TY - JOUR A1 - Vansynghel, Justine A1 - Ocampo-Ariza, Carolina A1 - Maas, Bea A1 - Martin, Emily A. A1 - Thomas, Evert A1 - Hanf-Dressler, Tara A1 - Schumacher, Nils-Christian A1 - Ulloque-Samatelo, Carlos A1 - Tscharntke, Teja A1 - Steffan-Dewenter, Ingolf T1 - Cacao flower visitation: Low pollen deposition, low fruit set and dominance of herbivores JF - Ecological Solutions and Evidence N2 - 1. Pollination services of cacao are crucial for global chocolate production, yet remain critically understudied, particularly in regions of origin of the species. Notably, uncertainties remain concerning the identity of cacao pollinators, the influence of landscape (forest distance) and management (shade cover) on flower visitation and the role of pollen deposition in limiting fruit set. 2. Here, we aimed to improve understanding of cacao pollination by studying limiting factors of fruit set in Peru, part of the centre of origin of cacao. Flower visitors were sampled with sticky insect glue in 20 cacao agroforests in two biogeographically distinct regions of Peru, across gradients of shade cover and forest distance. Further, we assessed pollen quantities and compared fruit set between naturally and manually pollinated flowers. 3. The most abundant flower visitors were aphids, ants and thrips in the north and thrips, midges and parasitoid wasps in the south of Peru. We present some evidence of increasing visitation rates from medium to high shade (40%–95% canopy closure) in the dry north, and opposite patterns in the semi-humid south, during the wet season. 4. Natural pollination resulted in remarkably low fruit set rates (2%), and very low pollen deposition. After hand pollination, fruit set more than tripled (7%), but was still low. 5. The diversity and high relative abundances of herbivore flower visitors limit our ability to draw conclusions on the functional role of different flower visitors. The remarkably low fruit set of naturally and even hand pollinated flowers indicates that other unaddressed factors limit cacao fruit production. Such factors could be, amongst others, a lack of effective pollinators, genetic incompatibility or resource limitation. Revealing efficient pollinator species and other causes of low fruit set rates is therefore key to establish location-specific management strategies and develop high yielding native cacao agroforestry systems in regions of origin of cacao KW - agroforestry KW - cocoa KW - flower visitors KW - forest proximity KW - hand pollination KW - pollen KW - pollination services KW - shade cover Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-312722 SN - 2688-8319 VL - 3 IS - 2 ER - TY - THES A1 - Vansynghel, Justine T1 - Pollination and pest control along gradients of shade cover and forest distance in Peruvian cacao agroforestry landscapes T1 - Bestäubung und Schädlingsbekämpfung entlang von Beschattungs- und Waldentfernungsgradienten in peruanischen Kakao-Agroforstlandschaften N2 - Chapter I – Introduction Global trade of beans of the cacao tree (Theobroma cacao), of which chocolate is produced, contributes to the livelihoods of millions of smallholder farmers. The understorey tree is native to South America but is nowadays cultivated in many tropical regions. In Peru, a South American country with a particularly high cacao diversity, it is common to find the tree cultivated alongside non-crop trees that provide shade, in so-called agroforestry systems. Because of the small scale and low management intensity of such systems, agroforestry is one of the most wildlife-friendly land-use types, harbouring the potential for species conservation. Studying wildlife-friendly land-use is of special importance for species conservation in biodiversity-rich tropical regions such as Peru, where agricultural expansion and intensification are threatening biodiversity. Moreover, there is a growing body of evidence that shows co-occurrence of high biodiversity levels and high yield in wildlife-friendly cacao farming. Yet studies are restricted to non-native cacao countries, and since patterns might be different among continents, it is important to improve knowledge on wildlife-friendly agroforestry in native countries. Because studies of wildlife-friendly cultivation processes are still largely lacking for South America, we set out to study multiple aspects of cacao productivity in agroforests in Peru, part of cacao´s region of origin. The natural pollination process of cacao, which is critically understudied, was investigated by trapping flower visitors and studying pollen deposition from macrophotographs (Chapter II). Next, we excluded birds, bats, ants and flying insects and squirrels from cacao trees in a full-factorial field experiment and quantified these animals´ contribution to cacao fruit set, fruit loss and yield (Chapter III). Lastly, we aimed to assess whether fruit quantity and quality of native cacao increases through manually supplementing pollen (Chapter II and IV), and whether microclimatic conditions and the genetic background of the studied varieties limit fruit set (Chapter IV). Chapter II – Cacao flower visitation: Low pollen deposition, low fruit set and dominance of herbivores Given the importance of cacao pollination for the global chocolate production, it is remarkable that fruit set limitations are still understudied. Knowledge on flower visitation and