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Dynamics and underlying processes of N2O and NO soil-atmosphere exchange under extreme meteorological boundary conditions
(2009)
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Stefanie Goldberg
- Climate models predict an increasing frequency and intensity of summer drought periods with subsequent heavy rainfall or soil frost and thaw events in mountain regions of Central Europe. These indirect effects of global warming may considerably influence soil microbial processes and in consequence emissions of climate-relevant trace gases. Regarding the nitrogen cycle, N2O and NO emissions are of concern, since they are involved in climate warming and soils represent a main source for these two gases. In spite of a growing number of studies on this subject, knowledge on effects of climate change on soil N2O and NO emissions is still scarce. This is mainly due to a hitherto poor mechanistic understanding of underlying processes within soil. In this thesis, the impact of extreme meteorological boundary conditions on N2O and NO fluxes in a Norway spruce forest and an acidic fen in the Fichtelgebirge area was investigated. The summer drought period and precipitation were experimentally increased in the forest and the fen over a 2-year span. Soil frost was induced in the forest by removal of the natural snow cover. The experiments were run in three replicates each and non-manipulated plots served as controls. Throughout the experiments, N2O and NO fluxes were recorded in weekly to monthly intervals. In addition, N2O concentrations and isotope signatures in soil air were measured along soil profiles to identify and localise the underlying biogenic production and consumption processes. Prolonged drought continuously reduced the N2O emission from the forest soil and even turned the soil temporarily into a sink for atmospheric N2O. Soil freezing and thawing caused a burst of N2O release contributing 84 % of the annual emission. Soil air N2O concentration and stable isotope profiles provide a new mechanistic explanation tool for all of these findings. N2O concentration in the soil air decreased in most cases exponentially from the subsoil to the soil surface. This observation identifies microbial activity in the subsoil (at >= 70 cm soil depth) as an additional source for N2O and diffusion to the soil surface along a concentration gradient. Furthermore, isotope abundance analysis identified simultaneous microbial N2O consumption (reduction to N2). Drought reduced the source strength of the organic layers for N2O while simultaneously the sink function of the mineral soil for N2O remained active. This resulted in a net N2O sink function of the forest soil under severe drought. Frost in the topsoil was the only exception for these trends in N2O concentration and isotope signature along soil profiles. Under conditions of soil frost the topsoil served no longer as a sink for N2O, thus leading to the observed burst in N2O emission. NO emissions from the forest soil exceeded the N2O emissions by up to two orders of magnitude. Prolonged drought in- or decreased NO emissions depending on the soil moisture content of the organic layers. Wetting after long-lasting drought periods – which turned out to be of less importance regarding N2O fluxes – strongly increased biogenic NO emissions and contributed 44 % to the annual loss. In contrast to the forest soil, NO fluxes from the fen were always one to two orders of magnitude lower than the N2O fluxes. These results support earlier findings that this highly reactive gas is either only marginally produced in the fen soil or undergoes chemical conversion before escaping from the soil surface. Nevertheless, water table reduction resulted in significantly increased net NO emission. Regarding N2O, this thesis suggests that summer drought periods may drastically increase emissions from minerotrophic fens depending on the reduction of water table height. Furthermore, heavy rainfall following drought periods caused short lived, but strong N2O peaks having significant impact on the annual N2O loss, that have not been reported so far. N-15 and O-18 isotope data provide evidence that these N2O peaks are due to newly produced N2O in the upper soil. This thesis documents the huge impact of extreme weather events on soil N2O and NO emissions and provides so far scarcely considered mechanistic explanations for these observations. A major outcome of this work is the finding of a hitherto unconsidered sink function of forest soils for atmospheric N2O, when soil net N2O production is compensated for by net consumption during long-lasting droughts. This work underlines the importance of investigating the fate of N2O within soil profiles next to flux measurements to improve the current knowledge on the complex interactions between meteorological boundary conditions and soil biogenic processes and thus help further upgrading global N2O balances.
