was higher than for the spruce site at the same elevation a.s.l. (630 m) and reached 30 mm s-1. The lowest maximum gt, 10 m s-1, was estimated for dwarf-pine shrub. For the examination of controls on spruce forest water use that were found along the elevation gradient, the GAS-FLUX model was used. Model simulations support two alternative hypotheses, namely that stomatal patchiness as well as carboxylation capacity (Vcmax) may have had an influence on stand water use. The modelled transpiration with changes in Vcmax was similar to estimated transpiration rates obtained by changing the “portion of leaves that are active” (stomatal patchiness). The developed model can be used for estimation of water use for other similar mountainous locations or for examination of ecosystem sensitivities to environmental changes (nitrogen supply, air temperature). The current work should stimulate further research on the detailed study of e.g. stomatal patchiness and its influence on transpiration rates, or to test the results at other sites.

Water permeability of plant cells measured by pressure probes: effects of light and turgor, and the role of unstirred layers (2008)

Yangmin Kim

The dissertation focuses (i) on an analysis of effects of unstirred layers (USLs) during measurements of water permeability (hydraulic conductivity) at the level of single cells, during measurements with the cell pressure probe (CPP) and (ii) on the use of the latter technique to investigate changes in water permeability of leaf cells in response to light. Internodes of the giant green alga Chara corallina and parenchyma cells of corn leaves were used in the studies. Besides the water, the CPP has been employed to study solute flows across cell membranes. This allowed evaluating the role of different types of USLs. In response to claims, recently raised by Tyree et al. (2005) that USLs play a significant or even dominating role in measurements of transport coefficients with the cell pressure probe, a rigorous re-examination of effects of USLs with Chara internodes has been performed indicating a minor role of USLs. For the first time, responses of cell water relations to light have been worked in some detail. Light effects have been separated from those of turgor in intact tissue cells by compensating for transpiration. At low light (LL) intensity (100 to 650 micromol m-2 s-1), hydraulic conductivity of a cell (cell Lp) increased with increasing light intensity by a factor of 2 to 6 in 10 min. However, at high light (HL) intensities of 800 and 1800 micromol m-2 s-1, there was a decline of cell Lp with increasing light intensity at constant cell turgor by factors of 14 and 35, respectively. The effects of LL refer to literature data of overall measurements of the leaf conductances (Kleaf). Decreases of Kleaf at HL have not yet been separated for effects of turgor or light intensity, respectively (as done here). The responses to HL were most likely caused by an oxidative gating of water channels (aquaporins; AQPs), as indicated by the fact that (i) application of reactive oxygen species (ROS) resulted in responses similar to those of HL and (ii) HL effects could be reversed in the presence of the antioxidant glutathione. For the first time, the data indicate an interaction between water relations and light intensity/photosynthesis, which is most likely related to changes in the redox status of leaves.

Verbesserte Schätzungen von CO2- und N2O-Flussraten von Böden mitteleuropäischer Ökosysteme - Entwicklung konzeptioneller Neuerungen von Bodenemissionsmodellen (2004)