the effect of landscape context and local management are lacking, especially in the crop’s region of origin. Moreover, the role of pollen deposition in limiting fruit set as well as the benefits of hand pollination in native cacao are unknown. In this chapter, we aimed to close the current knowledge gaps on cacao pollination biology and sampled flower visitors in 20 Peruvian agroforests with native cacao, along gradients of shade cover and forest distance. We also assessed pollen quantities and compared fruit set between manually and naturally pollinated flowers. We found that herbivores were the most abundant flower visitors in both northern and southern Peru, but we could not conclude which insects are effective cacao pollinators. Fruit set was remarkably low (2%) but improved to 7% due to pollen supplementation. Other factors such as a lack of effective pollinators, genetic pollen incompatibility or resource unavailability could be causing fruit set limitations. We conclude that revealing those causes and the effective pollinators of cacao will be key to improve pollination services in cacao. Chapter III – Quantifying services and disservices provided by insects and vertebrates in cacao agroforestry landscapes Pollination and pest control, two ecosystem services that support cacao yield, are provided by insects and vertebrates. However, animals also generate disservices, and their combined contribution is still unclear. Therefore, we excluded flying insects, ants, birds and bats, and as a side effect also squirrels from cacao trees and we assessed fruit set, fruit loss and final yield. Local management and landscape context can influence animal occurrence in cacao agroforestry landscapes; therefore, shade cover and forest distance were included in the analyses. Flying insects benefitted cacao fruit set, with largest gains in agroforests with intermediate shade cover. Birds and bats were also associated with improved fruit set rates and with a 114% increase in yield, potentially due to pest control services provided by these animals. The role of ants was complicated: these insects had a positive effect on yield, but only close to forest. We also evidenced disservices generated by ants and squirrels, causing 7% and 10% of harvest loss, respectively. Even though the benefits provided by animals outweighed the disservices, trade-offs between services and disservices still should be integrated in cacao agroforestry management. Chapter IV – Cross-pollination improves fruit set and yield quality of Peruvian native cacao Because yields of the cacao tree are restricted by pollination, hand pollination has been proposed to improve yield quantity and potentially, also quality. However, low self- and cross-compatibility of native cacao, and abiotic conditions could cancel out hand pollination benefits. Yet, the impact of genetic constraints and abiotic conditions on fruit set have not been assessed in native cacao so far. To increase our understanding of the factors that limit fruit set in native cacao, we compared manual self- and cross-pollination with five native genotypes selected for their sensorial quality and simultaneously tested for effects of soil water content, temperature, and relative air humidity. We also compared quality traits between manually and naturally pollinated fruits. Success rates of self-pollination were low (0.5%), but increased three- to eightfold due to cross-pollination, depending on the genotype of the pollen donor. Fruit set was also affected by the interaction between relative air humidity and temperature, and we found heavier and more premium seeds in fruits resulting from manual than natural pollination. Together, these findings show that reproductive traits of native cacao are constrained by genetic compatibility and abiotic conditions. We argue that because of the high costs of hand pollination, natural cross-pollination with native pollen donors should be promoted so that quality improvements can result in optimal economic gains for smallholder farmers. Chapter V – Discussion In this thesis, we demonstrated that the presence of flying insects, ants and vertebrates, local and landscape management practices, and pollen supplementation interactively affected cacao yield, at different stages of the development from flower to fruit. First, we showed that fruit set improved by intermediate shade levels and flower visitation by flying insects. Because the effective cacao pollinators remain unknown, we recommend shade cover management to safeguard fruit set rates. The importance of integrating trade-offs in wildlife-friendly management was highlighted by lower harvest losses due to ants and squirrels than the yield benefits provided by birds and bats. The maintenance of forest in the landscape might further promote occurrence of beneficial animals, because in proximity to forest, ants were positively associated with cacao yields. Therefore, an integrated wildlife-friendly farming approach in which shade cover is managed and forest is maintained or restored to optimize ecosystem service provision, while minimizing fruit loss, might benefit yields of native cacao. Finally, manual cross-pollination with native genotypes could be recommended, due to improved yield quantity and quality. However, large costs associated with hand pollination might cancel out these benefits. Instead, we argue