TY  - THES
A1  - Schenk [née Wolf], Mariela
T1  - Timing of wild bee emergence: mechanisms and fitness consequences
T1  - Zeitliche Abstimmung des Bienenschlupfes: Mechanismen und Fitnesskonsequenzen
N2  - Solitary bees in seasonal environments have to align their life-cycles with favorable environmental conditions and resources. Therefore, a proper timing of their seasonal activity is highly fitness relevant. Most species in temperate environments use temperature as a trigger for the timing of their seasonal activity. Hence, global warming can disrupt mutualistic interactions between solitary bees and plants if increasing temperatures differently change the timing of interaction partners. The objective of this dissertation was to investigate the mechanisms of timing in spring-emerging solitary bees as well as the resulting fitness consequences if temporal mismatches with their host plants should occur. In my experiments, I focused on spring-emerging solitary bees of the genus Osmia and thereby mainly on O. cornuta and O. bicornis (in one study which is presented in Chapter IV, I additionally investigated a third species: O. brevicornis). 
Chapter II presents a study in which I investigated different triggers solitary bees are using to time their emergence in spring. In a climate chamber experiment I investigated the relationship between overwintering temperature, body size, body weight and emergence date. In addition, I developed a simple mechanistic model that allowed me to unite my different observations in a consistent framework. In combination with the empirical data, the model strongly suggests that solitary bees follow a strategic approach and emerge at a date that is most profitable for their individual fitness expectations. I have shown that this date is on the one hand temperature dependent as warmer overwintering temperatures increase the weight loss of bees during hibernation, which then advances their optimal emergence date to an earlier time point (due to an earlier benefit from the emergence event). On the other hand I have also shown that the optimal emergence date depends on the individual body size (or body weight) as bees adjust their emergence date accordingly. My data show that it is not enough to solely investigate temperature effects on the timing of bee emergence, but that we should also consider individual body conditions of solitary bees to understand the timing of bee emergence. 
In Chapter III, I present a study in which I investigated how exactly temperature determines the emergence date of solitary bees. Therefore, I tested several variants degree-day models to relate temperature time series to emergence data. The basic functioning of such degree-day models is that bees are said to finally emerge when a critical amount of degree-days is accumulated. I showed that bees accumulate degree-days only above a critical temperature value (~4°C in O. cornuta and ~7°C in O. bicornis) and only after the exceedance of a critical calendar date (~10th of March in O. cornuta and ~28th of March in O. bicornis). Such a critical calendar date, before which degree-days are not accumulated irrespective of the actual temperature, is in general less commonly used and, so far, it has only been included twice in a phenology model predicting bee emergence. Furthermore, I used this model to retrospectively predict the emergence dates of bees by applying the model to long-term temperature data which have been recorded by the regional climate station in Würzburg. By doing so, the model estimated that over the last 63 years, bees emerged approximately 4 days earlier. 
In Chapter IV, I present a study in which I investigated how temporal mismatches in bee-plant interactions affect the fitness of solitary bees. Therefore, I performed an experiment with large flight cages serving as mesocosms. Inside these mesocosms, I manipulated the supply of blossoms to synchronize or desynchronize bee-plant interactions. In sum, I showed that even short temporal mismatches of three and six days in bee-plant interactions (with solitary bee emergence before flower occurrence) can cause severe fitness losses in solitary bees. Nonetheless, I detected different strategies by solitary bees to counteract impacts on their fitness after temporal mismatches. However, since these strategies may result in secondary fitness costs by a changed sex ratio or increased parasitism, I concluded that compensation strategies do not fully mitigate fitness losses of bees after short temporal mismatches with their food plants. In the event of further climate warming, fitness losses after temporal mismatches may not only exacerbate bee declines but may also reduce pollination services for later-flowering species and affect populations of animal-pollinated plants. 
In conclusion, I showed that spring-emerging solitary bees are susceptible to climate change as in response to warmer temperatures bees advance their phenology and show a decreased fitness state. As spring-emerging solitary bees not only consider overwintering temperature but also their individual body condition for adjusting emergence dates, this may explain differing responses to climate warming within and among bee populations which may also have consequences for bee-plant interactions and the persistence of bee populations under further climate warming. If in response to climate warming plants do not shift their phenologies according to the bees, bees may experience temporal mismatches with their host plants. As bees failed to show a single compensation strategy that was entirely successful in mitigating fitness consequences after temporal mismatches with their food plants, the resulting fitness consequences for spring-emerging solitary bees would be severe. Furthermore, I showed that spring-emerging solitary bees use a critical calendar date before which they generally do not commence the summation of degree-days irrespective of the actual temperature. I therefore suggest that further studies should also include the parameter of a critical calendar date into degree-day model predictions to increase the accuracy of model predictions for emergence dates in solitary bees. Although our retrospective prediction about the advance in bee emergence corresponds to the results of several studies on phenological trends of different plant species, we suggest that more research has to be done to assess the impacts of climate warming on the synchronization in bee-plant interactions more accurately.
