TY  - THES
A1  - Popp, Christian
T1  - Cuticular transport of hydrophilic molecules with special focus on primary metabolites and active ingredients
T1  - Kutikulärer Transport von hydrophilen Primärmetaboliten und Aktivsubstanzen
N2  - The plant cuticle as an interface between the plant interior and the adjoining atmosphere plays an important role in any interaction between the plant and its environment. Transport processes across the cuticles were the object of countless research since many decades. However, bulk of the work done was focused on transport of lipophilic molecules. It is highly plausible to examine the penetration of lipophilic compounds, since the cuticle is dominated by lipophilic compartments itself, and the most crop protection agents have lipophilic character. As a result of this research, cuticular transport of lipophilic compounds is relatively well understood. Since several years, examinations were expanded on transport of hydrophilic molecules. In the present study, a direct comparison was made between transport properties of lipophilic and hydrophilic compounds, which allows an objective assessment of the mechanism governing their penetration. The results of this present study debunked the existence of two different pathways across isolated cuticles of Hedera helix (English ivy), a lipophilic and a hydrophilic pathway. This finding was supported by examinations regarding to accelerator and temperature effects on the mobility of both pathways, because the hydrophilic path is insensitive to them - in contrary to the lipophilic one. The lipophilic pathway is rigorously restricted to lipophilic molecules and the hydrophilic pathway is only accessible for hydrophilic molecules. Uncharged hydrophilic compounds can cross the cuticle even the molecules are of relatively large dimensions. In contrast to that, dissociable compounds with a molar volume higher than 110 cm³ mol-1 are excluded from cuticular penetration. Differences in the mobility of uncharged and dissociable molecules might be a hint towards the chemical nature of the polar pathways. It is assumed, that both, cellulose and pectin fibrils, traverse the cuticle which are originated from the epidermal cell wall. While uncharged carbohydrates might be able to penetrate across a pathway made up of cellulose and pectin, dissociated amino acids might be restricted to the cellulose path. This could be a plausible explanation for the higher mobility and the higher cuticle/water partition coefficients of the carbohydrates compared with the amino acids. A hydrophilic pathway was found with isolated grapevine cuticles, too. The apparent size selectivity of the hydrophilic pathway implies transport via narrow pores. From the present data, a mean pore radius of 0.31 nm (H. helix) or rather 0.34 nm (V. vinifera) was calculated. The absolute number of pores per cm² is 1.1 x 109 for H. helix and 3.3 x 109 for V. vinifera cuticles. This finding and the enlarged pore size distribution of grapevine cuticles might be an explanation for the transport of uncharged and dissociable hydrophilic compounds of higher molar volume like paraquat dichloride - in contrast to ivy membranes Wax extraction of ivy membranes uncovers additional pores, which explains the increased mobilities of the hydrophilic compounds across dewaxed membranes. From these extensive measurements it is very conspicuous, that the bulk of cuticular water transpiration occurs via the polar pathway. Since the work was focused on cuticular penetration of primary metabolites like amino acids and carbohydrates, a mechanistic explanation of leaching processes is obtained, simultaneously. In cuticular research, an inconsistent terminology regarding the transport path of the hydrophilic compounds was used. The term ‘hydrophilic pathway’ is definitely correct, since it makes no statement with regard to the shape of this path. In contrast to that, the terms ‘polar pore’ or ‘aqueous pore’ could imply that there is a tube or rather a water-filled tube traversing the cuticle. However - at this point of time – the imagination about the shape of this path is a pathway across interfibrilar gaps within polysaccharide strains. The proposed diameter of these interfibrilar gaps fits very well to the diameter determined in this study. Therefore, the imagination of a pore is not unfounded, but it is a very narrow pore, definitely. Additionally, this pathway is a very straight pathway which corresponds to this simplified imagination. An expanded study was done with paraquat dichloride, which was applied as aqueous droplets on grapevine cuticles. It is assumed that these model membranes reflect transport properties which are very close to that of relevant crops and weeds. The predominating parameter for paraquat penetration is the moisture, either originated from a relative humidity of at least 75% or provided by added chemicals. There is a tendency for good suitability of hygroscopic additives. Increased paraquat penetration was also obtained by raised concentrations and removal of the cuticular waxes.
