TY  - THES
A1  - Leidinger, Ludwig Klaus Theodor
T1  - How genomic and ecological traits shape island biodiversity - insights from individual-based models
T1  - Einflüsse genomischer und ökologischer Arteigenschaften auf die Biodiversität von Inseln - Erkenntnisse aus individuenbasierten Modellen
N2  - Life on oceanic islands provides a playground and comparably easy\-/studied basis
for the understanding of biodiversity in general. Island biota feature many
fascinating patterns: endemic species, species radiations and species with
peculiar trait syndromes. However, classic and current island biogeography
theory does not yet consider all the factors necessary to explain many of these
patterns. In response to this, there is currently a shift in island biogeography
research to systematically consider species traits and thus gain a more
functional perspective. Despite this recent development, a set of species
characteristics remains largely ignored in island biogeography, namely genomic
traits. Evidence suggests that genomic factors could explain many of the
speciation and adaptation patterns found in nature and thus may be highly
informative to explain the fascinating and iconic phenomena known for oceanic
islands, including species radiations and susceptibility to biotic invasions.

Unfortunately, the current lack of comprehensive meaningful data makes studying
these factors challenging. Even with paleontological data and space-for-time
rationales, data is bound to be incomplete due to the very environmental
processes taking place on oceanic islands, such as land slides and volcanism,
and lacks causal information due to the focus on correlative approaches. As
promising alternative, integrative mechanistic models can explicitly consider
essential underlying eco\-/evolutionary mechanisms. In fact, these models have
shown to be applicable to a variety of different systems and study questions.

In this thesis, I therefore examined present mechanistic island models to
identify how they might be used to address some of the current open questions in
island biodiversity research. Since none of the models simultaneously considered
speciation and adaptation at a genomic level, I developed a new genome- and
niche-explicit, individual-based model. I used this model to address three
different phenomena of island biodiversity: environmental variation, insular
species radiations and species invasions.

Using only a single model I could show that small-bodied species with flexible
genomes are successful under environmental variation, that a complex combination
of dispersal abilities, reproductive strategies and genomic traits affect the
occurrence of species radiations and that invasions are primarily driven by the
intensity of introductions and the trait characteristics of invasive
species. This highlights how the consideration of functional traits can promote
the understanding of some of the understudied phenomena in island biodiversity.

The results presented in this thesis exemplify the generality of integrative
models which are built on first principles. Thus, by applying such models to
various complex study questions, they are able to unveil multiple biodiversity
dynamics and patterns.  The combination of several models such as the one I
developed to an eco\-/evolutionary model ensemble could further help to identify
fundamental eco\-/evolutionary principles. I conclude the thesis with an outlook
on how to use and extend my developed model to investigate geomorphological
dynamics in archipelagos and to allow dynamic genomes, which would further
increase the model's generality.
N2  - Inseln sind nützliche Modellsysteme für das Verständnis von Biodiversität im
Allgemeinen. Dies wird verstärkt durch den Umstand, dass Flora und Fauna auf
Inseln eine Vielzahl einzigartiger Phänomene aufweisen: von endemischen Arten
über Artenradiationen bis hin zu außergewöhnlichen Arteigenschaften. Bisherige
Theorien der Inselbiogeographie berücksichtigen jedoch nicht alle Faktoren, die
nötig wären, um solche Phänomene zu erklären. Derzeitige Bemühungen zielen daher
darauf ab, Arteigenschaften systematisch mit bestehenden Theorien zu vereinen.
Trotz dieser Entwicklung werden genomische Arteigenschaften bislang in solch
einer funktionalen Inselbiogeographie weitestgehend ignoriert, obwohl es
Hinweise darauf gibt, dass genomische Faktoren einige der faszinierenden
Diversifizierungsmuster einschließlich Artenradiationen erklären könnten.

Die Erforschung dieser Faktoren gestaltet sich aufgrund des Mangels an
umfangreichen, aussagekräftigen Daten jedoch als schwierig. Selbst unter
Zuhilfenahme von paläontologischen Daten und substituierten Daten aus
vergleichbaren Systemen lassen sich Unvollständigkeiten in den Daten und das
Problem fehlender Kausalzusammenhänge schwer überwinden. Eine vielversprechende
Alternative stellen mechanistische Modelle dar, von denen einige bereits
für eine Vielzahl von Systemen und Forschungsprojekten eingesetzt wurden.

In dieser Dissertation wurden daher mechanistische Inselmodelle untersucht, um
herauszufinden, inwiefern sich diese für derzeitige offene Fragen in der
Inselbiogeographie eignen würden. Da keines der untersuchten Modelle
gleichzeitig Artbildung and Anpassung unter Berücksichtigung von genomischen
Faktoren abbildet, wurde ein neues genom- und nischenexplizites,
individuenbasiertes Modell entwickelt. Dieses wurde benutzt, um drei
verschiedene Phänomene im Kontext der Inselbiogeographie zu untersuchen: die
Anpassung an Umweltvariation, Artenradiationen und Invasionen durch exotische
Arten.

Mit diesem neuentwickeltem Modell konnte gezeigt werden, dass kleinere
Arten mit flexiblen Genomen unter variablen Umwelteigenschaften erfolgreicher
sind, dass eine komplexe Kombination aus Ausbreitungsfähigkeiten,
Fortpflanzungsstrategien und genomischen Arteigenschaften das Entstehen von
Artenradiationen beeinflussen und dass Invasionen vor allem von der
Einführungsintensität und den Arteigenschaften exotischer Arten getrieben
sind. Diese Ergebnisse demonstrieren, wie die Berücksichtigung funktionaler
Arteigenschaften dabei helfen kann, einige bislang wenig untersuchte Phänomene
der Inselbiogeographie zu verstehen.

