Institut für Ökologie, Evolution und Diversität
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The swine plasma metabolome chronicles "many days" biological timing and functions linked to growth
(2016)
The paradigm of chronobiology is based almost wholly upon the daily biological clock, or circadian rhythm, which has been the focus of intense molecular, cellular, pharmacological, and behavioral, research. However, the circadian rhythm does not explain biological timings related to fundamental aspects of life history such as rates of tissue/organ/body size development and control of the timing of life stages such as gestation length, age at maturity, and lifespan. This suggests that another biological timing mechanism is at work. Here we focus on a "many days" (multidien) chronobiological period first observed as enigmatic recurring growth lines in developing mammalian tooth enamel that is strongly associate with all adult tissue, organ, and body masses as well as life history attributes such as gestation length, age at maturity, weaning, and lifespan, particularly among the well studied primates. Yet, knowledge of the biological factors regulating the patterning of mammalian life, such as the development of body size and life history structure, does not exist. To identify underlying molecular mechanisms we performed metabolome and genome analyses from blood plasma in domestic pigs. We show that blood plasma metabolites and small non-coding RNA (sncRNA) drawn from 33 domestic pigs over a two-week period strongly oscillate on a 5-day multidien rhythm, as does the pig enamel rhythm. Metabolomics and genomics pathway analyses actually reveal two 5-day rhythms, one related to growth in which biological functions include cell proliferation, apoptosis, and transcription regulation/protein synthesis, and another 5-day rhythm related to degradative pathways that follows three days later. Our results provide experimental confirmation of a 5-day multidien rhythm in the domestic pig linking the periodic growth of enamel with oscillations of the metabolome and genome. This association reveals a new class of chronobiological rhythm and a snapshot of the biological bases that regulate mammalian growth, body size, and life history.
Atelopus is a species-rich group of Neotropical bufonids. Present knowledge on bioacoustics in this genus is relatively poor, as vocalisations have been described in only about one fifth of the ca. 100 species known. All studied members of the genus produce vocalisations although, with a few exceptions, most species lack a middle ear. Nonetheless, hearing has been demonstrated even in earless Atelopus making bioacoustics in these toads an inspiring research field. So far, three structural call types have been identified in the genus. As sympatry is uncommon in Atelopus, calls of the same type often vary little between species. Based on recordings from the 1980s, we describe vocalisations of three Venezuelan species (A. carbonerensis, A. mucubajiensis, A. tamaense) from the Cordillera de Mérida, commonly known as the Andes of Venezuela and the Tamá Massif, a Venezuelan spur of the Colombian Cordillera Oriental. Vocalisations correspond, in part, to the previously identified call types in Atelopus. Evaluation of the vocalisations of the three species presented in this study leads us to recognise a fourth structural call type for the genus. With this new addition, the Atelopus acoustic repertoire now includes (1) pulsed calls, (2) pure tone calls, (3) pulsed short calls and (4) pure tone short calls. The call descriptions provided here are valuable contributions to the bioacoustics of these Venezuelan Atelopus species, since all of them have experienced dramatic population declines that limit possibilities of further studies.
Peronospora salviae‐officinalis, the causal agent of downy mildew on common sage, is an obligate biotrophic pathogen. It grows in the intercellular spaces of the leaf tissue of sage and forms intracellular haustoria to interface with host cells. Although P. salviae‐officinalis was described as a species of its own 10 years ago, the infection process remains obscure. To address this, a histological study of various infection events, from the adhesion of conidia on the leaf surface to de novo sporulation is presented here. As histological studies of oomycetes are challenging due to the lack of chitin in their cell wall, we also present an improved method for staining downy mildews for confocal laser scanning microscopy as well as evaluating the potential of autofluorescence of fixed nonstained samples. For staining, a 1:1 mixture of aniline blue and trypan blue was found most suitable and was used for staining of oomycete and plant structures, allowing discrimination between them as well as the visualization of plant immune responses. The method was also used to examine samples of Peronospora lamii on Lamium purpureum and Peronospora belbahrii on Ocimum basilicum, demonstrating the potential of the presented histological method for studying the infection processes of downy mildews in general.
