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Summary
Wild relatives of crops thrive in habitats where environmental conditions can be restrictive for productivity and survival of cultivated species. The genetic basis of this variability, particularly for tolerance to high temperatures, is not well understood. We examined the capacity of wild and cultivated accessions to acclimate to rapid temperature elevations that cause heat stress (HS).
We investigated genotypic variation in thermotolerance of seedlings of wild and cultivated accessions. The contribution of polymorphisms associated with thermotolerance variation was examined regarding alterations in function of the identified gene.
We show that tomato germplasm underwent a progressive loss of acclimation to strong temperature elevations. Sensitivity is associated with intronic polymorphisms in the HS transcription factor HsfA2 which affect the splicing efficiency of its pre‐mRNA. Intron splicing in wild species results in increased synthesis of isoform HsfA2‐II, implicated in the early stress response, at the expense of HsfA2‐I which is involved in establishing short‐term acclimation and thermotolerance.
We propose that the selection for modern HsfA2 haplotypes reduced the ability of cultivated tomatoes to rapidly acclimate to temperature elevations, but enhanced their short‐term acclimation capacity. Hence, we provide evidence that alternative splicing has a central role in the definition of plant fitness plasticity to stressful conditions.
Aim: Predicting future changes in species richness in response to climate change is one of the key challenges in biogeography and conservation ecology. Stacked species distribution models (S‐SDMs) are a commonly used tool to predict current and future species richness. Macroecological models (MEMs), regression models with species richness as response variable, are a less computationally intensive alternative to S‐SDMs. Here, we aim to compare the results of two model types (S‐SDMS and MEMs), for the first time for more than 14,000 species across multiple taxa globally, and to trace the uncertainty in future predictions back to the input data and modelling approach used.
Location: Global land, excluding Antarctica.
Taxon: Amphibians, birds and mammals.
Methods: We fitted S‐SDMs and MEMs using a consistent set of bioclimatic variables and model algorithms and conducted species richness predictions under current and future conditions. For the latter, we used four general circulation models (GCMs) under two representative concentration pathways (RCP2.6 and RCP6.0). Predicted species richness was compared between S‐SDMs and MEMs and for current conditions also to extent‐of‐occurrence (EOO) species richness patterns. For future predictions, we quantified the variance in predicted species richness patterns explained by the choice of model type, model algorithm and GCM using hierarchical cluster analysis and variance partitioning.
Results: Under current conditions, species richness predictions from MEMs and S‐SDMs were strongly correlated with EOO‐based species richness. However, both model types over‐predicted areas with low and under‐predicted areas with high species richness. Outputs from MEMs and S‐SDMs were also highly correlated among each other under current and future conditions. The variance between future predictions was mostly explained by model type.
Main conclusions: Both model types were able to reproduce EOO‐based patterns in global terrestrial vertebrate richness, but produce less collinear predictions of future species richness. Model type by far contributes to most of the variation in the different future species richness predictions, indicating that the two model types should not be used interchangeably. Nevertheless, both model types have their justification, as MEMs can also include species with a restricted range, whereas S‐SDMs are useful for looking at potential species‐specific responses.
In 2010, the Conference of the Parties of the Convention on Biological Diversity agreedon the Strategic Plan for Biodiversity 2011–2020 in Aichi Prefecture, Japan. As this planapproaches its end, we discussed whether marine biodiversity and prediction studieswere nearing the Aichi Targets during the 4th World Conference on Marine Biodiversityheld in Montreal, Canada in June 2018. This article summarises the outcome of a five-day group discussion on how global marine biodiversity studies should be focusedfurther to better understand the patterns of biodiversity. We discussed and reviewedseven fundamental biodiversity priorities related to nine Aichi Targets focusing onglobal biodiversity discovery and predictions to improve and enhance biodiversitydata standards (quantity and quality), tools and techniques, spatial and temporal scaleframing, and stewardship and dissemination. We discuss how identifying biodiversityknowledge gaps and promoting efforts have and will reduce such gaps, including via theuse of new databases, tools and technology, and how these resources could be improvedin the future. The group recognised significant progress toward Target 19 in relationto scientific knowledge, but negligible progress with regard to Targets 6 to 13 whichaimed to safeguard and reduce human impacts on biodiversity.