Sascha Reth

Im Zuge dreier Intensivmessperioden innerhalb des Projektverbundes VERTIKO (Vertikaltransporte von Energie und Spurenstoffen an Ankerstationen und ihre räumliche/zeitliche Extrapolation unter komplexen natürlichen Bedingungen) wurden in Melpitz (24.09.-12.10.2001), Lindenberg (03.06.-06.07.2002) und Tharandt (18.05.-23.05. und 08.06.-14.06.2003) simultane Messungen der N2O- und CO2-Emissionen aus Wiesen-, Acker- und Waldböden durchgeführt. Die Emissionsdaten wurden mit einem photoakustischen Infrarot-Monitor in geschlossenen Kammern erhoben. Die entwickelte automatische Steuereinrichtung erlaubte es 5 Kammern simultan als räumliche Replikate zu messen und ermöglichte damit den Einsatz unter geringem Personalaufwand. In Rahmen dieser Arbeit wurde an einer Kalibrierungskampagne in Hyytiälä / Finnland teilgenommen, in der sowohl das automatisierte Messsystem gegen einen Referenzgasfluss, als auch gegen 19 Kammersysteme anderer Forschungseinrichtungen verglichen wurde. Die Anwendbarkeit der Methode wurde durch den Vergleich bestätigt und im weiteren wurde für jedes System ein Kalibrierungsfaktor ermittelt, der einen Vergleich mit anderen Ergebnissen erlaubt. Die vorliegende Arbeit konnte weiterhin zeigen, dass verschiedene Messmethoden, Bodenkammermessungen und Eddy Kovarianz, auf einer Brache vergleichbare Resultate erzielen. Ein gewichtetes Footprintmodell ermöglichte den direkten Vergleich von CO2-Flüssen, die hauptsächlich aus dem Quellgebiet Brache emittiert wurden und daher wenig durch Senkenterme kontaminiert schienen. Zudem wurde die Einfluss der Nettoflüsse aus der benachbarten Wiesenfläche untersucht. Die Emissionshöhen von CO2 und N2O variierten stark zwischen verschiedenen Landnutzungstypen. Generell konnten für beide Gase auf Wiesen und landwirtschaftlich genutzten Böden höhere Emissionen als auf Waldböden gefunden werden. Auch innerhalb der Standorte war die zeitliche und räumliche Heterogenität hoch. Diese Arbeit entwickelte ein nichtlineares Regressionsmodell auf der Basis der gemessenen Flussraten zur Berechnung von CO2-Emissionen für verschiedene Landnutzungstypen, welches eine regionale Anwendung erlaubt. Neben Bodentemperatur und -wassergehalt als Parameter wurden der pH-Wert und die Wurzelmasse berücksichtigt. Als zusätzlicher und unerwarteter Parameter wurde der zeitlicher Abstand zu einem Regenereignis als Steuergröße identifiziert. Auch für N2O wurde ein nichtlineares Regressionsmodell (DenNit) für regionale Anwendungen entwickelt, das eine Abschätzung der N2O-Emissionen von Brachen, Wiesen und Wald mit lediglich 6 Faktoren (Bodentemperatur, Bodenwassergehalt, pH-Wert, Nitrat- und Ammonium-verfügbarkeit, zeitlicher Abstand zu einem Regenereignis) erlaubt. Im Anschluss wurden die entwickelten Modelle für den Zeitraum dreier Intensivmesskampagnen für die verschiedenen Landnutzungstypen angewendet und zeigten gute Übereinstimmungen mit publizierten Emissionsdaten anderer Arbeiten. Die Vorhersagbarkeit von Bodenatmungsraten und Lachgasemissionen mit den entwickelten Modellen konnte deutlich gesteigert werden.

Vegetative Vermehrung einheimischer Baumarten in Südecuador - Physiologische Grundlagen und deren Umsetzung (2009)