Die Ergebnisse dieser Dissertation stehen beispielhaft für die
Allgemeingültigkeit integrativer, auf Grundzusammenhängen aufbauender
Modelle. Dies wird durch die Aufdeckung diverser Biodiversitätsmuster und
-dynamiken im Rahmen der Bearbeitung verschiedener komplexer Fragestellungen
hervorgehoben. Weitere Modelle, wie das hier beschriebene, könnten sogar in
einem Modellensemble kombiniert werden, um öko-evolutionare Grundprinzipien zu
identifizieren. Abschließend wird ein Ausblick auf die Möglichkeit gewährt, das
Modell weiterzunutzen und zu erweitern, um beispielsweise geomorphologische
Archipeldynamiken oder dynamische Genome abzubilden, und damit die
Allgemeingültigkeit des Modells noch zu erweitern.
KW  - Inselbiogeografie
KW  - Simulation
KW  - Biodiversität
KW  - Genetik
KW  - Mikroevolution
KW  - island biogeography
KW  - mechanistic models
KW  - genetic architecture
KW  - eco-evolutionary feedbacks
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-207300
ER  - 
TY  - THES
A1  - Jaslan, Dawid Artur
T1  - TPC1 mutants provide insight into SV channel function
T1  - TPC1-Mutanten geben Einblick in die SV-Kanalfunktion
N2  - In the framework of the presented doctoral thesis, the plant ubiquitous, non-selective vacuolar cation channel TPC1/SV was electrophysiologically studied in Arabidopsis thaliana mesophyll vacuoles to further enlighten its physiological role in plant stress responses. For this, the hyperactive channel version fou2 (D454N), gaining a non-functional vacuolar calcium sensor, strong retarded growth phenotype and upregulated JA signalling pathway, and eight fou2 reverting WT-like ouf mutants were used. Except of ouf4, all other seven ouf mutants carried a 2nd mutation in the TPC1 gene. Therefore, the TPC1 electrical features of all ouf mutants were electrophysiologically characterized with the patch clamp method and compared with fou2 and WT. 
Due to a missense mutation, ouf1 and ouf7 mutants harboured a truncated TPC1 channel protein, resulting in an impaired protein integrity and in turn loss of TPC1 channel activity. Accordingly, ouf1 and ouf7 mimicked the tpc1-2 null mutant with a WT- rather fou2-like phenotype. The ouf2 (G583D D454N) mutant exhibited inactive TPC1 channels, probably because the G583D mutation located in luminal part of the S11 helix caused (i) a shift of the activation threshold to much more positive voltages (i.e. to more than +110 mV) (ii) or channel blockage. As a result of the TPC1 channel inactivity, the ouf2 mutant also imitates the WT-like phenotype of the tpc1-2 null mutant. In the ouf6 mutant (A669V D454N) the 2nd reverting mutation selectively influenced fou2-like SV channel features. Both, the fast activation kinetics and reduced luminal calcium sensitivity were similar in ouf6 and fou2. However, deviations in both, the relative and absolute open channel probability, resulted in strongly reduced (80 %) current density at 0 mM and channel inactivity in the voltage range between -30 mV to +40 mV compared to fou2 and WT. Furthermore, the TPC1 channels in ouf6 exhibited a higher susceptibility to inhibitory luminal Ca2+ than fou2. As a result of these different effects, the TPC1 channel activity almost vanished at high luminal Ca2+ loads, what is very likely the reason that ouf6 lost the fou2-like  phenotype. The ouf4 mutation did not change the fou2 TPC1-channel features like fast channel activation, single channel conductance and voltage-dependent gating behaviour. Nevertheless, the TPC1 current density was 80% less in ouf4 than in fou2. Since the TPC1 gene was not the target of the 2nd mutation, it can be assumed that it is modulated via external, yet unknown factor. In the ouf8 mutant the TPC1 channels additionally possess M629I mutation within the selectivity filter II resulting in a 50% decrease in the TPC1 unitary conductance. However, the slightly increased relative open channel probability of the TPC1 channels in ouf8 compared to fou2 appeared to be sufficient to compensate the reduced transport capacity of individual TPC1 channels. As a result, a similar macroscopic outward current density of ouf8 and fou2 was detected in the absence of vacuolar Ca2+. Furthermore, ouf8 mutation did not drastically change the typical fou2 TPC1 channel features such as fast activation, vacuolar calcium insensitivity and voltage dependency. However, a reversible block of the cytosol-directed potassium efflux at increased vacuolar calcium concentration in ouf8 mutant was found. Further inspection of transiently expressed TPC1 channel variants (M629I, M629T) on the single channel level suggest that Met629 of AtTPC1 in the channel pore region is crucial for the unitary channel conductance. 
Taken together, current membrane recordings from ouf mutants revealed one common feature: All of them lacked or showed a strongly impaired ability for TPC1-mediated potassium release from the vacuole into the cytosol. Additionally, considering the detected dependence of the vacuolar membrane voltage on TPC1 activity, it thus seems that the TPC1-triggered vacuolar membrane depolarization caused by vacuolar K+ release plays a key role in generation of the fou2-like phenotype. Accordingly, one can conclude that TPC1-dependent vacuolar membrane depolarization and initiation of jasmonate production are likely linked. This statement is supported also by the complete restoration of WT-like plant phenotype and JA signalling in the ouf mutants. Finally, as a control element of the vacuolar membrane voltage TPC1 is probably upstream located in JA signalling pathway and therefore a perfect junction for linking multiple physiological stimuli and response to them.