Signal transduction and the regulation of gene expression are fundamental processes in every cell. RNA-binding proteins (RBPs) play a key role in the post-transcriptional modulation of gene expression in response to both internal and external stimuli. However, how signaling pathways regulate the assembly of RBPs with mRNAs remains largely unknown. Here, we summarize observations showing that the formation and composition of messenger ribonucleoprotein particles (mRNPs) is dynamically remodeled in space and time by specific signaling cascades and the resulting post-translational modifications. The integration of signaling events with gene expression is key to the rapid adaptation of cells to environmental changes and stress. Only a combined approach analyzing the signal transduction pathways and the changes in post-transcriptional gene expression they cause will unravel the mechanisms coordinating these important cellular processes.
The strictly anaerobic acetogenic bacterium Acetobacterium woodii is metabolically diverse and grows on variety of substrates which includes H2 + CO2, sugars, alcohols and diols. It is unique in producing bacterial microcompartments (BMC) during growth on different substrates such as 1,2-propanediol, 2,3-butanediol, ethanol or fructose. In this study, we analyzed the genetic organization and expression of the BMC genes within the A. woodii genome, the previously described 18 gene pdu cluster as well as four other cluster potentially encoding one or two shell proteins. Expression analysis of respective gene clusters revealed that the pdu gene cluster is highly expressed during growth on 1,2-PD, 2,3-BD, ethanol and ethylene glycol. The promoter region upstream of the pduA gene was identified and used to establish a reporter gene assay based on chloramphenicol acetyl transferase as a reporter protein. The reporter gene assay confirmed the qPCR data and demonstrated that 1,2-PD is superior over ethanol and ethylene glycol as inducer. BMCs were enriched from cells grown on 2,3- BD and 1,2-PD and shown to have typical structure in electron micrographs. Biochemical analyses revealed several of the protein encoded by the pdu cluster to be part of the isolated BMCs. These data demonstrate a very unique situation in A. woodii in which apparently one BMC gene cluster in expressed during growth on different substrates.
Die CXCR4/CXCL12-Achse ist von entscheidender Bedeutung für die Entstehung und Aufrechterhaltung einer gesunden, reifen Hämatopoese. Erstmals beschrieben wurde der später als CXCR4 bezeichnete Rezeptor 1996 allerdings als Co-Rezeptor für den Eintritt humaner HI-Viren in Lymphozyten. Ein großes Interesse bestand daraufhin darin, sowohl natürliche Inhibitoren des G-Protein gekoppelten Rezeptors zu identifizieren, als auch synthetische herzustellen, um einen Eintritt des Virus in den menschlichen Organismus zu verhindern bzw. seine Ausbreitung zu unterbinden. Ein natürlich vorkommender CXCR4-Ligand, der 2015 von Zirafi und Kollegen erstmals beschrieben wurde, fand sich im Hämofiltrat von Dialysepatienten. Der im weiteren Verlauf als EPI-X4 bezeichnete CXCR4-Antagonist wurde als Spaltprodukt von Albumin identifiziert, welches über viele Spezies hochkonserviert ist. Diese Eigenschaft interpretieren wir als Hinweis auf eine relevante physiologische Funktion des Peptids. Da die Halbwertszeit von natürlich vorkommendem EPI-X4 beim Menschen vermutlich sehr kurz ist, sind in vivo- und darauffolgende in vitro-Analysen schwierig durchzuführen. In-vitro-Spike-Analysen von synthetischem EPI-X4 in humanem Plasma ergaben eine Halbwertszeit von nur 17 Minuten. Die geringen auftretenden Konzentrationen