@phdthesis{Schaefer2020,
  author    = {Sch{\"a}fer, Nadine},
  title     = {Eine vergleichende biophysikalische Analyse von Hitze- und Trockentoleranzstrategien der W{\"u}stenpflanze Phoenix dactylifera und Nutzpflanzen der gemäßigten Klimazonen},
  doi       = {10.25972/OPUS-18649},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-186491},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2020},
  abstract  = {Der Klimawandel geht einher mit einem Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur und einem dadurch induzierten Wassermangel. Diese beiden abiotischen Stressfaktoren f{\"u}hren zu einer Reduzierung der landwirtschaftlichen Erträge und Biomassen von Kulturpflanzen. Daher ist eine Anpassung der betroffenen Pflanzenarten an das sich ändernde Klima erforderlich, um die landwirtschaftliche Produktivität in Zukunft aufrechtzuerhalten. Gegenwärtig ist unser Wissen {\"u}ber Strategien zur Toleranz gegen{\"u}ber abiotischem Stress sowie {\"u}ber Genom- und Transkriptionsinformationen auf wenige Modellorganismen von Angiospermen beschränkt, so dass diese Informationen die Basis f{\"u}r die Forschung an Trockenheit und Hitzestress darstellen. Die Untersuchung der Stressadaption innerhalb und zwischen verschiedenen Pflanzengattungen ist von besonderer Relevanz. Vor diesem Hintergrund habe ich im Rahmen meiner Doktorarbeit die Überlebensstrategie der extremophilen W{\"u}stenpflanze Phoenix dactylifera (Dattelpalme) im Vergleich zu zwei Mesophilen, der Kulturpflanze Hordeum vulgare (Gerste) und der Modellpflanze Arabidopsis thaliana, untersucht. Dattelpalmen sind nicht sukkulente W{\"u}stenpflanzen, die auch unter extremen Trocken- und Hitzebedingungen in den W{\"u}sten der Arabischen Halbinsel wachsen und ertragreich Fr{\"u}chte produzieren. In Phoenix dactylifera ist bislang weder die Molekularbiologie und -physiologie der Schließzellen, vor allem der Anionenkanäle, verstanden, noch wurde der Hitzeschutz ihrer Zuckertransportproteine untersucht. Um die stomatäre Reaktion auf das Trockenstresshormon ABA (Abscisinsäure) zu verstehen, klonierten wir die Hauptkomponenten des schnellen ABA-Signalwegs von Schließzellen und analysierten den Öffnungsmechanismus der Anionenkanäle aus der Dattelpalme und der Gerste vergleichend zu dem Anionenkanal aus Arabidopsis im heterologen Expressionssystem der Xenopus Oozyten. Beide monokotyledonen Pflanzenarten (Gerste und Dattelpalme) besitzen stomatäre Komplexe, die aus Schließzellen und Nebenzellen bestehen. Dies unterscheidet die Monokotyledonen von den Dikotyledonen, die normalerweise Stomakomplexe aufweisen, die nur aus einem Paar Schließzellen gebildet werden. Interessanterweise schlossen sich Dattelpalmen- und Gerstenstomata als Reaktion auf das Trockenstresshormon ABA nur in Gegenwart von extrazellulärem Nitrat. Der heterolog-exprimierte Anionenkanal PdSLAC1 wird durch die ABA-Kinase PdOST1 aktiviert und diese Aktivierung wird durch die Koexpression der PP2C-Phosphatase ABI1 gehemmt. Daher wird PdSLAC1 wie seine Orthologen aus Gerste und Arabidopsis durch ein ABA-abhängiges Phosphorylierungs-/Dephosphorylierungsnetzwerk gesteuert. PdOST1 aktivierte den Anionenkanal PdSLAC1 jedoch nur in Gegenwart von extrazellulärem Nitrat - eine elektrische Eigenschaft, die PdSLAC1 mit