Im Rahmen der vorgelegten Doktorarbeit wurde der in Pflanzen ubiquitär exprimierte, nicht-selektive vakuoläre Kationenkanal TPC1/SV elektrophysiologisch in Arabidopsis thaliana Mesophyllvakuolen untersucht, um seine physiologische Rolle in der pflanzlichen Stressantwort weiter aufzuklären. Hierfür wurde die hyperaktive Kanalvariante fou2 (D454N), die einen nicht-funktionalen vakuolären Calciumsensor, ein stark verzögertes Pflanzenwachstum und einen hochregulierten Jasmonsäure-Signalweg aufweist, sowie acht ouf Mutanten mit fou2-umkehrenden Phänotyp benutzt. Mit Ausnahme von ouf4 enthalten alle anderen ouf Mutanten eine weitere Mutation im TPC1-Gen. Daher wurden die elektrischen Eigenschaften von TPC1 in allen ouf Mutanten elektrophysiologisch mittels der Patch clamp Technik charakterisiert und mit fou2 und dem Wildtyp verglichen.
Aufgrund einer Missense-Mutation beinhalten die Mutanten ouf1 und ouf7 ein verkürztes TPC1 Protein, woraus eine gestörte Proteinintegrität resultiert und daraus wiederum ein Fehlen der TCP1-Kanalaktivität. Dementsprechend ähneln ouf1 und ouf7 der tpc1-2 Nullmutante mit einem WT- oder eher fou2-artigen Phänotyp. Wahrscheinlich weist die ouf2 (G583D D454N) Mutante einen inaktiven TPC1-Kanal auf, weil die G583D Mutation, die in einem luminalen Teil der S11 Helix sitzt, eine Verschiebung der Aktivierungsschwelle hin zu einer höheren Spannung (z. B. mehr als +110 mV) oder einen Kanalblock verursacht. Als Folge der TPC1 Kanal Inaktivität, ahmt die ouf2 Mutante auch den WT-ähnlichen Phänotyp der tpc1-2 Nullmutante nach. In der ouf6 Mutante (A669V D454N) beeinflusst die zweite Mutation selektiv die fou2-ähnlichen SV-Kanaleigenschaften. Sowohl die schnelle Aktivierungskinetik als auch die verringerte luminale Calciumsensitivität waren denen von ouf6 und fou2 ähnlich. Die Abweichungen in der relativen sowie der absoluten Offenwahrscheinlichkeit resultierten jedoch in einer stark reduzierten (80 %) Stromdichte bei 0 mM luminalem Calcium verglichen mit fou2 und dem WT, sowie einer Kanalinaktivität bei Spannungen zwischen -30 mV und +40 mV. Darüber hinaus zeigten die TPC1 Kanäle in ouf6 eine höhere Anfälligkeit für inhibitorisches, luminales Calcium als die in fou2. Das Ergebnis der beiden unterschiedlichen Effekte ist, dass die TPC1 Kanalaktivität bei einer hohen luminalen Calciumkonzentration fast verschwindet, woraus zu schließen ist, dass ouf6 den fou2-ähnlichen Phänotyp verlor. Die ouf4 Mutation veränderte nicht die fou2 TPC1 Kanaleigenschaften, wie die schnelle Kanalaktivierung, die Einzelkanalleitfähigkeit und das spannungsabhängige Verhalten. Nichtsdestotrotz war die TCP1 Stromdichte in ouf4 um 80 % geringer als in fou2. Da das TPC1 Gen nicht das Ziel der zweiten Mutation war, kann angenommen werden, dass es durch äußere, bisher noch unbekannte Faktoren, reguliert wird. In der ouf8 Mutante haben die TPC1 Kanäle zusätzlich eine M629I Mutation innerhalb des zweiten Selektivitätsfilters, welche in einem 50 % Rückgang der TCP1 Einzelkanalleitfähigkeit resultiert. Jedoch scheint die leicht erhöhte Offenwahrscheinlichkeit der TCP1 Kanäle in ouf8, verglichen mit fou2, ausreichend zu sein, um die reduzierte Transportkapazität der individuellen TPC1 Kanäle zu kompensieren. Schlussfolgernd wurde eine ähnliche makroskopische auswärts gerichtete Stromdichte des ouf8 und des fou2 in Abwesenheit vakuolären Calciums entdeckt. Des Weiteren änderte eine ouf8 Mutation die fou2 TPC1 Kanaleigenschaften wie eine schnelle Aktivierung, vakuoläre Calciuminsensitivität und die Spannungsabhängigkeit nicht drastisch. Jedoch wurde ein reversibler Block des Zytosol-gerichteten Kalium Ausstroms bei erhöhten vakuolären Calcium Konzentrationen in ouf8 gefunden. Eine weitere Betrachtung transient exprimierter TPC1 Kanalvarianten (M629I, M629T) auf Einzelkanalebene weist darauf hin, dass das Met629 des AtTPC1 in der Kanalporenregion entscheidend ist für die Einzelkanalleitfähigkeit.
Zusammengefasst zeigt der über die Membran von ouf Mutanten gemessene Strom eine Gemeinsamkeit: Alle zeigten keinen oder einen stark beeinträchtigten TPC1-vermittelten Kaliumausstrom aus der Vakuole ins Zytosol. Unter Berücksichtigung der beobachteten Abhängigkeit der vakuolären Membranspannung von der TPC1 Aktivität, scheint es, als ob die durch TPC1 angeregte Depolarisation der Vakuolenmembran, welche durch die vakuoläre Kaliumfreisetzung bedingt wird, in der Ausbildung des fou2 Phänotyps eine Rolle spielt. Daraus lässt sich ableiten, dass die TPC1-abhängige Depolarisation der Vakuolenmembran und die Jasmonat Bildung vermutlich verbunden sind. Diese Behauptung wird auch gestützt durch die komplette Wiederherstellung des WT-ähnlichen Pflanzenphänotyps und des Jasmonsäure Signalwegs in den ouf Mutanten. Letztendlich ist TPC1 als kontrollierendes Element der vakuolären Membranspannung wahrscheinlich dem Jasmonsäure Signalweg vorgeschaltet und deswegen ein perfekter Knotenpunkt, der verschiedene physiologische Stimuli und ihre Antworten verbindet.
