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Similar to chloroplast loci, mitochondrial markers are frequently used for genotyping, phylogenetic studies, and population genetics, as they are easily amplified due to their multiple copies per cell. In a recent study, it was revealed that the chloroplast offers little variation for this purpose in central European populations of beech. Thus, it was the aim of this study to elucidate, if mitochondrial sequences might offer an alternative, or whether they are similarly conserved in central Europe. For this purpose, a circular mitochondrial genome sequence from the more than 300-year-old beech reference individual Bhaga from the German National Park Kellerwald-Edersee was assembled using long and short reads and compared to an individual from the Jamy Nature Reserve in Poland and a recently published mitochondrial genome from eastern Germany. The mitochondrial genome of Bhaga was 504,730 bp, while the mitochondrial genomes of the other two individuals were 15 bases shorter, due to seven indel locations, with four having more bases in Bhaga and three locations having one base less in Bhaga. In addition, 19 SNP locations were found, none of which were inside genes. In these SNP locations, 17 bases were different in Bhaga, as compared to the other two genomes, while 2 SNP locations had the same base in Bhaga and the Polish individual. While these figures are slightly higher than for the chloroplast genome, the comparison confirms the low degree of genetic divergence in organelle DNA of beech in central Europe, suggesting the colonisation from a common gene pool after the Weichsel Glaciation. The mitochondrial genome might have limited use for population studies in central Europe, but once mitochondrial genomes from glacial refugia become available, it might be suitable to pinpoint the origin of migration for the re-colonising beech population.
In der vorliegenden Arbeit wurde das Zinkfinger-µ-Protein HVO_2753 des halophilen Archaeons Haloferax volcanii hinsichtlich seiner biologischen Funktion und seiner Struktur charakterisiert.
Zinkfinger-µ-Proteine wurden bisher nur sehr wenig untersucht, während ihnen jedoch in den letzten Jahren steigendes Interesse entgegengebracht wird. Im Genom von H. volcanii sind mehr als 40 solcher Zinkfinger-µ-Proteine codiert. Von diesen besitzt mit HVO_2753 lediglich eines nicht nur zwei, sondern vier der charakteristischen C(P)XCG-Muster, was für die Anwesenheit von zwei Zinkfinger-Motiven spricht. Während Homologe von HVO_2753 in vielen Euryachaeota vorkommen und manche davon als Zink-Ribbon RNA-Bindeproteine annotiert sind, ist über ihre Funktion jedoch nichts bekannt. Zur Charakterisierung des Proteins wurde zunächst eine in frame-Deletionsmutante seines Gens erstellt und diese einer phänotypischen Charakterisierung unterzogen. Die Mutante wies, verglichen mit dem Wildtyp, keine Unterschiede im Wachstum in Komplexmedium oder in synthetischem Medium mit Glukose als Kohlenstoffquelle auf. Ein schweres Defizit konnte jedoch sowohl bei der Adhäsion und Biofilmbildung als auch der Schwärmfähigkeit der Deletionsmutante festgestellt werden. Während die Schwärmfähigkeit des Wildtyps durch plasmidische Expression von HVO_2753 in der Deletionsmutante teilweise wiederhergestellt werden konnte, war eine solche Komplementation bei der Biofilmbildung nicht möglich. Die Analyse der Relevanz ausgewählter Aminosäuren, wie beispielsweise das jeweils erste Cystein in jedem C(P)XCG-Muster zeigte, dass die Substitution jeder einzelnen der getesteten Aminosäuren einen Funktionsverlust des Proteins nach sich zieht. Die Untersuchung des HVO_2753-Transkripts mittels Northern Blot-Analyse bestätigte erste Hinweise aus vorangegangenen dRNA- und RNA-Seq-Studien, die eine Co-Transkription von HVO_2753 mit dem Nachbargen HVO_2752, das für den Translations-Elongationsfaktor aEF-1 beta codiert, aufzeigten. Daraufhin erfolgte eine Untersuchung des Ribosomenprofils, bei der keine Unterschiede zwischen der Deletionsmutante und der Überexpressionsmutante von HVO_2753 festgestellt werden konnten.
Eine Variante von HVO_2753 mit N-terminalem Hexahistidin-Tag wurde homolog überproduziert und aufgereinigt. Die Überproduktion und Aufreinigung wurden im Zuge dieser Arbeit weiter, speziell für HVO_2753, optimiert. So konnten große Mengen von HVO_2753n überproduziert und bei nativen Salzbedingungen mittels Nickel-Affinitätschromatographie und anschließender Größenausschlusschromatographie aufgereinigt werden. Eine massenspektrometrische Analyse bestätigte sowohl das Molekulargewicht als auch die Abwesenheit posttranslationaler Modifikationen. Die Untersuchung der Menge an gebundenem Zink im Protein erfolgte beim Zink-Assay mit Hilfe des hochsensitiven und hochspezifischen Fluorophors ZnAF-2F. Dabei konnte gezeigt werden, dass überraschenderweise lediglich ein Zink-Ion in HVO_2753 gebunden vorliegt.