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Mechanism of carbon monoxide oxidation at the active site [Ni-4Fe-5S] cluster of carbon monoxide dehydrogenase from Carboxydothermus hydrogenoformans
(2009)
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Seung-Wook Ha
- The carbon monoxide (CO) metabolism relies on CO-dehydrogenase (CODH) that oxidizes CO with H2O to CO2. The crystal structures of the native Ni-Fe CODHIICh from the CO-grown thermophilic hydrogenogenic anaerobic bacterium Carboxydothermus hydrogenoformans reveal the active site as a [Ni-4Fe-5S] cluster C, carrying a bimetallic Ni-(mu2S)-Fe1 subsite with a bridging mu2S. This is the assumed site, where the oxidation of CO occurs. However, cluster C in other catalytically active Ni-Fe CODHs, from Rhodospirillum rubrum, Moorella thermoacetica, and recombinant CODHIICh expressed in Escherichia coli, for example, lack the ¥ì2S bridging Ni and Fe and contain a [Ni-4Fe-4S] form of a cluster C. The CO oxidation mechanism proposed based on crystallographical and biochemical studies involved the apical binding of CO at the nickel ion and the activation of water at the Fe1 ion of the cluster. In order to understand how CO interacts with the active site of native CODHIICh and what function does the bridging mu2S ligand fulfill in the enzyme, this research work focuses (i) on the interaction of cluster C with CO analogue potassium cyanide and analysis of the resulting type of nickel coordination and (ii) on the effect of sodium sulfide on the enzymatic activities of the native CODHIICh. Under catalytic conditions, cyanide acts as a competitive inhibitor of CODHIICh with respect to CO. Under N2 gas phase without electron acceptor (non-catalytic conditions), cyanide inhibits CODHIICh at highly reduced state (low redox-potentials - 500 mV), not at oxidized and slightly reduced (- 320 mV) states. Cyanide is not able to inhibit CODHIICh at reduced conditions (- 500 mV) when CO is present in the atmosphere. Therefore, the interaction of cyanide with reduced active site is expected to mimic the substrate. The binding of cyanide to the nickel ion has been discovered by x-ray absorption spectroscopy and confirmed by x-ray crystallography at the atomic resolution. This structure comprises an intermediate state of cluster C with CO in NiFe-CODHIICh. In this reaction, cyanide displaces the mu2S ligand giving rise to square-planar Ni with three S and one CN ligands. Cluster C and its protein environment undergo significant conformational changes induced by the binding of cyanide. Remarkably, Fe1 is displaced by 1,1 A, which reduces the Fe1 to Ni distance by 0,1 A. Electron densities of the CN ligand estimate an occupancy of 80 % and N atom of cyanide is in hydrogen bonding distance to His93 and Lys563, which are involved in proton transfer network. The binding of cyanide eliminates the bridging ¥ì2S from the cluster C yielding H2S, whereas the Ni-(mu2S)-Fe1 bridge is reformed after the catalytic cycle. It is likely that the high rate of CO oxidation (Kcat/Km of 1.7 x 109 M-1 s-1 at 70 ¡ÆC) and subsequent rebinding of mu2S would prevent the release of this ion from the protein by diffusion-controlled process (108 to 109 M-1 s-1). Cyanide-inhibited reduced CODHIICh is fully reactivated after the release of cyanide upon incubation at 70 ¡ÆC in the presence of low-potential reductants. The square-planar NiS4-coordinated cluster C is recovered by reactivation with sulfide, resulting in fully active enzyme, which includes the reformation of the Ni-(mu2S)-Fe1 bridge. Reactivation in the absence of sulfide generates the NiS3-coordination, lacking the mu2S ligand, and results in partially active enzyme. NiS3-coordinated cluster C is readily converted to NiS4-conformation by incorporation of sulfide. This conversion results in an increase of CO oxidation activity and a stabilization of cluster C at growth temperatures of the bacterium. In addition, the NiS4-conformation displays better catalytic efficiency (Kcat/Km) than NiS3 under low concentrations of CO. Inhibition of CO2 reduction activity by sulfide and higher CO2 reduction activity of NiS3-conformation suggest that the mu2S ligand retards the binding of CO2 to Ni. The crystal structure of CO2 loaded NiS3-cluster further convinces this assumption. The mu2S ligand accelerates the physiologically relevant CO oxidation, prevents inhibition by the product CO2, and inhibits a non-physiological CO2 reduction. These functions of the bridging mu2S are of physiologically importance for the metabolism of C. hydrogenoformans in highly reducing, CO-limited, and CO2-rich volcanic environments. Thus, it is concluded that the [Ni-4Fe-5S]-form of cluster C is the biologically relevant species in CODHIICh. A CO oxidation mechanism developed in this thesis is based on the structures of cyanide-bound intermediated state and CO2-bound state, as well as on the kinetic data on the reactivity of the enzyme with CO, potassium cyanide and sodium sulfide.
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Transport of oxygen in roots of rice (Oryza sativa L.) and of water in developing grape berries (Vitis vinifera L.)