Sina Heppner

Parallel zur fortschreitenden Vernichtung der megadiversen Bergwälder Ecuadors entstehen immer mehr Plantagen mit exotischen Pinus- und Eucalyptus-Arten. Eine ökologisch sinnvolle Wiederaufforstung kann jedoch nur unter Verwendung indigener Arten erreicht werden. Da die Samenernte problematisch ist, müsste das Pflanzmaterial vor allem durch vegetative Vermehrung erzeugt werden. Bisher fehlt es jedoch noch an Grundlagenwissen und effizienten Methoden zur Klonierung einheimischer Baumarten. • In der vorliegenden Arbeit wurde das vegetative Vermehrungspotential sowie der Kohlenhydrat- und Phytohormongehalt von sechs – in den Bergwäldern Südecuadors natürlich vorkommenden – Baumarten untersucht: Clethra revoluta (Clethraceae), Heliocarpus americanus (Tiliaceae), Isertia laevis (Rubiaceae), Myrica pubescens (Myriaceae), Piptocoma discolor (Asteraceae) und Tabebuia chrysantha (Bignoniaceae). • Trotz vielfältiger Variation der Anzuchtparameter über 1 ½ Jahre bewurzelten sich Sprossstecklinge adulter Bäume nicht. Die Pflanzen vertrockneten rasch. Messungen der stomatären Leitfähigkeit zeigen eine ungenügende Regulation der Stomata verbunden mit hohen Transpirationsverlusten. Die Gewinnung bewurzelter Sprossstecklinge von adulten Bäumen durch Abmoosen war zwar erfolgreich, aber bei der anschließenden Kultur in Erde vertrockneten auch diese Pflanzen. • Die Kohlenhydratmessungen ergaben bei mehreren Arten jährliche Schwankungen im Gehalt von Stärke und löslichen Zuckern, insbesondere der Raffinosefamilie (bei Tabebuia) bzw. erhöhte Inosit-Gehalte während der trockneren Monate. Zwar zeigte der Gesamtkohlenhydratgehalt in den Blättern deutliche saisonale Schwankungen (bei Heliocarpus-, Myrica- und Tabebuia-Pflanzen), doch ließen sich in den Zweigen generell keine ausgeprägten Jahresgänge nachweisen. Während Heliocarpus- und Tabebuia-Bäume Reservekohlenhydrate mit einem Gehalt von 6 bzw. 9,5 % (besonders in Form von Stärke sowie als Glukose, Fruktose und Saccharose) einlagerten, könnte der ganzjährig geringe Kohlenhydratvorrat von Clethra- und Piptocoma-Zweigen einer erfolgreichen Adventivbewurzelung abträglich gewesen sein. • Die endogenen Cytokinin- (Initiation von Wurzelprimordien) und Auxingehalte (Wurzelwachstum) gelten als besonders wichtig für die Stecklingsbewurzelung. Der gemessene Phytohormonstatus fluktuierte jahreszeiten- und artabhängig. Ein für die Bewurzelung günstiger Hormonstatus, also ein hoher Auxin : Cytokinin-Quotient, fand sich bei Heliocarpus und Tabebuia in den niederschlagsreichsten Monaten. Clethra und Myrica enthielten hingegen fast kein Auxin, aber relativ viel Cytokinin. Bei diesen Arten scheint eine Bewurzelung deshalb besonders schwierig zu sein. • Da es nicht möglich ist, in den Hormonstatus adulter Bäume einzugreifen, ergab sich als Konsequenz die Strategie, Jungpflanzen als Donor-Pflanzen zu verwenden, deren Hormon- und Reservestoffstatus durch Stressbehandlung entsprechend verändert werden könnte. Insbesondere galt es, den Cytokininspiegel endogen abzusenken. Heliocarpus und Tabebuia wurden für diese Versuche ausgewählt und Wassermangel, Nährstoffmangel, Einengung des Wurzelraums und Kombinationen dieser Stressoren ausgesetzt. Zusätzlich wurden Wildlinge verwendet. • Diese Strategie erwies sich als erfolgreich, denn es bewurzelten sich über alle Behandlungen gemittelt 42 % der Heliocarpus- und 15 % der Tabebuia-Stecklinge. Am erfolgreichsten waren Stecklinge von dürregestressten Heliocarpus-Bäumchen mit 70 % Bewurzelung und von unter Nährstoffmangel gezogenen Tabebuia-Pflanzen (25 %). Bei dieser Art bewurzelten sich ebenso Wildlinge sehr effektiv (45 %). Noch bessere Ergebnisse wurden mit dem Abmoosen bei beiden Arten erzielt. • Die Vorbehandlungen führten bei Heliocarpus und Tabebuia zu einem Anstieg des Kohlenhydratgehalts (ausgenommen bei dürregestressten Tabebuia-Pflanzen). Es ergab sich allerdings keine statistisch signifikante Korrelation des Kohlenhydratgehalts der verschieden gestressten Donor-Pflanzen mit ihrer Bewurzelungsrate. • Wie angenommen, führte die Stressbehandlung der Donor-Pflanzen beider Arten zu einem geringeren Cytokininspiegel, wobei in Tabebuia die Bewurzelung von Stecklingen und der Cytokiningehalt der Donor-Pflanzen signifikant negativ miteinander korreliert waren (rs bis zu -0,93). • Die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse zeigen klar, dass auch junge Zweige von adulten tropischen Bäumen praktisch kein Bewurzelungspotential mehr besitzen. Bei Jungpflanzen lässt sich dieses Potential durch Stress aktivieren, wobei sich die Akkumulation von Reservestoffen und die Absenkung des Cytokininspiegels günstig auf die Bewurzelungsrate auswirkten. Diese Konstellation war bei Tabebuia stärker ausgeprägt als bei Heliocarpus. • Da die Möglichkeit besteht, aus einer Donor-Pflanze mindestens zwei Stecklinge zu schneiden, ist der Aufbau einer Anzucht geklonten Materials für die Wiederaufforstung zwar zeitaufwändig, aber durchaus realisierbar.