N2  - Im Rahmen der vorgelegten Doktorarbeit wurde der in Pflanzen ubiquitär exprimierte, nicht-selektive vakuoläre Kationenkanal TPC1/SV elektrophysiologisch in Arabidopsis thaliana Mesophyllvakuolen untersucht, um seine physiologische Rolle in der pflanzlichen Stressantwort weiter aufzuklären. Hierfür wurde die hyperaktive Kanalvariante fou2 (D454N), die einen nicht-funktionalen vakuolären Calciumsensor, ein stark verzögertes Pflanzenwachstum und einen hochregulierten Jasmonsäure-Signalweg aufweist, sowie acht ouf Mutanten mit fou2-umkehrenden Phänotyp benutzt. Mit Ausnahme von ouf4 enthalten alle anderen ouf Mutanten eine weitere Mutation im TPC1-Gen. Daher wurden die elektrischen Eigenschaften von TPC1 in allen ouf Mutanten elektrophysiologisch mittels der Patch clamp Technik charakterisiert und mit fou2 und dem Wildtyp verglichen.
Aufgrund einer Missense-Mutation beinhalten die Mutanten ouf1 und ouf7 ein verkürztes TPC1 Protein, woraus eine gestörte Proteinintegrität resultiert und daraus wiederum ein Fehlen der TCP1-Kanalaktivität. Dementsprechend ähneln ouf1 und ouf7 der tpc1-2 Nullmutante mit einem WT- oder eher fou2-artigen Phänotyp. Wahrscheinlich weist die ouf2 (G583D D454N) Mutante einen inaktiven TPC1-Kanal auf, weil die G583D Mutation, die in einem luminalen Teil der S11 Helix sitzt, eine Verschiebung der Aktivierungsschwelle hin zu einer höheren Spannung (z. B. mehr als +110 mV) oder einen Kanalblock verursacht. Als Folge der TPC1 Kanal Inaktivität, ahmt die ouf2 Mutante auch den WT-ähnlichen Phänotyp der tpc1-2 Nullmutante nach. In der ouf6 Mutante (A669V D454N) beeinflusst die zweite Mutation selektiv die fou2-ähnlichen SV-Kanaleigenschaften. Sowohl die schnelle Aktivierungskinetik als auch die verringerte luminale Calciumsensitivität waren denen von ouf6 und fou2 ähnlich. Die Abweichungen in der relativen sowie der absoluten Offenwahrscheinlichkeit resultierten jedoch in einer stark reduzierten (80 %) Stromdichte bei 0 mM luminalem Calcium verglichen mit fou2 und dem WT, sowie einer Kanalinaktivität bei Spannungen zwischen -30 mV und +40 mV. Darüber hinaus zeigten die TPC1 Kanäle in ouf6 eine höhere Anfälligkeit für inhibitorisches, luminales Calcium als die in fou2. Das Ergebnis der beiden unterschiedlichen Effekte ist, dass die TPC1 Kanalaktivität bei einer hohen luminalen Calciumkonzentration fast verschwindet, woraus zu schließen ist, dass ouf6 den fou2-ähnlichen Phänotyp verlor. Die ouf4 Mutation veränderte nicht die fou2 TPC1 Kanaleigenschaften, wie die schnelle Kanalaktivierung, die Einzelkanalleitfähigkeit und das spannungsabhängige Verhalten. Nichtsdestotrotz war die TCP1 Stromdichte in ouf4 um 80 % geringer als in fou2. Da das TPC1 Gen nicht das Ziel der zweiten Mutation war, kann angenommen werden, dass es durch äußere, bisher noch unbekannte Faktoren, reguliert wird. In der ouf8 Mutante haben die TPC1 Kanäle zusätzlich eine M629I Mutation innerhalb des zweiten Selektivitätsfilters, welche in einem 50 % Rückgang der TCP1 Einzelkanalleitfähigkeit resultiert. Jedoch scheint die leicht erhöhte Offenwahrscheinlichkeit der TCP1 Kanäle in ouf8, verglichen mit fou2, ausreichend zu sein, um die reduzierte Transportkapazität der individuellen TPC1 Kanäle zu kompensieren. Schlussfolgernd wurde eine ähnliche makroskopische auswärts gerichtete Stromdichte des ouf8 und des fou2 in Abwesenheit vakuolären Calciums entdeckt. Des Weiteren änderte eine ouf8 Mutation die fou2 TPC1 Kanaleigenschaften wie eine schnelle Aktivierung, vakuoläre Calciuminsensitivität und die Spannungsabhängigkeit nicht drastisch. Jedoch wurde ein reversibler Block des Zytosol-gerichteten Kalium Ausstroms bei erhöhten vakuolären Calcium Konzentrationen in ouf8 gefunden. Eine weitere Betrachtung transient exprimierter TPC1 Kanalvarianten (M629I, M629T) auf Einzelkanalebene weist darauf hin, dass das Met629 des AtTPC1 in der Kanalporenregion entscheidend ist für die Einzelkanalleitfähigkeit.