(2009)
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Lukasz Kotula
- 1. Radial oxygen flow in rice roots Measurements of ROL from rice roots grown in either aerated or deoxygenated conditions were combined with root histochemisrty and biochemistry. It was shown that the pattern of ROL from rice roots of stagnantly grown plants correlated with development of the apoplastic barriers in the root peripheral layers. Deoxygenated conditions induced early development of exodermal Casparian bands and suberin lamellae. In addition to suberization, early lignification of walls of densely packed sclerenchyma cells was found closer to root apex in stagnantly grown plants. Supporting these findings, biochemical analyses revealed that, when grown in stagnant solution, the amounts suberin and lignin in the OPR of all investigated zones were several folds greater than those of plants grown in aerated solution. Similarly, the highest rates of radial oxygen loss from plants grown in deoxygenated conditions were observed just behind the apex and decreased dramatically towards the base. By contrast, ROL from adventitious roots of plants grown in aerated solution was the highest at 30 mm from the apex. A new perfusion technique has been developed to measure the oxygen permeability coefficient of the outer part of root (OPR) of rice. Perfusion of aerenchyma of root segments with mixtures of O2/N2 of known oxygen concentration and at the same time measuring radial losses of oxygen allowed quantification of the permeability coefficient of the cell layers exterior to aerenchyma. The new method for measuring the O2 permeability of the outer part of roots (POPR) was applied to rice grown in either aerated or deoxygenated conditions. The results showed that POPR decreased along the root of plants grown in both conditions. However, when grown in deoxygenated medium, the O2 permeability across the OPR was lower by an order of magnitude at all tested distances compared with plants grown in aerated solution. The lower POPR in roots grown in stagnant solution as well as the reduction of POPR along the roots of plants from both conditions strongly correlated with the development of apoplastic barriers in the OPR. In order to estimate the contribution of apoplast and living cell for the overall movement of O2 across the OPR, the POPR was affected either by blocking the apoplastic pores in the OPR with salt precipitates or by killing the living cells with 0.1 N HCl. Treatment with CuSO4/K4Fe(CN)6 resulted in formation of brown precipitates only in roots of plants grown in aerated solution. This is strong evidence that well-developed apoplastic barriers impeded ion movement across the OPR in these plants. As a result of the formation of salt precipitates in the apoplastic pores of roots grown in aerated solution, the POPR decreased by 20-5%. This is in agreement with earlier findings of diffusional and bulk water flow of Ranathunge et al. (2005). The blockage of the apoplast with precipitates reduced the diffusional water permeability by about 20% and caused a massive 3- to 4- fold reduction of hydraulic conductivity. This suggested that the OPR of rice allow rather high water flow in the presence of relatively high resistance to O2. Killing of root segments by 0.1 N HCl increased the POPR by 20-55% of plants grown in both conditions. At least in part, these increases may result from vanishing the respiratory activity in the OPR. Overall, the physical resistance plays a dominant role in impeding O2 loss from rice roots, although effects due to respiration may contribute, namely, in the presence of low rates of radial oxygen loss. 2. The hydraulic properties in developing grape berries cv. Shiraz and Chardonnay Berries of Vitis vinifera cv. Shiraz can undergo weight loss during later stages of ripening. It was hypothesized that the reduction in net vascular flow of water into the berry, concomitant with transpirational loss, leads to berry weight loss. There may be also some back flow of water from the berry to the parent plant along the xylem. The present study provided first data on the hydraulic properties of the pedicel and components of the berries during development. Comparisons were made between Shiraz and Chardonnay, which is not known to undergo substantial weight loss. It was shown that the hydraulic conductance of single berries of both varieties declined during development. However, Shiraz berries had higher hydraulic conductance than Chardonnay for whole berries and all cut positions. The increase in hydraulic resistance was found in the proximal (brush) region and distal part of the berry, which was much larger in Chardonnay. For Shiraz, the increase in resistance was about half of that observed in Chardonnay. There was no evidence for changes in resistance in the pedicel or receptacle region of the berry. The reduction of hydraulic conductance could be due to combination of both: reduced aquaporin activity in the xylem parenchyma and restrictions in the xylem vessels.
