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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.
Methylation of ribose sugars at the 2′-OH group is one of the major chemical modifications in rRNA, and is catalyzed by snoRNA directed C/D box snoRNPs. Previous biochemical and computational analyses of the C/D box snoRNAs have identified and mapped a large number of 2′-OH ribose methylations in rRNAs. In the present study, we systematically analyzed ribose methylations of 18S rRNA in Saccharomyces cerevisiae, using mung bean nuclease protection assay and RP-HPLC. Unexpectedly, we identified a hitherto unknown ribose methylation at position G562 in the helix 18 of 5′ central domain of yeast 18S rRNA. Furthermore, we identified snR40 as being responsible to guide snoRNP complex to catalyze G562 ribose methylation, which makes it only second snoRNA known so far to target three ribose methylation sites: Gm562, Gm1271 in 18S rRNA, and Um898 in 25S rRNA. Our sequence and mutational analysis of snR40 revealed that snR40 uses the same D′ box and methylation guide sequence for both Gm562 and Gm1271 methylation. With the identification of Gm562 and its corresponding snoRNA, complete set of ribose methylations of 18S rRNA and their corresponding snoRNAs have finally been established opening great prospects to understand the physiological function of these modifications.
Network graphs have become a popular tool to represent complex systems composed of many interacting subunits; especially in neuroscience, network graphs are increasingly used to represent and analyze functional interactions between multiple neural sources. Interactions are often reconstructed using pairwise bivariate analyses, overlooking the multivariate nature of interactions: it is neglected that investigating the effect of one source on a target necessitates to take all other sources as potential nuisance variables into account; also combinations of sources may act jointly on a given target. Bivariate analyses produce networks that may contain spurious interactions, which reduce the interpretability of the network and its graph metrics. A truly multivariate reconstruction, however, is computationally intractable because of the combinatorial explosion in the number of potential interactions. Thus, we have to resort to approximative methods to handle the intractability of multivariate interaction reconstruction, and thereby enable the use of networks in neuroscience. Here, we suggest such an approximative approach in the form of an algorithm that extends fast bivariate interaction reconstruction by identifying potentially spurious interactions post-hoc: the algorithm uses interaction delays reconstructed for directed bivariate interactions to tag potentially spurious edges on the basis of their timing signatures in the context of the surrounding network. Such tagged interactions may then be pruned, which produces a statistically conservative network approximation that is guaranteed to contain non-spurious interactions only. We describe the algorithm and present a reference implementation in MATLAB to test the algorithm’s performance on simulated networks as well as networks derived from magnetoencephalographic data. We discuss the algorithm in relation to other approximative multivariate methods and highlight suitable application scenarios. Our approach is a tractable and data-efficient way of reconstructing approximative networks of multivariate interactions. It is preferable if available data are limited or if fully multivariate approaches are computationally infeasible.
In spite of enormous climatic differences between Burkina Faso and Germany, 20 species belong to the spontaneous flora of both countries, i.e. 1% of the flora of Burkina Faso and 0.15 % of the German flora. All of them are either ruderal and segetal species (16) or water and reed plants (4). All of the 16 ruderals/segetals are therophytes. From a recent point of view, most of the 20 species can be classified as cosmopolitan, because they cover three and more floristic zones, and/or at least three climatic zones, and/or are represented in at least three continents. Although Burkina Faso has a semi-arid climate, none of the species can be called a sclero- or xerophyte. Therefore, in Burkina Faso, all are more or less bound to habitats at least temporarily flooded or to humid soils. In Germany, however, the concerned ruderals, with one exception, are indicators of medium dry or dry habitats.
Reaktive Sauerstoffspezies lösen molekular Schäden aus und werden als möglicher Auslöser des Alterungsprozesses gesehen. Sie sind allerdings auch wichtige Signalgeber, deren Einfluss in den letzten Jahren immer mehr Beachtung findet. Im der vorliegenden Arbeit wurde die Signalwirkung von ROS auf das Alternsmodell P. anserina untersucht. Dabei konnten folgende Erkenntnisse gewonnen werden.