Zusammengefasst zeigt der über die Membran von ouf Mutanten gemessene Strom eine Gemeinsamkeit: Alle zeigten keinen oder einen stark beeinträchtigten TPC1-vermittelten Kaliumausstrom aus der Vakuole ins Zytosol. Unter Berücksichtigung der beobachteten Abhängigkeit der vakuolären Membranspannung von der TPC1 Aktivität, scheint es, als ob die durch TPC1 angeregte Depolarisation der Vakuolenmembran, welche durch die vakuoläre Kaliumfreisetzung bedingt wird, in der Ausbildung des fou2 Phänotyps eine Rolle spielt. Daraus lässt sich ableiten, dass die TPC1-abhängige Depolarisation der Vakuolenmembran und die Jasmonat Bildung vermutlich verbunden sind. Diese Behauptung wird auch gestützt durch die komplette Wiederherstellung des WT-ähnlichen Pflanzenphänotyps und des Jasmonsäure Signalwegs in den ouf Mutanten. Letztendlich ist TPC1 als kontrollierendes Element der vakuolären Membranspannung wahrscheinlich dem Jasmonsäure Signalweg vorgeschaltet und deswegen ein perfekter Knotenpunkt, der verschiedene physiologische Stimuli und ihre Antworten verbindet.
KW  - SV channel
KW  - TPC1
KW  - ouf mutants
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-157312
ER  - 
TY  - THES
A1  - Anwar, Ammarah
T1  - Natural variation of gene regulatory networks in \(Arabidopsis\) \(thaliana\)
T1  - Natürliche Variation genregulatorischer Netzwerke in \(Arabidopsis\) \(thaliana\)
N2  - Understanding the causal relationship between genotype and phenotype is a major objective in biology. The main interest is in understanding trait architecture and identifying loci contributing to the respective traits. Genome-wide association mapping (GWAS) is one tool to elucidate these relationships and has been successfully used in many different species. However, most studies concentrate on marginal marker effects and ignore epistatic and gene-environment interactions. These interactions are problematic to account for, but are likely to make major contributions to many phenotypes that are not regulated by independent genetic effects, but by more sophisticated gene-regulatory networks. Further complication arises from the fact that these networks vary in different natural accessions. However, understanding the differences of gene regulatory networks and gene-gene interactions is crucial to conceive trait architecture and predict phenotypes.
The basic subject of this study – using data from the Arabidopsis 1001 Genomes Project – is the analysis of pre-mature stop codons. These have been incurred in nearly one-third of the ~ 30k genes. A gene-gene interaction network of the co-occurrence of stop codons has been built and the over and under representation of different pairs has been statistically analyzed. To further classify the significant over and under- represented gene-gene interactions in terms of molecular function of the encoded proteins, gene ontology terms (GO-SLIM) have been applied. Furthermore, co- expression analysis specifies gene clusters that co-occur over different genetic and phenotypic backgrounds. To link these patterns to evolutionary constrains, spatial location of the respective alleles have been analyzed as well. The latter shows clear patterns for certain gene pairs that indicate differential selection.
N2  - Das Verständnis des kausalen Zusammenhangs zwischen Genotyp und Phänotyp ist ein wichtiges Ziel in der Biologie. Das Hauptinteresse liegt darin, die Merkmalsarchitektur zu verstehen und Loci zu identifizieren, die zu den jeweiligen Merkmalen beitragen. Genome-wide association mapping (GWAS) ist ein Werkzeug, um diese Zusammenhänge aufzuklären und wurde erfolgreich in vielen verschiedenen Arten eingesetzt. Die meisten Studien konzentrieren sich jedoch auf marginale Markereffekte und ignorieren epistatische und Gen-Umwelt-Interaktionen. Diese Wechselwirkungen sind problematisch zu erklären, werden aber wahrscheinlich einen wichtigen Beitrag zu vielen Phänotypen leisten, die nicht durch unabhängige genetische Effekte, sondern durch ausgefeiltere genregulatorische Netzwerke reguliert werden. Eine weitere Komplikation ergibt sich aus der Tatsache, dass sich diese Netzwerke in verschiedenen natürlichen Akzessionen unterscheiden. Das Verständnis der Unterschiede zwischen genregulatorischen Netzwerken und Gen-Gen- Interaktionen ist jedoch entscheidend, um die Merkmalsarchitektur zu konzipieren und Phänotypen vorherzusagen.
Das grundlegende Thema dieser Studie – unter Verwendung von Daten aus dem Arabidopsis 1001 Genomes Project – ist die Analyse von vorzeitigen Stop-Codons. Diese sind in fast einem Drittel der ~ 30k-Gene aufgetreten. Ein Gen-Gen- Interaktionsnetzwerk des gleichzeitigen Auftretens von Stop-Codons wurde aufgebaut und die Über- und Unterrepräsentation verschiedener Paare wurde statistisch analysiert. Um die signifikante über- und unterrepräsentierte Gen-Gen-Interaktion in Bezug auf den biologischen Prozess der kodierten Proteine weiter zu klassifizieren, wurden genonkologische Begriffe (GO-SLIM) verwendet. Darüber hinaus spezifiziert die Koexpressionsanalyse Gencluster, die über verschiedene genetische und phänotypische Hintergründe hinweg gleichzeitig auftreten. Um diese Muster mit evolutionären Einschränkungen in Verbindung zu bringen, wurde auch die räumliche Lage der jeweiligen Allele analysiert. Letzteres zeigt klare Muster für bestimmte Genepaare, die auf eine differentielle Selektion hinweisen.
KW  - Arabidopsis thaliana
KW  - Co-occurrence matrix
KW  - co-expression coefficient
KW  - gene expression networks
KW  - non-sense mutations
KW  - phenotype
KW  - local adaptation
KW  - variations in genome
KW  - Ackerschmalwand
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-291549
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TY  - THES
A1  - Lewerentz, Anne F.