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Die mitochondriale Biogenese in Saccharomyces cerevisiae: Identifizierung und Charakterisierung neuer Komponenten der mitochondrialen Funktion und Morphogenese
(2009)
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Sandra Merz-Jakob
- Deletionsbibliotheken sind heutzutage ein wertvolles Werkzeug, um Genfunktionen zu entschlüsseln und das Verständnis zellulärer Abläufe zu komplettieren. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden ausgehend von der ~4800 Deletionsmutanten nicht-essentieller Hefegene umfassenden MATalpha-Deletionsbibliothek large-scale Analysen durchgeführt, um das Verständnis zweier wichtiger Teilbereiche der mitochondrialen Biogenese zu erweitern, nämlich (1) dem Erhalt der Atmungsfähigkeit und (2) der mitochondriale Teilung als zentraler Bestandteil der Morphogenese. Die Biogenese der Atmungskette erfordert die koordinierte Expression des Kerngenoms und des mitochondrialen Genoms, wobei im Zellkern der Großteil der mitochondrialen Proteine kodiert wird und die mitochondriale DNA (mtDNA) nur wenige Gene enthält. Im ersten Teilabschnitt der vorliegenden Arbeit wurde ein systematischer, genomweiter Screen durchgeführt, um den Satz an kernkodierten Genen zu ermitteln, der für die respiratorische Aktivität sowie den Erhalt und die Expression der mtDNA in Hefe erforderlich ist. Durch vergleichende Gendeletionsanalysen konnte eine unerwartet große phänotypische Plastizität festgestellt werden. Darüber hinaus wurden zehn bisher uncharakterisierte Gene identifiziert, die essentiell für den Erhalt des respiratorischen Wachstums sind (RRG1 bis RRG10). Systematische funktionelle Analysen der 319 respiratorisch inkompetenten Mutanten enthüllten 16 Gene, die essentiell für den Erhalt mitochondrialer DNA sind, 88 Gene, die für die allgemeine mitochondriale Proteintranslation benötigt werden, und zehn Gene, die für die Expression bestimmter mitochondrialer Genprodukte erforderlich sind. In einer Gruppe von 23 Mutanten spielen vermutlich auch extragenomische Faktoren eine Rolle für mitochondriale Funktionen. Darunter waren vier Deletionsstämme mit fehlerhafter Assemblierung der Cytochrom c Oxidase. Diese akkumulieren verstärkt reaktive Sauerstoffspezies (ROS), was zu einer schnelleren Alterung führt. Insgesamt verbessern die gewonnenen Daten das Verständnis der molekularen Prozesse, die zum Erhalt der mtDNA, zur mitochondrialen Proteintranslation und zur Assemblierung der Atmungskette beitragen. Sie deckten mehrere bisher uncharakterisierte Komponenten auf und liefern ein umfassendes Bild der molekularen Prozesse, die für die respiratorische Kompetenz in einer relativ einfachen eukaryotischen Zelle benötigt werden. Die zentrale Bedeutung der Mitochondrien in der Zelle beschränkt sich jedoch nicht nur auf die Atmungsfähigkeit. Mitochondrien sind vielmehr wichtige Bestandteile zahlreicher physiologischer Prozesse, deren Funktionalität maßgeblich von der mitochondrialen Dynamik, insbesondere der Fusion und Teilung, abhängt. Der zweite Teilabschnitt der Arbeit beschäftigte sich deshalb mit der mitochondrialen Teilung. Mdm33, ein integrales Innenmembranprotein der Hefemitochondrien, ist die bisher einzige bekannte Komponente der Innenmembranteilung. Seine Überexpression bedingt eine mitochondriale Fragmentierung, die mit einem starken Wachstumsdefekt einher geht. Mögliche Wechselwirkungspartner waren nicht bekannt. Deshalb wurde ein genetischer Screen durchgeführt, um direkte oder indirekte Wechselwirkungspartner von Mdm33 zu identifizieren. MDM33 wurde in einer Auswahl von 164 Hefedeletionsmutanten überexprimiert, in denen vor allem mitochondrial lokalisierte Proteine fehlten. Anhand der Kriterien Wachstumsfähigkeit und blockierte mitochondriale Fragmentierung bei Überexpression von MDM33 wurden sieben bisher uncharakterisierte genetische Interaktions-partner identifiziert, die möglicherweise mit Mdm33 funktionell wechselwirken. Dnm1 und Mdv1 sind Komponenten der mitochondrialen Außenmembranteilungsmaschinerie. Die Detektion der Deletionsstämme deltadnm1 und deltamdv1 im Screen als MDM33-überexpressions-tolerant weist auf eine Funktion der Außenmembranteilungsmaschinerie bei der Entstehung des MDM33-Überexpressionsphänotyps hin und zeigt gleichzeitig, dass die Funktion von Mdm33 upstream der Außenmembranteilungsmaschinerie liegt. Dnm1 kann auch in Abwesenheit von Mdm33 auf der mitochondrialen Oberfläche assemblieren. Die Mdm33-abhängige Modulation der Teilungsaktivität erfolgt also nicht durch eine verhinderte Assemblierung, sondern wahrscheinlich durch eine veränderte Aktivierung der Außenmembranteilungsmaschinerie. Diese Ergebnisse liefern weitere Einblicke in den Zusammenhang zwischen der Mdm33-Funktion und der Außenmembranteilungsmaschinerie und untermauern damit die Gültigkeit des bestehenden Mdm33-Wirkmodells, in dem Mdm33 als Voraussetzung für die Außenmembranteilung die Innenmembranteilung/Einschnürung des Mitochondrientubulus vermittelt. Damit wurde ein weiterer Schritt zur Komplettierung des Bilds der mitochondrialen Teilungsmaschinerie getan.