erschweren die Problematik zusätzlich. In dieser Arbeit sollen deshalb im Mausmodell in vivo-Analysen durchgeführt werden, um die Effekte von potentiell entstehendem EPI-X4 in verschiedenen experimentellen Ansätzen aufzudecken. Ein probates, hier verwendetes Mittel, ist die Analyse einer Knock-out (KO)-Maus. Die für die Bindung an CXCR4 entscheidende Aminosäure von EPI-X4, das am N-Terminus gelegene Leucin, wurde durch Alanin ersetzt, welches die Entstehung von EPI-X4 unterbindet und zusätzlich dessen Bindung an CXCR4 verhindert. Mit Hilfe zweier Mausmodelle können nun Analysen im EPI-X4-defizienten Modell durchgeführt werden, die im Umkehrschluss Informationen über die organismische Wirkung von EPI-X4 beinhalten. Zunächst wurde in beiden Modellen die physiologisch normale reife und unreife Hämatopoese charakterisiert. Hierbei zeigte sich kein signifikanter systematischer Einfluss von EPI-X4 auf reife Leukozyten (WBC), lediglich eine leichte Lymphozytose in der HR-Ala-Variante. Im weiteren Verlauf der homöostatischen Analyse der Hämatopoese der Ala-EPI-X4-Mäuse zeigten sich keine signifikanten Unterschiede zu wildtypischen Mäusen. Sowohl reife als auch unreife Zellen zeigten, außer in der T- und B-Zelllinie, keine zahlenmäßigen oder funktionalen Auffälligkeiten, weder im Blut, noch in der Milz oder im Knochenmark. Analysen der Zellzyklusaktivität unterschiedlicher Unreifestufen wiesen ebenfalls keine Auffälligkeiten auf. Diese Daten einer normalen, von einer C57Bl/6-Maus zu erwartenden Ergebnisse dienten als Grundlage zur Bewertung und Analyse von durchgeführten hämatopoetischen Stressmodellen. Hierfür wurden
zunächst hämatopoetische Stamm- und Vorläuferzellen (HSPC) mobilisiert. In den angewandten Mobilisierungsmodellen fanden sich lediglich unter G-CSF-Behandlung im Knochenmark eine größere Anzahl Granulozyten, was auf einen Einfluss von EPI-X4 auf HSPC schließen lässt. Um potentielle Auswirkungen von EPI-X4 im Knochenmark weiter zu untersuchen, wurde ein weiteres Stressmodell gewählt, welches ebenfalls mutmaßlich die Bedingungen zur EPI-X4-Generierung schafft: Subletale Bestrahlung der Mäuse sorgt für Schäden an allen Zellarten im Knochenmark, es wird ein steriles entzündliches Milieu kreiert. Unter diesen Umständen wurde die Regeneration von Blutzellen analysiert. Es zeigten sich keine nennenswerten Unterschiede sowohl in der akuten Phase des Schadens als auch in regelmäßigen Blutentnahmen während der Regenerierung.
Die Beschreibung von natürlich vorkommendem EPI-X4 in Vaginal- und Rektalschleimhaut zeigt seine Entstehung an Schleimhautbarrieren auf. Ala-EPI-X4-Muse werden deshalb auf deren Durchlässigkeit untersucht: LPS-Konzentrationen als Marker für eindringende pathogene Bakterien wurden im Plasma untersucht. Hierbei zeigten sich keine Unterschiede zwischen den Gruppen, eine Störung scheint hier nicht vorzuliegen. Zusätzlich wurde die Zusammensetzung des Mikrobioms im Darm untersucht, da beschrieben wurde, dass sich Mikrobiom und die Integrität der Darmschleimhaut gegenseitig beeinflussen. Im Falle der EPI-X4-defizienten Mäuse liegt zwar keine offensichtliche pathologische Veränderung vor, dennoch konnte in männlichen HR-Ala-Mäusen die Abwesenheit des Proteobakteriums Parasutterella nachgewiesen werden. Um eine mögliche Defizienz der Barrierefunktion weiter zu testen, wurden zwei Stressmodelle gewählt: Zunächst wurde den Mäusen eine akute, sterile Peritonitis zugefügt, woraufhin die Anzahl und Zusammensetzung der ins Peritoneum einströmenden Leukozyten analysiert wird. Die Reaktion auf diesen Entzündungsprozess war nicht verändert. Ähnliche Ergebnisse zeigten sich auch in einem akuten Colitis-Stressmodell.