that in an integrated management, natural cross-pollination should be promoted by employing compatible genotypes in order to improve yield quantity and quality of native cacao. N2 - Kapitel I – Einleitung Der weltweite Handel mit den Bohnen des Kakaobaums (Theobroma cacao) trägt zum Lebensunterhalt von Millionen von Kleinbauern bei. Der Unterholzbaum, aus dessen Bohnen Schokolade hergestellt wird, ist in Südamerika beheimatet, wird aber heute in vielen tropischen Regionen angebaut. In Peru, einem der Länder mit einer besonders hohen Kakaovielfalt, wird der Baum häufig zusammen mit schattenspendenden Bäumen in so genannten Agroforstsystemen angebaut. Aufgrund der Kleinräumigkeit und der geringen Bewirtschaftungsintensität solcher Systeme ist die Agroforstwirtschaft eine der wildtierfreundlichsten Landnutzungsformen, die ein großes Potenzial für den Artenschutz bietet. Die Erforschung wildtierfreundlicher Landnutzungsformen ist besonders wichtig für den Artenschutz in artenreichen tropischen Regionen wie Peru, in denen die Ausweitung und Intensivierung der Landwirtschaft die biologische Vielfalt bedroht. Darüber hinaus gibt es immer mehr Belege dafür, dass eine hohe Artenvielfalt mit hohen Erträgen im wildtierfreundlichen Kakaoanbau einhergeht. Die Studien beschränken sich jedoch auf nicht ursprüngliche Kakaoländer, und da die Muster auf den verschiedenen Kontinenten unterschiedlich sein könnten, ist es wichtig, das Wissen über wildtierfreundliche Agroforstwirtschaft in den Ursprungsländern zu verbessern. Da Studien über wildtierfreundliche Anbauprozesse in Südamerika noch weitgehend fehlen, haben wir uns vorgenommen, verschiedene Aspekte der Kakaoproduktivität in Agroforstbetrieben in Peru, einem Teil der Ursprungsregion des Kakaos, zu untersuchen. Der natürliche Bestäubungsprozess von Kakao, der wenig erforscht ist, wurde durch das Einfangen von Blütenbesuchern und die Untersuchung der Pollenablage anhand von Makrofotografien untersucht (Kapitel II). Als Nächstes haben wir gemeinsam Vögel, Fledermäuse, Ameisen und Fluginsekten und Eichhörnchen vom Zugang zu Kakaobäumen ausgeschlossen und den Beitrag dieser Tiere zum Fruchtansatz, Fruchtverlust und Ertrag von Kakao quantifiziert (Kapitel III). Schließlich wollten wir feststellen, ob sich die Fruchtmenge und -qualität des heimischen Kakaos durch die händische Zugabe von Pollen erhöht (Kapitel II und IV) und ob der genetische Hintergrund der untersuchten Sorten und die mikroklimatischen Bedingungen den Fruchtansatz limitieren (Kapitel IV). Kapitel II – Besuch der Kakaoblüten: Geringer Polleneintrag, geringer Fruchtansatz und Dominanz von Pflanzenfressern Angesichts der Bedeutung der Kakaobestäubung für die weltweite Schokoladenproduktion ist es bemerkenswert, dass der Fruchtansatz noch immer nicht ausreichend erforscht ist. Insbesondere in der Herkunftsregion der Pflanze fehlt es an Wissen über die Blütenbesucher und die Auswirkungen von Landschaft und Bewirtschaftung. Darüber hinaus sind die Rolle des Polleneintrags bei der Limitierung des Fruchtansatzes sowie die Vorteile der Handbestäubung bei einheimischem Kakao unbekannt. In diesem Kapitel wollten wir die derzeitigen Wissenslücken über die Bestäubungsbiologie von Kakao schließen und haben in 20 peruanischen Agroforsten mit einheimischem Kakao bei unterschiedlicher Beschattung und Waldentfernung Proben von Blütenbesuchern genommen. Wir untersuchten auch die Pollenmenge und verglichen den Fruchtansatz zwischen händisch und natürlich bestäubten Blüten. Wir stellten fest, dass Pflanzenfresser sowohl im Norden als auch im Süden Perus die häufigsten Blütenbesucher waren, konnten aber nicht feststellen, welche Insekten effektive Kakaobestäuber sind. Der Fruchtansatz war bemerkenswert niedrig (2 %), verbesserte sich aber durch die Pollenergänzung auf 7 %. Andere Faktoren wie ein Mangel an wirksamen Bestäubern, genetische Polleninkompatibilität oder die Nichtverfügbarkeit von Ressourcen könnten die Ursache für den geringen Fruchtansatz sein. Wir kommen zu dem Schluss, dass die Aufdeckung dieser Ursachen und der effektiven Bestäuber des Kakaos der Schlüssel zur Verbesserung der Bestäubungsleistungen im Kakao sein wird. Kapitel III – Quantifizierung der von Insekten und Wirbeltieren in agroforstwirtschaftlichen Kakaolandschaften erbrachten Ökosystemdienstleistungen und Gegenleistungen Bestäubung und Schädlingsbekämpfung, zwei Ökosystemleistungen, die den Kakaoertrag unterstützen, werden von Insekten und Wirbeltieren erbracht. Allerdings erbringen die Tiere auch andere Leistungen und ihr kombinierter Beitrag ist noch unklar. Daher haben wir Fluginsekten, Ameisen, Vögel und Fledermäuse und als Nebeneffekt auch Eichhörnchen vom Zugang zu den Kakaobäumen ausgeschlossen und den Fruchtansatz, den Fruchtverlust und den endgültigen Ertrag bewertet. Die Bewirtschaftung auf lokaler und Landschaftsebene kann das Vorkommen von Tieren in Kakao-Agroforstlandschaften erhöht werden; daher wurden auch die Beschattung und die Entfernung zum nächsten Wald in die Analysen einbezogen. Fluginsekten begünstigten den Fruchtansatz von Kakao, wobei die größten Zugewinne in Agroforsten mit mittlerer Beschattung zu verzeichnen waren. Vögel und Fledermäuse wurden ebenfalls mit verbesserten Fruchtansatzraten und einer 114%igen Ertragssteigerung in Verbindung gebracht, was möglicherweise auf die Schädlingsbekämpfung durch diese Tiere