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Investigating the ecology of partial and full myco-heterotrophy among Orchidaceae and Ericaceae using the stable isotope natural abundance analysis approach
(2009)
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Katja Preiß
- The group of nonphotosynthetic (chlorophyll-lacking) plants consists of about 4.100 species that directly parasitize on autotrophic plants and more than 400 so-called myco-heterotrophic species that rely upon organic nutrient supplies from associated fungi. Comprising almost a quarter of all known myco-heterotrophic species, the Orchidaceae are the most successful family among myco-heterotrophic plants. All orchids are myco-heterotrophic during their juvenile belowground phases but most species develop green leaves as adults. A similar situation occurs in the tribe Pyroleae (Ericaceae), consisting of mostly photosynthetic species that, as like as orchids, produce ‘dust seeds’ without endosperm and thus rely upon fungal support during early development. The use of stable isotope natural abundance analyses recently revealed that some adult green and hence putatively autotrophic Orchidaceae and Pyroleae gain organic carbon and nitrogen from their fungal partners in addition to the carbon obtained through photosynthesis and the mineral nitrogen assimilated from the soil. Plants exhibiting this mixed nutritional mode have been referred to as being partially myco-heterotrophic. Understanding the complex and fascinating ecology of partially and fully myco-heterotrophic plants is the basis for successful conservation to protect these mostly endangered species and to maintain their unique habitats. Analyses of stable isotope natural abundances and molecular identification of mycorrhizal fungi are modern techniques that can give insight into the plants’ nutritional modes under natural conditions without experimental disturbance. Based on these two methods, additional analyses of chlorophyll contents, light climate measurements and an in situ 13C labeling experiment, this thesis provides some new fundamental knowledge on the intriguing way of nutrient acquisition exhibited by several Orchidaceae and Ericaceae. A methodological approach that allows meta-analyses and improves the quantitative estimate of nutrient gains by partially myco-heterotrophic plants is presented in the first chapter. Using this enhanced method, the hitherto disputed or in most cases completely unknown nutritional status of a range of species was analyzed. It is evidenced that the ericaceous tribe Pyroleae comprises a fully myco-heterotrophic species (Pyrola aphylla) and stated that the leafless, ectomycorrhizal specialist orchid Corallorhiza trifida (hitherto considered as completely relying upon mycorrhizal fungi) is capable to photosynthesize. Based on the broad dataset on isotope signatures and mycorrhizal associates of numerous orchid species, the existence of a nutritionally new group of orchids could be proved, concluding that at least four nutritional modes can be found among terrestrial members of the Orchidaceae: autotrophy, where green orchids have carbon isotope signatures indistinguishable from those of surrounding autotrophs and mainly associate with Rhizoctonia species; partial myco-heterotrophy, where green orchids have carbon isotope signatures intermediate between those of autotrophs and myco-heterotrophs and associate with ectomycorrhizal fungi; full myco-heterotrophy, where orchids have lost the ability to photosynthesize, are specialized on either ectomycorrhizal or saprotrophic fungi and are enriched in 13C similar to their host fungi; and an additional strategy found in green orchids which mainly associate with ceratobasidioid and tulasnelloid fungi and are depleted in 13C compared to surrounding autotrophs - possibly due to a net plant-to-fungus transfer of 13C enriched carbon compounds. Studies on nutritional modes of orchids from Macaronesia and the Mediterranean region suggested that the availability of suited ectomycorrhizal fungi constrains the occurrence of partially and fully myco-heterotrophic species. Furthermore, we found a general pattern showing that high degrees of myco-heterotrophy in orchids are related to certain taxonomic groups and to the light-limited understory of forest sites while net plant-to-fungus carbon fluxes seem to be coupled to open light-saturated habitats. In a subsequent study on green Cephalanthera spp. from temperate forests, the effect of the prevalent micro-scale light climate on the degree of myco-heterotrophy was investigated more explicitly. It could be demonstrated that higher irradiances successively drive the orchids towards full autotrophy and that partial myco-heterotrophy thus is not a static nutritional mode but a surprisingly flexible mechanism allowing a well balanced utilization of carbon resources available in nature. Although many questions in this broad and novel scientific field remain to be answered, results of this thesis substantially contribute to our knowledge on myco-heterotrophy and the mechanisms behind. The presented findings allow drawing conclusions on habitat requirements and raise new aspects for species conservation.
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Eine empirische Studie zum Einsatz von schülerzentrierten Unterrichtsmethoden im Natur- und Technik-Unterricht zum Thema "Wasser - Grundlage des Lebens"
(2009)
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Sabine Gerstner
- Das Themengebiet „Wasser“ stellt einen wichtigen Schwerpunkt im Natur- und Technik-Unterricht der 5. Klasse an Gymnasien dar. Laut Lehrplan des bayrischen Kultusministeriums ist dabei auch „Naturwissenschaftliches Arbeiten“ in den Unterricht einzubeziehen. Der Einsatz schülerzentrierter Unterrichtsformen wie „Lernen an Stationen“ und „Concept Mapping“ bietet sich hierfür an. In der vorliegenden Arbeit wurde daher der Einfluss beider Unterrichtsmethoden auf kognitive und motivationale Variablen empirisch untersucht. Obwohl ein Lernen an Stationen innerhalb der Lehrerschaft hin und wieder als ein „Spaßunterricht“ mit einem nur geringen Einfluss auf kognitives Lernen angesehen wird, wurde dieses in der ersten Teilstudie einem lehrerzentrierten Unterricht gegenübergestellt. Auf beide Unterrichtsformen, welche exakt gleiche Themen behandelten, folgte eine Concept Mapping Phase zur Wissenssicherung. Somit konnte deren Einfluss auf den kurz- und langfristigen Wissenserwerb und die Motivation der Schüler getestet werden. Es zeigte sich, dass die Schüler in beiden Unterrichtsformen einen vergleichbaren