Open Access

Das für die Phytoen-Desaturase (CrtI) aus Rubrivivax gelatinosus kodierende Gen konnte aus genomischer DNA amplifiziert und in unterschiedliche Expressionsvektoren kloniert werden. Die Funktion der Phytoen-Desaturase wurde in vivo durch Komplemetierung einer Phytoen bildenden E. coli-Transformante überprüft. Die heterologe Expression von crtIRg in E. coli, als lösliches und aktives Enzym mit einer molekularen Masse von 57 kDa, konnte nur mit dem Plasmid pPEUcrtIRg erreicht werden. Mittels in vitro Enzymtests konnten kinetische Parameter und der Kofaktor des Enzyms bestimmt werden. Der Km-Wert für das Substrat Phytoen lag bei 14,8 μM, der Vmax-Wert bei 5,2 nmol/h*mg CrtIRg. Für das Substrat Neurosporin konnte ein Km-Wert von 33 μM und ein Vmax-Wert von 0,6 nmol/h*mg CrtIRg ermitteltwerden. FAD steigerte als Kofaktor den Umsatz des Substrates um das 39-fache. Sowohl für die Phytoen-Desaturase aus Rvi. gelatinosus, als auch für die Phytoen-Desaturase aus Rba. sphaeroides konnte in vitro gezeigt werden, dass die Anzahl der an einem Carotinoidmolekül katalysierten Reaktionsschritte stark von der Enzym- bzw. Substratkonzentration abhängt. Bei einer hohen Phytoen- und einer niedrigen Enzymkonzentration wird fast nur Neurosporin gebildet (3 zusätzliche Doppelbindungen), während bei einer hohen Enzym- und einer niedrigen Phytoenkonzentration deutlich mehr Lycopin synthetisiert wird (4 zusätzliche Doppelbindungen). In den jeweiligen Organismen spielt die Konkurrenz der bakteriellen Phytoen-Desaturase mit dem sich in der Carotinoidbiosynthesekette anschließenden Enzym in Bezug auf die Anzahl der eingefügten Doppelbindungen eine wichtige Rolle. Dies konnte in Hemmstoffuntersuchungen am Beispiel zweier Xanthphyllomyces dendrohous-Mutanten gezeigt werden. Die Verringerung der aktiven CrtI-Menge in der Torulin-Mutante DQ1 förderte die Bildung von β-Carotin (nur 4 Desaturierungsschritte). Dagegen führte die Senkung der aktiven Lycopin-Zyklase-Menge in der β-Carotin-Mutante PR1-104 zur Förderung der durch CrtI katalysierten Reaktion mit der Folge, dass hauptsächlich Torulin gebildet wurde (5 Desaturierungsschritte). Mittels Error Prone PCR sowie dem E. coli-Stamm XL1-Red konnte das Gen crtI aus Rvi. gelatinosus mutagenisiert werden. Die erstellten Mutationsbibliotheken konnten in Phytoen bildenden E. coli-Transformanten exprimiert und Klone mit veränderten Phytoen-Desaturasen mittels Farbscreening identifiziert werden. Aus Klonen mit einem veränderten Lycopin/Neurosporin-Verhältnis wurde die DNA isoliert und crtI sequenziert. Dadurch konnten mutierte Gene ermittelt werden, deren modifizierte Expressionsprodukte entweder mehr Lycopin oder fast ausschließlich Neurosporin bildeten. Es zeigte sich, dass die Veränderung der Aminosäure an Position 208 einen starken Einfluss auf die Anzahl der eingefügten Doppelbindungen hat. Die Aminosäure befindet sich in einer membrangebundenen Helixstruktur bei der es sich vermutlich um einen direkt an der katalytischen Reaktion beteiligten Bereich handelt. Es konnte gezeigt werden, dass alle Mutationen, die die Anzahl der katalysierten Reaktionsschritte senkten, Leucin-Prolin-Austausche (oder umgekehrt) waren. Prolin (bzw. Leucin) veränderte in diesen Fällen die Sekundärstruktur des Proteins wodurch, die Funktion gestört wurde. Neben diesen strukturellen Veränderungen wurden Mutationen ermittelt, die zu einer verstärkten Expression der Phytoen-Desaturase führten, was eine erhöhte Lycopinbildung bewirkte. Es zeigte sich, dass bei einigen dieser Mutanten die Replikation der Plasmid-DNA erhöht war. Die starke Replikation ist wahrscheinlich auf eine Verarmung an beladenen tRNA Molekülen zurückzuführen. In ColE1-Plasmiden (pPEU) kann es zu einer unkontrollierten Replikation kommen, die auf Wechselwirkungen zwischen den Replikationsregulierenden Strukturen RNAI und RNAII mit den unbeladenen tRNA Molekülen zurückzuführen ist. Auf der Grundlage der erlangten Erkenntnisse und mittels Computer gestützter Analysen konnte ein Modell der Sekundärstruktur und der Membranassoziation des Enzyms erstellt werden.

