TY  - THES
A1  - Henninger, Markus
T1  - Funktion der zentralen metabolischen Kinase SnRK1 und von ihr abhängiger Transkriptionsfaktoren bei der Mobilisierung von Speicherstoffen während der \(Arabidopsis\) Keimlingsentwicklung
T1  - Function of the central metabolic kinase SnRK1 and on it dependent transcription factors in the mobilization of storage compunds during \(Arabidopsis\) seedling development
N2  - Pflanzen müssen sich während der Samenkeimung und Keimlingsentwicklung über eingelagerte Speicherstoffe heterotroph versorgen, bis sie, nach Etablierung ihres Photosyntheseapparats, einen autotrophen Lebensstil führen können.
Diese Arbeit geht von der Hypothese aus, dass der evolutionär konservierten zentral-metabolischen Kinase Snf1-RELATED PROTEIN KINASE 1 (SnRK1) eine besondere Rolle bei der Mobilisierung von Speicherstoffen während der Keimlingsentwicklung zukommt. Während die Bedeutung von SnRK1 als zentraler Regulator katabolischer Prozesse unter Energiemangel- und Stresssituationen bereits gezeigt wurde, war die Funktion von SnRK1 im Zusammenhang mit der Samenkeimung weitgehend ungeklärt. In dieser Arbeit konnte erstmals gezeigt werden, dass SnRK1 in Arabidopsis die Mobilisierung und Degradation von Speicherstoffen, insbesondere von Triacylglyceride (TAGs), Samenspeicherproteinen und Aminosäuren, steuert. Sowohl Studien zur Lokalisation von SnRK1:GFP-Fusionsproteinen als auch Kinaseaktivitätsassays unterstützen eine mögliche Funktion von SnRK1 während der Keimlingsentwicklung. Eine induzierbare snrk1-knockdown Mutante zeigt neben einem eingeschränkten Wurzel- und Hypokotylwachstum auch keine Ausbildung eines Photosyntheseapparats, was die zentrale Rolle der SnRK1 in diesem frühen Entwicklungsstadium untermauert. Durch Fütterungsexperimente mit Glukose konnte der Phänotyp einer snrk1 -Mutante in Keimlingen gerettet werden. Dies zeigt, dass der metabolische Block durch externe Gabe von Kohlenhydraten umgangen werden kann. Die zentrale Funktion von SnRK1 ist folgich der Abbau von Speicherstoffen und keine allgemeine Deregulation des pflanzlichen Stoffwechsels. Durch massenspektrometrische Untersuchungen von Keimlingen des Wildtyps und der snrk1-Mutante konnte gezeigt werden, dass TAGs in der Mutante in der spä- ten Keimlingsentwicklung ab Tag 4 langsamer abgebaut werden als im Wildtyp. Ebenso werden Samenspeicherproteine in der Mutante langsamer degradiert, wodurch die Verfügbarkeit von freien Aminosäuren in geringer ist. Entgegen der allgemeinen Annahme konnte gezeigt werden, dass während der Keimlingsentwicklung zumindest in Arabidopsis, einer ölhaltigen Pflanze, zunächst Kohlenhydrate in Form von Saccharose abgebaut werden, bevor die Degradation von TAGs und Aminosäuren beginnt. Diese Abbauprodukte können dann der Glukoneogenese zugeführt werden um daraus Glukose herzustellen. Mittels Transkriptom-Analysen konnten zentrale SnRK1-abhängige Gene in der Speicherstoffmobilisierung von TAG, beispielsweise PEROXISOMAL NAD-MALATE DEHYDROGENASE 2 (PMDH2) und ACYL-CoA-OXIDASE 4 (ACX4), und Aminosäuren identifiziert werden. Somit wurde ein Mechanismus der SnRK1-abhängigen Genregulation während der Samenkeimung in Arabidopsis gefunden. Bei der Degradation von Aminosäuren wird die cytosolische PYRUVATE ORTHOPHOSPHATE DIKINASE (cyPPDK), ein Schlüsselenzym beim Abbau bestimmter Aminosäuren und bei der Glukoneogenese, SnRK1-abhängig transkriptionell reguliert. Durch Koregulation konnte der Transkriptionsfaktor bZIP63 (BASIC LEUCINE ZIPPER 63) gefunden werden, dessen Transkription ebenfalls SnRK1-abhängig reguliert wird. Außerdem konnte die Transkription von cyPPDK in bzip63-Mutanten nur noch sehr schwach induziert werden. In Protoplasten konnte der cyPPDK-Promotor durch Aktivierungsexperimente mit bZIP63 und SnRK1α1 induziert werden. Durch Mutationskartierung und Chromatin-Immunopräzipitation (ChIP)PCR konnte mehrfach eine direkte Bindung von bZIP63 an den cyPPDK-Promotor nachgewiesen werden. Zusammenfassend ergibt sich ein mechanistisches Arbeitsmodell, in dem bZIP63 durch SnRK1 phosphoryliert wird und durch Bindung an regulatorische G-Box cis-Elemente im cyPPDK- Promotor dessen Transkription anschaltet. Infolgedessen werden Aminosäuren abgebaut und wird über die Glukoneogenese Glukose aufgebaut. Dieser Mechanismus ist essentiell für die Übergangsphase zwischen heterotropher und autotropher Lebensweise, und trägt dazu bei, die im Samen vorhandenen Ressourcen dem Keimling zum idealen Zeitpunkt zugänglich zu machen. Darüber hinaus werden Gene im Abbau von verzweigtkettigen Aminosäuren ebenfalls durch bZIP63 reguliert. Dabei wird dem Keimling Energie in Form von Adenosin-Triphosphat (ATP) zur Verfügung gestellt.
Zusammengefasst zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass die Mobilisierung von Speicherstoffen auch während der Keimlingsentwicklung direkt von SnRK1 abhängig ist. Die umfangreichen Datensätze der RNA-Seq-Analysen bieten zudem die Möglichkeit, weitere SnRK1-abhängige Gene der Speichermobilisierung zu identifizieren und somit einem besseren Verständnis der Keimlingsentwicklung beizutragen. Aufgrund der zentralen Bedeutung der SnRK1-Kinase in diesem entscheidenden Entwicklungsschritt ist davon auszugehen, dass diese Erkenntnisse mittelfristig auch für bessere Keimungsraten und somit bessere Erträge in der Landwirtschaft genutzt werden können.
N2  - During seed germination and seedling establishment, seedlings must live heterotrophically on the resources stored in the seed. Only after establishing a fully functional photosynthetic apparatus, the young plant can change to an autotrophic lifestyle - one of the key features of plant life and metabolism.
This work is based on the hypothesis that the evolutionarily conserved central metabolic kinase Snf1-RELATED PROTEIN KINASE 1 (SnRK1) plays a crucial role in the mobilization of storage compounds during seedling establishment. Whereas the importance of SnRK1 as a central regulator of catabolic processes during energy deprication and stress situations has already been demonstrated, so far, the function of SnRK1 in connection with seed germination had remained largely unresolved. Here, we shown for the first time that SnRK1 in Arabidopsis controls the degradation of storage resources, especially triacylglycerides (TAG), seed storage proteins and amino acids. Studies on the localization of SnRK1:GFP fusion proteins and as well as kinase activity assays support a possible function of SnRK1 during seedling establishment. An inducible snrk1-knockdown mutant is strongly impaired in root and hypocotyl growth and the plant do not develop a photosynthetic apparatus. Feeding experiments with glucose rescued the snrk1-mutant phenotype, showing that the metabolic block can be bypassed by external administration of carbohydrates. Thus, the central function of SnRK1 is concluded to be the degradation of the storage resources and rather than a general deregulation of the plant metabolism. Mass spectrometric investigations have shown that TAG degradation and seed storage proteins breakdown are partially impaired in the mutant. Thus, the availability of free amino acids in snrk1 mutant seedlings is lower in comparison to wildtype. It could be shown that - despite the fact that Arabidopsis is an oil-seed plant - carbohydrates, especially sucrose, are the primary resource compound for the seedling before the degradation of TAGs and amino acids is initiated. These degradation products can then be used in gluconeogenesis to produce glucose. Transcriptome analyses have identified key SnRK1-dependent genes, that play a key role in the storage resource catabolism, for example ACYL-CoA-OXIDASE 4 (ACX4) and PMDH2 in TAG breakdown. As an example of an enzyme involved in amino acid catabolism, cyPPDK was further investigated in the course of this study. During the degradation of amino acids, cyPPDK, a key enzyme in the degradation of certain amino acids and gluconeogenesis, is transcriptionally regulated in a SnRK1-dependent manner. Furthermore, it was discoverd that the SnRK1-dependent transcription factor bZIP63 (BASIC LEUCINE ZIPPER 63) is involved in the regulation of amino acid breakdown: In qRT-PCR experiments, bzip63-mutants showed no induction of cyPPDK, and co-regulation studies showed that cyPPDK and bZIP63 are subject to the same SnRK1-dependet regulation pattern during early seedling development. Finally, by mutation mapping and chromatin immunoprecipitation (ChIP)PCR, a direct binding of bZIP63 to the promoter could be demonstrated.