HvSLAC1 der Gerste gemein hat, sich jedoch von AtSLAC1 unterscheidet. Angesichts der Tatsache, dass in Gegenwart von Nitrat ABA den Stomaschluss verstärkt und beschleunigt, deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass bei Dattelpalmen und Gerste Nitrat als Ligand zum Öffnen von SLAC1 benötigt wird. Dies initiiert die Depolarisation der Schließzellen und leitet schließlich den Stomaschluss ein, um den Wasserverlust der Pflanzen unter Trockenstressbedingungen zu minimieren. Um die monokotyledone spezifische Nitratabhängigkeit von SLAC1 zu verstehen, f{\"u}hrten wir ortsgerichtete Mutagenesestudien auf Basis eines 3D-Modells durch, welche zudem vergleichende Studien an Chimären von Monokotylen- und Dikotylen-SLAC1 Anionenkanälen umfassten. Unsere Struktur-Funktions-Forschung identifizierte zwei Aminosäurenreste auf der Transmembrandomäne 3 (TMD3), die eine wesentliche Rolle bei der Nitrat-abhängigen Regulierung von SLAC1 Anionenkanälen monokotyledoner Pflanzen spielen. Die phylogenetische Analyse ergab schließlich, dass während der Evolution die f{\"u}r Monokotlyedonen spezifische Nitrat-abhängige Regulierung erst nach der Trennung in Monokotyledonen und Dikotyledonen auftrat. Durch die Nitrat-sensitive Regulierung von SLAC1 Anionenkanälen beruht der schnelle Stomaschluss von Monokotyledonen auf dem Zusammenspiel des Trockenstresshormons ABA und dem Stickstoffhaushalt der Pflanze. Da der ABA-Signalweg von Arabidopsis umfassend untersucht wurde, könnte die Entdeckung des monokotyledonen spezifischen Nitrat-abhängigen Motivs in TMD3 nun als Stellschraube zur Verbesserung der Z{\"u}chtungsprogramme dikotyledoner Nutzpflanzen dienen. W{\"u}stenpflanzen leiden nicht nur unter Trockenheit, sondern auch unter extremem Hitzestress. Wir konnten zeigen, dass hitzebelastete Dattelpalmen große Mengen der fl{\"u}chtigen Kohlenwasserstoffverbindung Isopren (2-Methyl-1,3-Butadien) produzieren und emittieren. Durch die vor{\"u}bergehende Freisetzung von Isopren kann die Pflanze die Photosynthese auch bei extremen Temperaturen betreiben. Es ist jedoch nicht bekannt, ob und wie Isopren in Hitzeperioden auch Transportprozesse durch biologische Membranen sch{\"u}tzt. Um den Einfluss von Isopren auf den Transmembrantransport zu untersuchen, identifizierten und klonierten wir den Protonen-gekoppelten Saccharosetransporter 1 (PdSUT1) der Dattelpalme und verglichen seine elektrischen Eigenschaften mit ZmSUT1 (Zea mays Sucrose Transporter 1) im heterologen Expressionssystem der Xenopus Oozyten. Interessanterweise waren das elektrische Verhalten, die kinetischen Eigenschaften und die Temperaturabhängigkeit beider Transporter ähnlich. Die Anwendung von Isopren veränderte jedoch massiv die Affinität von ZmSUT1 zu seinem Substrat Saccharose, während die Affinität des Transporters der Dattelpalme nur schwach beeinflusst wurde. Es wird angenommen, dass die Membranfluidität unter Hitzestress erniedrigt ist, welches durch Interkalierung von Isopren mit den Fettsäureketten biologischer Membrane einhergeht. Dies und die Unempfindlichkeit von PdSUT1 gegen{\"u}ber Isopren deuten darauf hin, dass der Saccharosetransporter PdSUT1 aus der W{\"u}stenpflanze auch bei hohen Temperaturen Saccharose mit hoher Affinität transportiert. Zuk{\"u}nftige Studien