Phenology is the study of periodic life cycle events of living organisms and how these are influenced by environmental factors. Late phenological phases such as the timing of seed release and subsequent seed dispersal considerably affect ecology and evolution in plants. Since plants are mostly sessile organisms, seed dispersal is a crucial life cycle event for the ecology and evolution of plants. In fact, long-distance seed dispersal (LDD) is a very complex process in plant biology and significantly shapes the spatial and temporal dynamics of plant populations. For example, wind dispersal in plants is influenced by a variety of factors such as plant traits, habitat type and environmental conditions (e.g. wind speed). Considering the variability of wind conditions throughout the year, the timing of seed release and dispersal is known to have considerable effects on LDD. Even though late phenologies such as ripening duration and timing of seed release and subsequent dispersal are vital in estimating ecologically highly relevant LDD, these phenologies are not appropriately addressed in ecological research. The aim of this thesis is to gain insights into the factors that shape late plant phenologies. In particular, we address the following questions: which ecologically or evolutionary parameters drive the ripening process of plant species? How does the seasonal variability of wind affect the seed release phenology of plant species? How do these factors interact for plant species in different habitat types? In order to address these questions, we applied different methodological approaches, ranging from fieldwork and monitoring phenology to computational simulation studies and statistical modeling. To study the ripening process of species, we monitored the flowering, ripening and seed release phenology of more than 100 Central European plant species. We conducted computational simulation studies for estimating LDD by wind to study the phenology of seed release and the parameters determining LDD by wind. In conjunction with phenological data from literature, we used the obtained simulation results to investigate evidence for the existence of phenological adaptations towards LDD in 165 plant species. Further, we used the results from simulation studies of LDD by wind to disentangle the effects of species, habitat types and meteorological conditions and their interactions on the spatial spread of plant species. The results of the relationship between plant traits, phylogeny, the ripening process and climatic factors provide insights into the basic understanding of the ripening process of plants. We identified ecological factors that shape species’ ripening phenology and seed release timing. In particular, we suggest that the species’ seed weight, life form and phylogeny shapes ripening and seed release phenology. With the statistical models on species’ temperature demands for reproduction, we introduce data that that are well suitable for parametrization and further development of plant dispersal models. The results from the simulation study based on a seasonal perspective showed that heavier seeded tree species with medium wind dispersal potential (including genera Abies, Acer, Fraxinus and Larix) have a clear synchronisation of seed abscission with periods favouring LDD. These species, which are both ecologically and economically important, showed significant synchronisation of the highest rate of seed release with high wind-speed that promoted LDD by wind in wintertime. For the tree species mentioned, we suggest strong seasonal synchronisation as evidence for phenological adaptations in order to match favourable conditions during seed release. With a closer look at the wind conditions that promote LDD by wind, our results showed considerable differences in how specific wind conditions affect LDD in different species and habitat types. We suggest that LDD by wind in species from open habitats with high wind dispersal potential is likely to be driven by thermal updrafts that are mainly driven by the sun providing energy to the ground. By contrast, LDD of heavier-seeded species from open and forested habitats is more likely to be driven by storms that produce shear-driven turbulence. The results from this thesis contribute to an increased understanding of the complete dispersal process of plants and to making more realistic projections of (future) plant distribution. The results obtained on factors driving ripening and release phenology provide valuable insights into their ecological and phylogenetic factor constraints. The implementation of more realistic assumptions in assessing species’ dispersal potential throughout the year could help considerably in improving landscape management (e.g. timing of mowing) and in the conservation of plant populations. The evidence found for phenological adaptations towards LDD in plants is an important step in understanding the evolutionary basis of LDD in these species.