Insgesamt konnte in dieser Arbeit mithilfe zweier KO-Mausmodelle die Rolle von EPI-X4 in der Hämatopoese und der Immunologie von Mäusen beginnend charakterisiert werden. Die homöostatische Hämatopoese scheint kaum von EPI-X4 abhängig zu sein, lediglich die Zahl der B- und T-Zellen, insbesondere der regulatorischen T-Zellen, scheint beeinflusst. Damit einhergehend konnten Veränderungen in Zytokinlevels bei inflammatorischen Ereignissen gezeigt werden. Experimente zur beeinflussten, eventuell gestörten Barrierefunktion von Ala-EPI-X4-Mäusen zeigten vielversprechende Ansätze und sollten in Zukunft weiter analysiert werden.
Background: More than 170 species of tabanids are known in Europe, with many occurring only in limited areas or having become very rare in the last decades. They continue to spread various diseases in animals and are responsible for livestock losses in developing countries. The current monitoring and recording of horseflies is mainly conducted throughout central Europe, with varying degrees of frequency depending on the country. To the detriment of tabanid research, little cooperation exists between western European and Eurasian countries.
Methods: For these reasons, we have compiled available sources in order to generate as complete a dataset as possible of six horsefly species common in Europe. We chose Haematopota pluvialis, Chrysops relictus, C. caecutiens, Tabanus bromius, T. bovinus and T. sudeticus as ubiquitous and abundant species within Europe. The aim of this study is to estimate the distribution, land cover usage and niches of these species. We used a surface-range envelope (SRE) model in accordance with our hypothesis of an underestimated distribution based on Eurocentric monitoring regimes.
Results: Our results show that all six species have a wide range in Eurasia, have a broad climatic niche and can therefore be considered as widespread generalists. Areas with modelled habitat suitability cover the observed distribution and go far beyond these. This supports our assumption that the current state of tabanid monitoring and the recorded distribution significantly underestimates the actual distribution. Our results show that the species can withstand extreme weather and climatic conditions and can be found in areas with only a few frost-free months per year. Additionally, our results reveal that species prefer certain land-cover environments and avoid other land-cover types.
Conclusions: The SRE model is an effective tool to calculate the distribution of species that are well monitored in some areas but poorly in others. Our results support the hypothesis that the available distribution data underestimate the actual distribution of the surveyed species.
Spinocerebellar ataxia type 2 (SCA2) is caused by polyglutamine expansion in Ataxin-2 (ATXN2). This factor binds RNA/proteins to modify metabolism after stress, and to control calcium (Ca2+) homeostasis after stimuli. Cerebellar ataxias and corticospinal motor neuron degeneration are determined by gain/loss in ATXN2 function, so we aimed to identify key molecules in this atrophic process, as potential disease progression markers. Our Atxn2-CAG100-Knock-In mouse faithfully models features observed in patients at pre-onset, early and terminal stages. Here, its cerebellar global RNA profiling revealed downregulation of signaling cascades to precede motor deficits. Validation work at mRNA/protein level defined alterations that were independent of constant physiological ATXN2 functions, but specific for RNA/aggregation toxicity, and progressive across the short lifespan. The earliest changes were detected at three months among Ca2+ channels/transporters (Itpr1, Ryr3, Atp2a2, Atp2a3, Trpc3), IP3 metabolism (Plcg1, Inpp5a, Itpka), and Ca2+-Calmodulin dependent kinases (Camk2a, Camk4). CaMKIV–Sam68 control over alternative splicing of Nrxn1, an adhesion component of glutamatergic synapses between granule and Purkinje neurons, was found to be affected. Systematic screening of pre/post-synapse components, with dendrite morphology assessment, suggested early impairment of CamKIIα abundance together with the weakening of parallel fiber connectivity. These data reveal molecular changes due to ATXN2 pathology, primarily impacting excitability and communication.
Das Gehirn weist in mehreren Bereichen anatomische Asymmetrien zwischen beiden Hemisphären auf, so auch in Bereichen der Hörrinde. Zudem ist bereits langjährig bekannt, dass menschliche Sprache vorrangig in der linken Gehirnhälfte, d.h. linksseitig lateralisiert, verarbeitet wird. Daraus folgend stellt sich die Frage, ob dies eine besondere Spezialisierung ist, oder ob es noch weitere lateralisierte Hirnfunktionen gibt. Viele akustische Signale haben dabei frequenzmodulierte (FM) Komponenten, die im Hörsystem für die Erkennung nach Parametern wie Richtung und Dauer der Modulation analysiert werden müssen. Ob die Analyse von FM-Komponenten oder einzelner Reizparameter im Gehirn lateralisiert stattfindet, wurde in der Literatur meist mit bildgebenden Verfahren untersucht.