m{\"u}ssen nun klären, ob der fl{\"u}chtige Kohlenwasserstoff Isopren einen direkten Einfluss auf den Transporter selbst hat oder Isopren in die Membran integriert und damit indirekt die Eigenschaften von Transportproteinen beeinflusst. Unabhängig von der Wirkungsweise von Isopren sollte nicht unerwähnt bleiben, dass PdSUT1 gegen{\"u}ber Isopren weniger empfindlich ist als sein Ortholog ZmSUT1 aus Mais. Dies kann auf eine Anpassung des Saccharosetransporters an die extremen Hitzeperioden und die damit einhergehende Isoprenemission von Dattelpalmen zur{\"u}ckzuf{\"u}hren sein.},
  subject      = {Dattelpalme},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Kolb2003,
  author    = {Kolb, Christiane},
  title     = {Untersuchungen zur Erfassung und Bewertung der UV-Abschirmung bei Kulturvariet{\"a}ten verschiedener Nutzpflanzenarten},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-5365},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2003},
  abstract  = {In dieser Arbeit wurden unter naturnahen Bedingungen die Effekte von UV-Strahlung auf die Akkumulation l{\"o}slicher phenolischer Komponenten und die epidermale UV-Transmission in vivo bei Kulturvariet{\"a}ten di- und monokotyler Arten untersucht. Durch die Versuchsanordnungen konnten die Effekte der spektralen Bereiche der UV-A- und UV-B-Strahlung von denen des sichtbaren Bereichs getrennt betrachtet werden. Visuelle Schadensevaluierungen und die Erfassung der variablen Chlorophyllfluoreszenz dienten der Beurteilung einer durch Strahlungseinfl{\"u}sse bedingten Sch{\"a}digung der untersuchten Organe. In kurzfristigen Experimenten erfolgte bei unter Schwachlichtbedingungen angezogenen Pflanzen eine rasche Verringerung der epidermalen UV-Transmission, die durch UV-Strahlung induziert oder verst{\"a}rkt wurde. Dies stimmte f{\"u}r alle untersuchten Arten (Vitis vinifera, Hordeum vulgare, Avena sativa und Triticum aestivum) {\"u}berein. Hingegen war in keinem Fall eine durch UV verst{\"a}rkte Inhibierung der Photosynthese, bestimmt {\"u}ber die variable Chlorophyllfluoreszenz (FV/FM), zu erkennen. Zwischen der epidermalen Transmission f{\"u}r UV-A- und UV-B-Strahlung wurde bei allen drei monokotylen Arten ein strikt linearer Zusammenhang festgestellt. Dieser Zusammenhang bestand jedoch nicht f{\"u}r die untersuchten Organe in V. vinifera. Bei Vitis vinifera und Hordeum vulgare wurde {\"u}ber HPLC- Analytik eine positive Wirkung besonders der UV-B-Strahlung auf die Akkumulation der Flavonoide sowohl kurz- als auch langfristig nachgewiesen. Bei V. vinifera wurden die f{\"u}r Bl{\"a}tter bereits festgestellten Zusammenh{\"a}nge (Kolb et al., 2001) an Beeren untersucht. Es wurden einerseits allgemeine Reaktionsmuster auf kurz- und langfristige UV- Exposition erfasst, und andererseits zwei Kulturvariet{\"a}ten (cv. Bacchus und Silvaner) verglichen, deren Anf{\"a}lligkeit f{\"u}r ein strahlungsbedingtes Schadsymptom unterschiedlich war. In allen Experimenten konnten ohne UV-Strahlung keine nennenswerten Mengen an Flavonoiden gebildet werden. Die l{\"o}slichen Hydroxyzimts{\"a}urederivate (HZS) hingegen waren bei den Beeren von der Art der Exposition weitgehend unabh{\"a}ngig. Die Identit{\"a}t der phenolischen Komponenten wurde {\"u}ber HPLC, UV-Spektroskopie, sowie