Im Zuge dieser Dissertation wurden verschiedene Methoden zur besseren Identifikation von Proteinen aus unspezifischen Proteinverdauen entwickelt und auf ihre Einsatzmöglichkeiten hin untersucht. In diesem Rahmen wurde vorrangig die Protease Thermitase in ihrer Spezifität und ihrem Temperaturverhalten genauer definiert und ihre proteolytische Verwendbarkeit bewertet. Aufgrund der durchgeführten Untersuchungen konnte mit Thermitase eine weitere, für die massenspektrometrische Analytik verwendbare Protease, erfolgreich etabliert werden. Als wichtigstes Merkmal dieser Protease muss ihr erfolgreicher proteomischer Einsatz, auch in Kombination mit starken organischen Lösungsmittel und Detergenzien, hervorgehoben werden. Außerdem konnten in Anwesenheit von SDS Verdaue massenspektrometrisch erfolgreich untersucht werden. Die Möglichkeiten dieser Methode sind vor allem für die Membran-Proteomik interessant. Mittels Thermitase können Membranproteine direkt in einem hydrophoben Puffer denaturiert, verdaut und ohne vorheriges Ausfällen analysiert werden. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden mehrere Ansätze für die Verbesserung der Auswertbarkeit von unspezifischen Proteinverdauen verfolgt und teilweise erfolgreich umgesetzt. Mittels der bioinformatischen Auswertung von theoretischen Verdauen ganzer Datenbanken wurden die Unterschiede bei der Identifikation von spezifischen und unspezifischen Verdauen verdeutlicht. Anhand der beobachteten Vergrößerung des Suchraums um den Faktor 10 bis 100 von unspezifischen gegenüber spezifischen Proteolysen konnte nachgewiesen werden, dass bei Verwendung der heute gebräuchlichen Suchalgorithmen erst eine Steigerung der Massengenauigkeit um mindestens den Faktor 20 zu Ergebnissen führt, die mit denen spezifischer Verdaue vergleichbar sind. Einen Schritt in diese Richtung kann durch die Verwendung der MALDI-Orbitrap (Papasotiriou 2010), die eine durchschnittliche Massengenauigkeit von 5 ppm bietet, vollzogen werden. Jedoch wäre nach einer Abschätzung auf der Basis der gewonnenen Ergebnisse eine routinemäßige Massengenauigkeit von unter 1 ppm nötig, um bei der Identifikation mittels PMF für unspezifische und tryptische Verdaue die gleichen Erfolgsquoten zu erhalten. Wird dies erreicht, bieten unspezifische Proteasen, wie in dieser Arbeit gezeigt werden konnte, zahlreiche Vorteile gegenüber spezifischen Proteasen. Ausgehend von der Verwendung aktueller Suchalgorithmen konnte der Einfluss unterschiedlicher Protein- und Peptidkriterien auf die Proteinidentifikation eindeutig gezeigt werden. Zur Verbesserung der Identifikation bei unspezifischen Verdauen wurden mehrere spezifische Kriterien erarbeitet. Eine PMF-Suche unter deren Einbezug führte zu einer 4fach höheren Identifikationsrate gegenüber einer normalen Suche mittels MOWSE. Mit der iterativen sowie der kombinatorischen Suche wurden zwei einfache bioinformatische Methoden entwickelt, die die Suche von unspezifischen Verdauen erleichtern und in Zukunft verbessern werden. Die Identifikation von Modifikationen mittels der spezifischen Delta-Massen und die Identifikation von unspezifischen Verdauen durch Bewertung der charakteristisch auftretenden Cluster stellen zwei gänzlich neue Ansätze in der Proteinidentifikation dar. Ihr Einsatz ermöglicht neue Verwendungsmöglichkeiten von unspezifischen Verdauen, die über die klassische Proteinidentifikation hinausgehen, und versucht, spezielle Fragen in der Proteinanalytik zu beantworten. Der Einbezug zusätzlicher Informationen, die der Verdau neben der reinen Gewinnung von Peptidmassen bietet, sollte bei unspezifischen Verdauen fokussiert angegangen werden. Durch die mehrfache Überlappung der Peptide liegen diese Informationen, anders als bei tryptischen Verdauen, redundant vor. Sie können sich also bei entsprechender Auswertung in ihrer Bewertung selbst stützen. Die in dieser Promotionsarbeit vorgestellten Ansätze zur besseren Identifikation von unspezifischen Proteinverdauen zeigen vielversprechende Möglichkeiten auf. Realistisch betrachtet, stellt jeder dieser Ansätze eine positive Abweichung von der bislang vorherrschenden routinemäßigen Behandlung der Proteinidentifikation dieser Verdaue dar und bieten die Möglichkeiten qualitativ bessere Untersuchungsergebnisse im Bereich der Massenspektrometrie zu erzielen.