Based on these results, a mechanistic working model was established, proposing bZIP63 to be phosphorylated by SnRK1 to then activate transcription of the cyPPDK promoter via binding to regulatory G-box cis elements. As a consequence, amino acids are degraded and the metabolites are used to produce glucose via gluconeogenesis. This additional source of energy enables the seedling to make the transition from heterotrophy to autotrophy. Additionally, the degradation of branched-chain amino acids is also regulated by bZIP63. Thereby, ATP is generated to fuel the seedlings energy demands.
In summary, this study shows that SnRK1 plays an essential role in the mobilization of storage compounds in seedlings during the transition from heterotrophic to autotrophic life by supplying the seedling with the much-needed additional energy gained from the breakdown of TAGs and amino acids. Mining the extensive RNA-Seq data sets provided by this study will allow the identification of further SnRK1-dependent genes to further unravel this crucial signaling network. Due to the crucial role that these proteins play in early seedling development, these findings will enable future research to increase seedling vigor and finally crop yield.
KW  - SnRK1
KW  - seedling establishment
KW  - transcription factor
KW  - Arabidopsis
KW  - Keimlingsentwicklung
KW  - bZIP
KW  - Transkriptionsfaktor
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-214305
ER  - 
TY  - THES
A1  - von Rüden, Martin Frederik
T1  - The Venus flytrap - Role of oxylipins in trap performance of Dionaea muscipula
T1  - Die Venus Fliegenfalle – Die Rolle von Oxilipinen im Fallenverhalten von Dionaea muscipula
N2  - A part of the plant kingdom consists of a variety of carnivorous plants. Some trap their prey
using sticky leaves, others have pitfall traps where prey cannot escape once it has fallen inside.
A rare trap type is the snap-trap: it appears only twice in the plant kingdom, in the genera
Aldrovanda and Dionaea. Even Charles Darwin himself described Dionaea muscipula, the
Venus flytrap, with the following words “This plant, commonly called Venus' fly-trap, from the
rapidity and force of its movements, is one of the most wonderful in the world”. For a long
time now, the mechanisms of Dionaea’s prey recognition, capture and utilization are of
interest for scientists and have been studied intensively.
Dionaea presents itself with traps wide-open, ready to catch insects upon contact. For this,
the insect has to touch the trigger hairs of the opened trap twice within about 20-30 seconds.
Once the prey is trapped, the trap lobes close tight, forming a hermetically sealed “green
stomach”.
Until lately, there was only limited knowledge about the molecular and hormonal mechanisms
which lead to prey capture and excretion of digestive fluids. It is known that the digestion
process is very water-consuming; therefore, the interplay of digestion-inducing and digestion inhibiting
substances was to be analyzed in this work, to elucidate the fine-tuning of the
digestive pathway. Special attention was given to the impact of phytohormones on mRNA
transcript levels of digestion-related proteins after various stimuli as well as their effect on
Dionaea’s physiological responses.
Jasmonic acid (JA) and its isoleucine-conjugated form, JA-Ile, are an important signal in the
jasmonate pathway. In the majority of non-carnivorous plants, jasmonates are critical for the
defense against herbivory and pathogens. In Dionaea, this defense mechanism has been
restructured towards offensive prey catching. One question in this work was how the
frequency of trigger hair bendings is related to the formation of jasmonates and the induction
of the digestion process. Upon contact of a prey with the trigger hairs in the inside of the trap,
the trap closes and jasmonates are produced biosynthetically. JA-Ile interacts with the COI1-
receptor, thereby activating the digestion pathway which leads to the secretion of digestive
fluid and production of transporters needed to take up prey-derived nutrients. In this work it
could be shown that the number of trigger hair bendings is positively correlated with the level
and duration of transcriptional induction of several digestive enzymes/hydrolases.
Abscisic acid (ABA) acts, along with many other functions, as the plant “drought stress
hormone”. It is synthesized either by roots as the primary sensor for water shortage or by
guard cells in the leaves. ABA affects a network of several thousand genes whose regulation
prepares the plant for drought and initiates protective measurements. It was known from
previous work that the application of ABA for 48 hours increased the required amount of
trigger hair bendings to achieve trap closure. As the digestion process is very water-intensive,
the question arose how exactly the interplay between the jasmonate- and the ABA-pathway
is organized, and if ABA could stop the running digestion process once it had been activated.
In the present work it could be shown that the application of ABA on intact traps prior to
mechanically stimulating the trigger hairs (mechanostimulation) already significantly reduced
the transcription of digestive enzymes for an incubation time as short as 4 h, showing that
already short-term exposure to ABA counteracts the effects of jasmonates when it comes to
initiating the digestion process, but does not inhibit trap closure. Incubation for 24 and 48
hours with 100 μM active ABA had no effect on trap reopening, only very high levels of 200
μM of active ABA inhibited trap reopening but also led to tissue necrosis. As the application
of ABA could reduce the transcription of digestive hydrolases, it is likely that Dionaea can stop
the digestion process, if corresponding external stimuli are received.
Another factor, which only emerged later, was the effect of the wounding-induced systemic
jasmonate burst. As efficient as ABA was in inhibiting marker hydrolase expression after
mechanostimulation in intact plants, the application of ABA on truncated traps was not able
to inhibit mechanostimulation-induced marker hydrolase expression. One reason might be
that the ABA-signal is perceived in the roots, and therefore truncated traps were not able to
react to it. Another reason might be that the wounding desensitized the tissue for the ABAsignal.
Further research is required at this point.
Inhibitors of the jasmonate pathway were also used to assess their effect on the regulation of
Dionaea´s hunting cycle. Coronatine-O-methyloxime proved to be a potent inhibitor of
mechanostimulation-induced expression of digestive enzymes, thus confirming the key
regulatory role of jasmonates for Dionaea´s prey consumption mechanism.
In a parallel project, the generation of in vitro cultures from sterilized seeds and single plant
parts proved successful, which may be important for stock-keeping of future transgenic lines.
Protoplasts were generated from leaf blade tissue and transiently transformed, expressing the
reporter protein YFP after 24 h of incubation. In the future this might be the starting point for
the generation of transgenic lines or the functional testing of DNA constructs.
N2  - Ein Teil des Pflanzenreiches besteht aus einer Vielfalt fleischfressender Pflanzen. Einige fangen
ihre Beute mit klebrigen Blättern, andere haben Grubenfallen, aus denen die Beute nicht mehr
entkommen kann, wenn sie erst einmal hineingefallen ist. Ein seltener Fallentyp ist die
Klappfalle: Sie kommt im Pflanzenreich nur zweimal vor, in den Gattungen Aldrovanda und
Dionaea. Charles Darwin selbst beschrieb Dionaea muscipula, die Venusfliegenfalle, als "eine
der schönsten Pflanzen der Welt". Die Mechanismen der Erkennung, des Fangs und der
Nutzbarmachung von Beutetieren durch Dionaea sind seit langem von Interesse für die
Wissenschaft und wurden intensiv untersucht.