zurückzuführen ist. Die Rolle der Ameisen war kompliziert: Diese Insekten wirkten sich positiv auf den Ertrag aus, aber nur in Waldnähe. Wir haben auch negative Auswirkungen von Ameisen und Eichhörnchen festgestellt, die 7% bzw. 10 % der Ernteverluste verursachten. Auch wenn die Vorteile der Tiere die Nachteile überwiegen, sollte ein Ausgleich zwischen den Vor- und Nachteilen in die agroforstliche Bewirtschaftung von Kakao integriert werden. Kapitel IV – Kreuzbestäubung verbessert den Fruchtansatz und die Ertragsqualität von einheimischem peruanischem Kakao Da die Erträge des Kakaobaums durch die Bestäubung eingeschränkt werden, wurde die Handbestäubung vorgeschlagen, um die Ertragsmenge und möglicherweise auch die Qualität zu verbessern. Die geringe Selbst- und Kreuzkompatibilität der einheimischen Kakaosorten und die abiotischen Bedingungen könnten jedoch die Vorteile der Handbestäubung einschränken. Die Auswirkungen genetischer Limitierungen und abiotischer Bedingungen auf den Fruchtansatz wurden bei einheimischem Kakao bisher noch nicht untersucht. Um die Faktoren besser zu verstehen, die den Fruchtansatz bei einheimischem Kakao einschränken, verglichen wir die händische Selbst- und Kreuzbestäubung mit fünf einheimischen Genotypen, die aufgrund ihrer aromatischen Qualität ausgewählt wurden, und untersuchten gleichzeitig die Auswirkungen von Bodenwassergehalt, Temperatur und relativer Luftfeuchtigkeit. Außerdem verglichen wir die Qualitätsmerkmale zwischen händisch und natürlich bestäubten Früchten. Die Erfolgsrate der Selbstbestäubung war gering (0,5 %), stieg jedoch durch Kreuzbestäubung um das Drei- bis Achtfache, je nach Genotyp des Pollenspenders. Der Fruchtansatz wurde auch durch die Wechselwirkung zwischen relativer Luftfeuchtigkeit und Temperatur beeinflusst, und wir fanden schwerere und hochwertigere Samen in Früchten, die durch manuelle Bestäubung entstanden waren, als in den natürlich bestäubten. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Fortpflanzungseigenschaften des einheimischen Kakaos durch genetische Kompatibilität und abiotische Bedingungen eingeschränkt werden. Wir argumentieren, dass aufgrund der hohen Kosten der Handbestäubung die natürliche Kreuzbestäubung mit heimischen Pollenspendern gefördert werden sollte, damit Qualitätsverbesserungen zu optimalen wirtschaftlichen Gewinnen für die Kleinbauern führen können. Kapitel V – Diskussion In dieser Arbeit haben wir gezeigt, dass die Anwesenheit von Fluginsekten, Ameisen und Wirbeltieren, die Bewirtschaftungspraktiken auf lokaler und Landschaftsebene sowie die Pollenergänzung den Kakaoertrag in verschiedenen Entwicklungsstadien von der Blüte bis zur Frucht interaktiv beeinflussen. Zunächst haben wir gezeigt, dass sich der Fruchtansatz durch eine mittlere Beschattung und den Blütenbesuch durch Fluginsekten verbessert. Da die effektiven Bestäuber des Kakaos noch nicht bekannt sind, empfehlen wir, die Beschattung so zu gestalten, dass der Fruchtansatz gesichert ist. Wie wichtig es ist, bei einer wildtierfreundlichen Bewirtschaftung Kompromisse einzugehen, zeigt sich daran, dass die Ernteverluste durch Ameisen und Eichhörnchen geringer sind als die Ertragsvorteile durch Vögel und Fledermäuse. Die Erhaltung des Waldes in der Landschaft könnte das Vorkommen von Nützlingen weiter fördern, da Ameisen in der Nähe von Wäldern positiv mit den Kakaoerträgen verbunden waren. Daher könnte ein integrativer, wildtierfreundlicher Anbauplan, bei dem die Beschattung und der Waldabstand so gesteuert werden, dass die Bereitstellung von Ökosystemleistungen optimiert und gleichzeitig der Verlust von Früchten minimiert wird, den Erträgen des heimischen Kakaos zugutekommen. Schließlich könnte die händische Kreuzbestäubung mit einheimischen Genotypen aufgrund der verbesserten Ertragsmenge und -qualität empfohlen werden. Die hohen Kosten der händischen Bestäubung könnten diese Vorteile jedoch zunichtemachen. Stattdessen sollte im Rahmen einer integrativen Bewirtschaftung die natürliche Kreuzbestäubung durch den Einsatz kompatibler Genotypen gefördert werden, um die Quantität und Qualität der Erträge von einheimischem Kakao zu verbessern. KW - Kakao KW - Bestäubung KW - Schädlingsbekämpfung KW - Landschaftspflege KW - landwirtschaftlicher Betrieb KW - landscape management KW - wildlife-friendly farming KW - local farm management Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-281574 ER - TY - JOUR A1 - van Heyningen, V. A1 - Bickmore, W. A. A1 - Seawright, A. A1 - Fletcher, J. M. A1 - Maule, J. A1 - Fekete, G. A1 - Gessler, Manfred A1 - Bruns, G. A. A1 - Huerre-Jeanpierre, C. A1 - Junien, C. T1 - Role for the Wilms tumor gene in genital development? N2 - No abstract available KW - Biochemie Y1 - 1990 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-59238 ER - TY - JOUR A1 - Van den Hove, Daniel A1 - Jakob, Sissi Brigitte A1 - Schraut, Karla-Gerlinde A1 - Kenis, Gunter A1 - Schmitt, Angelika Gertrud A1 - Kneitz, Susanne A1 - Scholz, Claus-Jürgen A1 - Wiescholleck, Valentina A1 - Ortega, Gabriela A1 - Prickaerts, Jos A1 - Steinbusch, Harry A1 - Lesch, Klaus-Peter T1 - Differential Effects of Prenatal Stress in 5-Htt Deficient Mice: Towards Molecular Mechanisms of Gene x Environment Interactions N2 - Prenatal stress (PS) has been shown to influence the development of the fetal brain and to increase the risk for the development of psychiatric disorders in later life. Furthermore, the variation of human serotonin transporter (5-HTT, SLC6A4) gene was suggested to exert a modulating effect on the association between early life stress and the risk for depression. In the present study, we used a 5-Htt6PS paradigm to investigate whether the effects of PS are dependent on the 5-Htt genotype. For this purpose, the effects of PS on cognition, anxiety- and depression-related behavior were examined using a maternal restraint stress paradigm of PS in C57BL6 wild-type (WT) and heterozygous 5-Htt deficient (5-Htt +/2) mice. Additionally, in female offspring, a genome-wide hippocampal gene expression profiling was performed using the Affymetrix GeneChipH Mouse Genome 430 2.0 Array. 