Für das Erkennen und Unterscheiden der Modulationsrichtung weist eine Vielzahl von Studien auf eine erhöhte Aktivität in der rechten Hörrinde hin. Für die Analyse von Stimulusdauern ist es bisher allerdings noch unklar bzw. umstritten, ob diese lateralisiert erfolgt. Für die Untersuchung der Lateralisierung einfacher Sprachkomponenten werden häufig Konsonant-Vokal-Silben (CV-Silben) verwendet. In einer Vielzahl von Studien konnte eine linkslastige Lateralisierung, wie bei der Spracherkennung, gezeigt werden.
In der vorliegenden Arbeit wurde nun untersucht, ob ein eindeutigeres Muster von Lateralisierung zu finden ist, wenn diese in Wahrnehmungsexperimenten, untersucht wird. Dabei wurde ein zu untersuchender Teststimulus (FM-/CV-Stimulus) auf einem Ohr mit einem kontralateralen breitbandigen Rauschen auf dem anderen Ohr gleichzeitig präsentiert. Durch die Struktur der Hörbahn kann dabei davon ausgegangen werden, dass in einer Hemisphäre des Vorderhirns vorrangig Informationen aus dem kontralateralen Ohr verarbeitet und Informationen aus dem ipsilateralen Ohr unterdrückt werden und sich somit Rückschlüsse auf die Funktion/Beteiligung einer Hemishpäre ziehen lassen. Das Rauschen diente dabei zur unspezifischen Aktivierung der gegenüberliegenden Hemisphäre.
Die Lateralisierung wurde systematisch für unterschiedlich komplexe Reize untersucht. Dazu wurden in zwei Versuchsreihen Unterscheidungsexperimente durchgeführt, die sich in mehrere Messungen (mit mehreren Durchläufen) mit unterschiedlichen Parametereinstellungen gliederten. Pro Durchlauf musste sich die Versuchsperson immer zwischen zwei Antwortmöglichkeiten entscheiden (2-AFC-Verfahren). Der Schalldruckpegel des Rauschens war dabei für alle Messungen konstant. Der Schalldruckpegel der Teststimuli blieb zwar während einer Messung konstant, wurde jedoch innerhalb eines Experimentes von Messung zu Messung reduziert.
In einer gemeinsamen Analyse wurden jeweils die Fehlerraten und Reaktionszeiten beider Ohren, getrennt nach Seite und FM-/ CV-Stimulus, miteinander verglichen, um so auf eine mögliche Lateralisierung schließen zu können. Damit die Daten der Versuchspersonen bei vergleichbarer Schwierigkeit analysiert werden konnten, wurde als Vergleichswert zwischen allen Versuchspersonen der Schalldruckpegel der ersten Messung mit einer Fehlerrate von mindestens 15,0 % gewählt (15 %-Kriterium). Um auszuschließen, dass das Hörvermögen der Versuchspersonen Unterschiede zwischen beiden Ohren aufweist, wurde vor jeder Messung der „Punkt subjektiver Gleichheit“ für die Lautstärke-wahrnehmung zwischen linkem und rechten Ohr bestimmt.
In der ersten Versuchsreihe wurde dabei die Verarbeitung der Modulationsrichtung und der Stimulusdauer von FM-Stimuli untersucht. Es zeigte sich für beide Experimente, dass ein sinkender Schalldruckpegel des FM-Stimulus zu einer steigenden Fehlerrate führte. Unter Anwendung des 15 %-Kriteriums waren die Fehlerraten für die Unterscheidung der Modulationsrichtung signifikant geringer, wenn der FM-Stimulus auf dem linken Ohr präsentiert wurde. Dies ist ein deutlicher Hinweis für eine rechtslastige Lateralisierung.