langfristigen Lernerfolg erreichten, obwohl den getesteten Schülern die Methode des Lernen an Stationen bis dato gänzlich unbekannt war. Auch die Methode des Concept Mapping wurde in den Testklassen zum ersten Mal eingesetzt und wirkte sich dennoch, verglichen mit einer Kontrollgruppe ohne Konsolidierungsphase, positiv auf den kurzfristigen Wissenserwerb aus. Das gemessene Interesse, die wahrgenommene Wahlfreiheit und Kompetenz der Schüler war bei beiden Unterrichtsformen sehr hoch und unterschied sich nicht. In der zweiten Teilstudie wurden die erstellten Concept Maps bezüglich ihrer Qualität untersucht. Es zeigte sich, dass nach dem lehrerzentrierten Unterricht komplexere Concept Maps produziert wurden als dies nach dem Stationenlernen der Fall war. Dabei wurde zudem ein Geschlechtereffekt gemessen. Mädchen erstellten demnach die komplexeren Maps. Die Interaktion der Variablen „Geschlecht“ und „Anzahl von Wissensnetzen innerhalb einer Concept Map“ zeigte einen signifikanten Effekt auf das langfristig erworbene Wissen. Die dritte Teilstudie lieferte Einblick in das Langeweileempfinden von Schülern während des regulären Natur- und Technik-Unterrichts. Der Einsatz eines Langeweilefragebogens nach Lohrmann (2008) wurde in dieser Studie zum ersten Mal im Natur- und Technik-Unterricht angewandt. Eine Clusteranalyse erbrachte vier Schülertypen: „Optimal geforderte“ und „mäßig geforderte“ Schüler auf der einen Seite sowie Schüler, die regelrecht während des Unterrichts „abschalten“ oder „gelangweilt“ sind. Besonders hohes Interesse an neuen Unterrichtsformen (Lernen an Stationen) zeigten vor allem die Schüler, die bereits mit dem regulären Natur- und Technik-Unterricht sehr zufrieden waren. Alle drei Studien zusammengenommen lieferten neue Indizien für die Effektivität von schülerzentrierten Unterrichtsformen im Natur- und Technik-Unterricht an Gymnasien. Es konnte gezeigt werden, dass die hier angeführten schülerorientierten Unterrichtsformen ohne Probleme und längere Einführungsphasen eingesetzt werden können. Bereits deren erster Einsatz liefert vergleichbare Resultate sowohl im kurzfristig als auch langfristig erworbenen Wissen. Schon allein diese Ergebnisse sollten daher Lehrer in ihrem Vorhaben bekräftigen, konsequent auch auf neue Lernformen zu setzen.
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The Social System of the Round-Eared Sengi(Macroscelides proboscideus)
(2009)
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Melanie Schubert
- In the present study, I investigated the social system of the round-eared sengi (Macroscelides proboscideus), a small crepuscular mammal that lives in deserts and semi-deserts in Southern Africa. For studying the evolution of monogamy in this species, I determined the social organisation and male mate guarding in wild animals in the Goegap Nature Reserve, South Africa. Data were collected over three successive breeding seasons and one non-breeding season by radio-tracking and trapping over a period of 2.5 years. Additionally, extra-pair attempts of paired round-eared sengi males were studied under laboratory conditions using direct behavioural observations and morphological and physiological characteristics of males. In the field, the population was characterised by balanced adult sex ratios and by a lack in sexual dimorphism in body mass. Round-eared sengis lived in perennial territorial male-female-pairs. However, males maintained much larger areas than females that were sensitive to population density and the presence of neighbouring males. At higher density males used smaller areas than at lower population density, but the number of neighbouring males was fairly constant throughout the whole study. Male space use appeared to be primarily limited by the presence of neighbouring males. In contrast, females maintained smaller-sized territories despite changes in population density. Some paired males attempted to take over widowed females, but shifted back to their original home range following the intrusion of an un-paired male, possibly because of a low variation (about 10 %) in body mass. Female reproduced 2-3 litters during a long breeding season with an asynchronous birth interval between neighbouring females, favouring pre-copulatory and oestrus mate guarding. Males over-mark their females’ scent while following, possibly for concealing the females’ reproductive state and advertisement of the paired status, thereby decreasing the risk of intrusions by competitors. Mate guarding incurred costs, because, overall, males lost about 5 % of their body mass. On the individual level, male body mass loss was negatively related to the intensity of mate guarding during the pre-copulatory period. Furthermore, guarding was inversely correlated with male body mass in the pre-copulatory period and with the number of neighbouring males during oestrus, indicating that males vary their guarding effort in relation to their physical capabilities and the competitive environment. In addition, both sexes demonstrated promiscuous tendencies in the experimental study. Female sexual behaviour with male neighbours was positively related to the time neighbouring males spent in the females’ area and to male marking behaviour. Intruding males were attacked by resident males. Aggression experienced by intruding males was associated with body mass loss (about 4%) in these animals; the same was found for marking behaviour in the neighbouring area. Furthermore, glucocorticoid levels, determined from analyses of faeces and urine samples, positively correlated with male body mass loss and also with male marking behaviour of intruding males, indicating costs of this behaviour. In conclusion, pair-living is the predominant social organisation in round-eared sengis. Males suffered from a limited opportunity to monopolise more than a single female that may have resulted from females living solitarily in small exclusive territories, balanced adult sex ratios and a low variation in body mass between males. However, both sexes have promiscuous tendencies. Female reproduced asynchronously and advertised their reproductive status, so that males pursued two behavioural tactics: Males engage in mate guarding for ensuring paternity and also in extra-pair attempts with neighbouring females, possibly for increasing their reproductive success. Since both male tactics were energetic costly they may serve as honest signals of quality providing only higher quality males with the opportunity to enhance their reproductive success, which in turn may be advantageous for females in terms of genetic benefits.