Untersuchungen zur anterograden Bewegung und Vererbung von Mitochondrien in Saccharomyces cerevisiae (2012)

Johannes König

Mitochondrien können nicht de novo synthetisiert werden und müssen daher aktiv in die Tochterzelle vererbt werden. In Saccharomyces cerevisiae bewegen sich die Mitochondrien entlang des Aktinzytoskeletts. Dabei werden zwei mögliche Mechanismen für den anterograden Transport diskutiert. In einem Modell wird die anterograde Bewegung von Mitochondrien durch das Myo2 Motorprotein vermittelt. Im Gegensatz dazu wird in einem zweiten Modell vorgeschlagen, dass Aktinpolymerisation durch den Arp2/3-Komplex an der mitochondrialen Oberfläche die Mitochondrien in die Knospe transportiert. Durch Analyse einer temperatursensitiven Mutante von ARC40, das für einen essentiellen Bestandteil des Arp2/3-Komplex kodiert, konnte die Rolle der Arp2/3-abhängigen Aktinpolymerisation bei der Bewegung von Mitochondrien überprüft werden. Die Ergebnisse der Versuche bei nichtpermissiver Temperatur deuten jedoch nicht auf eine direkte Rolle von Arc40 beim mitochondrialen Transport hin. Desweiteren wurde die Beteiligung von Myo2 bei der mitochondrialen Vererbung genauer untersucht. Der Austausch bestimmter Aminosäuren in der Cargo-Bindedomäne von Myo2 führt zu einer Veränderung der Morphologie und des Transportes von Mitochondrien. In dieser Arbeit konnte der Bereich der Myo2 Cargo-Bindedomäne näher charakterisiert werden, der für die Vererbung von Mitochondrien von Bedeutung ist. So führen Aminosäureaustausche in dieser Region von Myo2 zu einem Transport- und Morphologiedefekt von Mitochondrien, der durch artifizielle Verankerung des Myo2 Motorproteins in der mitochondrialen Außenmembran gerettet werden konnte. Auch die negativ synthetischen Effekte von Mutationen in der Cargo-Bindedomäne von Myo2 mit der Deletion des Gens für die am Transport der Mitochondrien beteiligte Rab-GTPase Ypt11 konnten durch Expression dieser Mitochondrien-spezifischen Variante von Myo2 aufgehoben werden. Mittels Immuno-Elektronenmikroskopie gelang es, Myo2 auf der Oberfläche von isolierten Mitochondrien nachzuweisen. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Myo2 entscheidend und direkt an der Vererbung von Mitochondrien in S. cerevisiae beteiligt ist. Um einen Rücktransport in die Mutterzelle zu verhindern, müssen Mitochondrien nach ihrem Transport in die Knospe dort verankert werden. Die genetischen Daten dieser Arbeit sprechen dabei für eine Rolle von Mmr1, einem mitochondrialen Außenmembranprotein, das die Vererbung von Mitochondrien beeinflusst. Mit Hilfe von pulldown-Experimenten wurde in dieser Arbeit versucht, weitere Kandidaten für ein mitochondriales Myo2 Adapterprotein zu finden. Ausgehend von den genetischen Daten zum Transport von Mitochondrien wurde ein Modell entwickelt, bei dem die mitochondriale Morphologie, Ypt11 sowie eine Retention von Mitochondrien in der Knospe zum anterograden Transport durch Myo2 beitragen.

Untersuchungen zum Zusammenhang zwischen mitochondrialer Morphologie, Alterung und Apoptose in Saccharomyces cerevisiae (2010)

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.

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)

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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