Dionaea hat weit geöffnete Fallen, die bei Kontakt Insekten fangen können. Dazu muss das
Insekt innerhalb von ca. 20-30 Sekunden zweimal die Triggerhaare der geöffneten Falle
berühren. Sobald die Beute gefangen ist, schließen sich die Fallenhälften fest und bilden einen
hermetisch verschlossenen sogenannten „grünen Magen“.
Bis vor einigen Jahren gab es nur wenige Informationen über die molekularen und
hormonellen Mechanismen, die zu Beutefang und Sekretion von Verdauungsflüssigkeiten
führen. Es ist bekannt, dass der Verdauungsprozess sehr viel Wasser verbraucht; daher sollte
in dieser Arbeit das Zusammenspiel von verdauungsauslösenden und verdauungshemmenden
Substanzen untersucht werden, um die Feinabstimmung des Verdauungsweges aufzuklären.
Ein besonderes Augenmerk wurde auf den Einfluss von Phytohormonen auf die mRNATranskriptzahlen
von Verdauungsproteinen nach verschiedenen Stimuli sowie auf deren
Auswirkungen auf die physiologischen Reaktionen von Dionaea gelegt.
Jasmonsäure (JA) und ihre mit Isoleucin konjugierte Form, JA-Ile, sind ein wichtiges Signal in
pflanzlichen Signaltransduktionsprozessen. In der Mehrzahl der nicht-karnivoren Pflanzen
sind Jasmonate entscheidend für die Abwehr von Herbivoren und Pathogenen. In Dionaea
wurde dieser Abwehrmechanismus für den offensiven Beutefang umstrukturiert. Eine Frage
in dieser Arbeit war also, wie die Häufigkeit der Triggerhaarberührungen mit der Bildung von
Jasmonaten und dem Verdauungsvorgang miteinander in Verbindung steht. Beim Kontakt von
Beute mit den Triggerhaaren im Inneren der Falle schließt sich diese, und es werden durch
Biosynthese Jasmonate gebildet. JA-Ile interagiert mit dem COI1-Rezeptor und aktiviert so den
Verdauungsweg, der zur Sekretion von Verdauungsflüssigkeit und zur Produktion von
Transportern führt, welche zur Aufnahme von aus Beute gewonnenen Nährstoffen benötigt
werden. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Anzahl der Triggerhaarberührungen
positiv mit der Höhe und der Dauer der Transkriptionsinduktion mehrerer Verdauungsenzyme
bzw. Verdauungshydrolasen korreliert.
Abscisinsäure (ABA) fungiert neben vielen anderen Funktionen als pflanzliches
„Trockenstresshormon“. Es wird entweder von Wurzeln als primärem Sensor für
Wassermangel oder von Schließzellen in den Blättern synthetisiert. ABA beeinflusst ein
Netzwerk von mehreren tausend Genen, deren Regulation die Pflanze auf Dürre vorbereitet und entsprechende Schutzmaßnahmen einleitet.
Aus früheren Arbeiten war bekannt, dass die 48-stündige Inkubation einer Dionaea-Falle mit
ABA die erforderliche Anzahl an Triggerhaarberührungen erhöhte, die für einen Fallenschluss
notwendig sind. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass das Aufbringen von
ABA auf intakte Fallen vor der mechanischen Stimulierung der Triggerhaare
(Mechanostimulation) die Expression von Verdauungsenzymen bereits bei einer
Inkubationszeit von nur 4 Stunden signifikant reduzierte. Das zeigte eindeutig, dass die
kurzzeitige Einwirkung von ABA bereits die Effekte von Jasmonaten blockiert, wenn es um den
Beginn des Verdauungsprozesses geht, aber keinen Einfluss auf den Fallenschluss hat. Eine
Inkubation für 24 und 48 Stunden mit 100 μM aktiver ABA hatte keine Auswirkung auf das
Wiederöffnen der Falle, nur sehr hohe Konzentrationen von 200 μM aktiver ABA hemmten
das Wiederöffnen der Falle, führten aber auch zu Gewebenekrose. Da ABA die Transkription
der Verdauungsenzyme reduzieren konnte, ist es wahrscheinlich, dass Dionaea den
Verdauungsvorgang stoppen kann, wenn entsprechende externe Signale empfangen werden.
Ein weiterer Einflussfaktor, welcher erst später erkannt wurde, war die Auswirkung des
verwundungsbedingten, sprunghaften systemischen Anstiegs der Jasmonatkonzentration auf
die Wirkung von extern aufgegebenen Phytohormonen. So wirksam ABA bei der Hemmung
der Markerhydrolasen-Expression nach Mechanostimulation in intakten Pflanzen war, so
konnte diese Inhibition nach Anwendung von ABA auf abgeschnittenen Fallen nicht mehr
beobachtet werden. Ein Grund könnte sein, dass das ABA-Signal in den Wurzeln
wahrgenommen wird und daher abgeschnittene Fallen nicht darauf reagieren konnten. Ein
anderer Grund könnte sein, dass die Verwundung das Gewebe für das ABA-Signal
desensibilisiert hat. An dieser Stelle besteht weiterer Forschungsbedarf.
Ebenfalls wurden Inhibitoren des Jasmonat-Weges verwendet, um ihre Wirkung auf die
Regulation des Beutefangzyklus von Dionaea zu untersuchen. Coronatine-O-methyloxim
erwies sich als wirksamer Inhibitor der durch Mechanostimulation induzierten Expression von
Verdauungsenzymen und bestätigte damit die zentrale regulatorische Rolle von Jasmonaten
für den Beutefangmechanismus von Dionaea.
Ein parallel laufendes Projekt war die Erzeugung von in vitro-Kulturen aus sterilisiertem
Saatgut und einzelnen Pflanzenteilen, das sich als sehr erfolgreich erwies, was für die
Erzeugung zukünftiger transgener Linien wichtig sein kann. Ebenfalls wurden Protoplasten aus
Blattgewebe erzeugt, diese wurden transient transformiert und exprimierten YFP nach einer
Inkubationszeit von 24 Stunden. In Zukunft könnte dies der Ausgangspunkt für die
Generierung transgener Linien sein und der Funktionsüberprüfung von DNA-Konstrukten sein.
KW  - Venusfliegenfalle
KW  - Protoplast
KW  - Abscisinsäure
KW  - Jasmonsäure
KW  - Antibiotikum
KW  - Dionaea
KW  - Herbicid
KW  - Celaflor
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-273854
ER  - 
TY  - THES
A1  - Yang, Shang
T1  - Characterization and engineering of photoreceptors with improved properties for optogenetic application
T1  - Charakterisierung und Entwicklung von Photorezeptoren mit verbesserten Eigenschaften für die optogenetische Anwendung
N2  - Optogenetics became successful in neuroscience with Channelrhodopsin-2 (ChR2), a light-gated cation channel from the green alga Chlamydomonas reinhardtii, as an easy applicable tool. The success of ChR2 inspired the development of various photosensory proteins as powerful actuators for optogenetic manipulation of biological activity. However, the current optogenetic toolbox is still not perfect and further improvements are desirable. In my thesis, I engineered and characterized several different optogenetic tools with new features.

(i) Although ChR2 is the most often used optogenetic actuator, its single-channel conductance and its Ca2+ permeability are relatively low. ChR2 variants with increased Ca2+ conductance were described recently but a further increase seemed possible. In addition, the H+ conductance of ChR2 may lead to cellular acidification and unintended pH-related side effects upon prolonged illumination. Through rational design, I developed several improved ChR2 variants with larger photocurrent, higher cation selectivity, and lower H+ conductance.

(ii) The light-activated inward chloride pump NpHR is a widely used optogenetic tool for neural silencing. However, pronounced inactivation upon long time illumination constrains its application for long-lasting neural inhibition. I found that the deprotonation of the Schiff base underlies the inactivation of NpHR. Through systematically exploring optimized illumination schemes, I found illumination with blue light alone could profoundly increase the temporal stability of the NpHR-mediated photocurrent. A combination of green and violet light eliminates the inactivation effect, similar to blue light, but leading to a higher photocurrent and therefore better light-induced inhibition.