N2  - Solitäre Bienen aus gemäßigten Breiten müssen ihre Lebenszyklen vorteilhaften Umweltbedingungen und –ressourcen angleichen. Deshalb ist ein gutes Timing ihrer saisonalen Tätigkeit von höchster Relevanz. Die meisten Arten aus gemäßigten Breiten nutzen Temperatur als Trigger um ihre saisonale Aktivität zeitlich abzustimmen. Aus diesem Grund kann der Klimawandel die mutualistischen Interaktionen zwischen Bienen- und Pflanzenarten stören, falls steigende Temperaturen das Timing der Interaktionspartner unterschiedlich verändern. Das Ziel dieser Doktorarbeit war es, die Timing-Mechanismen von Frühlingsbienenarten zu untersuchen, sowie die resultierenden Fitnessfolgen, falls zeitliche Fehlabstimmungen zu ihren Wirtspflanzen eintreten sollten. In meinen Experimenten konzentrierte ich mich auf Frühlingsbienenarten der Gattung Osmia (Mauerbienen) und dabei vor allem auf zwei spezielle Arten, nämlich  O. cornuta und O. bicornis (in meiner Studie, die ich im Kapitel IV meiner Doktorarbeit präsentiere, untersuchte ich zusätzlich noch eine dritte Bienenart: O. brevicornis).
Kapitel II präsentiert eine Studie, in der ich verschiedene Trigger untersuchte, die solitäre Bienen nutzen um ihren Schlupfzeitpunkt im Frühjahr festzulegen. Dazu untersuchte ich in einem Klimakammerexperiment den Zusammenhang zwischen Überwinterungstemperaturen, Körpergröße, Körpergewicht und Schlupftag. Zusätzlich entwickelte ich ein einfaches mechanistisches Modell, welches mir ermöglichte, meine verschiedenen Ergebnisse in einem einheitlichen Rahmen zusammenzufügen. In Kombination mit den empirischen Daten deutet das Modell stark darauf hin, dass Bienen einen strategischen Ansatz verfolgen und genau an dem Tag schlüpfen, der für ihre individuelle Fitnesserwartung am sinnvollsten ist. Ich konnte zeigen, dass dieser gewählte Schlupftag einerseits temperaturabhängig ist, da wärmere Temperaturen den Gewichtverlust der Bienen während der Überwinterung steigern, was wiederum den optimalen Schlupftag auf einem früheren Zeitpunkt verschiebt, andererseits konnte ich ebenfalls zeigen, dass der optimale Schlupfzeitpunkt von der individuellen Körpergröße bzw. dem Körpergewicht der Biene abhängt, da diese ihren Schlupftag danach abstimmen. Meine Daten zeigen, dass es nicht reicht alleinig Temperatureffekte auf das Timing der solitären Bienen zu untersuchen, sondern dass wir ebenfalls die Körperkonditionen der Bienen beachten sollten, um die zeitliche Abstimmung des Bienenschlupfes besser verstehen zu können.
In Kapitel III präsentiere ich eine Studie, in der ich den Temperatureinfluss auf den Schlupftermin solitärer Bienen detailreicher untersuchte. Dazu habe ich verschiedene Varianten von Temperatursummen-Modellen getestet, um Temperaturzeitreihen auf Schlupftermine zu beziehen. Die grundlegende Funktionsweise solcher Temperatursummen-Modelle ist, dass der Bienenschlupf auf den Tag prognostiziert wird an dem die Bienen eine bestimmte Menge an Temperatursummen aufsummiert haben. Ich konnte zeigen, dass Bienen Temperatursummen erst ab bestimmten Temperaturen bilden (ab circa 4°C bei O. cornuta und circa 7°C bei O. bicornis) und erst nach Erreichen eines bestimmten Kalendertages (circa 10.März bei O. cornuta und circa 28.März bei O. bicornis). Solch ein bestimmter Kalendertag, vor dessen Erreichen und unabhängig von der aktuellen Temperatur keine Temperatursummen gebildet werden, wird grundsätzlich recht selten verwendet und in Phänologie-Modellen zur Vorhersage des Bienenschlupfes, bis heute auch nur zwei Mal. Zusätzlich benutzte ich mein Modell, um rückwirkend den Bienenschlupf über die letzten Jahrzehnte vorherzusagen. Dazu wandte ich das Modell auf Langzeit-Temperaturdaten an, die von der regionalen Wetterstation in Würzburg aufgezeichnet wurden. Das Modell prognostizierte rückwirkend, dass im Verlauf der letzten 63 Jahre die Bienen ungefähr 4 Tage früher schlüpfen.