5-Htt +/2 offspring showed enhanced memory performance and signs of reduced anxiety as compared to WT offspring. In contrast, exposure of 5-Htt +/2 mice to PS was associated with increased depressive-like behavior, an effect that tended to be more pronounced in female offspring. Further, 5-Htt genotype, PS and their interaction differentially affected the expression of numerous genes and related pathways within the female hippocampus. Specifically, MAPK and neurotrophin signaling were regulated by both the 5-Htt +/2 genotype and PS exposure, whereas cytokine and Wnt signaling were affected in a 5-Htt genotype6PS manner, indicating a gene6environment interaction at the molecular level. In conclusion, our data suggest that although the 5-Htt +/2 genotype shows clear adaptive capacity, 5-Htt +/2 mice –particularly females– at the same time appear to be more vulnerable to developmental stress exposure when compared to WT offspring. Moreover, hippocampal gene expression profiles suggest that distinct molecular mechanisms mediate the behavioral effects of the 5-Htt genotype, PS exposure, and their interaction. KW - Medizin Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-75795 ER - TY - JOUR A1 - Vainshtein, Yevhen A1 - Sanchez, Mayka A1 - Brazma, Alvis A1 - Hentze, Matthias W. A1 - Dandekar, Thomas A1 - Muckenthaler, Martina U. T1 - The IronChip evaluation package: a package of perl modules for robust analysis of custom microarrays N2 - Background: Gene expression studies greatly contribute to our understanding of complex relationships in gene regulatory networks. However, the complexity of array design, production and manipulations are limiting factors, affecting data quality. The use of customized DNA microarrays improves overall data quality in many situations, however, only if for these specifically designed microarrays analysis tools are available. Results: The IronChip Evaluation Package (ICEP) is a collection of Perl utilities and an easy to use data evaluation pipeline for the analysis of microarray data with a focus on data quality of custom-designed microarrays. The package has been developed for the statistical and bioinformatical analysis of the custom cDNA microarray IronChip but can be easily adapted for other cDNA or oligonucleotide-based designed microarray platforms. ICEP uses decision tree-based algorithms to assign quality flags and performs robust analysis based on chip design properties regarding multiple repetitions, ratio cut-off, background and negative controls. Conclusions: ICEP is a stand-alone Windows application to obtain optimal data quality from custom-designed microarrays and is freely available here (see “Additional Files” section) and at: http://www.alice-dsl.net/evgeniy. vainshtein/ICEP/ KW - Microarray KW - ICEP KW - IronChip Evaluation Package Y1 - 2010 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-67869 ER - TY - THES A1 - Vainshtein, Yevhen T1 - Applying microarray‐based techniques to study gene expression patterns: a bio‐computational approach T1 - Anwendung von Mikroarrayanalysen um Genexpressionsmuster zu untersuchen: Ein bioinformatischer Ansatz N2 - The regulation and maintenance of iron homeostasis is critical to human health. As a constituent of hemoglobin, iron is essential for oxygen transport and significant iron deficiency leads to anemia. Eukaryotic cells require iron for survival and proliferation. Iron is part of hemoproteins, iron-sulfur (Fe-S) proteins, and other proteins with functional groups that require iron as a cofactor. At the cellular level, iron uptake, utilization, storage, and export are regulated at different molecular levels (transcriptional, mRNA stability, translational, and posttranslational). Iron regulatory proteins (IRPs) 1 and 2 post-transcriptionally control mammalian iron homeostasis by binding to iron-responsive elements (IREs), conserved RNA stem-loop structures located in the 5’- or 3‘- untranslated regions of genes involved in iron metabolism (e.g. FTH1, FTL, and TFRC). To identify novel IRE-containing mRNAs, we integrated biochemical, biocomputational, and microarray-based experimental approaches. Gene expression studies greatly contribute to our understanding of complex relationships in gene regulatory networks. However, the complexity of array design, production and manipulations are limiting factors, affecting data quality. The use of customized DNA microarrays improves overall data quality in many situations, however, only if for these specifically designed microarrays analysis tools are available. Methods In this project response to the iron treatment was examined under different conditions