1. Die H2O2–Konzentration im Extrazellularraum und im Cytoplasma steigt bei PQ-Stress und während des Alterns an.
2. Bei PQ-Stress und während des Alterns treten Ähnlichkeiten der globalen Transkriptregulation auf, die vermutlich durch die angestiegene H2O2-Konzentration ausgelöst werden.
3. Die Transkriptmenge von SODs und die Gesamt-SOD-Aktivität sind bei PQ-Stress leicht herunterreguliert. Transkripte für PaCCP1 und PaCATB treten dagegen bei PQ-Stress vermehrt auf und auch die Gesamt-Katalase-Aktivität steigt an. Dies deutet darauf hin, dass der Fokus des enzymatischen Abbaus von ROS bei PQ-Stress nicht im Abbau von Superoxid-, sondern von Wasserstoffperoxid liegt.
4. Bei PQ-Stress steigt die Transkriptmenge von Schlüsselgenen der Carotinoid-Biosynthese.
5. Transkripte von mitochondrial lokalisierten Proteinen werden bei PQ-Stress stark hochreguliert, die Menge an Mitochondrien nimmt allerdings nicht zu. Dies deutet auf einen verstärkten Abbau mitochondrialer Proteine, gefolgt von einer Neusynthese hin.
6. Bei PQ-Stress sinkt die Expression von Genen, die für den Kupferimport benötig werden. Dies wird höchstwahrscheinlich durch die Inaktivierung des Transkriptionsfaktors GRISEA ausgelöst. Es kommt zu einem Kupfermangel, der eine verstärkte alternative PaAOX-abhängige Atmung auslöst und dafür sorgt, dass kupferabhängige Prozesse, wie die Melanin- und Sterigmatocystin-Synthese transkriptionell herunterreguliert werden. Durch die verringerte Transkriptmenge von Kupferimportern bei PQ-Stress kommt es zu starken Gemeinsamkeiten in der globalen Genregulation von PQ-gestressten Kulturen und der Kupfer-depletierten Mutante grisea.
7. Kupfer und PQ haben einen synergistisch negativen Effekt auf Wuchsrate und Lebensspanne von P. anserina. Bei hohen Kupfer und Superoxid-Konzentrationen kommt es vermutlich zur verstärkten Bildung von Hydroxyl-Radikalen, wodurch molekulare Schäden entstehen. Durch eine verringerte Kupferkonzentration wird der Organismus bei PQ-Stress möglicherweise vor der Bildung von Hydroxyl-Radikalen geschützt.
Insgesamt haben die Untersuchungen gezeigt, dass ROS wichtige Signalmoleküle sind, die einen starken Einfluss auf die Regulation von Transkripten haben. Viele dieser transkriptionellen Regulationen führen zu physiologischen Veränderungen. Der Fokus der Regulationen liegt unter den verwendeten Bedingungen im Schutz vor den schädlichen Effekten von ROS.
Stechmücken (Dipteren: Culicidae) sind weltweit mit über 3500 Arten und mit Ausnahme der arktischen Regionen ubiquitär vertreten. Die medizinische Relevanz dieser Tiergruppe, begründet durch die hämatophage Lebensweise der Weibchen, erschloss sich bereits Ende des 19. Jh. und hat bis heute Bestand. Jedes Jahr sterben rund 600.000 Menschen an den Folgen der Malaria und fast 100 Mio. Menschen infizieren sich mit dem Denguefieber. Zwar beziehen sich diese Zahlen fast ausschließlich auf die Entwicklungsländer, aber im Zuge des Klimawandels und des immer stärkeren Welthandels kommt es auch in Europa und den USA immer wieder zu Ausbrüchen vorher nicht relevanter Krankheiten. So hat sich das West-Nil- Virus seit 1999 in Nordamerika rasant verbreitet. Im Jahr 2013 gab es dort rund 2500 Fälle, von denen 119 zum Tod führten. In Europa traten hingegen Krankheiten wie das Chikungunyafieber (Italien 2007) oder das Denguefieber (Frankreich 2010/2013) auf. Die Gründe für diese Ausbrüche sind vor allem in der Einschleppung neuer Vektorspezies und Krankheitserreger sowie in den veränderten Wirtspräferenzen einheimischer Stechmückenarten zu suchen. Das Wissen um das Vektorpotential der in Deutschland heimischen Stechmücken konnte vor allem durch die seit 2009 initiierten Monitoring-Programme stetig erweitert werden. Auch die Veränderung der heimischen Fauna durch invasive Arten wie Ochlerotatus japonicus japonicus oder Aedes albopictus wird intensiv erforscht. Dennoch ist hinsichtlich der Biologie, Ökologie sowie Genetik vieler Arten noch immer wenig bekannt.