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Auswirkungen der RNA-Interferenz auf allatoregulierende Neuropeptide und Lokalisation der B-Typ Allatostatine bei Spodoptera frugiperda
(2009)
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Manuela Griebler
- Zusammenfassung Bei Insekten regulieren Peptidhormone (Neuropeptide) viele physiologische und entwicklungsrelevante Prozesse, wie Wachstum, Häutung, Metamorphose, Reproduktion, Diapause, Fressverhalten und den Metabolismus. Allatoregulierende Neuropeptide hemmen (Allatostatine, AS) oder fördern (Allatotropine, AT) die Juvenilhormonbiosynthese in den Corpora allata, können aber auch andere Funktionen aufweisen, wie z.B. eine myoregulatorische Aktivität. In dieser Arbeit wurde zunächst die Lokalisation der B-Typ Allatostatine [W(X)6W-amide] aus Spodoptera frugiperda immunologisch untersucht. In Gehirnen adulter, 2 Tage alter Weibchen trat eine deutliche Immunfärbung in medianen neurosekretorischen Zellen des Protocerebrums, im oberen Bereich des Zentralkörpers und in den Antennalloben (Glomeruli) auf. In den Thorakal- und Abdominalganglien von Larven des letzten Larvenstadiums wurde eine intensive Färbung im Bereich des Neuropils und eine schwächere Immunreaktion im Bereich der lateral gelegenen neurosekretorischen Zellen beobachtet. Starke Färbung war auch in den Malpighischen Gefäßen sichtbar, die wahrscheinlich der apikalen Membran zwischen den Hauptzellen zuzuordnen ist, sowie im Mitteldarm und in larvalen Hoden. Anschließend wurden die physiologischen Funktionen der bereits charakterisierten allatoregulierenden Neuropeptide AT 2 und AS-C-Typ aus S. frugiperda nach einer Hemmung der Genexpression mittels der RNA-Interferenz Methode untersucht. Es wurden Expressionsstudien durchgeführt, um die Wirksamkeit und die Spezifität der RNA-Interferenz in verschiedenen Geweben zu überprüfen. Zudem wurden die Auswirkungen der RNA-Interferenz auf verschiedene physiologische Parameter untersucht. Dabei lag der Schwerpunkt der Experimente auf der Regulierung der Juvenilhormonbiosynthese, der Reproduktion, der Verpaarung und der Metamorphose. Nach Injektion und auch nach Fütterung von AS-C- bzw. AT 2-doppelsträngiger RNA (dsRNA) war die Expression der mRNA im Gehirn und Darm von Larven reduziert. Zudem führte die Injektion von AS-C- bzw. AT 2-dsRNA auch bei adulten Weibchen und Männchen unterschiedlicher Altersstufen zu einer Reduktion der Expression im Gehirn. Die Reduktion der Transkription bei Larven ging mit einem erhöhten Juvenilhormon(JH)-Titer in der Hämolymphe der Tiere einher. Dies lässt eine allatostate Aktivität der beiden Peptide zu diesem Zeitpunkt vermuten. Die Folge des erhöhten JH-Titers war eine Verlängerung des letzten Larvenstadiums. Bei adulten Weibchen war der Effekt der Injektion von AS-C- bzw. AT 2-dsRNA auf den JH-Titer vom Alter der Tiere abhängig und variierte innerhalb der JH-Homologen (JH I bis JH III). Diese Ergebnisse lassen vermuten, dass beide Peptide bei adulten Weibchen unterschiedliche Wirkungen auf unterschiedliche JH-Homologe in spezifischen Stadien der Entwicklung haben. Adulte Männchen hatten nach einer Injektion von AS-C- bzw. AT 2-dsRNA an bestimmten Tagen einen erhöhten JH-Titer. Bei der Verpaarung werden mit der Spermatophore verschiedene Substanzen, darunter auch JH, vom Männchen auf das Weibchen übertragen. Bei mit Ringer injizierten Männchen konnte vor der Verpaarung JH in den akzessorischen Drüsen (AD) detektiert werden. Nach der Verpaarung nahm der JH-Titer in den männlichen AD stark ab. Bei unverpaarten Weibchen war kein JH in der Bursa copulatrix nachweisbar. Wurden die Weibchen jedoch verpaart, konnten große Mengen JH in der Bursa copulatrix gefunden werden. Mit AS-C-dsRNA injizierte Männchen zeigten vor der Verpaarung einen erhöhten JH-Titer in ihren AD, der nach der Verpaarung wieder niedriger war. Die mit diesen Männchen verpaarten Weibchen hatten einen erhöhten JH-Titer in der Bursa copulatrix im Vergleich zu mit Ringer injizierten verpaarten Weibchen. Die Ergebnisse lassen auf eine allatostate Wirkung der AS-C-Peptide auf den JH-Titer in den AD schließen. Bei mit AT 2-dsRNA injizierten Männchen war der JH-Titer in den AD, im Vergleich zu den Kontrollen, sowohl vor als auch nach der Verpaarung erniedrigt, ebenso wie in der Bursa copulatrix der mit diesen Männchen verpaarten Weibchen. Weibchen, die mit AS-C- bzw. AT 2-dsRNA injiziert worden waren, zeigten eine reduzierte Eiablage (Oviposition), ebenso wie Ringer injizierte Weibchen, die mit AS-C- bzw. AT 2-dsRNA injizierten Männchen verpaart worden waren. Diese Beobachtungen deuten darauf hin, dass die Fertilität der Männchen und Weibchen durch Neuropeptide unterschiedlich beeinflusst wird, und damit auch die Eiproduktion und Eiablage der Weibchen. Insektenneuropeptide eignen sich als (Bio)Insektizide, da sie die Physiologie und das Verhalten der Insekten während der Entwicklung und Reproduktion beeinflussen bzw. regulieren. Eine Expression von spezifischen dsRNAs in transgenen Pflanzen, gerichtet gegen allatoregulierende Neuropeptidgene, könnte die gezielte Bekämpfung von Schadinsekten, wie z. B. des Agrarschädlings S. frugiperda, ermöglichen.