(iii) Photoactivated adenylyl cyclases (PACs) were shown to be useful for light-manipulation of cellular cAMP levels. I developed a convenient in-vitro assay for soluble PACs that allows their reliable characterization. Comparison of different PACs revealed that bPAC from Beggiatoa is the best optogenetic tool for cAMP manipulation, due to its high efficiency and small size. However, a residual activity of bPAC in the dark is unwanted and the cytosolic localization prevents subcellular precise cAMP manipulation. I therefore introduced point mutations into bPAC to reduce its dark activity. Interestingly, I found that membrane targeting of bPAC with different linkers can remarkably alter its activity, in addition to its localization. Taken together, a set of PACs with different activity and subcellular localization were engineered for selection based on the intended usage. The membrane-bound PM-bPAC 2.0 with reduced dark activity is well-tolerated by hippocampal neurons and reliably evokes a transient photocurrent, when co-expression with a CNG channel.

(iv) Bidirectional manipulation of cell activity with light of different wavelengths is of great importance in dissecting neural networks in the brain. Selection of optimal tool pairs is the first and most important step for dual-color optogenetics. Through N- and C-terminal modifications, an improved ChR variant (i.e. vf-Chrimson 2.0) was engineered and selected as the red light-controlled actuator for excitation. Detailed comparison of three two-component potassium channels, composed of bPAC and the cAMP-activated potassium channel SthK, revealed the superior properties of SthK-bP. Combining vf-Chrimson 2.0 and improved SthK-bP “SthK(TV418)-bP” could reliably induce depolarization by red light and hyperpolarization by blue light. A residual tiny crosstalk between vf-Chrimson 2.0 and SthK(TV418)-bP, when applying blue light, can be minimized to a negligible level by applying light pulses or simply lowering the blue
light intensity.
N2  - Die Optogenetik wurde in den Neurowissenschaften mit Channelrhodopsin-2 (ChR2), einem lichtgesteuerten Kationenkanal aus der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii, als leicht anwendbares Werkzeug erfolgreich. Der Erfolg von ChR2 inspirierte die Entwicklung verschiedener photosensorischer Proteine als leistungsstarke Aktuatoren für die optogenetische Manipulation der biologischen Aktivität. Die derzeitige optogenetische Toolbox ist jedoch immer noch nicht perfekt und weitere Verbesserungen sind wünschenswert. In meiner Arbeit habe ich verschiedene optogenetische Werkzeuge mit neuen Funktionen entwickelt und charakterisiert. (i) Obwohl ChR2 der am häufigsten verwendete optogenetische Aktuator ist, sind seine Einzelkanal-Leitfähigkeit und seine Ca2 + -Permeabilität relativ gering. Kürzlich wurden ChR2-Varianten mit erhöhter Ca2 + -Leitfähigkeit beschrieben, eine weitere Verbesserung schien jedoch möglich. Darüber hinaus kann die H+-Leitfähigkeit von ChR2 bei längerer Beleuchtung zu einer Ansäuerung der Zellen und zu unbeabsichtigten Nebenwirkungen im Zusammenhang mit dem pH-Wert führen. Durch rationales Design entwickelte ich mehrere verbesserte ChR2-Varianten mit größerem Photostrom, höherer Kationenselektivität und geringerer H+-Leitfähigkeit. (ii) Die lichtaktivierte Chloridpumpe NpHR ist ein weit verbreitetes optogenetisches Werkzeug für die neuronale Inhibierung. Eine ausgeprägte Inaktivierung bei längerer Beleuchtung schränkt jedoch die Anwendung für eine lang anhaltende neuronale Hemmung ein. Ich konnte zeigen, dass die Deprotonierung der Schiffschen Base der Inaktivierung von NpHR zugrunde liegt. Durch die systematische Untersuchung optimierter Beleuchtungsschemata fand ich heraus, dass die Beleuchtung mit blauem Licht allein die zeitliche Stabilität des NpHR-vermittelten Photostroms erheblich verbessern kann. Eine Kombination aus grünem und violettem Licht eliminiert den Inaktivierungseffekt, ähnlich wie blaues Licht, führt jedoch zu einem höheren Photostrom und deswegen effektiverer Licht-induzierter Inhibierung. (iii) Photoaktivierte Adenylylcyclasen (PACs) erwiesen sich als nützlich für die Lichtmanipulation der zellulären cAMP-Spiegel. Ich habe einen praktischen in-vitro-Test für lösliche PACs entwickelt, der deren zuverlässige Charakterisierung ermöglicht. Ein Vergleich verschiedener PACs ergab, dass bPAC von Beggiatoa aufgrund seiner hohen Effizienz und geringen Größe das beste optogenetische Werkzeug für die cAMP-Manipulation ist. Eine Restaktivität von bPAC im Dunkeln ist jedoch unerwünscht und die cytosolische Lokalisierung verhindert eine subzellulär präzise cAMP-Manipulation. Ich habe daher Punktmutationen in bPAC eingeführt, um dessen Dunkelaktivität zu reduzieren. Interessanterweise fanden Ich heraus, dass das Membrantargeting von bPAC mit verschiedenen „Linkern“ zusätzlich zu seiner Lokalisierung seine Aktivität erheblich verändern kann. Zusammengenommen wurde eine Reihe von PACs mit unterschiedlicher Aktivität und subzellulärer Lokalisation für unterschiedliche Anwendungen konstruiert. Das membrangebundene PM-bPAC 2.0 mit reduzierter Dunkelaktivität wird von Hippocampus-Neuronen gut vertragen und erlaubt, bei gleichzeitiger Expression mit einem CNG-Kanal, zuverlässig einen Licht-induzierten Strom auszulösen. (iv) Die bidirektionale Manipulation der Zellaktivität mit Licht unterschiedlicher Wellenlänge ist für die Dissektion neuronaler Netze im Gehirn von großer Bedeutung. Die Auswahl der optimalen Werkzeugpaare ist der erste und wichtigste Schritt für die zweifarbige Optogenetik. Durch N- und C-terminale Modifikationen wurde eine verbesserte ChR-Variante (d. h. Vf-Chrimson 2.0) entwickelt und als Rotlicht-gesteuerter Aktuator zur Anregung ausgewählt. Ein detaillierter Vergleich von drei Zweikomponenten-Kaliumkanälen, bestehend aus bPAC und dem cAMP-aktivierten Kaliumkanal SthK, ergab die überlegenen Eigenschaften von SthK-bP. Die Kombination von vf-Chrimson 2.0 und verbessertem SthK-bP „SthK(TV418)-bP“ konnte zuverlässig eine Depolarisation durch rotes Licht und eine Hyperpolarisation durch blaues Licht induzieren. Ein restliches, kleines Übersprechen zwischen vf-Chrimson 2.0 und SthK(TV418)-bP kann beim Anlegen von blauem Licht durch Anlegen von Lichtimpulsen oder durch einfaches Verringern der Intensität von blauem Licht auf ein vernachlässigbares Maß minimiert werden.
KW  - Optogenetics
KW  - ChR2
KW  - NpHR
KW  - PAC
KW  - Bidirectional manipulation
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-205273
ER  - 
TY  - THES
A1  - Muralidhara, Prathibha
T1  - Perturbations in plant energy homeostasis alter lateral root plasticity via SnRK1-bZIP63-ARF19 signalling
T1  - Störungen in der pflanzlichen Energiehomöostase verändern die laterale Wurzelplastizität vermittelt durch das SnRK1-bZIP63-ARF19-Signalmodul
N2  - Photosynthetic plants have a remarkable ability to modify their metabolism and development according to ever changing environmental conditions. The root system displays continuous growth of the primary root and formation of lateral roots enabling efficient water and nutrient uptake and anchorage of the plant in soil. With regard to lateral roots, development is post-embryonic, originating from the pericycle of the primary root. Coordinated activity of several molecular signalling pathways controlled by the hormone auxin is important throughout all stages of lateral root development.At first, two adjacent Xylem Pole Pericycle (XPP) cells are activated and the nuclei of these cells migrate towards a common cell wall.This is followed by XPP cells acquiring volume thus swelling up.The XPP cells then undergo anticlinal cell division, followed by a series of periclinal and anticlinal divisions,leading to lateral root primordia.These break through the radial cell layers and emerge out the primary root.