Die vorliegende Dissertation, welche auf Basis von vier (ISI-) Einzelpublikationen kumulativ angefertigt wurde, beschäftigte sich mit der Analyse der genetischen Variabilität sowie der Zoogeographie der untersuchten Arten und der Etablierung einer schnellen und kostengünstigen Methode zur Artdiagnostik. Besonderes Augenmerk wurde bei den Analysen auf die beiden heimischen Arten Culex pipiens und Culex torrentium sowie die invasive Art Ochlerotatus japonicus japonicus gelegt. Ziel war es, die noch bestehenden Wissenslücken zu füllen, um zukünftige Monitoring-Programme besser koordinieren sowie Analysen zur Vektorkompetenz und Genetik dieser Arten gezielter durchführen zu können.
Es konnte gezeigt werden, dass Cx. pipiens und Cx. torrentium deutliche Unterschiede in ihren Populationsstrukturen aufwiesen welche auf verschiedene evolutive Prozesse hindeuten. Die geringere genetische Variabilität in Cx. pipiens lässt auf positive Selektion durch z.B. Insektizidresistenz im Zuge durchgeführter Bekämpfungsmaßnahmen oder die Infektion mit Wolbachien schließen. Die analysierte Populationsstruktur von Cx. torrentium spricht hingegen für eine geringe Ausbreitung, wodurch der genetische Austausch reduziert wurde und so die untersuchten Populationen genetisch stärker voneinander abwichen. Des Weiteren ließen die Analysen des Cytochrom c Oxidase Untereinheit 1-Fragmentes (cox1) Rückschlüsse auf die Zoogeographie dieser Arten in Deutschland zu - wobei beide Arten über das Untersuchungsgebiet verteilt waren, Cx. torrentium jedoch in den neuen Bundesländern weniger häufig nachgewiesen wurde als in den alten und eine geringere gefangene Individuenzahl aufwies. Basierend auf der ökologischen Nischenmodellierung konnten potentiell neue Verbreitungsgebiete für die Art Ochlerotatus japonicus japonicus identifiziert werden. Als klimatisch besonders günstig zeigten sich dabei Südhessen, das Saarland sowie nördliche Teile Nordrhein-Westfalens. Mit Hilfe der etablierten Methode der direct-PCR wird in Zukunft eine schnellere und kostengünstigere Identifizierung von Stechmücken erfolgen können, welche aufgrund bestimmungsrelevanter Merkmale nicht mehr morphologisch zu identifizieren sind.
Um das Wissen über die Stechmücken in Deutschland fortlaufend zu intensivieren, ist sowohl das Weiterführen der Monitoring-Programme als auch die molekularbiologische Aufarbeitung der Proben nötig. Durch die Anwendung neuer Techniken und weiterer molekularer Marker wird es möglich sein, weitere Krankheitserreger sowie genetische Besonderheiten der heimischen Stechmückenfauna nachzuweisen. Aber auch die Überwachung invasiver Stechmückenarten durch die Modellierung potentieller Verbreitungsgebiete und die Anwendung molekularbiologischer Analysemethoden zum Detektieren der Arten und möglicher Krankheitserreger wird ein wichtiger Bestandteil der weiteren Forschung sein.