Zur weiteren Funktionsaufklärung erfolgte eine Interaktionspartnersuche. Hierfür wurde HVO_2753 überproduziert, ein in vivo-Crosslink und anschließend eine native Aufreinung durchgeführt. Die massenspektrometrische Analyse ausgewählter Fraktionen nach der Größenausschlusschromatographie ergaben eine Vielzahl an möglichen Bindepartnern. Besonders häufig wurde hier die GalE family Epimerase/Dehydratase gefunden. Eine weitere Methode zur Suche nach Interaktionspartnern richtete sich auf RNAs. Hier konnten mittels eines eigens entwickelten Protokolls neben RNAs des Translationsapparates auch mehrfach die tRNA(Glu) gefunden werden.
Zusätzlich sollte die Transkriptomanalyse mittels RNA-Sequenzierung Unterschiede zwischen Wildtyp, Deletionsmutante und Komplementationsmutante aufzeigen. Hier wurden weitreichende Auswirkungen der Deletion von HVO_2753 gefunden. Zahlreiche Gene in mehreren Operons zur Motilität und Chemotaxis lagen in der Deletionsmutante stark herunterreguliert vor, während die Gene einiger Metallionen-Transporter und der Eisen(III)-Siderophor-Biosynthese hochreguliert vorlagen. In der Komplementationsmutante konnten nur von den letzteren Genen Transkriptlevel vergleichbar mit denen des Wildtyps wiedergefunden werden.
In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass das kleine Zinkfinger-Protein HVO_2753 eine essenzielle Rolle in der positiven Regulation der Motilität, Chemotaxis und der Adhäsion bzw. Biofilmbildung spielt. Gleichzeitig übt HVO_2753 eine negative Regulation auf den Metallionen-Transport und die Biosynthese des Eisen(III)-Siderophors aus.
Climate change imposes severe stress on European forests, with forest degradation already visible in several parts of Europe. Thus adaptation of forestry applications in Mediterranean areas and central Europe is necessary. Proactive forestry management may include the planting of Mediter- ranean oak species in oak-bearing Central European regions. Five replicate common gardens of Greek and Italian provenances of Quercus ilex, Q. pubescens and Q. frainetto seedlings (210 each per plantation) were established in Central Italy, NE Greece (two) and Southern Germany (two, including Q. robur) to assess their performance under different climate conditions. Climate and soil data of the plantation sites are given and seedling establishment was monitored for survival and morphological parameters. After 3 years (2019) survival rates were satisfactory in the German and Italian sites, whereas the Greek sites exerted extremely harsh conditions for the seedlings, including extreme frost and drought events. In Germany, seedlings suffered extreme heat and drought periods in 2018 and 2019 but responded well. Provenances were ranked for each country for their performance after plan- tation. In Greece and Italy, Q. pubescens was the best performing species. In Germany, Q. pubescens and Q. robur performed best. We suggest that Greek or Italian provenances of Q. pubescens may be effectively used for future forestation purposes in Central Europe. For the establishment of Quercus plantations in Northern Greece, irrigation appears to be a crucial factor in seedling establishment.
Microplastics (MPs) are ubiquitous and persistent pollutants, and have been detected in a wide variety of media, from soils to aquatic systems. MPs, consisting primarily of polyethylene, polypropylene, and polyacrylamide polymers, have recently been found in 12% of samples of honey collected in Ecuador. Recently, MPs have also been identified in honey bees collected from apiaries in Copenhagen, Denmark, as well as nearby semiurban and rural areas. Given these documented exposures, assessment of their effects is critical for understanding the risks of MP exposure to honey bees. Exposure to polystyrene (PS)-MPs decreased diversity of the honey bee gut microbiota, followed by changes in gene expression related to oxidative damage, detoxification, and immunity. As a result, the aim of this perspective was to investigate whether wide-spread prevalence of MPs might have unintended negative effects on health and fitness of honey bees, as well as to draw the scientific community’s attention to the possible risks of MPs to the fitness of honey bees. Several research questions must be answered before MPs can be considered a potential threat to bees.