N2  - Die pflanzliche Kutikula als Grenzfläche zwischen der Pflanze und ihrer Umgebung nimmt eine wichtige Aufgabe hinsichtlich der Interaktion Pflanze/Umwelt ein. Kutikuläre Transportprozesse sind bereits seit Jahrzehnten Gegenstand zahlreicher Forschungen. Das Hauptaugenmerk war dabei jedoch größtenteils auf lipophile Verbindungen gerichtet, was auch plausibel ist, da die Kutikula an sich eine lipophile Membran darstellt und nicht zuletzt auch viele Aktivsubstanzen aus dem Bereich des Pflanzenschutzes lipophil sind. Daraus resultiert ein sehr gutes Verständnis hinsichtlich der Transportmechanismen lipophiler Moleküle. In den letzten Jahren wurde die Forschung jedoch auf hydrophile Modellverbindungen ausgeweitet. Die vorliegende Studie beruht auf einem direkten Vergleich der Transporteigenschaften von lipophilen und hydrophilen Verbindungen, der Unterschiede in den jeweiligen Mechanismen aufzeigen soll. Die Ergebnisse dieser Messungen erbrachten den Nachweis für die Existenz zweier klar differenzierbarer Transportwege in isolierten Kutikularmembranen von Efeu (H. helix); einen lipophilen und einen hydrophilen Pfad. Diese Unterscheidung wurde durch weitere Experimente untermauert, da der lipophile Weg - im Gegensatz zum hydrophilen Weg - tensid- und temperatursensitiv ist. Lipophile Moleküle können ausschließlich über den lipophilen Weg permeieren, während der hydrophile Weg ausschließlich für hydrophile Verbindungen zur Verfügung steht. Eine Besonderheit hinsichtlich der Ladung hydrophiler Verbindungen wurde gefunden: Ungeladene hydrophile Moleküle können auch bei größerem Molvolumen noch durch die Membran transportiert werden. Im Gegensatz dazu wurde für hydrophile dissoziierbare Moleküle mit einem Molvolumen größer als 110 cm3 mol-1 ein Transportausschluss festgestellt. Unterschiede in der Mobilität geladener und dissoziierbarer hydrophiler Verbindungen könnten ein Hinweis in Richtung der Chemie des hydrophilen Weges sein. Es wird angenommen, dass sowohl Cellulose- als auch Pektinfibrillen die Kutikula durchziehen. Ursprung dieser Fibrillen ist die epidermale Zellwand. Eine höhere Mobilität der Kohlenhydrate gegenüber den Aminosäuren könnte dadurch erklärt werden. Ungeladene Kohlenhydrate können demnach sowohl über Cellulose- als auch Pektinfibrillen transportiert werden, während dissoziierte Aminosäuren möglicherweise nur über Cellulosefibrillen permeieren können. Diese Hypothese würde auch die im Vergleich zu den Aminosäuren höheren Verteilungskoeffizienten der Kohlenhydrate erklären. Auch für Blattkutikeln von Wein (V. vinifera cv. Nelly) wurde ein hydrophiler Weg gefunden. Die ausgeprägte Größenselektivität des hydrophilen Weges impliziert einen Transport durch enge Poren. Aus den gemessenen Daten ließ sich ein mittlerer Porenradius von 0.31 nm für Efeu und 0.34 nm für Wein bestimmen. Die absolute Porenanzahl pro Quadratzentimeter beträgt bei Efeu 1.1 x 109 und bei Wein 3.3 x 109. Diese Ergebnisse und die breitere Verteilung des mittleren Porenradius’ bei Wein können den Transport von Paraquat durch Weinmembranen und den Transportausschluss bei Efeumembranen erklären. Eine Extraktion der kutikulären Wachse bei Efeukutikeln legt weitere Poren frei, die ansonsten blind in der Wachsschicht enden und für Transportprozesse daher nicht zur Verfügung stehen. Aus der Auftragung aller Daten ergibt sich, daß Wasser hauptsächlich über den polaren Weg transportiert wird. Die vorliegenden Daten liefern gleichzeitig eine mechanistische Erklärung für das Auswaschen von Primärmetaboliten aus Blättern, was bereits vor vielen Jahrzehnten beobachtet wurde. Im Verlauf der Arbeit wurden verschiedene Begriffe für den Transportweg der hydrophilen Verbindungen verwendet. Der Ausdruck ‚hydrophiler Weg’ (hydrophilic pathway) ist günstig, da er keinerlei Aussagen über die Beschaffenheit dieses Weges macht. Im