T1  - Spatiotemporal dynamics of freshwater macrophytes in Bavarian lakes under environmental change
T1  - Raum-zeitliche Dynamik der Makrophyten in bayerischen Seen unter sich ändernden Umweltbedingungen
N2  - Macrophytes are key components of freshwater ecosystems because they provide habitat, food, and improve the water quality. Macrophyte are vulnerable to environmental change as their physiological processes depend on changing environmental factors, which themselves vary within a geographical region and along lake depth. Their spatial distribution is not well understood and their importance is publicly little-known. In this thesis, I have investigated the spatiotemporal dynamics of freshwater macrophytes in Bavarian lakes to understand their diversity pattern along different scales and to predict and communicate potential consequences of global change on their richness.
In the introduction (Chapter 1), I provide an overview of the current scientific knowledge of the species richness patterns of macrophytes in freshwater lakes, the influences of climate and land-use change on macrophyte growth, and different modelling approaches of macrophytes.
The main part of the thesis starts with a study about submerged and emergent macrophyte species richness in natural and artificial lakes of Bavaria (Chapter 2). By analysing publicly available monitoring data, I have found a higher species richness of submerged macrophytes in natural lakes than in artificial lakes. Furthermore, I showed that the richness of submerged species is better explained by physio-chemical lake parameters than the richness of emergent species. In Chapter 3, I considered that submerged macrophytes grow along a depth gradient that provides a sharp environmental gradient on a short spatial scale. This study is the first comparative assessment of the depth diversity gradient (DDG) of macrophytes. I have found a hump-shaped pattern of different diversity components. Generalised additive mixed-effect models indicate that the shape of the DDG is influenced mainly by light quality, light quantity, layering depth, and lake area. I could not identify a general trend of the DDG within recent years, but single lakes show trends leading into different directions. In Chapter 4, I used a mechanistic eco-physiological model to explore changes in the distribution of macrophyte species richness under different scenarios of environmental conditions across lakes and with depths. I could replicate the hump-shaped pattern of potential species richness along depth. Rising temperature leads to increased species richness in all lake types, and depths. The effect of turbidity and nutrient change depends on depth and lake type. Traits that characterise “loser species” under increased turbidity and nutrients are a high light consumption and a high sensibility to disturbances. “Winner species” can be identified by a high biomass production. In Chapter 5, I discuss the image problem of macrophytes. Unawareness, ignorance, and the poor accessibility of macrophytes can lead to conflicts of use. I assumed that an increased engagement and education could counteract this. Because computer games can transfer knowledge interactively while creating an immersive experience, I present in the chapter an interactive single-player game for children.
Finally, I discuss the findings of this thesis in the light of their implications for ecological theory, their implications for conservation, and future research ideas (Chapter 6). The findings help to understand the regional distribution and the drivers of macrophyte species richness. By applying eco-physiological models, multiple environmental shaping factors for species richness were tested and scenarios of climate and land-use change were explored.
N2  - Makrophyten sind wichtige Bestandteile des Lebensraums See. Sie schaffen Habitate und verbessern die Wasserqualität, sind in der Öffentlichkeit jedoch kaum bekannt. Makrophyten sind sehr anfällig für Umweltveränderungen, da ihre physiologischen Prozesse von Umweltfaktoren abhängen, die ihrerseits innerhalb einer geografischen Region und entlang der Seetiefe variieren. Diese Arbeit untersucht die räumlich-zeitliche Dynamik von Makrophyten in bayerischen Seen, um die Muster ihrer Artenvielfalt auf verschiedenen Skalen zu verstehen und um die Folgen von Klima- und Landnutzungswandel auf ihre Artenvielfalt zu untersuchen.
Die Einleitung (Kapitel 1) gibt einen Überblick über den aktuellen Wissensstand zur Artenvielfalt von Makrophyten in Seen, zu Einflüssen von Klima- und Landnutzungswandel auf das Wachstum von Makrophyten, sowie zu verschiedenen Modellierungsansätzen von Makrophyten.
Der Hauptteil der Arbeit beginnt mit der Analyse (Kapitel 2) der submersen und emergenten Makrophytenvielfalt in natürlichen und künstlichen Seen Bayerns. Mit Hilfe von öffentlich zugänglichen Monitoringdaten konnte gezeigt werden, dass es mehr submerser Makrophyten in natürlichen Seen als in künstlichen Seen gibt und dass sich die Anzahl an submersen Makrophyten je See besser mit physiko-chemischen Parametern erklären lässt als die von emergenten Arten. In Kapitel 3 wird die Verteilung der Artenvielfalt von submersen Makrophyten entlang des Tiefengradienten be-trachtet. Entlang der Tiefe ändern sich physikalisch-chemische Parameter auf einer kurzen räumli-chen Skala. Diese Studie ist die erste vergleichende Untersuchung des Tiefen-Diversitätsgradienten (DDG) von Makrophyten. Der DDG von verschiedenen Diversitätskomponenten verläuft buckelförmig. „Generalised additive mixed-effect models“ deuten darauf hin, dass die Form des DDG hauptsächlich von der Lichtqualität, der Lichtmenge, der Schichtungstiefe und der Fläche des Sees beeinflusst wird. Die Daten zeigen keine verallgemeinerbare Veränderung des höckerförmigen DDGs in den letzten Jahren. In einzelnen Seen gibt es jedoch Trends. In Kapitel 4 wird mit einem mechanistischen, ökophysiologischen Makrophyten-Wachstums-Modell (MGM) die potenziellen Veränderungen in der Verbreitung von Makrophyten unter verschiedenen Klima- und Landnutzungsszenarien untersucht. Durch die Anwendung von MGM konnte das höckerförmige Muster des DDG repliziert werden. Unterschiede zum kartierten Artenreichtum lassen sich wahrscheinlich durch nicht modellierte Prozesse wie Konkurrenz und Umweltheterogenität innerhalb des Sees erklären. Steigende Temperaturen führen zu einer Zunahme des Artenreichtums in allen Seetypen, Artengruppen und Tiefen. Die Auswirkungen von Trübungen und Nährstoffveränderungen hängen von der Tiefe und dem Seetyp ab. Merkmale, die unter erhöhter Trübung und Nährstoffgehalt "Verlierer-Arten" kennzeichnen, sind ein hoher Lichtverbrauch und eine hohe Störungsempfindlichkeit, während "Gewinner-Arten" diejenigen sind, die eine hohe Biomasseproduktion aufweisen. Kapitel 5 stellt das Imageproblem von Makrophyten dar. Unkenntnis, Unwissenheit und die schlechte Zugänglichkeit können zu Nutzungskonflikten führen. Es ist anzunehmen, dass ein verstärktes Engagement und Aufklärung dem entgegenwirken könnten. Da Computerspiele eine Möglichkeit sind, Wissen interaktiv zu transportieren und ein immersives Erlebnis zu schaffen, wird in diesem Kapitel das entwickelte Spiel bioDIVERsity vorgestellt.