In dieser Arbeit sollte der Einfluss von Trockenstress auf die Photosyntheserate von einer repräsentativen C3-Art und dreier repräsentativer Arten unterschiedlicher C4-Subtypen vergleichend untersucht werden, wobei die drei Subtypen der C4-Photosynthese im Vordergrund standen. Anhand der ausgewählten Arten der Modell-Gattung Panicum (s.l.), P. bisulcatum (C3), P. bulbosum (NADP-ME), P. miliaceum (NAD-ME) und P. maximum (PCK), konnten die unterschiedlichen Stoffwechseltypen, an phylogenetisch nah verwandten Arten, auf Unterschiede in der physiologischen Antwort auf den abiotischen Stressfaktor Trockenheit untersucht werden. Hierfür wurden zwei verschiedene Arten der Trockenstressinduktion durchgeführt. Ein Vergleich der Arten in Hinblick auf Unterschiede in der Trockentoleranz erfolgte anhand von Hydrokulturversuchen mit PEG6000 als Osmotikum. In diesem Fall wurde der jeweilige Stress sehr schnell induziert und über die Dauer von 6 Tagen in unterschiedlichen Intensitäten konstant gehalten. Anhand der durchgeführten Gaswechselmessungen und Bestimmungen der Chlorophyllfluoreszenzparameter konnte eindeutig die C3-Art P. bisulcatum als die am sensitivsten auf Trockenstress reagierende Art identifiziert werden. Die drei C4-Arten lagen in ihrer physiologischen Antwort auf die unterschiedlichen Trockenstressintensitäten verhältnismäßig nah zusammen. Bei schwächerem osmotischen Stress zeigte aber P. miliaceum, der Vertreter des NAD-ME Subtyps, eindeutig die geringste Beeinflussung der untersuchten Photosyntheseparameter, was im Wesentlichen auch bei stärkerem osmotischen Stress bestätigt wurde. Zudem zeigte P. miliaceum bei 1400 ppm CO2 im Messgas im Vergleich zu den anderen getesteten Arten eine signifikant höhere Wassernutzungseffizienz, was die bessere Anpassung des NAD-ME Subtypen an osmotischen Stress unterstreicht. Bei dem Trockenstressexperiment in Erde stand die physiologische Maximalantwort auf den natürlicheren, verhältnismäßig langsam induzierten, aber letztendlich starken Trockenstress im Vordergrund. Hier wurde für jede Art untersucht, welche limitierenden Faktoren unter Trockenstress auf die Photosyntheserate wirken. Dafür wurde neben Gaswechsel- und Chlorophyllfluoreszenzmessungen mit der Bestimmung der In-vitro-Aktivitäten der Enzyme des C4-Zyklus, der Bestimmung der PEPC und RubisCO-Gehalte anhand von SDS-PAGE und Western-Blot-Analysen, und der Bestimmung des Deepoxidationsgrades des Xanthophyllzykluses ausgewählte Teilreaktionen der C4-Photosynthese genauer untersucht. Bei allen untersuchten C4- Arten konnte bei dem starken Trockenstress eine eindeutige nicht-stomatäre Limitierung der Photosyntheserate festgestellt werden. Bei der C3-Art P. bisulcatum sprechen die Ergebnisse für eine Mischung aus stomatären und nicht-stomatären Faktoren, die die Photosynthese unter Trockenstress limitieren. Hier konnte eine Abnahme des RubisCO-Gehalts unter Trockenstress beobachtet werden, was ein möglicher Faktor für eine nicht-stomatäre Limitierung der Photosyntheserate unter Trockenstress sein kann. Aufgrund der im Mittel reduzierten In-vitro-Aktivitäten der Enzyme des NADP-ME C4-Zyklus (PPDK, PEPC, NADP-MDH und NADP-ME) und einer Abnahme des PEPC- und RubisCOGehalts bei trockengestressten P. bulbosum im Vergleich zu der entsprechenden Kontrolle, konnte bei dem Vertreter des NADP-ME Subtyps die nicht-stomatäre Limitierung der Photosyntheserate auf eine generelle Abnahme der an der C4-Photosynthese beteiligten Enzyme zurückgeführt werden. Anhand der Bestimmung der In-vitro-Aktivitäten von P. maximum konnte gezeigt werden, dass die als Nebenweg beschriebene Decarboxylierung des CO2 über das NAD-ME in den BSZ, wahrscheinlich im gleichen Maße abläuft wie der von KANAI und EDWARDS (1999) beschriebene Hauptweg (Decarboxylierung in den BSZ durch die PCK). Die beobachtete nicht-stomatäre Limitierung der Photosyntheserate unter Trockenstress wurde auf eine mögliche Abnahme der In-vitro-Aktivitäten des sogenannten Nebenweges zurückgeführt. Bei P. miliaceum, dem repräsentativen Vertreter des NAD-ME Subtyps, zeigte keines der C4-Enzyme eine Abnahme der In-vitro-Aktivität, noch konnte eine Abnahme des RubisCO Gehalts unter Trockenstress im Vergleich zur Kontrolle beobachtet werden. Diese Beobachtung deutete auf eine In-Situ-Inhibierung eines der C4-Enzyme hin. Aus diesem Grund wurden in dieser Arbeit bei P. miliaceum weiterführende Untersuchungen zur posttranslationalen Regulation der PEPC durchgeführt. Obwohl die PEPC unter Trockenstress in phosphorylierter und somit aktiver Form vorliegt, konnte gezeigt werden, dass bei trockengestressten P. miliaceum eine In-Situ-Inhibition der PEPC aufgrund einer Feedback-Inhibition durch das unter Trockenstress in den MZ akkumulierende Transportmetabolit Aspartat wahrscheinlich ist und somit die Photosyntheserate limitieren kann.