using bioinformatical methods. This would improve our understanding of an iron regulatory network. For these purposes we used microarray gene expression data. To identify novel IRE-containing mRNAs biochemical, biocomputational, and microarray-based experimental approaches were integrated. IRP/IRE messenger ribonucleoproteins were immunoselected and their mRNA composition was analysed using an IronChip microarray enriched for genes predicted computationally to contain IRE-like motifs. Analysis of IronChip microarray data requires specialized tool which can use all advantages of a customized microarray platform. Novel decision-tree based algorithm was implemented using Perl in IronChip Evaluation Package (ICEP). Results IRE-like motifs were identified from genomic nucleic acid databases by an algorithm combining primary nucleic acid sequence and RNA structural criteria. Depending on the choice of constraining criteria, such computational screens tend to generate a large number of false positives. To refine the search and reduce the number of false positive hits, additional constraints were introduced. The refined screen yielded 15 IRE-like motifs. A second approach made use of a reported list of 230 IRE-like sequences obtained from screening UTR databases. We selected 6 out of these 230 entries based on the ability of the lower IRE stem to form at least 6 out of 7 bp. Corresponding ESTs were spotted onto the human or mouse versions of the IronChip and the results were analysed using ICEP. Our data show that the immunoselection/microarray strategy is a feasible approach for screening bioinformatically predicted IRE genes and the detection of novel IRE-containing mRNAs. In addition, we identified a novel IRE-containing gene CDC14A (Sanchez M, et al. 2006). The IronChip Evaluation Package (ICEP) is a collection of Perl utilities and an easy to use data evaluation pipeline for the analysis of microarray data with a focus on data quality of custom-designed microarrays. The package has been developed for the statistical and bioinformatical analysis of the custom cDNA microarray IronChip, but can be easily adapted for other cDNA or oligonucleotide-based designed microarray platforms. ICEP uses decision tree-based algorithms to assign quality flags and performs robust analysis based on chip design properties regarding multiple repetitions, ratio cut-off, background and negative controls (Vainshtein Y, et al., 2010). N2 - Die Regulierung und Aufrechterhaltung der Eisen-Homeostase ist bedeutend für die menschliche Gesundheit. Als Bestandteil des Hämoglobins ist es wichtig für den Transport von Sauerstoff, ein Mangel führt zu Blutarmut. Eukaryotische Zellen benötigen Eisen zum Überleben und zum Proliferieren. Eisen ist am Aufbau von Hämo- und Eisenschwefelproteinen (Fe-S) beteiligt und kann als Kofaktor dienen. Die Aufnahme, Nutzung, Speicherung und der Export von Eisen ist zellulär auf verschiedenen molekularen Ebenen reguliert (Transkription, mRNA-Level, Translation, Protein-Level). Die iron regulatory proteins (IRPs) 1 und 2 kontrollieren die Eisen-Homeostase in Säugetieren posttranslational durch die Bindung an Iron-responsive elements (IREs). IREs sind konservierte RNA stem-loop Strukturen in den 5' oder 3' untranslatierten Bereichen von Genen, die im Eisenmetabolismus involviert sind (z.B. FTH1, FTL und TFRC). In dieser Arbeit wurden biochemische und bioinformatische Methoden mit Microarray-Experimenten kombiniert, um neue mRNAs mit IREs zu identifizieren. Genexpressionsstudien verbessern unser Verständnis über die komplexen Zusammenhänge in genregulatorischen Netzwerken. Das komplexe Design von Microarrays, deren Produktion und Manipulation sind dabei die limitierenden Faktoren bezüglich der Datenqualität. Die Verwendung von angepassten DNA Microarrays verbessert häufig die Datenqualität, falls entsprechende Analysemöglichkeiten für diese Arrays existieren. Methoden Um unser Verständnis von eisenregulierten Netzwerken zu verbessern, wurde im Rahmen dieses Projektes die Auswirkung einer Behandlung mit Eisen bzw. von Knockout Mutation unter verschiedenen Bedingungen mittels bioinformatischer Methoden untersucht. Hierfür nutzen wir Expressionsdaten aus Microarray-Experimenten. Durch die Verknüpfung von biochemischen, bioinformatischen und Microarray Ansätzen können neue Proteine mit IREs identifiziert werden. IRP/IRE messenger Ribonucleoproteine wurden immunpräzipitiert. Die Zusammensetzung der enthaltenen mRNAs wurde mittels einem IronChip Microarray analysiert: Für diesen Chip wurden bioinformatisch Gene vorhergesagt, die IRE-like Motive aufweisen. Der Chip wurde mit solchen Oligonucleotiden beschichtet und durch Hybridisierung überprüft, ob die präzipitierten mRNA sich hieran binden. Die Analyse der erhaltenen Daten erfordert ein spezialisiertes Werkzeug um von allen Vorteilen der angepassten Microarrays zu profitieren. Ein neuer Entscheidungsbaum-basierter Algorithmus wurde in Perl im IronChip Evaluation Package (ICEP) implementiert. Ergebnisse Aus großen Sequenz-Datenbanken wurden IRE-like Motive identifiziert. Dazu kombiniert der Algorithmus, insbesondere RNA-Primärsequenz und RNA-Strukturdaten. Solche Datenbankanalysen tendieren dazu, eine große Anzahl falsch positiver Treffer zu generieren. Daher wurden zusätzliche Bedingungen formuliert, um die Suche zu verfeinern und die Anzahl an falsch positiven Treffer zu reduzieren. Die angepassten Suchkriterien ergaben 15 IRE-like Motive. In einem weiteren Ansatz verwendeten wir eine Liste von 230 IRE-like Sequenzen aus UTR-Datenbanken. Daraus wurden 6 Sequenzen ausgewählt, die auch im unteren Teil stabil sind (untere Helix über 6 bp stabil). Die korrespondierenden Expressed Sequence Tags (ESTs) wurden auf die humane oder murine Version des IronChips aufgetragen. Die Microarray Ergebnisse wurden mit dem ICEP Programm ausgewertet. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Immunpräzipitation mit anschließender Microarrayanalyse ein nützlicher Ansatz ist, um bioinformatisch vorhergesagte IRE-Gene zu identifizieren. Darüber hinaus ermöglicht uns dieser Ansatz die Detektion neuer mRNAs, die IREs enthalten, wie das von uns gefundene Gen CDC14A (Sanchez et al., 2006). ICEP ist ein optimiertes Programmpaket aus Perl Programmen (Vainshtein et al., BMC Bioinformatics, 2010). Es ermöglicht die einfache Auswertung von Microarray Daten mit dem Fokus auf selbst entwickelten Microarray Designs. ICEP diente für die statistische und bioinformatische Analyse von selbst entwickelten IronChips, kann aber auch leicht an die Analyse von oligonucleotidbasierten oder cDNA Microarrays adaptiert werden. ICEP nutzt einen Entscheidungsbaum-basierten Algorithmus um die Qualität zu bewerten und führt eine robuste Analyse basierend auf Chipeigenschaften, wie mehrfachen Wiederholungen, Signal/Rausch Verhältnis, Hintergrund und Negativkontrollen durch. KW - Microarray KW - Genexpression KW - Bioinformatik KW - geneexpression KW - microarrays KW - IronChip KW - ICEP Y1 - 2010 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-51967 ER - TY - JOUR A1 - Uttinger, Konstantin L. A1 - Riedmeier, Maria A1 - Reibetanz, Joachim A1 - Meyer, Thomas A1 - Germer, Christoph Thomas A1 - Fassnacht, Martin A1 - Wiegering, Armin A1 - Wiegering, Verena T1 - Adrenalectomies in children and adolescents in Germany – a diagnose related groups based analysis from 2009-2017 JF - Frontiers in Endocrinology N2 - Background Adrenalectomies are rare procedures especially in childhood. So far, no large cohort study on this topic has been published with data on to age distribution, operative procedures, hospital volume and operative outcome. Methods This is a retrospective analysis of anonymized nationwide hospital billing data (DRG data, 2009-2017). All adrenal surgeries (defined by OPS codes) of patients between the age 0 and 21 years in Germany were included. Results A total of 523 patient records were identified. The mean age was 8.6 ± 7.7 years and 262 patients were female (50.1%). The majority of patients were between 0 and 5 years old (52% overall), while 11.1% were between 6 and 11 and 38.8% older than 12 years. The most common diagnoses were malignant neoplasms of the adrenal gland (56%, mostly neuroblastoma) with the majority being younger than 5 years. Benign neoplasms in the adrenal gland (D350) account for 29% of all cases with the majority of affected patients being 12 years or older. 15% were not defined regarding tumor behavior. Overall complication rate was 27% with a clear higher complication rate in resection for malignant neoplasia of the adrenal gland. Bleeding occurrence and transfusions are the main complications, followed by the necessary of relaparotomy. There was an uneven patient distribution between hospital tertiles (low volume, medium and high volume tertile). While 164 patients received surgery in 85 different “low volume” hospitals (0.2 cases per hospital per year), 205 patients received surgery in 8 different “high volume” hospitals (2.8 cases per hospital per year; p<0.001). Patients in high volume centers were significant younger, had more extended resections and more often malignant neoplasia. In multivariable analysis younger age, extended resections and open procedures were independent predictors for occurrence of postoperative complications. Conclusion Overall complication rate of adrenalectomies in the pediatric population in Germany is low, demonstrating good therapeutic quality. Our analysis revealed a very uneven distribution of patient volume among hospitals. KW - pediatric KW - neuroblastoma – diagnosis KW - therapy KW - adrenocortical adenocarcinoma KW - outcome KW - volume KW - adrenalectomia Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-282280 SN - 1664-2392 VL - 13 ER - TY - JOUR A1 - Urban, Lara A1 - Remmele, Christian W. A1 - Dittrich, Marcus A1 - Schwarz, Roland F. A1 - Müller, Tobias T1 - covRNA: discovering covariate associations in large-scale gene expression data JF - BMC Reserach Notes N2 - Objective The biological interpretation of gene expression measurements is a challenging task. While ordination methods are routinely used to identify clusters of samples or co-expressed genes, these methods do not take sample or gene annotations into account. We aim to provide a tool that allows users of all backgrounds to assess and visualize the intrinsic correlation structure of complex annotated gene expression data and discover the covariates that jointly affect expression patterns. Results The Bioconductor package covRNA provides a convenient and fast interface for testing and visualizing complex relationships between sample and gene covariates mediated by gene expression data in an entirely unsupervised setting. The relationships between sample and gene