Abschließend werden die Ergebnisse im Hinblick auf ihre Bedeutung für ökologische Theorien, ihre Auswirkungen auf den Naturschutz und zukünftige Forschungsideen diskutiert (Kapitel 6). Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen dazu bei, die regionale Verbreitung und die Treiber einer oft übersehenen Artengruppe zu verstehen. Durch die Anwendung öko-physiologischer Modelle konnten verschiedene Einflussfaktoren auf den Artenreichtum von Makrophyten getestet und Szenarien von Klima- und Landnutzungswandel erforscht werden.
KW  - Ökologie
KW  - Makrophyten
KW  - Biologisches Modell
KW  - Klimaänderung
KW  - Artenreichtum
KW  - Ecology
KW  - Macrophytes
KW  - Global change
KW  - Species richness
KW  - Mechanistic model
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-287700
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schmid, Kerstin
T1  - Integrative, three-dimensional \(in\) \(silico\) modeling of gas exchange in the human alveolus
T1  - Integrative, dreidimensionale \(in\) \(silico\) Modellierung des Gasaustauschs in der menschlichen Alveole
N2  - Die Lunge erfüllt durch den Austausch von Atemgasen eine überlebenswichtige Aufgabe. Der Gasaustausch erfolgt durch einen einfachen, aber entscheidenden passiven Diffusionsprozess. Dieser findet in den Alveolen statt, ballonartigen Strukturen, die an die peripheren Atemwege grenzen. Alveolen sind von einem dichten Netz aus kleinen Kapillaren umgeben. Hier kommt die eingeatmete Luft in unmittelbare Nähe zu dem vom Herzen kommenden sauerstoffarmen Blut und ermöglicht den Austausch von Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid über deren Konzentrationsgradienten.
Die Effizienz des Gasaustauschs kann anhand von Indikatoren wie der Sauerstoffdiffusionskapazität der Lunge und der Reaktionshalbzeit gemessen werden. Beim Menschen besteht eine beträchtliche Diskrepanz zwischen physiologischen Schätzungen der Diffusionskapazität und der theoretischen Maximalkapazität unter optimalen strukturellen Bedingungen (der morphologischen Schätzung). Diese Diskrepanz wird durch eine Reihe ineinandergreifender Faktoren beeinflusst, darunter strukturelle Elemente wie die Oberfläche
und die Dicke der Diffusionsbarriere sowie physiologische Faktoren wie die Blutflussdynamik. Um die verschiedenen Rollen dieser Faktoren zu entschlüsseln, untersuchten wir, wie die morphologischen und physiologischen Eigenschaften der menschlichen alveolären Mikroumgebung kollektiv und individuell den Prozess des Gasaustauschs beeinflussen. Zu diesem Zweck entwickelten wir einen integrativen in silico Ansatz, der 3D morphologische Modellierung und Simulation von Blutfluss und Sauerstofftransport kombiniert.
Im Mittelpunkt unseres Ansatzes steht die Simulationssoftware Alvin, die als interaktive Plattform für das zugrundeliegende mathematische Modell des Sauerstofftransports in der Alveole dient. Unser räumlich-zeitliches Modell wurde durch die Integration und Erweiterung bestehender mathematischer Modelle entwickelt und liefert Ergebnisse, die mit experimentellen Daten im Einklang stehen. Alvin ermöglicht eine immersive Auseinandersetzung mit dem simulierten Gasaustausch, indem sie Parameteränderungen in Echtzeit und die Ausführung mehrerer Simulationsinstanzen gleichzeitig ermöglicht während sie ein
detailliertes quantitatives Feedback liefert. Die beteiligten morphologischen und physiologischen Parameter wurden mit einem Fokus auf der Mikrovaskulatur weiter untersucht. Durch die Zusammenstellung stereologischer Daten aus der Literatur und geometrischer 3D-Modellierung erstellten wir ein "sheet-flow" Modell als realistische Darstellung des menschlichen alveolären Kapillarnetzwerks. Blutfluss wurde mit Hilfe numerischer Strömungsdynamik
simuliert. Unsere Ergebnisse stimmen mit früheren Schätzungen überein
und unterstreichen die entscheidende Rolle von Viskositätsmodellen bei der Vorhersage des Druckabfalls in der Mikrovaskulatur. Darüber hinaus zeigten wir, wie unser Ansatz genutzt werden kann, um strukturelle Details wie die Konnektivität des alveolären Kapillarnetzes mit dem Gefäßbaum anhand von Blutflussindizes zu untersuchen. Es ist wichtig zu betonen, dass wir uns bislang auf verschiedene Datenquellen stützten und dass für weitere Fortschritte eine experimentelle Vailidierung erforderlich ist. 