The neural crest gives rise to the neurons and glial cells of the peripheral nervous system (PNS) (Bronner-Fraser and Fraser, 1989; Frank and Sanes, 1991). Self-renewing neural crest-derived stem cells (NCSCs) are present in migratory neural crest and various postmigratory locations, including peripheral ganglia (Duff et al., 1992; Morrison et al., 1999; Kruger er al., 2002). It is demonstrated that NCSCs from embryonic mouse dorsal root ganglia (DRG) are reprogrammed in neurosphere (NS) cultures in the presence of EGF and FGF. Reprogrammed NCSCs (rNCSCs) generate exclusively central nervous system (CNS) progeny, both in vitro and upon transplantation into the mouse brain (Binder et al., 2011). In this study the timing and mechanisms underlying the reprogramming were addressed. Most of the cells acquire CNS characteristics at passage 2, reaching a stable proportion of >90% of Olig2-positive cells at passage 3, which is maintained at least up to passage 10. The PNS marker p75 is completely lacking from passage 3 onwards. Furthermore, it was shown that the reprogramming does not involve a transient pluripotency state. This suggests a direct reprogramming of NCSCs to cells with CNS identity. The reprogramming leads to a stable CNS identity as shown by delayed BMP4 application. This result is in agreement with the previous observation that rNCSCs only generate CNS progeny, in particular mature myelinating oligodendrocytes, upon transplantation into embryonic, postnatal and lesioned adult mouse brains (Binder et al., 2011). Genome wide gene expression profiles of rNCSC NS demonstrates already in culture a complete switch to a (spinal cord stem cell) SCSC CNS identity. These results demonstrate a complete reprogramming of PNS progenitors to CNS identity without genetic modification and imply PNS cells as a source for stem cell-based CNS therapy.
The reprogramming of NCSCs is completely blocked in the presence of BMP4 in NS cultures, as shown by the expression of neural crest markers p75 and Sox10. In addition, BMP4 NCSCs generate PNS neurons (Tuj1/Phox2b- and Peripherin/Tuj1-coexpressing cells) and Schwann cells (O4/p75-coexpressing cells). Genome wide gene expression profiles of BMP NCSCs demonstrate that BMP NCSCs express genes at high levels which are characteristic for neural crest/neural crest derivatives, mesenchymal derivatives of neural crest and perivascular pericytes/MSCs. On the other hand CNS marker genes are restricted to rNCSCs and are only expressed at background or undetectable levels in BMP NCSCs. These findings imply that the CNS versus PNS identity is controlled by antagonistic functions of FGF and BMP4.
The use of rNCSCs for cell therapies requires an accessible source of these cells in the adult organism. Since the DRG is not an easily approachable tissue source, the adult mouse palate, containing NCSCs, was chosen. These results suggest that pNCSCs arise from Sox10-positive neural crest-derived stem cells, that downregulate PNS marker gene expression, such as Sox10 and p75, in NS culture. Contrary to rNCSCs, CNS marker upregulation was not observed. Notably, genome wide gene expression profiles of pNCSCs demonstrate an enrichment of genes expressed by mesenchymal derivatives and perivascular pericytes/mesenchymal stem cells. Since the cranial crest gives rise, besides PNS neural progeny and melanocytes, to mesenchymal derivatives, the results demonstrate that pNCSCs have a restricted developmental potential in comparison to rNCSCs and acquire mostly normal fates of the cranial neural crest.
Taken together, the results demonstrate that rNCSCs acquire a SCSC identity in the presence of EGF and FGF and that the reprogramming can be efficiently blocked by BMP4. On the other hand, NCSCs derived from adult palate rather acquire mesenchymal fates and do not acquire a CNS identity under the conditions used.
The bug Gyaclavator kohlsi Wappler, Guilbert, Wedmann et Labandeira, gen. et sp. nov., represents a new extinct genus of lace bugs (Insecta: Heteroptera: Tingidae) occurring in latest early Eocene deposits of the Green River Formation, from the southern Piceance Basin of Northwestern Colorado, in North America. Gyaclavator can be placed within the Tingidae with certainty, perhaps it is sistergroup to Cantacaderinae. If it belongs to Cantacaderinae, it is the first fossil record of this group for North America. Gyaclavator has unique, conspicuous antennae bearing a specialized, highly dilated distiflagellomere, likely important for intra- or intersex reproductive competition and attraction. This character parallels similar antennae in leaf-footed bugs (Coreidae), and probably is associated with a behavioral convergence as well.