Photorhabdus and Xenorhabdus are Gram-negative, entomopathogenic bacteria, living in endosymbiosis with the soil-dwelling nematode of the genera Steinernema and Heterorhabditis. The life cycle of these nematodes consists of non-feeding infective juvenile (IJ) stage, which actively searches for insects in the soil. After penetrating the insect prey, Photorhabdus and Xenorhabdus bacteria are released from the nematode gut. The bacteria proliferate and produce toxins to kill the insect. Photorhabdus and Xenorhabdus support nematode development throughout the life cycle and to get rid of food competitors by providing a wide variety of specialized metabolites (SMs). However, little is known about which SMs function as so called “food signals” to trigger the development process.
The IJs develop into adult, self-fertilizing hermaphrodites in a process called recovery, while feeding on cadaver and bacterial biomass. Heterorhabditis and Steinernema proceed to breed until nutrients are exhausted. Next generation IJs (NG-IJs) develop and leave the cadaver to search for another insect prey.
Photorhabdus and Xenorhabdus can be cultivated in defined medium under laboratory conditions. By placing IJs on a plate containing their respective bacterial symbiont, the complete life cycle of the nematodes can be observed in vitro. The in vitro nematode bioassay was used as a tool to investigate the development of the nematode.
The aim of this study was to find the food signals responsible for nematode development. Different Photorhabdus deletion strains unable to produce one or several SMs were co-cultivated with nematodes in the nematode bioassay. Subsequently, two aspects of the life cycle were investigated: recovery and NG-IJ development.
As isopropyl stilbene (IPS) is postulated to function as a food signal to support nematode recovery, it was used as a starting point for investigations. This study was focused on the biosynthetic pathway of IPS, including intermediates, side products and derivatives to investigate which one is in fact responsible for supporting nematode development.
The biosynthesis of IPS requires two precursors, phenylalanine and leucine (Figure 5). The first topic was focused on the phenylalanine derived pathway. Photorhabdus laumondii deletion mutants, defective in intermediate steps of this pathway, were created. The deletion of the genes coding for the phenylalanine ammonium lyase (stlA), converting phenylalanine into cinnamic acid (CA), the coenzyme A (CoA) ligase (stlB) and the operon coding for a ketosynthase and aromatase (stlCDE), were used. These strains were used for nematode bioassay including complementation of mutant phenotypes by feeding experiments. Recovery of nematodes grown on the deletion strains was always lower than recovery of nematodes grown on wild type bacteria. Feeding IPS to a deletion strain did not restore wild type level nematode recovery, thus IPS cannot be the food signal. Instead, the food signal must be another compound derived from this part of biosynthetic pathway. Lumiquinone and 2,5-dihydrostilbene are suggested to function as food signals and need to be investigated in future work.
The second part of this study was focused on the leucine derived pathway, which involved the Bkd complex forming the iso-branched part of IPS. A deletion of bkd was created and phenotypically analysed, subsequently performed with the nematode bioassay. Not only IPS but also other branched SMs, like photopyrones and phurealipids are synthetised by the Bkd complex. Deletions strains defective in producing photopyrones and phurealipids were also performed in nematode bioassays to investigate effects of these SMs individually. Branched SMs did not have an impact on nematode development, but nematodes grown on the ΔbkdABC strain showed a reduced nematode recovery and almost diminished NG-IJs development. As the Bkd complex also produces branched chain fatty acids (BCFAs), feeding experiments were performed with lipid extracts of wild type and mutant strain. All lipid extracts improved recovery, but only wild type lipids could complement NG-IJ development. This strongly indicates that BCFAs play an important role in NG-IJ development, which needs to be proven with purified BCFA feeding. This is an interesting finding, which could improve nematode production for biocontrol agent usage.
The role of IPS derived to epoxy stilbene (EPS) for nematode development, was another focus in the nematode life cycle. Recently it was demonstrated that EPS does not support nematode development. However, EPS forms adducts with amino acids. In my thesis, novel adducts containing the amino acid phenylalanine or a tetrapeptide were characterized. Another adduct, most likely being an EPS dimer, was also characterized. The biological role of such adducts was discussed to be potentially important for insect weakening and the structure of the novel compounds need to be structure elucidated and tested for bioactivity.