Although root system plasticity is well-described in response to environmental cues such as ion nutrition in the soil, little is known on how root development is shaped according to the endogenous energy status of the plant.In this study, we were able to connect limited perturbations in photosynthetic energy supply to lateral root development.We established two experimental systems – treatment with low light and unexpected darkness which led to short-term energy imbalance in the plant.These short perturbations administered, showed an increase in the emerged lateral root density and decrease in root hexose availability and activation of the low energy marker gene ASN1 (ASPARAGINE SYNTHETASE 1).Although not demonstrated, presumably, these disturbances in the plant energy homeo-stasis activates SnRK1 (SNF1 RELATED KINASE 1),an evolutionary conserved kinase mediat-ing metabolic and transcriptional responses towards low energy conditions. In A. thaliana, two catalytic α-subunits of this kinase (SnRK1.α1 and SnRK1.α2) are functionally active and form ternary complexes with the regulatory β- and γ- subunits. Whereas unexpected darkness results in an increase in emerged lateral root density, the snrk1.α1 loss-of-function mutant displayed decrease in emerged lateral root density. As this effect is not that pronounced in the snrk1.α2 loss-of-function mutant, the α1 catalytic subunit is important for the observed lateral root phenotype under short-term energy perturbations. Moreover, root expression patterns of SnRK1.α1:GFP supports a role of this catalytic subunit in lateral root development. Furthermore, the lateral root response during short-term perturbations requires the SnRK1 downstream transcriptional regulator bZIP63 (BASIC LEU-CINE ZIPPER 63), as demonstrated here by a loss-of-function approach. Phenotypic studies showed that in comparison to wild-type, bzip63 mutants displayed decreased lateral root density upon low-light and unexpected darkness conditions. Previous work has demonstrat-ed that SnRK1 directly phosphorylates bZIP63 at three serine residues. Alanine-exchange mutants of the SnRK1 dependent bZIP63 phosphorylation sites behave similarly to bzip63 loss-of-function mutants and do not display increased lateral root density upon short-term unexpected darkness. This data strongly supports an impact of SnRK1-bZIP63 signalling in mediating the observed lateral root density phenotype. Plants expressing a bZIP63:YFP fu-sion protein showed specific localization patterns in primary root and in all developmental stages of the lateral root. bzip63 loss-of-function mutant lines displayed reduced early stage lateral root initiation events under unexpected darkness as demonstrated by Differen-tial Interference Contrast microscopy (DIC) and the use of a GATA23 reporter line. This data supports a role of bZIP63 in early lateral root initiation. 
Next, by employing Chromatin Immunoprecitation (ChIP) sequencing, we were able to iden-tify global binding targets of bZIP63, including the auxin-regulated transcription factor (TF) ARF19 (AUXIN RESPONSE FACTOR 19), a well-described central regulator of lateral root development. Additional ChIP experiments confirmed direct binding of bZIP63 to an ARF19 promoter region harboring a G-Box cis-element, a well-established bZIP63 binding site.  We also observed that short-term energy perturbation upon unexpected darkness induced tran-scription of ARF19, which was impaired in the bzip63 loss-of-function mutant. These results propose that bZIP63 mediates lateral root development under short-term energy perturba-tion via ARF19. 
In conclusion, this study provides a novel mechanistic link between energy homeostasis and plant development. By employing reverse genetics, confocal imaging and high-throughput sequencing strategies, we were able to propose a SnRK1-bZIP63-ARF19 signalling module in integrating energy signalling into lateral root developmental programs.
N2  - Photosynthestisch aktive Pflanzen haben die bemerkenswerte Fähigkeit, ihren Stoffwechsel und ihre Entwicklung an sich ständig ändernde Umweltbedingungen anzupassen. Das pflanz- liche Wurzelsystem weist ein kontinuierliches Primärwurzelwachstum und eine Ausbildung von Seitenwurzeln auf, wodurch eine effiziente Wasser- und Nährstoffaufnahme sowie die Verankerung der Pflanze im Boden ermöglicht werden. Die Entwicklung der Seitenwurzeln verläuft post-embryonal, ausgehend vom Perizykel der Primärwurzel. Die koordinierte Aktivi- tät mehrerer molekularer Signalwege, die durch das Hormon Auxin gesteuert werden, ist in allen Stadien der Seitenwurzelentwicklung wichtig. Bei diesem Prozess werden zunächst zwei benachbarte Xylem-Pol-Perizykel-Zellen (XPP) aktiviert, deren Zellkerne zu einer gemeinsa- men Zellwand migrieren. Daraufhin schwillt das Volumen der XPP-Zellen an, bevor sich diese zunächst antiklinal teilen. Durch sukzessive periklinale und antiklinale Teilungen entstehen so Seitenwurzel-Primordien. Diese durchbrechen die radialen Zellschichten und treten aus der Primärwurzel aus.
Während die Plastizität des Wurzelsystems als Reaktion auf Umwelteinflüsse, wie z.B. die Ver- sorgung mit Ionen aus dem Boden, bereits umfassend erforscht wurde, so ist die Abhängigkeit der Wurzelentwicklung vom endogenen Energiezustand der Pflanze weitgehend unbekannt. In dieser Arbeit konnten wir geringfügige Störungen der photosynthetischen Energieversor- gung mit der Seitenwurzelentwicklung in Verbindung bringen. Pflanzen wurden Schwachlicht oder unerwarteter Dunkelheit ausgesetzt und damit ein kurzzeitiges Energieungleichgewicht erzeugt. Hierdurch zeigte sich eine Zunahme der Seitenwurzeldichte bei gleichzeitiger Ab- nahme der Verfügbarkeit von Hexosen in der Wurzel und Aktivierung des Energieverarmungs- Markergens ASN1 (ASPARAGIN-SYNTHETASE 1). Obwohl dieser Mechanismus noch nicht ge- klärt ist, aktiviert die Störung der pflanzlichen Energie-Homöostase vermutlich SnRK1 (SNF1 RELATED KINASE 1), eine evolutionär konservierte Kinase, die metabolische und transkriptio- nelle Reaktionen auf niederenergetische Bedingungen vermittelt. In Arabidopsis sind zwei ka- talytische α-Untereinheiten dieser Kinase (SnRK1.α1 und SnRK1.α2) funktionell aktiv und bil- den ternäre Komplexe mit den regulatorischen β- und γ-Untereinheiten. Während eine uner- wartete Dunkelheit zu einer Zunahme der Dichte der auswachsenden Seitenwurzeln führt, zeigte die Snrk1.α1 Funktionsverlustmutante den gegenteiligen Effekt. Da dieser Effekt in der
 
Funktionsverlustmutante von snrk1.α2 weniger stark ausgeprägt ist, scheint die katalytische Untereinheit α1 für den beobachteten Seitenwurzel-Phänotyp unter kurzfristigen Energiestö- rungen eine wichtige Rolle zu spielen. Das Expressionsmuster von SnRK1.α1:GFP in der Wur- zel unterstützt die mögliche Rolle dieser katalytischen Untereinheit bei der Seitenwurzelent- wicklung weiter.