Unusual Deep Water sponge assemblage in South China - witness of the end-Ordovician mass extinction
(2015)
There are few sponges known from the end-Ordovician to early-Silurian strata all over the world, and no records of sponge fossils have been found yet in China during this interval. Here we report a unique sponge assemblage spanning the interval of the end-Ordovician mass extinction from the Kaochiapien Formation (Upper Ordovician-Lower Silurian) in South China. This assemblage contains a variety of well-preserved siliceous sponges, including both Burgess Shale-type and modern type taxa. It is clear that this assemblage developed in deep water, low energy ecosystem with less competitors and more vacant niches. Its explosion may be related to the euxinic and anoxic condition as well as the noticeable transgression during the end-Ordovician mass extinction. The excellent preservation of this assemblage is probably due to the rapid burial by mud turbidites. This unusual sponge assemblage provides a link between the Burgess Shale-type deep water sponges and the modern forms. It gives an excellent insight into the deep sea palaeoecology and the macroevolution of Phanerozoic sponges, and opens a new window to investigate the marine ecosystem before and after the end-Ordovician mass extinction. It also offers potential to search for exceptional fossil biota across the Ordovician-Silurian boundary interval in China.
Introduction: Gastropoda are guided by several sensory organs in the head region, referred to as cephalic sensory organs (CSOs). These CSOs are innervated by distinct nerves. This study proposes a unified terminology for the cerebral nerves and the categories of CSOs and then investigates the neuroanatomy and cellular innervation patterns of these cerebral nerves, in order to homologise them. The homologisation of the cerebral nerves in conjunction with other data, e.g. ontogenetic development or functional morphology, may then provide insights into the homology of the CSOs themselves.
Results: Nickel-lysine axonal tracing (“backfilling”) was used to stain the somata projecting into specific nerves in representatives of opisthobranch Gastropoda. Tracing patterns revealed the occurrence, size and relative position of somata and their axons and enabled these somata to be mapped to specific cell clusters. Assignment of cells to clusters followed a conservative approach based primarily on relative location of the cells. Each of the four investigated cerebral nerves could be uniquely identified due to a characteristic set of soma clusters projecting into the respective nerves via their axonal pathways.
Conclusions: As the described tracing patterns are highly conserved morphological characters, they can be used to homologise nerves within the investigated group of gastropods. The combination of adequate number of replicates and a comparative approach allows us to provide preliminary hypotheses on homologies for the cerebral nerves. Based on the hypotheses regarding cerebral nerve homology together with further data on ultrastructure and immunohistochemistry of CSOs published elsewhere, we can propose preliminary hypotheses regarding homology for the CSOs of the Opisthobranchia themselves.
Im Rahmen dieser Dissertation wurden unterschiedliche Aspekte der Verbreitung der Vertreter des Pseudoterranova decipiens Komplexes betrachtet und Fragestellungen zur Ökologie und Humanpathogenität der Parasiten bearbeitet. Sie basiert auf drei (ISI-) Fachartikeln, in denen die Nutzung von Fischparasitengemeinschaften als ökologische Indikatoren für entlegene Ökosysteme des Südpolarmeeres (I), die Modellierung geeigneter Verbreitungsgebiete für Arten mit geringen Vorkommensdaten am Beispiel des P. decipiens Komplexes (II) und das Vorkommen potentiell humanpathogener P. bulbosa in unterschiedlichen Mikrohabitaten in Atlantischem Kabeljau (III) thematisiert wurde.
Die Parasitengemeinschaften der in Studie I untersuchten, nahverwandten Antarktisdorsche (Nototheniinae) Nototheniops larseni (n=40), N. nudifrons (n=40) und Lepidonotothen squamifrons (n=49) unterschieden sich hauptsächlich hinsichtlich seltener Parasitenarten. Pseudoterranova decipiens E zählte zu den häufigsten Parasiten der drei betrachteten Wirtsarten. Die Analyse der Wirtsspektren der auf Artebene bestimmten Parasiten zeigte eine geringe Spezifität antarktischer Fischparasiten im Larven- (z.B. Pseudoterranova decipiens E) und Adultstadium (z.B. Elytrophalloides oatesi). Für eine Nutzung als Bioindikatoren ergibt sich die Empfehlung, nicht auf einzelne Parasitenarten, sondern die Zusammensetzung von Parasitenfaunen zurückzugreifen und Parameter wie Abundanz oder Intensität zu berücksichtigen. Vergleiche mit Literaturdaten legten nahe, dass ein Studiendesign, das den periodischen Vergleich der Parasitierungsmuster von Nototheniinae ermöglichen soll, Standorteffekte berücksichtigen sollte. Da es sich bei der Probennahme demersaler Fische um ein aufwändiges und einschneidendes Verfahren handelt, sollten alternative Samplingmethoden vorangetrieben und eine Datenbasis dafür geschaffen werden.