Massenspektrometrie abgekl{\"a}rt. Ihre Lokalisation in mehreren Zelllagen der Beerenhaut wurde durch Epifluoreszenzmikroskopie gezeigt. Der Einfluss des physiologischen Stadiums der Beeren auf die Akkumulation einzelner phenolischer Komponenten wurde durch Verwendung verschiedener Reifeindikatoren belegt. Im Vergleich zu den Bl{\"a}ttern wurden Unterschiede bez{\"u}glich der Akkumulation der HZS festgestellt, w{\"a}hrend f{\"u}r die Akkumulation der Flavonoide weitgehend {\"U}bereinstimmung herrschte. Anders als bei den Bl{\"a}ttern konnte bei den Beeren die fluorometrisch bestimmte epidermale Transmission nur zum Teil auf die Absorption der phenolischen Extrakte zur{\"u}ckgef{\"u}hrt werden. Die qualitativen Substanzmuster stimmten zwischen den Beeren der beiden Sorten {\"u}berein, es konnten aber signifikante Unterschiede bez{\"u}glich der Quantit{\"a}t einzelner Komponenten festgestellt werden. Zwei bisher unter "Sonnenbrand" zusammengefasste Schadbilder konnten voneinander getrennt dargestellt werden. Eines der beiden wurde eindeutig durch UV- Strahlung induziert, wobei UV-B die Intensit{\"a}t verst{\"a}rkte. Das Ziel, einen praxisrelevanten Bezug zwischen dem Schadbild der nicht-parasit{\"a}r bedingten Blattverbr{\"a}unung (NBV) bei Gerste und der Akklimatisation an verschiedene Strahlungsbedingungen herzustellen, bedingte eine Festlegung auf ausdifferenzierte Bl{\"a}tter adulter Pflanzen anstelle von Prim{\"a}rbl{\"a}ttern. Die Auswahl der Kulturvariet{\"a}ten bei H. vulgare erfolgte im Hinblick auf unterschiedliche Anf{\"a}lligkeit f{\"u}r NBV. Zwischen den Sorten konnte jedoch bez{\"u}glich der Anpassungsf{\"a}higkeit der epidermalen UV-Transmission an die unterschiedlichen Strahlungsbedingungen kein eindeutiger Unterschied ermittelt werden. Die epidermale UV-Transmission in vivo wurde bei H. vulgare ebenfalls mit der Absorption von Extrakten l{\"o}slicher phenolischer Komponenten in Beziehung gesetzt und mit der f{\"u}r die Bl{\"a}tter von V. vinifera gefundenen Relation verglichen. {\"U}bereinstimmend konnten ca. 80\% der Transmissionseigenschaften {\"u}ber die Absorption der Extrakte erkl{\"a}rt werden. Dennoch bestanden deutliche Unterschiede in der Art der Relationen. {\"U}ber HPLC-Analytik und UV-Spektroskopie wurden bei H. vulgare die l{\"o}slichen phenolischen Komponenten in Derivate einzelner Flavonoide unterteilt. Die l{\"o}slichen HZS hatten im Gegensatz zu V. vinifera nur einen geringen Anteil an der Gesamtmenge der phenolischen Substanzen. Das Substanzmuster der beiden Variet{\"a}ten stimmte {\"u}berein; teilweise auftretende Konzentrationsunterschiede bez{\"u}glich der Flavonoide insgesamt bzw. einzelner Komponenten waren zwischen den verschiedenen Experimenten nicht konsistent. Ein Zusammenhang zwischen der UV-Exposition und dem Auftreten oder der Intensit{\"a}t des Schadbildes NBV konnte nicht festgestellt werden.},
  subject      = {Getreide},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Koers2013,
  author    = {Koers, Sandra},
  title     = {Die Rolle der S-Typ Anionenkan{\"a}le in der Reaktion von Gerstenschließzellen auf Blumeria graminis f. sp. hordei},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-77335},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2013},