Climatic niches describe the climatic conditions in which species can persist. Shifts in climatic niches have been observed to coincide with major climatic change, suggesting that species adapt to new conditions. We test the relationship between rates of climatic niche evolution and paleoclimatic conditions through time for 65 Old-World flycatcher species (Aves: Muscicapidae). We combine niche quantification for all species with dated phylogenies to infer past changes in the rates of niche evolution for temperature and precipitation niches. Paleoclimatic conditions were inferred independently using two datasets: a paleoelevation reconstruction and the mammal fossil record. We find changes in climatic niches through time, but no or weak support for a relationship between niche evolution rates and rates of paleoclimatic change for both temperature and precipitation niche and for both reconstruction methods. In contrast, the inferred relationship between climatic conditions and niche evolution rates depends on paleoclimatic reconstruction method: rates of temperature niche evolution are significantly negatively related to absolute temperatures inferred using the paleoelevation model but not those reconstructed from the fossil record. We suggest that paleoclimatic change might be a weak driver of climatic niche evolution in birds and highlight the need for greater integration of different paleoclimate reconstructions.
The factors that vary the aroma of Tuber magnatum fruiting bodies are poorly understood. The study determined the headspace aroma composition, sensory aroma profiles, maturity and bacterial communities from T. magnatum originating from Italy, Croatia, Hungary, and Serbia, and tested if truffle aroma is dependent on provenance and if fruiting body volatiles are explained by maturity and/or bacterial communities.
Headspace volatile profiles were determined using gas chromatography–mass spectrometry–olfactometry (GC-MS-O) and aroma of fruiting body extracts were sensorially assessed. Fruiting body maturity was estimated through spore melanisation. Bacterial community was determined using 16S rRNA amplicon sequencing.
Main odour active compounds were present in all truffles but varied in concentration. Aroma of truffle extracts were sensorially discriminated by sites. However, volatile profiles of individual fruiting bodies varied more within sites than across geographic area, while maturity level did not play a role. Bacterial communities varied highly and were partially explained by provenance. A few rare bacterial operational taxonomical units associated with a select few nonodour active volatile compounds.
Specificities of the aroma of T. magnatum truffles are more likely to be linked to individual properties than provenance. Some constituents of bacteria may provide biomarkers of provenance and be linked to nonodour active volatiles.
Although macroecology is a well-established field, much remains to be learned about the large-scale variation of fungal traits. We conducted a global analysis of mean fruit body size of 59 geographical regions worldwide, comprising 5340 fungal species exploring the response of fruit body size to latitude, resource availability and temperature. The results showed a hump-shaped relationship between mean fruit body size and distance to the equator. Areas with large fruit bodies were characterised by a high seasonality and an intermediate mean temperature. The responses of mutualistic species and saprotrophs were similar. These findings support the resource availability hypothesis, predicting large fruit bodies due to a seasonal resource surplus, and the thermoregulation hypothesis, according to which small fruit bodies offer a strategy to avoid heat and cold stress and therefore occur at temperature extremes. Fruit body size may thus be an adaptive trait driving the large-scale distribution of fungal species.
Operons wurden zuerst im Jahre 1961 beschrieben. Bis heute ist bekannt, dass die prokaryotischen Domänen Bacteria und Archaea Gene sowohl in monocistronischen als auch in bi- oder polycistronischen Transkripten exprimieren können. Häufig überlappen Gene sogar in ihren Sequenzen. Diese überlappenden Genpaare stehen nicht in Korrelation mit der Kompaktheit ihres Genoms. Das führt zu der Annahme, dass eine Art der Regulation vorliegt, welche weitere Proteine oder Gene nicht benötigt. Diese könnte eine gekoppelte Translation sein. Das bedeutet die Translation des stromabwärts-liegenden Gens ist abhängig von der Translation eines stromaufwärts-liegenden Gens. Diese Abhängigkeit kann zum Beispiel durch lang reichende Sekundärstrukturen entstehen, bei welchen Ribosomenbindestellen (RBS) des stromabwärts-liegenden Gens blockiert sind. Die de novo-Initiation am stromabwärts-liegenden Gen kann nur stattfinden, wenn das erste Gen translatiert wird und dabei die Sekundärstruktur an der RBS aufgeschmolzen wird. Für Genpaare in E. coli ist dieser Mechanismus gut untersucht. Ein anderes Beispiel für die Translationskopplung ist die Termination-Reinitiation, bei welcher ein Ribosom das erste Gen translatiert bis