Drought stress is one of the major abiotic factors diminishing crop productivity world wide. In the course of climate change, regions which already experience dry seasons nowadays will suffer from elongated drought periods and water shortage. These climatic changes will not only have an impact on the regional flora and fauna but also on the people inhabiting these areas. It is therefore of great importance to understand the reactions of plants to drought stress to help breeding and biotechnological approaches for the benefit of new robust cereal cultures growing under low water regimes. In this dissertation four grasses of the genus Panicum, P. bisulcatum (C3), P. laetum, P. miliaceum and P. turgidum (all C4 NAD-ME) were subjected to drought stress. The plants diverse reactions were investigated on a physiological as well as on a molecular level to deepen the understanding of drought stress responses. Drought stress was imposed for a species-specific period until a relative leaf water content (RWC) of ~50 % was reached in each grass. Physiological measurements were conducted on leaves with a RWC of ~50 % investigating chlorophyll a fluorescence parameters with a Plant Efficiency Analyzer (PEA) and gas exchange parameters like the photosynthesis rate and stomatal conductance with a Gas Fluorescence Chamber (GFS-3000). Subsequent molecular analysis were conducted on leaf samples taken (RWC = 50 %) analysing different proteins and the transcriptome of the Panicum species. The physiological measurements revealed a higher photosynthesis rate for the C4 grasses under drought stress with no significant differences between the C4 species. Also the water use efficiency was significantly higher in the C4 species in comparison to the C3 species independent from the water regime supporting results from the literature. The chlorophyll a measurements revealed the strongest adaptation to water shortage in the C4 species P. turgidum followed by the C3 species P. bisulcatum. It has been shown before (GHANNOUM 2009) that the C4 photosynthesis apparatus is more prone to drought stress than the C3 apparatus – despite the higher water use efficiency. Results also suggested that the great adaptation of P. turgidum to drought stress arose from its ability to recover from drought stress (all JIP test parameters showed no significant differences between control and recovery samples). The additional down-regulation of PS II but not of PS I under drought stress also helped the plant to endure times of water shortage and facilitated the recovery when water was available again. Protein analyses on the content of PEPC, OEC and RubisCO (LSU and SSU) revealed no changes. Dehydrin 1 in contrast was strongly up-regulated under drought stress and Summary 108 recovery in all four Panicum species. The stable content of the OEC protein was therefore not the catalyst of rising K peaks measured by chlorophyll a fluorescence and a reduced OEC activity was supposed. Transcriptomic analyses revealed a myriad of differentially regulated tags. Due to unsequenced genomes, tags could only be partially (8 % maximum for P. turgidum) annotated to their specific genes. Diverse methods were therefore used to annotate the most highly regulated tags to their genes and their products. Special emphasis was put on the regulation of five gene products confirming the regulation schemata from the HT-SuperSAGE analyses. Interestingly one protein – the NCED1 – was down-regulated under stress conditions, in contrast to results from the literature. It is therefore of great importance to investigate longer lasting drought to understand the full range of drought stress adaptation. Future genome sequencing projects might also include the Panicum species investigated in this dissertation and important gene candidates with no hits (maybe completely new to the research community) might help breeding and biotechnology approaches to produce more drought resistant crop species.