covariates are tested by statistical permutation tests and visualized by ordination. The methods are inspired by the fourthcorner and RLQ analyses used in ecological research for the analysis of species abundance data, that we modified to make them suitable for the distributional characteristics of both, RNA-Seq read counts and microarray intensities, and to provide a high-performance parallelized implementation for the analysis of large-scale gene expression data on multi-core computational systems. CovRNA provides additional modules for unsupervised gene filtering and plotting functions to ensure a smooth and coherent analysis workflow. KW - Multivariate analysis KW - Fourthcorner analysis KW - RLQ analysis KW - Transcriptomics KW - High-throughput data KW - Visualization KW - Ordination methods KW - RNA-Seq analysis KW - Microarray analysis Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-229258 VL - 13 ER - TY - JOUR A1 - Uppaluri, Sravanti A1 - Nagler, Jan A1 - Stellamanns, Eric A1 - Heddergott, Niko A1 - Herminghaus, Stephan A1 - Pfohl, Thomas A1 - Engstler, Markus T1 - Impact of Microscopic Motility on the Swimming Behavior of Parasites: Straighter Trypanosomes are More Directional JF - PLoS Computational Biology N2 - Microorganisms, particularly parasites, have developed sophisticated swimming mechanisms to cope with a varied range of environments. African Trypanosomes, causative agents of fatal illness in humans and animals, use an insect vector (the Tsetse fly) to infect mammals, involving many developmental changes in which cell motility is of prime importance. Our studies reveal that differences in cell body shape are correlated with a diverse range of cell behaviors contributing to the directional motion of the cell. Straighter cells swim more directionally while cells that exhibit little net displacement appear to be more bent. Initiation of cell division, beginning with the emergence of a second flagellum at the base, correlates to directional persistence. Cell trajectory and rapid body fluctuation correlation analysis uncovers two characteristic relaxation times: a short relaxation time due to strong body distortions in the range of 20 to 80 ms and a longer time associated with the persistence in average swimming direction in the order of 15 seconds. Different motility modes, possibly resulting from varying body stiffness, could be of consequence for host invasion during distinct infective stages. KW - African Trypanosomes KW - Cell Motility KW - Random-Walk KW - Brucei KW - Components KW - Flagellum KW - Biology KW - Motion KW - Chemotaxis KW - Movement Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-140814 VL - 7 IS - 6 ER - TY - JOUR A1 - Uphus, Lars A1 - Lüpke, Marvin A1 - Yuan, Ye A1 - Benjamin, Caryl A1 - Englmeier, Jana A1 - Fricke, Ute A1 - Ganuza, Cristina A1 - Schwindl, Michael A1 - Uhler, Johannes A1 - Menzel, Annette T1 - Climate effects on vertical forest phenology of Fagus sylvatica L., sensed by Sentinel-2, time lapse camera, and visual ground observations JF - Remote Sensing N2 - Contemporary climate change leads to earlier spring phenological events in Europe. In forests, in which overstory strongly regulates the microclimate beneath, it is not clear if further change equally shifts the timing of leaf unfolding for the over- and understory of main deciduous forest species, such as Fagus sylvatica L. (European beech). Furthermore, it is not known yet how this vertical phenological (mis)match — the phenological difference between overstory and understory — affects the remotely sensed satellite signal. To investigate this, we disentangled the start of season (SOS) of overstory F.sylvatica foliage from understory F. sylvatica foliage in forests, within nine quadrants of 5.8 × 5.8 km, stratified over a temperature gradient of 2.5 °C in Bavaria, southeast Germany, in the spring seasons of 2019 and 2020 using time lapse cameras and visual ground observations. We explained SOS dates and vertical phenological (mis)match by canopy temperature and compared these to Sentinel-2 derived SOS in response to canopy temperature. We found that overstory SOS advanced with higher mean April canopy temperature (visual ground observations: −2.86 days per °C; cameras: −2.57 days per °C). However, understory SOS was not significantly affected by canopy temperature. This led to an increase of vertical phenological mismatch with increased canopy temperature (visual ground observations: +3.90 days per °C; cameras: +2.52 days per °C). These results matched Sentinel-2-derived SOS responses, as pixels of higher canopy height advanced more by increased canopy temperature than pixels of lower canopy height. The results may indicate that, with further climate change, spring phenology of F. sylvatica overstory will advance more than F. sylvatica understory, leading to increased vertical phenological mismatch in temperate deciduous forests. This may have major ecological effects, but also methodological consequences for the field of remote sensing, as what the signal senses highly depends on the pixel mean canopy height and the vertical (mis)match. KW - overstory KW - understory KW - Sentinel-2 KW - time lapse cameras KW - vertical mismatch KW - phenological escape KW - climate change KW - European beech Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-248419 SN - 2072-4292 VL - 13 IS - 19 ER -