zum Stop-Codon, dort terminiert und direkt am stromabwärts-liegenden Start-Codon reinitiiert. Der Mechanismus via Termination-Reinitiation ist bis jetzt nur für eukaryontische Viren beschrieben worden. Im Gegensatz zu einer Kopplung über Sekundärstrukturen kommt es bei der Termination-Reinitiation am stromabwärts-liegenden Gen nicht zu einer de novo-Initiation sondern eine Reinitiation des Ribosoms findet statt. Diese Arbeit analysiert jene Art der Translationskopplung an Genen polycistronischer mRNAs in jeweils einem Modellorganismus als Vertreter der Archaea (Haloferax volcanii) und Bacteria (Escherichia coli). Hierfür wurden Reportergenvektoren erstellt, welche die überlappenden Genpaare an Reportergene fusionierten. Für diese Reportergene ist es möglich die Transkriptmenge zu quantifizieren sowie für die exprimierten Proteine Enzymassays durchgeführt werden können. Aus beiden Werten können Translationseffizienzen berechnet werden indem jeweils die Enzymaktivität pro Transkriptmenge ermittelt wird. Durch ein prämatures Stop-Codon in diesen Konstrukten ist es möglich zu unterscheiden ob es für die Translation des zweiten Gens essentiell ist, dass das Ribosom den Überlapp erreicht. Hiermit konnte für neun Genpaare in H. volcanii und vier Genpaare in E. coli gezeigt werden, dass eine Art der Kopplung stattfindet bei der es sich um eine Termination-Reinitiation handelt. Des Weiteren wurde analysiert, welche Auswirkungen intragene Shine-Dalgarno Sequenzen bei dem Event der Translationskopplung besitzen. Durch die Mutation solcher Motive und dem Vergleich der Translationseffizienzen der Konstrukte, mit und ohne einer SD Sequenz, wird für alle analysierten Genpaare beider Modellorganismen gezeigt, dass die SD Sequenz einen Einfluss auf diese Art der Kopplung hat. Zwischen den Genpaaren ist dieser Einfluss jedoch stark variabel. Weiterhin wurde der maximale Abstand zwischen zwei bicistronischen Genen untersucht, für welchen Translationskopplung via Termination-Reinitiation noch stattfinden kann. Hierfür wird durch site-directed mutagenesis jeweils ein prämatures Stop-Codon im stromaufwärts-liegenden Gen eingebracht, welches den intergenen Abstand zwischen den Genen in den jeweiligen Konstrukten vergrößert. Der Vergleich aller Konstrukte eines Genpaars zeigt in beiden Modellorganismen, dass die Termination-Reinitiation vom intergenen Abstand abhängig ist und die Translationseffizienz des stromabwärts-liegenden Reporters bereits ab 15 Nukleotiden Abstand abnimmt.
Eine weitere Fragestellung dieser Arbeit war es, den genauen Mechanismus der Termination-Reinitiation zu analysieren. Für Ribosomen gibt es an der mRNA nach der Termination der Translation zwei Möglichkeiten: Entweder als 70S Ribosom bestehen zu bleiben und ein weiteres Start-Codon auf der mRNA zu suchen oder in seine beiden Untereinheiten zu dissoziieren, während die 50S Untereinheit die mRNA verlässt und die 30S Untereinheit über Wechselwirkungen an der mRNA verbleiben kann. Um diesen Mechanismus auf molekularer Ebene zu untersuchen, wird ein Versuchsablauf vorgestellt. Dieser ermöglicht das Event bei der Termination-Reinitiation in vitro zu analysieren. Eine Unterscheidung von 30S oder 70S Ribosomen bei der Reinitiation der Translation des stromabwärts-liegenden Gens wird ermöglicht. Die Idee dabei basiert auf einem ribosome display, bei welchem Translationskomplexe am Ende der Translation nicht in ihre Bestandteile zerfallen können, da die eingesetzte mRNA kein Stop-Codon enthält Der genaue Versuchsablauf, die benötigten Bestandteile sowie proof-of-principal Versuche sind in der Arbeit dargestellt und mögliche Optimierungen werden diskutiert.
Biological and environmental factors as sources of variation in nocturnal behavior of giraffe
(2021)
Upon a drastic decline of the giraffe population in the wild, conservation efforts and therefore the role of zoos have become more important than ever. With their unique opportunities, zoos provide excellent conditions to study animal behavior, expanding the knowledge about the giraffe's behavior repertoire and their ability to adapt. This study therefore examined the nocturnal behavior of 63 giraffe living in 13 different EAZA zoos across Germany and the Netherlands. Giraffe were observed and videos recorded via infrared sensitive cameras during the winter seasons 2015–2018. The observation period spanned nightly from 17:00 to 7:00. Thus, 198 nights, with a total of 2772 h were recorded and analyzed. Linear mixed models were then used to assess potential biological and environmental factors influencing behavior during the dark phase. Results show that individual variables such as age, subspecies and motherhood determined nocturnal activity and sleep behavior most. Among the variables studied, husbandry conditions and environmental factors complying with EAZA standards had no influence on the giraffe's nocturnal behavior. By combining nocturnal activity analyses and an assessment of potential influencing factors, our findings present a holistic approach to a better understanding of captive giraffe behavior and allow for management implications.