Für die Unterscheidung der Stimulusdauer gab es dagegen keinen signifikanten Unterschied zwischen den Fehlerraten beider Ohren. Somit muss davon ausgegangen werden, dass beide Hemisphären für diese Aufgabe benötigt werden und eine bilaterale Verarbeitung stattfindet. In den Reaktionszeiten konnten in beiden Experimente keine signifikanten Unterschiede gezeigt werden. Die Unterscheidung der Modulationsrichtung wurde dabei von allen Versuchspersonen als einfacher eingestuft als die Unterscheidung der Stimulusdauer, was sich auch in niedrigeren Antwortschnelligkeit und Fehlerraten bei vergleichbaren Schalldruckpegeln zeigte.
In der zweiten Versuchsreihe wurde als Referenzmessung nochmals die Unterscheidung der Modulationsrichtungen von FM-Stimuli durchgeführt. Anschließend wurde die Unterscheidung von „da“ und „ga“ untersucht. Diese CV-Silben differieren ausschließlich in der FM-Komponente. Die Untercheidung von CV-Silben ohne Unterschied in der FM-Komponente wurde mittels „ta“ und „ka“ getestet. Für alle drei Experimente zeigte sich, dass ein geringerer Schalldruckpegel des FM- oder CV-Stimulus zu einer steigenden Fehlerrate führte. Unter Anwendung des 15 %-Kriteriums zeigte sich für die Unterscheidung der Modulationsrichtung ein Trend zu niedrigeren Fehlerraten bei der Präsentation des FM-Stimulus auf dem linken im Vergleich mit dem rechten Ohr. In den Reaktionszeiten konnten keine signifikanten Unterschiede gezeigt werden.
Für die Unterscheidung von „da“ und „ga“ ließ sich unter Anwendung des 15 %-Kriteriums in den Fehlerraten und Reaktionszeiten kein Vorteil eines Ohres nachweisen. Dagegen zeigten sich klare Unterschiede bei einzelnen Versuchspersonen. So waren die Fehlerraten für Versuchspersonen, die vorwiegend „da“ erkannt bzw. gehört hatten signifikant höher, wenn der CV-Stimulus auf dem rechten Ohr präsentiert wurde, für „ga“-Hörer war das Gegenteil der Fall. In den Reaktionszeiten konnte kein signifikanter Zusammenhang nachgewiesen werden. Somit ließ sich zeigen, dass je nach Strategie der Versuchsperson bzw. deren individueller Wahrnehmung der CV-Silben, Unterschiede in der Lateralisierung erreicht werden können.
Für die Unterscheidung von „ta“ und „ka“ zeigten sich unter Anwendung des 15 %-Kriteriums signifikant niedrigere Fehlerraten und Reaktionszeiten, wenn der CV-Stimulus auf dem linken Ohr präsentiert wurde. Dies weist deutlich auf eine rechtslastige Lateralisierung hin. Vergleicht man alle drei Experimente ließ sich zudem zeigen, dass die Unterscheidung der Modulationsrichtung einfacher war als die Unterscheidung verschiedener CV-Stimuli. Dabei war die Unterscheidung von „da“ und „ga“ für die Versuchspersonen schwieriger als die Unterscheidung von „ta“ und „ka“. Allerdings konnte in den Lateralisierungsdaten kein direkter Zusammenhang zwischen den FM- und „da“-/„ga“-Stimuli gezeigt werden.
Zusammenfassend konnte in allen fünf Experimenten eine verschieden stark lateralisierte Verarbeitung von akustischen Stimuli bei gleichzeitigem kontralateralen Rauschen gezeigt werden. Der Vorteil eines Ohres (bzw. einer Hemisphäre) war sowohl von der Aufgabe als auch vom Stimulustyp abhängig. Dabei gab es zum Teil starke Unterschiede in der Effektstärke und dem Grad der Lateralisierung zwischen den einzelnen Versuchspersonen. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass sich die hier angewendete psychophysische Methode gut eignet, um Ergebnisse zur Lateralisierung von akustischen Stimuli zu gewinnen und somit die Verhaltensrelevanz von Ergebnissen aus Studien mit bildgebenden Verfahren zu überprüfen.