  abstract  = {In ihrer Evolution mussten Pflanzen Strategien entwickeln um sich sowohl gegen Pathogene aus der Luft als auch solche im Boden zu verteidigen. Diese Resistenzmechanismen der Pflanzen zu verstehen ist von h{\"o}chster Wichtigkeit f{\"u}r die moderne Gesellschaft. Die Weltbev{\"o}lkerung w{\"a}chst schnell, was zu der Notwendigkeit f{\"u}hrt, die landwirtschaftlichen Fl{\"a}chen m{\"o}glichst optimal zu nutzen. Ohne die Weiterentwicklung der landwirtschaftlichen Methoden wird eine ausreichende Versorgung mit Grundnahrungsmitteln nicht m{\"o}glich sein. Obwohl nicht viele Daten zu diesem Thema vorliegen, ist es sehr wahrscheinlich, dass ein hoher Prozentsatz der j{\"a}hrlichen Ernteverluste auf Pflanzenkrankheiten zur{\"u}ckzuf{\"u}hren ist (Orke et al. 1994, Pinstrup-Andersen; 2001). Der Ernteverlust ist nicht ausschließlich auf den Tod der infizierten Pflanze zur{\"u}ckzuf{\"u}hren, sondern vielmehr auf die sogenannten Resistenzkosten Walters und Heil; 2007). Um sich gegen das Pathogen zu sch{\"u}tzen m{\"u}ssen Ressourcen genutzt werden, die sonst f{\"u}r die korrekte Entwicklung der Pflanze, sowie der Samen und Fr{\"u}chte verwendet w{\"u}rden. Die pflanzliche Cuticula, welche die Blattoberfl{\"a}che bedeckt, ist die erste Verteidigungslinie gegen pathogene Microorganismen, die durch die Luft verbreitet werden. Um diese Barriere zu umgehen nutzen Bakterien und einige Pilze die Stomata als Eingang in den Apoplasten der Bl{\"a}tter. Dies kann durch die Pflanze allerdings verhindert werden, indem diese Poren geschlossen werden. Diese Schließzellantwort wurde zun{\"a}chst als Teil der Immunantwort auf Bakterien angesehen (Melotto et al. 2006). Nichtsdestotrotz konnte beobachtet werden, dass die Stomata auch w{\"a}hrend der Infektion des Mehltaupilzes schließen, obwohl dieser nicht durch die Stomata in das Blatt eindringen. Daher haben wir Einzelzellstudien an intakten Gerstenpflanzen vorgenommen um zu kl{\"a}ren, wie die Signale erkannt und weitergeleitet werden, die schließlich zum pathogen-induzierten Stomaschluss f{\"u}hren (Koers et al. 2011). Zusammengefasst kann gesagt werden, dass der Stomaschluss ein wichtiger Bestandteil der pflanzlichen Immunantwort ist. Innerhalb dieser Antwort der Stomata auf durch Wind {\"u}bertragene Pathogene, spielt die Aktivierung der S-Typ Anionenkan{\"a}le eine entscheidende Rolle. Es konnte dabei gezeigt werden, dass die Immunantwort die Licht-induzierte Inhibierung dieser Anionenkan{\"a}le außer Kraft setzt. S-Typ Anionenkan{\"a}le sind aber nicht allein in der Pathogenabwehr von Bedeutung, sondern auch in der Reaktion der Pflanzen auf Trockenstress. Es ist jedoch nicht bekannt, in wie weit sich die beiden Signalwege {\"u}berschneiden. Zusammen mit den neuen mutierten Gerstenlinien, werden die in dieser Arbeit beschriebenen Techniken zur Messung von Einzelzellen tiefere Einsichten in das Zusammenspiel zwischen Trockenstress und Pathogenabwehr in Pflanzen erm{\"o}glichen. Die daraus resultierenden Ergebnisse k{\"o}nnen zur Optimierung von Getreide f{\"u}r die moderne Landwirtschaft genutzt werden. Dies wird einer der wichtigsten Ans{\"a}tze sein, um die Menschheit auch in Zukunft mit ausreichend Nahrung versorgen zu k{\"o}nnen.},
  subject      = {Elektrophysiologie},
  language  = {de}
}