Die Integration unserer Ergebnisse in Alvin ermöglichte die Quantifizierung des simulierten Gasaustauschprozesses über die Sauerstoffdiffusionskapazität und die Reaktionshalbzeit. Neben der Bewertung der kollektiven Einflüsse der morphologischen und physiologischen Eigenschaften erleichterte unsere interaktive Software auch die Bewertung einzelner Parameteränderungen. Die Betrachtung des Blutvolumens und der für den Gasaustausch zur Verfügung stehenden Oberfläche ergab lineare Korrelationen mit der Diffusionskapazität.
Die Blutflussgeschwindigkeit hatte einen positiven, nichtlinearen Effekt auf die Diffusionskapazität. Die Reaktionshalbzeit bestätigte, dass der Gasaustauschprozess in der Regel nicht diffusionslimitiert ist. Insgesamt lieferte unser Alveolenmodell einen Wert für die Diffusionskapazität, der in der Mitte der früheren physiologischen und morphologischen Schätzung lag. Daraus lässt sich schließen, dass Phänomene auf Alveolarebene zu 50% der Limitierung der Diffusionskapazität beitragen, die in vivo eintreten.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass unser integrativer in silico Ansatz verschiedene strukturelle und funktionelle Einflüsse auf den alveolären Gasaustausch aufschlüsselt und damit die traditionelle Forschung in der Atemwegsforschung ergänzt. Zusätzlich zeigen wir seinen Nutzen in der Lehre oder bei der Interpretation veröffentlichter Daten auf. Um unser Verständnis zu verbessern, sollten künftige Arbeiten vorrangig darauf ausgerichtet sein, einen zusammenhängenden experimentellen Datensatz zu erhalten und ein geeignetes Viskositätsmodell für Blutflusssimulationen zu finden.
N2  - The lung plays a vital role by exchanging respiratory gases. At the core of this gas exchange is a simple yet crucial passive diffusion process occurring within the alveoli. These balloon-like structures, connected to the peripheral airways, are surrounded by a dense network
of small capillaries. Here, inhaled air comes into close proximity with deoxygenated blood coming from the heart, enabling the exchange of oxygen and carbon dioxide across their concentration gradients.
The efficiency of gas exchange can be measured through indicators such as the diffusion capacity of the lung for oxygen and the reaction half-time. A notable discrepancy exists in humans between physiological estimates of diffusion capacity and the theoretical maximum capacity under optimal structural conditions (morphological estimate). This discrepancy is influenced by a range of interrelated factors, including structural elements like the surface area and thickness of the diffusion barrier, as well as physiological factors such as blood flow dynamics. To unravel the different roles of these factors, we investigated how morphological and physiological properties of the human alveolar micro-environment collectively and individually influence the process of gas exchange. To this end, we developed an integrative in silico approach combining 3D morphological modeling and simulation of blood flow and of oxygen transport.
At the core of our approach lies the simulation software Alvin, serving as an interactive platform for the underlying mathematical model of oxygen transport within the alveolus. Developed by integrating and expanding existing mathematical models, our spatio-temporal model produces results in agreement with experimental data. Alvin allows for real-time parameter adjustments and the execution of multiple simultaneous simulation instances and provides detailed quantitative feedback, offering an immersive exploration of the simulated gas exchange process. The morphological and physiological parameters at play were further investigated with a focus on the microvasculature. By compiling a stereological database from the literature and 3D geometric modeling, we created a sheet-flow model as a realistic representation of the morphology of the human alveolar capillary network. Blood flow was simulated using computational fluid dynamics. Our findings were in line with previous estimations and highlighted the crucial role of viscosity models in predicting pressure drop across the microvasculature. Furthermore, we showcased how our approach can be harnessed to explore structural details, such as the connectivity of the alveolar capillary network with the vascular tree, using blood flow indices. It is important to emphasize that
so far we have relied on different data sources and that experimental validation is needed to move forward.
Integration of our findings into Alvin allowed quantification of the simulated gas exchange process through the diffusion capacity for oxygen and reaction half-time. In addition to evaluating the collective influences of the morphological and physiological properties, our interactive software facilitates the assessment of individual parameter value changes. Exploring blood volume and surface area available for gas exchange revealed linear correlations with diffusion capacity. The blood flow velocity had a positive, non-linear effect on diffusion capacity. The reaction half-time confirmed that under normal conditions, the gas exchange process is not diffusion-limited. Collectively, our alveolar model yielded a diffusion capacity value that fell in the middle of previous physiological and morphological estimates, implying that alveolar-level phenomena contribute to 50% of the diffusion capacity limitations that occur in vivo.
In summary, our integrative in silico approach disentangles various structural and functional influences on alveolar gas exchange, complementing traditional investigations in respiratory
research. We further showcase its utility in teaching and the interpretation of published data. To advance our understanding, future work should prioritize obtaining a cohesive experimental data set and identifying an appropriate viscosity model for blood flow simulations.
KW  - Gasaustausch
KW  - alveolarer Gasaustausch
KW  - alveolar gas exchange
KW  - data-driven in silico modeling
KW  - datengesteuerte in silico Modellierung
KW  - interactive simulation
KW  - interaktive Simulation
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-351823
ER  -