Synaptic vesicles (SVs) undergo a cycle of biogenesis and membrane fusion to release transmitter, followed by recycling. How exocytosis and endocytosis are coupled is intensively investigated. We describe an all-optical method for identification of neurotransmission genes that can directly distinguish SV recycling factors in C. elegans, by motoneuron photostimulation and muscular RCaMP Ca2+ imaging. We verified our approach on mutants affecting synaptic transmission. Mutation of genes affecting SV recycling (unc-26 synaptojanin, unc-41 stonin, unc-57 endophilin, itsn-1 intersectin, snt-1 synaptotagmin) showed a distinct ‘signature’ of muscle Ca2+ dynamics, induced by cholinergic motoneuron photostimulation, i.e. faster rise, and earlier decrease of the signal, reflecting increased synaptic fatigue during ongoing photostimulation. To facilitate high throughput, we measured (3–5 times) ~1000 nematodes for each gene. We explored if this method enables RNAi screening for SV recycling genes. Previous screens for synaptic function genes, based on behavioral or pharmacological assays, allowed no distinction of the stage of the SV cycle in which a protein might act. We generated a strain enabling RNAi specifically only in cholinergic neurons, thus resulting in healthier animals and avoiding lethal phenotypes resulting from knockdown elsewhere. RNAi of control genes resulted in Ca2+ measurements that were consistent with results obtained in the respective genomic mutants, albeit to a weaker extent in most cases, and could further be confirmed by opto-electrophysiological measurements for mutants of some of the genes, including synaptojanin. We screened 95 genes that were previously implicated in cholinergic transmission, and several controls. We identified genes that clustered together with known SV recycling genes, exhibiting a similar signature of their Ca2+ dynamics. Five of these genes (C27B7.7, erp-1, inx-8, inx-10, spp-10) were further assessed in respective genomic mutants; however, while all showed electrophysiological phenotypes indicative of reduced cholinergic transmission, no obvious SV recycling phenotypes could be uncovered for these genes.
Modelling short-term variability in carbon and water exchange in a temperate Scots pine forest
(2015)
The vegetation–atmosphere carbon and water exchange at one particular site can strongly vary from year to year, and understanding this interannual variability in carbon and water exchange (IAVcw) is a critical factor in projecting future ecosystem changes. However, the mechanisms driving this IAVcw are not well understood. We used data on carbon and water fluxes from a multi-year eddy covariance study (1997–2009) in a Dutch Scots pine forest and forced a process-based ecosystem model (Lund–Potsdam–Jena General Ecosystem Simulator; LPJ-GUESS) with local data to, firstly, test whether the model can explain IAVcw and seasonal carbon and water exchange from direct environmental factors only. Initial model runs showed low correlations with estimated annual gross primary productivity (GPP) and annual actual evapotranspiration (AET), while monthly and daily fluxes showed high correlations. The model underestimated GPP and AET during winter and drought events. Secondly, we adapted the temperature inhibition function of photosynthesis to account for the observation that at this particular site, trees continue to assimilate at very low atmospheric temperatures (up to daily averages of −10 °C), resulting in a net carbon sink in winter. While we were able to improve daily and monthly simulations during winter by lowering the modelled minimum temperature threshold for photosynthesis, this did not increase explained IAVcw at the site. Thirdly, we implemented three alternative hypotheses concerning water uptake by plants in order to test which one best corresponds with the data. In particular, we analyse the effects during the 2003 heatwave. These simulations revealed a strong sensitivity of the modelled fluxes during dry and warm conditions, but no single formulation was consistently superior in reproducing the data for all timescales and the overall model–data match for IAVcw could not be improved. Most probably access to deep soil water leads to higher AET and GPP simulated during the heatwave of 2003. We conclude that photosynthesis at lower temperatures than assumed in most models can be important for winter carbon and water fluxes in pine forests. Furthermore, details of the model representations of water uptake, which are often overlooked, need further attention, and deep water access should be treated explicitly.