Darüber hinaus erfordert die Seitenwurzelbildung während kurzfristiger Störung des pflanzli- chen Energiehaushalts den SnRK1-nachgeschalteten Transkriptionsregulator bZIP63 (BASIC LEUCINE ZIPPER 63). Phänotypische Studien zeigten, dass bzip63-Funktionsverlust-Mutanten im Vergleich zum Wildtyp nach der Kultivierung unter Schwachlicht oder nach unerwarteter Dunkelheit eine geringere Seitenwurzeldichte aufwiesen. Frühere Arbeiten haben gezeigt, dass SnRK1 bZIP63 direkt an drei Serinresten phosphoryliert. Alanin-Austauschmutanten der SnRK1-abhängigen bZIP63-Phosphorylierungsstellen verhielten sich ähnlich wie bzip63-Funk- tionsverlustmutanten und zeigten bei kurzzeitiger unerwarteter Dunkelheit keine erhöhte Seitenwurzeldichte. Diese Daten weisen deutlich auf einen Einfluss des SnRK1-bZIP63-Signal- wegs auf den beobachteten Seitenwurzeldichte Phänotyp hin. Pflanzen, die ein bZIP63:YFP- Fusionsprotein exprimieren, zeigten ein spezifisches bZIP63 Lokalisierungsmuster in der Pri- märwurzel, sowie in allen Entwicklungsstadien der Seitenwurzel. bzip63-Funktionsverlustmu- tantenlinien zeigten reduzierte Seitenwurzel- Initiationsereignisse bei unerwarteter Dunkel- heit, wie durch Differentialinterferenzkontrast-Mikroskopie (DIC) und der Verwendung einer GATA23-Reporterlinie nachgewiesen wurde. Diese Ergebnisse deuten auf eine Rolle von bZIP63 bei der frühen Seitenwurzel-Initiierung hin.
Durch die Anwendung der Chromatin-Immunopräzipitation (ChIP)-Sequenzierungsmethode konnten wir daraufhin globale Bindungsziele von bZIP63 identifizieren, einschließlich des au- xinregulierten Transkriptionsfaktors ARF19 (AUXIN RESPONSE FACTOR 19), einem gut be- schriebenen zentralen Regulator der Seitenwurzelentwicklung. Zusätzliche ChIP-Experimente bestätigten die direkte Bindung von bZIP63 an eine ARF19-Promotorregion, die ein G-Box cis- Element, eine bekannte bZIP63-Bindungsstelle, beherbergt. Wir beobachteten auch, dass kurzfristige Energiestörungen bei unerwarteter Dunkelheit die Transkription von ARF19 indu- zierte, die in der bzip63-Funktionsverlustmutante beeinträchtigt war. Diese Ergebnisse legen nahe, dass bZIP63 die Seitenwurzelentwicklung unter kurzfristiger Energiestörung über ARF19 vermittelt.
 
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Studie eine neuartige mechanistische Verbin- dung zwischen Energiehomöostase und Pflanzenentwicklung herstellt. Durch den Einsatz von reverser Genetik, konfokaler Mikroskopie und Hochdurchsatz-Sequenzierungsstrategien konnten wir einen SnRK1-bZIP63-ARF19-Signalweg zur Integration von Energiesignalen in Sei- tenwurzelentwicklungsprogramme aufdecken.
KW  - Arabidopsis thaliana
KW  - Lateral root development
KW  - SnRK1-bZIP complex
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-205636
ER  - 
TY  - THES
A1  - Staiger, Simona
T1  - Chemical and physical nature of the barrier against active ingredient penetration into leaves: effects of adjuvants on the cuticular diffusion barrier
T1  - Chemische und physikalische Beschaffenheit der Barriere gegenüber Wirkstoffen: Adjuvantieneffekte auf die kutikuläre Diffusionsbarriere
N2  - Agrochemicals like systemic active ingredients (AI) need to penetrate the outermost barrier of the plant, known as the plant cuticle, to reach its right target site. Therefore, adjuvants are added to provide precise and efficient biodelivery by i.a. modifying the cuticular barrier and increasing the AI diffusion. This modification process is depicted as plasticization of the cuticular wax which mainly consists of very long-chain aliphatic (VLCA) and cyclic compounds. Plasticization of cuticular waxes is pictured as an increase of amorphous domains and/or a decrease of crystalline fractions, but comprehensive, experimental proof is lacking to date. Hence, the objective of this thesis was to i) elucidate the permeation barrier of the plant cuticle to AIs in terms of the different wax fractions and ii) holistically investigate the modification of this barrier using selected oil and surface active adjuvants, an aliphatic leaf wax and an artificial model wax. Therefore, the oil adjuvant methyl oleate (MeO) and other oil derivatives like methyl linolenate (MeLin), methyl stearate (MeSt) and oleic acid (OA) were selected. Three monodisperse, non-ionic alcohol ethoxylates with increasing ethylene oxide monomer (EO) number (C10E2, C10E5, C10E8) were chosen as representatives of the group of surface active agents (surfactants). Both adjuvant classes are commonly used as formulation aids for agrochemicals which are known for its penetration enhancing effect. The aliphatic leaf wax of Schefflera elegantissima was selected, as well as a model wax comprising the four most abundant cuticular wax compounds of this species. Permeation, transpiration and penetration studies were conducted using enzymatically isolated cuticles of Prunus laurocerasus and Garcinia xanthochymus.

Cuticular permeability to the three organic solutes theobromine, caffeine and azoxystrobin differing in lipophilicity was measured using a steady-state two-chamber system separated by the isolated leaf cuticles of the evergreen species P. laurocerasus and G. xanthochymus. Treating the isolated cuticles with methanol selectively removed the cyclic fraction, and membrane permeability to the organic compounds was not altered. In contrast, fully dewaxing the membranes using chloroform resulted in a statistically significant increase in permeance for all compounds and species, except caffeine with cuticles of G. xanthochymus due to a matrix-specific influence on the semi-hydrophilic compound. Crystalline regions may reduce the accessibility to the lipophilic pathway across the waxes and also block hydrophilic domains in the cuticle.
Knowing that the aliphatic wax fraction builds the cuticular diffusion barrier, the influence of the adjuvants on the phase behaviour of an aliphatic cuticular wax as well as the influence on the cuticular penetration of AIs were investigated. Differential scanning calorimetry (DSC) and Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) were selected to investigate the phase behaviour and thus possible plasticization of pure Schefflera elegantissima leaf wax, its artificial model wax comprising the four most abundant compounds (n-nonacosane, n-hentriacontane, 1-triacontanol and 1-dotriacontanol) and wax adjuvant mixtures. DSC thermograms showed a shift of the melting ranges to lower temperatures and decreased absolute values of the total enthalpy of transition (EOT) for all adjuvant leaf wax blends at 50 % (w/w) adjuvant proportion. The highest decrease was found for C10E2 followed by MeO > OA and C10E8 > MeLin > MeSt. The aliphatic crystallinity determined by FTIR yielded declined values for the leaf and the artificial wax with 50 % MeO. All other adjuvant leaf wax blends did not show a significant decrease of crystallinity. As it is assumed that the cuticular wax is formed by crystalline domains which consist of aliphatic hydrocarbon chains and an amorphous fraction comprising aliphatic chain ends and functional groups, the plasticizers are depicted as wax disruptors influencing amorphization and/or crystallization. The adjuvants can increase crystalline domains using the aliphatic tail whereas their more hydrophilic head is embedded in the amorphous wax fraction. DSC and FTIR showed similar trends using the leaf wax and the model wax in combination with the adjuvants.
In general, cuticular transpiration increased after adding the pure adjuvants to the surface of isolated cuticles or leaf envelopes. As waxes build the cuticular permeation barrier not only to AIs but also to water, the adjuvant wax interaction might affect the cuticular barrier properties leading to increased transpiration. Direct evidence for increased AI penetration with the adjuvants was given using isolated cuticles of P. laurocerasus in combination with the non-steady-state setup simulation of foliar penetration (SOFP) and caffeine at relative humidity levels (RH) of 30, 50 and 80 %. The increase in caffeine penetration was much more pronounced using C10E5 and C10E8 than MeO but always independent of RH. Only C10E2 exhibited an increased penetration enhancing effect positively related to RH. The role of the molecular structure of adjuvants in terms of humectant and plasticizer properties are discussed. 