Gegensatz dazu beinhalten die in der Literatur präferierten Begriffe ‚polare Pore’ (polar pore) oder ‚wässrige Pore’ (aqueous pore) scheinbar Informationen hinsichtlich der Gestalt dieser Wege. Aus den bisherigen Erkenntnissen lässt sich dennoch ein Vorschlag für die Gestalt des hydrophilen Weges machen. Die Tatsache dass zu Fibrillen aggregierte einzelne Cellulosestränge einen Abstand von ca. 0.8 nm aufweisen, was dem postulierten Porenradius sehr nahe kommt, könnten interfibrilläre Zwischenräume den hydrophilen Weg darstellen. Der Begriff einer ‚Pore’ ist daher möglicherweise gar nicht abwegig. Jedenfalls ist der hydrophile Weg, im Gegensatz zum lipophilen Weg, ein ungewundener Weg, was der Vorstellung einer ‚Pore’ entgegen kommt.
KW  - Kutikula
KW  - Membrantransport
KW  - Metabolit
KW  - Kutikula
KW  - Transport
KW  - Primärmetabolite
KW  - Aktivsubstanzen
KW  - Leaching
KW  - cuticle
KW  - transport
KW  - primary metabolites
KW  - active ingredients
KW  - leaching
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-15174
ER  - 
TY  - THES
A1  - Pielström, Steffen
T1  - On the Role of Local Information in the Spatial Organisation of Collective Nest Digging in the Leaf-Cutting Ant Atta vollenweideri (Forel, 1893)
T1  - Über die Rolle lokaler Information in der räumlichen Organisation des kollektiven Nestgrabeverhaltens bei der Blattschneiderameise Atta vollenweideri (Forel, 1893)
N2  - Many ant species excavate underground nests. One of the most impressive examples is the Chaco leaf-cutting ant Atta vollenweideri from the Gran Chaco region in South America. The nests excavated by the workers of that species are among the largest insect-built structures on the planet. They are ecavated over years possibly involving millions of working individuals. However, the mechanisms underlying the organisation of collective nest digging in ants remain largely unknown. Considering the sheer dimensions of the nest in comparison to the size and presumably limited perceptual and cognitive abilities of the single worker, the assumption can be made that organising mechanisms are mostly based on responses of individuals to local stimuli within their perceptual range. Among these local stimuli that guide nest digging we can expect environmental variables, stimuli that relate to the requirements of the colony, and stimuli related to the spatial coordination of collective effort. The present thesis investigates the role of local stimuli from these three categories in the organisation of collective digging behaviour in the Chaco leaf-cutting ant. It describes experiments on (1) how workers respond in the context of digging to differences in soil moisture, which comprises an important environmental variable; (2) how available nest space influences nest enlargement; (3) and how the spatial coordination of excavating workers is implemented by responding to stimuli arising from nest mates while engaged in digging behaviour. The experiments on soil water content show that workers prefer to dig in moist materials that allow for fast excavation and transport rates. Accordingly, an unequal distribution of water in the soil around a nest can influence how the nest shape develops. On the other hand, results also indicate that workers strongly avoid excavating in extremely moist materials. Regarding the abundant occurrence of flooding events in the Gran Chaco region, the latter can be interpreted as an adaptation to avoid water inflow into the nest. In the experiments on the effect of nest space, the ants excavated less when presented with larger nests. When a large amount of space was suddenly added to the nest during the digging process, excavation rates decreased according to the new volume. These observations confirm the hypothesis that digging activity is regulated according to space requirements, possibly because