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Einfluss von Wetterfaktoren und sozialer Umwelt auf den Endoparasitenbefall juveniler Wildkaninchen (Oryctolagus cuniculus L.)
(2009)
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Anett Starkloff
- In der vorliegenden Studie sollte untersucht werden, inwieweit abiotische und soziale Faktoren in der frühen Jungtierentwicklung den Endoparasitenbefall juveniler Wildkaninchen (Oryctolagus cuniculus) im Herbst beeinflussen. Dabei wurden im ersten Teil der Arbeit abiotische Parameter, wie der prozentuale Anteil an Regentagen in den ersten Wochen, nachdem die Kaninchen das Nest verlassen haben, auf den Befall mit verschiedenen Nematoden des Magen-Darm-Trakts sowie auf die Anzahl an Oozysten im Kot untersucht. Im zweiten Teil der Arbeit wurde weiterhin der Einfluss von sozialen Interaktionen mit Artgenossen auf den Endoparasitenbefall getestet. Die Studie wurde 2006 bis 2008 an einer unter semi-natürlichen Bedingungen lebenden Population von Europäischen Wildkaninchen durchgeführt. Die Entwicklung der Tiere wurden durch individuelle Markierung von Geburt an erfasst und mittels Verhaltensbeobachtungen die sozialen Interaktionen mit Artgenossen aufgenommen. Zum Ende der Vegetationsperiode im Herbst wurden die Jungtiere getötet und anschließend der Befall mit Endoparasiten im Magen-Darm-Trakt sowie im Kot quantifiziert. Drei verschiedene Nematodenarten konnten im Magen-Darm-Trakt nachgewiesen werden: der Rote Magenwurm Graphidium strigosum, der Haarstrongylid Trichostrongylus retortaeformis und der Pfriemenschwanz Passalurus ambiguus. Weiterhin konnten im Kot Oozysten von Kokzidien der Gattung Eimeria nachgewiesen werden, welche noch näher spezifiziert wurden in Oozysten von in der Leber vorkommenden Eimeria stiedai und Oozysten von im Darm lebenden Eimeria-Arten. Bei allen Endoparasiten ließ sich eine Altersabhängigkeit nachweisen, wobei bei G. strigosum und P. ambiguus die älteren Tiere einen höheren Befall aufwiesen im Gegensatz zu T. retortaeformis und den Oozysten im Kot, mit denen jüngere Tiere stärker belastet waren. Es zeigten sich deutliche Effekte der abiotischen Umwelt auf den Endoparasitenbefall der Tiere. Dabei war der prozentuale Anteil an Regentagen in den ersten acht Wochen nach Nestverlassen positiv korreliert mit dem Befall an Endoparasiten, wobei bei den Oozysten im Kot nur der Regen bei Temperaturen unter 10°C einen Einfluss hatte. Eine negative Korrelation konnte zwischen den soziopositven Interaktionen mit Artgenossen und sowohl dem Gesamtnematodenbefall als auch dem Befall mit P. ambiguus nachgewiesen werden: Tiere mit vielen soziopositiven Interaktionen mit Artgenossen in der frühen Jungtierentwicklung hatten eine geringere Wurmbelastung im Herbst. Hervorgerufen wurde dieser Effekt vor allem durch Interaktionen mit der Mutter und Wurfgeschwistern. Dieses Phänomen lässt den Schluss zu, dass durch social support mit Bindungspartnern die Endoparasitenbelastung der Jungtiere reduziert wird. Dafür spricht auch, dass viele soziopositive Interaktionen eine geringere Stressbelastung für die Tiere bedeuten. Zusammenfassend lässt sich sagen: Sowohl abiotische als auch soziale Umweltfaktoren bereits in der frühen Jungtierphase beeinflussen längerfristig die Parasitenbelastung der Tiere, was entscheidend für deren Überlebenswahrscheinlichkeit und Reproduktionserfolg sein kann.
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Vegetative Vermehrung einheimischer Baumarten in Südecuador - Physiologische Grundlagen und deren Umsetzung
(2009)
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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.