Hence, the current work shows for the first time that the cuticular permeation barrier is associated with the VLCAs rather than the cyclic fraction and that adjuvants structurally influence this barrier resulting in penetration enhancing effects. Additionally, this work demonstrates that an artificial model wax is feasible to mimic the wax adjuvant interaction in conformity with a leaf wax, making it feasible for in-vitro experiments on a larger scale (e.g. screenings). This provides valuable knowledge about the cuticular barrier modification to enhance AI penetration which is a crucial factor concerning the optimization of AI formulations in agrochemistry.
N2  - Um ihren optimalen Wirkort in der Pflanze zu erreichen, müssen Agrochemikalien wie systemische Wirkstoffe zunächst die Kutikula überwinden, die die äußerste Barriere der Pflanze darstellt. Es werden sogenannte Adjuvantien verwendet, die unter anderem die kutikuläre Barriere modifizieren, um eine präzise und effiziente Bereitstellung des Wirkstoffs wie auch eine erhöhte Wirkstoffdiffusion zu ermöglichen. Diese Modifikation wird als Weichmachereffekt der Adjuvantien im kutikulären Wachs verstanden. Die Wachse umfassen hauptsächlich langkettige Aliphaten (VLCA) und zyklische, organische Komponenten. Da die Wachse aus kristallinen, für Wirkstoffe unzugänglichen und amorphen, zugänglichen Bereichen bestehen, wird angenommen, dass der Weichmacherprozess eine Zunahme der amorphen Phase und/oder eine Abnahme der kristallinen Phase hervorruft. Allerdings sind umfassende, experimentelle Beweise bisher nicht verfügbar. Daher lag der Schwerpunkt dieser Arbeit auf i) der Aufklärung, wie die verschiedenen Wachsfraktionen zur kutikulären Permeationsbarriere gegenüber Wirkstoffen beitragen und ii) der ganzheitlichen Untersuchung der kutikulären Penetrationsbarriere hinsichtlich eines aliphatischen Pflanzen- und Modelwachses und des Einflusses ausgewählter Öl- und Tensid-Adjuvantien. Hierfür wurden die Öle Methyloleat (MeO), Methyllinolenat (MeLin), Methylstearat (MeSt) und Ölsäure (OA) und drei monodisperse, nicht-ionische Alkoholethoxylate (C10E2, C10E5, C10E8) mit zunehmender Ethylenoxidmonomerzahl (EO) verwendet. Beide Gruppen sind gängige Hilfsstoffe der Formulierung von Agrochemikalien, die für die Aufnahmebeschleunigung des Wirkstoffs bekannt sind. Das aliphatische Blattwachs von Schefflera elegantissima wurde verwendet wie auch ein Modelwachs, dass die vier Hauptkomponenten dieses kutikulären Blattwachses enthielt. Permeabilitäts-, Transpirations- und Penetrationsstudien wurden unter Verwendung enzymatisch isolierter Kutikeln von Prunus laurocerasus und Garcinia xanthochymus durchgeführt. 

Die kutikuläre Permeabilität gegenüber drei organischen Stoffen unterschiedlicher Lipophilie (Theobromin, Coffein und Azoxystrobin) wurde an isolierten Blattkutikeln der immergrünen Spezies Prunus laurocerasus und Garcinia xanthochymus mittels des Zweikammersystems im steady-state Zustand gemessen. Die zyklische Wachsfraktion konnte mit Hilfe von Methanol aus den isolierten Membranen extrahiert werden und die Membranen wiesen keine Veränderung in der Permeabilität gegenüber den drei Wirkstoffen auf. Im Gegensatz dazu konnte ein signifikanter Anstieg der Permeabilität für alle Substanzen und Spezies beobachtet werden, nachdem die Membranen vollkommen mittels Chloroform entwachst wurden. Einzig und allein für Coffein und Membranen von G. xanthochymus konnte keine Veränderung des Leitwerts festgestellt werden, was auf einen Matrix-spezifischen Einfluss auf semi-hydrophile Substanzen zurückzuführen ist. Hydrophile Bereiche in der Kutikula können durch kristalline, aliphatische Wachse blockiert werden und sind somit unzugänglich für hydrophile Substanzen. 
Auf Basis dieses neu gewonnenen Wissens der kutikulären Diffusionsbarriere wurde der Einfluss der Adjuvantien auf das Phasenverhalten eines aliphatischen Wachses wie auch ihr Einfluss auf die kutikuläre Wirkstoffpenetration untersucht. Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) und Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR) wurden verwendet, um das Phasenverhalten des Blattwachses von Schefflera elegantissima, ihres artifiziellen Modelwachses, das die vier Hauptkomponenten n-Nonacosan, n-Hentriacontan, 1-Triacontanol und 1-Dotriacontanol enthielt, und mögliche Weichmachereffekte durch Adjuvantien zu untersuchen. Mittels DSC konnten Schmelzbereiche, die zu niedrigeren Temperaturen verschobenen waren, und verringerte Beträge der Übergangsenthalpien (EOT) für alle Blattwachs-Adjuvantien-Mischungen bei 50 % Adjuvans-Zugabe (w/w) festgestellt werden. Die stärkste Abnahme wurde für C10E2 gefunden, gefolgt von MeO > OA und C10E8 > MeLin > MeSt. Die mittels FTIR bestimmte aliphatische Kristallinität war bei einem MeO-Anteil von 50 % signifikant gegenüber dem puren Blattwachs vermindert. Alle anderen Adjuvantien zeigten keine signifikanten Veränderungen der Kristallinität im Vergleich zum nativen Blattwachs. Es wird angenommen, dass das kutikuläre Wachs aus kristallinen und amorphen Bereichen aufgebaut ist: erstere umfassen aliphatische Kohlenwasserstoffketten, letztere ihre Kettenenden und funktionellen Gruppen. Die Weichmacheradjuvantien können auf diese Bereiche mit einer Erhöhung der amorphen und/oder Erniedrigung der kristallinen Fraktion einwirken. Sie können mit ihrer aliphatischen Kette in die kristallinen Bereiche eindringen und diese erhöhen, wohingegen sich ihr hydrophilerer Kopf in der amorphen Phase verteilen kann. DSC und FTIR zeigten ähnliche Trends für das Pflanzen- und das Modelwachs in Kombination mit den Adjuvantien.
Im Allgemeinen wiesen die isolierten Kutikeln und Blattumschläge von P. laurocerasus und G. xanthochymus erhöhte Leitwerte in Verbindung mit den Adjuvantien auf. Da die Wachse nicht nur die Permeationsbarriere für Wirkstoffe, sondern auch für Wasser darstellen, wird angenommen, dass die Wachs-Adjuvans-Interaktion verantwortlich für die erhöhte Transpiration ist. Erhöhte Wirkstoffpenetration durch Adjuvantien wurde mittels des non-steady-state Versuchs der Simulation der Blattpenetration (SOFP) an isolierten, kutikulären Membranen von P. laurocerasus unter Verwendung von Koffein bei relativen Luftfeuchten (RH) von 30, 50 und 80 % nachgewiesen. Die Zunahme der Flussrate unter Verwendung von C10E5 und C10E8 war deutlich höher als für C10E2, jedoch unabhängig von der RH. Nur für C10E2 konnte eine Abhängigkeit des Effekts von der Luftfeuchte festgestellt werden. Die Rolle der molekularen Struktur der Adjuvantien in Bezug auf „Humectant“- und Weichmachereigenschaften wird diskutiert.
Die vorliegende Arbeit zeigt zum ersten Mal, dass die kutikuläre Permeationsbarriere mit den VLCAs und nicht mit der zyklischen Fraktion assoziiert ist und dass Adjuvantien wie Öle und Tenside diese Barriere strukturell beeinflussen können, was zu einer erhöhten Penetration führt. Außerdem veranschaulicht diese Arbeit, dass ein artifizielles Modelwachs die Wachs-Adjuvans-Interaktion eines Blattwachses imitieren kann und es gut geeignet für in-vitro Experimente ist, die in größerem Maßstab durchgeführt werden (z.B. Screenings). Das liefert bedeutsames Wissen über die kutikuläre Barriere und ihre Modifikation zur Erhöhung der Wirkstoffpenetration, die wichtige Faktoren in Bezug auf die optimierte Wirkstoffformulierung in der Agrarchemie darstellen.
