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Die vorliegende Dissertation mit dem Titel: Ecophysiological monitoring of Oaks in Central Europe, introduced in the framework of proactive climate change mitigation beschäftigt sich mit der Anwendung zerstörungsfreier, radiometrischer Methoden zur Bestimmung von Pigment- und Stickstoffkonzentrationen und der photosynthetischen Funktionalität in Blättern von heimischen und gebietsfremden Eichen und ihre Beeinflussung durch Trocken-, Hitze- und Kältestress.
Die Eichenarten Quercus robur L. (Stieleiche), Q. pubescens Willd. (Flaumeiche), Q. frainetto Ten. (Ungarische Eiche), Q. ilex L. (immergrüne Steineiche) und Q. rubra L. (amerikanische Roteiche) wurden im Frühjahr 2011 auf einer Versuchsfläche im Frankfurter Stadtwald gepflanzt, um ihre Nutzung als potentielle Waldbäume in einem sich ändernden Klima zu untersuchen. Über eine Dauer von zwei Jahren wurden diese Arten mit einem hohen Maß an blattspezifischer Merkmalsvariabilität beobachtet und beprobt. Ziel war es, die interspezifischen Unterschiede und die jahreszeitliche Dynamik von morphologischen und chemischen Blattmerkmalen sowie die Beeinflussung der radiometrischen Bestimmung des Chlorophyllgehaltes (und damit assoziierten Komponenten wie z.B. Blattstickstoffgehalt und Karotinoiden) und der photosynthetischen Funktionalität durch klimatische Umweltbelastungen in Eichen zu untersuchen. Die Analyse der Blattproben zielte neben der Bestimmung der Beziehung zwischen absoluten und optisch ermittelten Pigmentgehalten auf die Ermittlung des Einflusses der Blattstruktur auf die Lichttransmission im roten und infrarotem Bereich des Elektromagnetischen Spektrums ab, sowie auf die artspezifische Korrelation von Blattstickstoff zu Blattchlorophyll zu dessen indirekte Quantifizierung. Des Weiteren wurden Versuche zur Trocken- und Hitzestressanpassung durchgeführt, um eine potentiell artspezifische Stressantwort, sowie eine mögliche Beeinflussung der aufgenommenen radiometrischen Messwerte zu ermitteln. Ein zusätzliches Monitoringprogramm im Winter 2012/2013 mit einer Dauer von sechs Monaten ermöglichte die Überprüfung der Anpassungsfähigkeit der immergrünen Steineiche (Q. ilex) an mitteleuropäische Winterbedingungen und die Veränderung der photosynthetischen Funktionalität unter Kältestress. Messungen im Zusammenhang mit der praktischen Anwendbarkeit der zerstörungsfreien, optischen Methode und zur Bereitstellung von Referenzdaten für zukünftige Evaluierungen komplementieren die Untersuchungen.
Signifikante, artspezifische Unterschiede wurden in den blattmorphologischen Schlüsselmerkmalen in den Quercus-Arten ermittelt. Die artspezifischen Unterschiede in den morphologischen Blattmerkmalen beeinflussten auf signifikante Weise die Beziehung zwischen absoluten, massebasierten Pigment- und Stickstoffgehalten und deren radiometrischen Bestimmung. Wurden die Pigmentgehalte hingegen auf die Blattfläche bezogen und die Stickstoffgehalte mittels des Verhältnisses von Blattfläche zu Trockenmasse korrigiert, zeichnete sich eine Beziehung zwischen absoluten und optisch ermittelten Werten ab, der jegliche jahreszeitliche oder artspezifisch morphologische Variabilität fehlte und die somit für alle Quercus-taxa anwendbar ist. Koeffizienten für die Berechnung von flächenbezogenen Gehalten von Gesamtchlorophyll, Chl a, Chl b und Carotinoiden für die jeweiligen Quercus-taxa, wie auch für ein artübergreifendes Modell wurden ermittelt, um die Bestimmung dieser Gehalte während aller Entwicklungsstufen zu ermöglich. Aus der jahreszeitlichen Entwicklung der Pigmentgehalte konnten drei deutliche Phasen abgeleitet werden: Die Phase der Blattentwicklung im Frühling, einer Plateauphase mit geringen Veränderungen (“core vegetation time”) und die Phase des Pigmentabbaus während der Herbstlaubfärbung. Die Übergänge zwischen diesen Phasen variierten zum Teil erheblich zwischen einzelnen Individuen einer Art sowie zwischen den Arten, was Unterschiede in der potentiellen, jährlichen Kohlenstoffaufnahme nach sich zieht. Stressbedingungen, wie Hitze- Kälte- oder Trockenstress, können zu Veränderung von Fluoreszenzparametern ohne gleichzeitige Änderung des Pigmentgehaltes führen, wie auch die indirekte Bestimmung von mit Chl assoziierten Komponenten (Carotinoide, Chl a, Chl b) mittels optischer Bestimmung (durch die Veränderungen von Pigmentverhältnissen) beeinflussen.