Um die Belastung von Speisefischen mit potentiell humanpathogenen Parasiten in bestimmten Fanggebieten abzuschätzen, kann anhand von Vorkommens- und Umweltdaten mittels statistischer Modelle die Habitateignung für den Parasiten bestimmt werden. Eine Voraussetzung für eine verlässliche Modellierung bilden die Wahl eines geeigneten Algorithmus und die Qualität der Eingangsdaten. Für die Modellierung geeigneter Verbreitungsgebiete für die sechs Arten des P. decipiens Komplexes wurde im Rahmen von Studie II erstmalig ein biotischer Deskriptor herangezogen. Dem Ansatz lag die Annahme zugrunde, dass das Vorkommen geeigneter Endwirte der entscheidende, limitierende Faktor für die Verbreitung eines Parasiten ist, da nur so der Lebenszyklus geschlossen werden kann. Als Hypothesentest dienten Vergleiche der ökologischen Nischen von Parasiten und ihren spezifischen Endwirten im Nischenraum. Anhand der Endwirtdistanz wurde eine Verbesserung der Modellierungsergebnisse mit MaxEnt, gegenüber der ausschließlich auf abiotischen Prädiktoren basierenden Modellierung, für alle Pseudoterranova Arten, insbesondere jene mit einer geringen Anzahl Fundpunkte, erzielt. Grundsätzlich ist der Ansatz auf marine Parasitenarten, deren spezifische Endwirte verlässliche Vorkommensdaten aufweisen, übertragbar. Die Methode stellt jedoch keinen Ersatz für die Erhebung von Vorkommensdaten dar, weshalb die genetische Bestimmung schwer zu identifizierender Taxa sowie die Angabe von Metadaten in jeder parasitologischen Studie obligatorisch sein sollten.
Die Verteilung potentiell humanpathogener Parasitenstadien in für den menschlichen Verzehr vorgesehenen Fischen kann ein entscheidender Faktor für die Übertragung sein. Im Rahmen von Studie III wurde mit dem Referenztranskriptom von P. bulbosa das erste Transkriptom für eine Art den P. decipiens Komplexes erstellt. Anhand einer differentiellen Genexpressionsanalyse wurde untersucht, was die Verteilung der Parasiten auf unterschiedliche Mikrohabitate beeinflusst haben könnte. Dabei wurden siebzig differentiell exprimierte Gene identifiziert, die in aus Leber (32 Gene) und Viscera (38 Gene) von Atlantischem Kabeljau (Gadus morhua) isolierten Proben von P. bulbosa hochreguliert waren. Eine Erklärung für diesen subtilen Unterschied könnte ein Dauerstadium der P. bulbosa Larven zum Zeitpunkt der Probennahmen sein. Ob sich bestimmte Mikrohabitate innerhalb des Wirtes begünstigend auf den Parasiten auswirken, muss mit Hilfe experimenteller Studien gezeigt werden. Erste in Studie III erhobene Daten zum allergenen Potential von P. bulbosa sollten in serologischen Studien getestet werden. Als Grundlage für die Bewertung des pathogenen Potentials von P. bulbosa, sowie der weiteren Arten des P. decipiens Komplexes, sollten in experimentellen Studien NGS-Daten erhoben werden.
Im Rahmen dieser Dissertation wurde in drei methodisch unterschiedlichen Studien ein Bedarf besserer Referenzdaten aufgezeigt. Bestreben diese Datenlücken zu schließen, um das Potential der Methoden besser ausschöpfen zu können, müssen zukünftig noch weiter verstärkt werden.
Anfang Februar veröffentlichte die Pressestelle der Goethe-Universität die Meldung „In der Stadt bauen Kaninchen dichter: Große Bauten für die ländliche Großfamilie, kleine Bauten für das städtische Pärchen.“ Die Meldung beruhte auf einem Fachartikel der Arbeitsgruppe Ökologie und Evolution im Journal of Zoology. Rasend schnell verbreitete sich die Meldung in den Medien – wir haben Madlen Ziege, Doktorandin in der Arbeitsgruppe Ökologie und Evolution einmal danach befragt, wie die Forschung mit populären oder besser: popularisierten Meldungen umgeht.