KW  - Adjuvans
KW  - Pflanzenschutzmittel
KW  - Kutikula
KW  - Adjuvant
KW  - Plant Protection
KW  - Plant cuticle
KW  - Diffusion
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-199375
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schäbler, Stefan
T1  - Charakterisierung des circadianen Drosophila Metaboloms unter Zuhilfenahme massenspektrometrischer Methoden
T1  - Characterization of the circadian Drosophila metabolome by applying mass-spectrometry-based approaches
N2  - Die Fähigkeit sich an die Rotation der Erde und den daraus resultierenden Tag- und Nacht-Rhythmus anzupassen, basiert auf einer komplexen Regulation verschiedener physiologischer Prozesse. Auf molekularer Ebene liegt diesen Prozessen eine Orchestration von Uhr-Genen zugrunde – auch als innere Uhr bezeichnet – die einen aktivierenden bzw. reprimierenden Einfluss auf die Expression einer Vielzahl weiterer Gene hat. Ausgehend von dieser Regulation lassen sich auf unterschiedlichsten Ebenen tageszeitabhängige, wiederkehrende Rhythmen beobachten.
Während diese wiederkehrenden Rhythmen auf einigen Ebenen bereits gut erforscht und beschrieben sind, gibt es weitere Ebenen wie den Metabolismus, über die das Wissen bisher noch begrenzt ist.
So handelt es sich bei Drosophila beispielsweise um den Organismus, dessen innere Uhr auf molekularer Ebene wahrscheinlich mit am besten charakterisiert ist. Dennoch ist bisher nur wenig über Stoffklassen bekannt, deren Metabolismus durch die innere Uhr kontrolliert wird.
Zwar konnte bereits gezeigt werden, dass sich eine gestörte innere Uhr auf die Anlage der Energiespeicher auswirkt, inwiefern dies allerdings einen Einfluss auf dem intermediären Stoffwechsel hat, blieb bisher weitgehend unerforscht. Auch die Frage, welche Metaboliten wiederkehrende, tageszeitabhängige Rhythmen aufweisen, wurde bisher nur für eine begrenzte Anzahl Metaboliten untersucht.
Bei der hier durchgeführten Arbeit wurden deshalb zunächst die globalen Metabolit-Profile von Fliegen mit einer auf molekularer Ebene gestörten inneren Uhr (per01) mit Fliegen, die über eine funktionale Uhr verfügen (CantonS), zu zwei Zeitpunkten verglichen. Um die Anzahl der zeitgleich untersuchten Gewebe und somit die Komplexität der Probe zu reduzieren, wurden hierfür die Köpfe von den Körpern der Fliegen getrennt und separat analysiert. Beide Körperteile wurden sowohl auf kleine hydrophile als auch auf hydrophobe Metaboliten hin mittels UPLC-ESI-qTOF-MS untersucht. Die anschließend durchgeführte, statistische Analyse brachte hervor, dass sich Unterschiede zwischen den beiden Fliegenlinien besonders in den Spiegeln der essentiellen Aminosäuren, den Kynureninen, den Pterinaten sowie den Spiegeln der Glycero(phospho)lipiden und Fettsäureester zeigten. Bei den Lipiden zeigte sich, dass die Auswirkungen weniger ausgeprägt für die Anlage der Speicher- und Strukturlipide als für die Intermediate des Lipidabbaus, die Diacylglycerole (DAGs) sowie die Acylcarnitine (ACs), waren. 
Um zu bestätigen, dass die inneren Uhr tatsächlich einen regulatorischen Einfluss auf die ausgemachten Stoffwechselwege hat, wurden anschließend die Spiegel aller Mitglieder darauf hin untersucht, ob diese wiederkehrende, tageszeitabhängige Schwankungen aufweisen. Hierfür wurden Proben alle zwei Stunden über drei aufeinanderfolgende Tage genommen und analysiert, bevor mittels JTK_CYCLE eine statistische Analyse der Daten durchgeführt und die Metaboliten herausgefiltert wurden, die ein rhythmisches Verhalten bei einer Periodenlänge von 24h zeigten. Hierbei bestätigte sich, dass besonders die Mitglieder des intermediären Lipidmetablismus hiervon betroffen waren. So konnten zwar auch für einige Aminosäuren robuste Rhythmen ausgemacht werden, besonders ausgeprägt waren diese jedoch erneut bei den DAGs und den ACs. Die abschließende Untersuchung letzterer unter Freilaufbedingungen (DD) sowie in per01 brachte hervor, dass die ausgemachten Rhythmen unter diesen Bedingungen entweder nicht mehr detektiert werden konnten oder deutlich abgeschwächt vorlagen. Lediglich zwei kurzkettige ACs zeigten auch unter DD-Bedingungen statistisch signifikante Rhythmen in ihren Spiegeln. Dies spricht dafür, dass neben der Regulation durch die innere Uhr weitere Faktoren, wie beispielsweise das Licht, eine entscheidende Rolle zu spielen scheinen.
N2  - The ability to adapt to the rotation of the earth and to the resulting day and night rhythm is based on a complex regulation of various endogenous processes. At the molecular level, these processes are based on an orchestration of clock genes - also known as the endogenous clock – which have an activating or repressing influence on the expression of diverse clock-controlled genes. Based on this regulation, recurring rhythms depending on the time of day can be observed at various levels, ranging from gene expression to behavior. While these recurring rhythms have been well characterized on certain output levels, little is known, however, on other levels like their influence on metabolism. Drosophila for example, is an organism whose endogenous clock is probably best characterized at the molecular level. However, little is known about substance classes and metabolic pathways that are controlled by the endogenous clock.
It has already been shown that an impaired endogenous clock affects energy storage, but how an impaired clock influences intermediary lipid metabolism remains still unknown. Additionally, little is known on metabolites or metabolite classes, that display recurring, time-dependent rhythms. So far this has only been studied for certain metabolites or metabolite classes. Therefore, we compared global metabolite profiles at two timepoints between flies with an impaired endogenous clock (per01) and WT flies, possessing a functional clock (CantonS). In order to reduce the number of different tissues studied at once and thus the complexity of the sample, fly heads were separated from fly bodies and analyzed separately. In both body parts levels of small hydrophilic and hydrophobic metabolites were studied using UPLC-ESI-qTOF-MS. The subsequent statistical analysis revealed differences between the two fly lines, associated with the metabolism of essential amino acids, kynurenines, pterinates, glycero(phospho)lipids and fatty acid esters. Closer inspection of the lipid classes being affected revealed, that the effects were less pronounced for the formation of storage- and structural- lipids, compared to the intermediates of lipid degradation, the diacylglycerols (DAGs) and acylcarnitines (ACs). 
In order to confirm that the endogenous clock has indeed a regulatory influence on these metabolic pathways, the levels of all members were studied in a time-course experiment to determine, whether they display recurring, time-of-day-dependent fluctuations. For this purpose, samples were taken every two hours for three consecutive days, with heads and bodies analyzed separately, before a statistical analysis was carried out using JTK_CYCLE. The results were then filtered for those metabolites that showed a rhythmic behavior with a period length of 24 hours. The results confirmed that members of the intermediary lipid metabolism were particularly affected. Although robust rhythms could be detected for some amino acids, multiple DAG and AC species showed even more pronounced rhythms. The subsequent analysis of the latter under freerunning conditions (DD) and in per01 showed that the identified rhythms either diminished completely under these conditions or were significantly weakened. Only two short-chain ACs showed statistically significant rhythms in their levels under DD conditions. This suggests that in addition to regulation by the internal clock, other factors, such as light, seem to play a crucial role.
KW  - Drosophila
KW  - Lipidomik
KW  - LC-MS
KW  - Biochemische Analyse
KW  - Tagesrhythmus
KW  - QTOF
KW  - metabolomics
KW  - circadian rhythms
KW  - Metabolomik
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-251908
ER  -