Im Rahmen des Forschungsprojektes konnten, Modelle zur Berechnung von Blattpigmenten und Blattstickstoff aus optischem Messdaten, Veränderungen der photosynthetischen Funktionalität, sowie Referenzdaten für die zukünftig nutzbaren Eichenarten hinsichtlich artspezifischer und jahreszeitlicher Variabilität unter mitteleuropäischen Umweltbedingungen ermittelt werden, die eine Nutzung und Einordnung von zerstörungsfreien, optischen Messwerten zur Ermittlung von Vitalitätsunterschieden in Eichen ermöglichen.
The chitinase-like protein YKL-40 was found to be increased in patients with severe asthma and chronic obstructive pulmonary disease (COPD), two disease conditions featuring neutrophilic infiltrates. Based on these studies and a previous report indicating that neutrophils secrete YKL-40, we hypothesized that YKL-40 plays a key role in cystic fibrosis (CF) lung disease, a prototypic neutrophilic disease. The aim of this study was (i) to analyze YKL-40 levels in human and murine CF lung disease and (ii) to investigate whether YKL-40 single-nucleotide polymorphisms (SNPs) modulate CF lung disease severity. YKL-40 protein levels were quantified in serum and sputum supernatants from CF patients and control individuals. Levels of the murine homologue BRP-39 were analyzed in airway fluids from CF-like βENaC-Tg mice. YKL-40SNPs were analyzed in CF patients. YKL-40 levels were increased in sputum supernatants and in serum from CF patients compared to healthy control individuals. Within CF patients, YKL-40 levels were higher in sputum than in serum. BRP-39 levels were increased in airways fluids from βENaC-Tg mice compared to wild-type littermates. In both CF patients and βENaC-Tg mice, YKL-40/BRP-39 airway levels correlated with the severity of pulmonary obstruction. Two YKL-40 SNPs (rs871799 and rs880633) were found to modulate age-adjusted lung function in CF patients. YKL-40/BRP-39 levelsare increased in human and murine CF airway fluids, correlate with pulmonary function and modulate CF lung disease severity genetically. These findings suggest YKL-40 as a potential biomarker in CF lung disease.
Bipolar disorder (BD) is a genetically complex mental illness characterized by severe oscillations of mood and behavior. Genome-wide association studies (GWAS) have identified several risk loci that together account for a small portion of the heritability. To identify additional risk loci, we performed a two-stage meta-analysis of >9 million genetic variants in 9,784 bipolar disorder patients and 30,471 controls, the largest GWAS of BD to date. In this study, to increase power we used ~2,000 lithium-treated cases with a long-term diagnosis of BD from the Consortium on Lithium Genetics, excess controls, and analytic methods optimized for markers on the Xchromosome. In addition to four known loci, results revealed genome-wide significant associations at two novel loci: an intergenic region on 9p21.3 (rs12553324, p = 5.87×10-9; odds ratio = 1.12) and markers within ERBB2 (rs2517959, p = 4.53×10-9; odds ratio = 1.13). No significant X-chromosome associations were detected and X-linked markers explained very little BD heritability. The results add to a growing list of common autosomal variants involved in BD and illustrate the power of comparing well-characterized cases to an excess of controls in GWAS.