crowding conditions inside the nest influence excavation behaviour. However, observations also indicate an intrinsic decrease of digging motivation with time. Moreover, excavation rates correlate with nest size only when comparing nests of similar shape. Distributing a similar nest volume to three smaller chambers, instead of one, resulted in drastically decreased digging rates. A possible explanation for that observation lies in the distribution of workers inside the nest that may vary according to nest geometry: a different distribution of individuals can lead to in different local crowding conditions in similar nest volumes. Furthermore, two different stimuli are described that are used in the spatial coordination of collective digging effort. First, fresh soil pellets deposited close to the digging site on their way from the surface increase the probability that arriving workers join excavation efforts at the same site. The deposition of pellets on the way is a consequence of sequential task partitioning during soil transport. The pellets are carried in transport chains that closely resemble the modalities of leaf transport observed at the surface. Second, workers stridulate while digging. The short-ranged vibrational signals produced thereby also attract nest mates to excavate at the same location. Accordingly, two mutually complementing mechanisms are described that allow to concentrate excavators at one location. In both cases, a local stimulus that is generated by current close-by excavation activity increases the probability of the stimulus receiver to dig close to other excavators. In an environment otherwise poor in digging stimuli, these mechanisms can be especially important to give collective digging efforts a common direction. As a consequence it can be argued that the spatial organisation of collective digging is based on choice copying. Individuals copy nest mate decisions on where to excavate by responding to local stimuli provided by nest mate digging activity. Taken together, responses to local stimuli can determine the direction of nest growth, aid in preventing the inflow of surface water into the nest, guide the adjustment of nest size to colony requirements and spatially coordinate collective digging efforts. Even though it cannot be ruled out that digging responses based e.g. on spatial memory or long-term experience exist, the results presented here clearly demonstrate that responses to local information account for many important aspects of nest development.
N2  - Viele Ameisenarten graben unterirdische Nester. Eines der wohl eindrucksvollsten Beispiele ist die Chaco-Blattschneiderameise Atta vollenweideri aus der Gran Chaco Region in Südamerika. Die Nester dieser Art gehören zu den größten von Insekten gebauten Strukturen auf unserem Planeten, und an ihrer Konstruktion sind vermutlich Millionen von Individuen über mehrere Jahre beteiligt. Die Mechanismen, die der Organisation des kollektiven Nestgrabeverhaltens zu Grunde liegen, sind weitgehend unbekannt. Berücksichtigt man allerdings allein die Dimensionen des gebauten Nestes im Vergleich zur Größe, und den vermutlich begrenzten Sinnes- und Kognitionsleistungen der einzelnen Arbeiterin, so liegt die Vermutung nahe, daß den Organisationsmechanismen überwiegend Reaktionen auf lokale Reize innerhalb der Wahrnehmungsreichweite zu Grunde liegen. Zu diesen lokalen Reizen gehören vermutlich Umweltvariablen, Reize, die mit den Bedürfnissen der Kolonie zusammenhängen, und Reize, die der räumlichen Koordination gemeinsamer Bemühungen dienen. Die vorliegende Dissertation untersucht die Rolle lokaler Reize in der Organisation des kollektiven Grabeverhaltens bei Atta vollenweideri auf diesen drei Ebenen. Sie beschreibt Experimente (1) zur Reaktion grabender Arbeiterinnen auf Unterschiede in der Bodenfeuchte, die in diesem