Bipolar disorder (BD) is a major psychiatric illness affecting around 1% of the global population. BD is characterized by recurrent manic and depressive episodes, and has an estimated heritability of around 70%. Research has identified the first BD susceptibility genes. However, the underlying pathways and regulatory networks remain largely unknown. Research suggests that the cumulative impact of common alleles with small effects explains only around 25–38% of the phenotypic variance for BD. A plausible hypothesis therefore is that rare, high penetrance variants may contribute to BD risk. The present study investigated the role of rare, nonsynonymous, and potentially functional variants via whole exome sequencing in 15 BD cases from two large, multiply affected families from Cuba. The high prevalence of BD in these pedigrees renders them promising in terms of the identification of genetic risk variants with large effect sizes. In addition, SNP array data were used to calculate polygenic risk scores for affected and unaffected family members. After correction for multiple testing, no significant increase in polygenic risk scores for common, BD-associated genetic variants was found in BD cases compared to healthy relatives. Exome sequencing identified a total of 17 rare and potentially damaging variants in 17 genes. The identified variants were shared by all investigated BD cases in the respective pedigree. The most promising variant was located in the gene SERPING1 (p.L349F), which has been reported previously as a genome-wide significant risk gene for schizophrenia. The present data suggest novel candidate genes for BD susceptibility, and may facilitate the discovery of disease-relevant pathways and regulatory networks.
Protein signatures of oxidative stress response in a patient specific cell line model for autism
(2014)
Background: Known genetic variants can account for 10% to 20% of all cases with autism spectrum disorders (ASD). Overlapping cellular pathomechanisms common to neurons of the central nervous system (CNS) and in tissues of peripheral organs, such as immune dysregulation, oxidative stress and dysfunctions in mitochondrial and protein synthesis metabolism, were suggested to support the wide spectrum of ASD on unifying disease phenotype. Here, we studied in patient-derived lymphoblastoid cell lines (LCLs) how an ASD-specific mutation in ribosomal protein RPL10 (RPL10[H213Q]) generates a distinct protein signature. We compared the RPL10[H213Q] expression pattern to expression patterns derived from unrelated ASD patients without RPL10[H213Q] mutation. In addition, a yeast rpl10 deficiency model served in a proof-of-principle study to test for alterations in protein patterns in response to oxidative stress.
Methods: Protein extracts of LCLs from patients, relatives and controls, as well as diploid yeast cells hemizygous for rpl10, were subjected to two-dimensional gel electrophoresis and differentially regulated spots were identified by mass spectrometry. Subsequently, Gene Ontology database (GO)-term enrichment and network analysis was performed to map the identified proteins into cellular pathways.
Results: The protein signature generated by RPL10[H213Q] is a functionally related subset of the ASD-specific protein signature, sharing redox-sensitive elements in energy-, protein- and redox-metabolism. In yeast, rpl10 deficiency generates a specific protein signature, harboring components of pathways identified in both the RPL10[H213Q] subjects' and the ASD patients' set. Importantly, the rpl10 deficiency signature is a subset of the signature resulting from response of wild-type yeast to oxidative stress.
Conclusions: Redox-sensitive protein signatures mapping into cellular pathways with pathophysiology in ASD have been identified in both LCLs carrying the ASD-specific mutation RPL10[H213Q] and LCLs from ASD patients without this mutation. At pathway levels, this redox-sensitive protein signature has also been identified in a yeast rpl10 deficiency and an oxidative stress model. These observations point to a common molecular pathomechanism in ASD, characterized in our study by dysregulation of redox balance. Importantly, this can be triggered by the known ASD-RPL10[H213Q] mutation or by yet unknown mutations of the ASD cohort that act upstream of RPL10 in differential expression of redox-sensitive proteins.
In search for practical silvicultural management tools to identify alternative tree species for predicted Central European climate conditions, a cross-species survey with five evergreen, semi-evergreen, and deciduous Quercus taxa with contrasting morphological leaf traits was performed. Fast chlorophyll fluorescence induction of PSII and relative leaf chlorophyll contents were performed to assess the overall plant vitality at any point in time during two complete vegetation periods in consecutive years (2012 and 2013). Maximum photochemical efficiency of PSII and the performance index on absorption base showed a very conservative relationship to each other and a similar intra-annual progress in all deciduous species, but with a different speed of increase and decrease during leaf development and senescence and thus a different length of vegetation period. The intra-annual variability of OJIP and chlorophyll content parameters is considered with respect to the practicability of measurements in the field for management purposes.