Zusammenhang eine wichtige Umweltvariable darstellt, (2) zum Einfluß der verfügbaren Nestgröße auf die Nesterweiterung und (3) zur räumlichen Koordination grabender Arbeiterinnen durch Reize, die von anderen grabenden Arbeiterinnen ausgehen. Die Versuche zur Bodenfeuchte zeigen eine Präferenz für feuchte Materialen, die hohe Grabe- und Transportraten ermöglichen. Demzufolge kann die Verteilung des Wassers im Boden um ein Nest erheblichen Einfluß auf die Entwicklung der Nestform haben. Andererseits zeigen die Ergebnisse aber auch, daß Arbeiterinnen vermeiden, in extrem nassen Materialen zu graben. In Anbetracht der regelmäßigen Überflutungen in der Gran Chaco Region lässt sich diese Ablehnung als eine Adaptation interpretieren, die hilft, Wassereinbrüche ins Nest zu vermeiden. In den Experimenten zum Einfluß der Nestgröße gruben die Ameisen weniger, wenn ihnen ein größeres Nest zur Verfügung stand. Wenn das Nest im Laufe des Grabeprozesses künstlich schlagartig vergrößert wurde, passte sich die Graberate dem neuen Volumen an. Diese Beobachtungen bestätigen die Hypothese, daß die Grabeaktivität abhängig vom Platzbedarf reguliert wird, vermutlich, weil die Individuendichte im Nest das Grabeverhalten beeinflusst. Andererseits zeigen die Beobachtungen aber auch eine zeitabhängige, intrinsische Abnahme der Motivation zu graben. Zudem korreliert die Graberate nur dann mit der Nestgröße, wenn Nester von vergleichbarer Form in Betracht gezogen werden. Die Verteilung eines ähnlichen Nestvolumens auf drei kleinere Kammern statt einer größeren führte zu deutlich niedrigeren Graberaten. Eine mögliche Erklärung für diese Beobachtung liegt in der Verteilung der Arbeiterinnen im Nestinnern, die möglicherweise mit der Nestgeometrie variiert. Unterschiede in der Verteilung der Individuen können bei gleichem Nestvolumen unterschiedliche lokale Individuendichten zur Folge haben. Des weiteren werden zwei verschiedene Stimuli beschrieben, die zur räumlichen Koordination des kollektiven Grabeverhaltens genutzt werden. Zum einen erhöht sich die Wahrscheinlichkeit, daß eine ankommende Arbeiterin sich den Grabearbeiten an einer bestimmten Stelle anschließt, wenn auf dem Weg dorthin, nahe der betreffenden Stelle, frisch ausgegrabene Bodenpartikel, sogenannte pellets, abgelegt wurden. Das passiert in Folge der sequentiellen Arbeitsteilung beim Transportieren der Erde, denn der Transport der pellets erfolgt in Arbeitsketten, ähnlich wie der Transport von Blattfragmenten an der Oberfläche. Zum anderen stridulieren die Arbeiterinnen beim Graben und erzeugen dadurch Vibrationssignale von kurzer Reichweite, die ebenfalls Nestgenossinnen zum Graben an derselben Stelle motivieren. Es werden also zwei sich gegenseitig ergänzende Mechanismen beschrieben, die es erlauben, grabende Arbeiterinnen an einer bestimmten Stelle zu konzentrieren. In beiden Fällen erhöht ein Reiz, der durch aktuelle Grabeaktivität in unmittelbarer Nähe generiert wird, die Wahrscheinlichkeit, daß der Reizempfänger in der Nähe anderer grabender Arbeiterinnen zu Graben beginnt. Besonders in einem ansonsten, in Bezug auf das Grabeverhalten reizarmen Umfeld können derartige Mechanismen wichtig sein, um den kollektiven Grabebemühungen eine gemeinsame Richtung zu geben. Dementsprechend lässt sich argumentieren, daß die räumliche Organisation des Grabeverhaltens auf der Nachahmung von Entscheidungen basiert. Individuen kopieren die Entscheidungen ihrer Nestgenossinnen, wo gegraben wird, indem sie auf Reize reagieren, die von der Grabeaktivität anderer Arbeiterinnen ausgehen.
KW  - Blattschneiderameisen
KW  - Nestbau
KW  - Verhalten
KW  - Organisation
KW  - Stridulation
KW  - Transport
KW  - Boden
KW  - leaf-cutting ants
KW  - nest building
KW  - organisation
KW  - stridulation
KW  - transport
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-79118
ER  -