In Kapitel IV präsentiere ich eine Studie, in der ich untersuchte, inwieweit zeitliche Fehlabstimmungen in Bienen-Pflanzen-Interaktionen die Fitness der solitären Bienen beeinflussen. Dazu führte ich ein Experiment mit großen Flugkäfigen durch, die als Mesokosmos dienten. Innerhalb jedes dieser Mesokosmen manipulierte ich das Angebot an Blüten um Bienen-Pflanzen-Interaktionen wahlweise zu synchronisieren oder zu desynchronisieren. Zusammengefasst konnte ich dabei aufzeigen, dass sogar kurze zeitliche Fehlabstimmungen von drei oder sechs Tagen bereits genügen (Bienen schlüpften zeitlich vor dem Erscheinen der Pflanzen) um bei den Bienen fatale Fitnessfolgen zu verursachen. Nichtsdestotrotz konnte ich bei den Bienen verschiedene Strategien erkennen, mit denen sie Auswirkungen auf ihre Fitness nach zeitlichen Fehlabstimmungen entgegenwirken wollten. Allerdings könnten diese Strategien zu sekundären Fitnessverlusten folgen da sie zu einem veränderten Geschlechterverhältnis oder einem stärkeren Prasitierungsgrad führen. Deshalb konnte ich zusammenfassend feststellen, dass nach zeitlichen Fehlabstimmungen zu den entsprechenden Wirtspflanzen, die Kompensationsstrategien der Bienen nicht ausreichen, um Fitnessverlusste zu minimieren. Im Falle des weiter voranschreitenden Klimawandel könnten die Fitnessverluste der Bienen nicht nur das momentane Bienensterben weiter verschärfen, sondern auch ihren Bestäubungsdienst an später blühenden Arten minimieren und dadurch Populationen von tierbestäubten Pflanzen beeinträchtigen.
Zusammenfassend konnte ich zeigen, dass Frühlingsbienenarten anfällig für Klimawandel sind, da sie nach warmen Überwinterungstemperaturen früher schlüpfen und einen geringeren Fitnesszustand aufweisen. Da Frühlingsbienenarten bei der zeitlichen Abstimmung ihres Schlupftages nicht nur Überwinterungstemperaturen, sondern auch ihren individuellen Fitnesszustand beachten, könnte dies unterschiedliche Reaktionen innerhalb oder zwischen Bienenpopulationen auf den Klimawandel erklären. Dies könnte ebenfalls Folgen für Bienen-Pflanzen Interaktionen haben und das weitere Bestehen von Bienenpopulationen gefährden. Falls, durch den Klimawandel bedingt, Pflanzenarten ihre Phänologie nicht in Einklang mit der Phänologie der Bienen verschieben, dann könnten Bienen zeitliche Fehlabstimmungen mit ihren Wirtspflanzen erleben. Da Bienen keine einzige Kompensationsmaßnahme aufzeigen, die erfolgreich Fitnessverlusten entgegenwirken konnte, wären in einem solchen Fall die Folgen für Frühlingsbienenarten fatal. Darüber hinaus konnte ich feststellen, dass Frühlingsbienen einen bestimmten Starttag im Jahr beachten, vor dessen Erreichen sie keine Temperatursummen bilden, unabhängig von der aktuellen Temperatur. Ich schlage deshalb vor, dass weitere Studien ebenfalls einen solchen Starttag in Temperatursummen-Modelle einbauen sollten, um die Genauigkeit zur Berechnung des Bienenschlupfes weiter zu verbessern. Obwohl meine retrospektive Vorhersage zum verfrühten Bienenschlupf ziemlich genau den Ergebnissen von verschiedenen Studien zu den phänologischen Verschiebungen von Pflanzenarten entspricht, schlagen wir vor, dass zusätzliche Untersuchungen konzipiert werden müssen um präzisere Aussagen über die Folgen des Klimawandels auf die Synchronisation der Bienen-Pflanzen-Interaktionen liefern zu können.
KW  - wild bees
KW  - timing
KW  - fitness
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-161565
ER  - 
TY  - THES
A1  - Nürnberger, Fabian
T1  - Timing of colony phenology and foraging activity in honey bees
T1  - Zeitliche Koordination von Koloniephänologie und Sammelaktivität bei Honigbienen
N2  - I. Timing is a crucial feature in organisms that live within a variable and changing environment. Complex mechanisms to measure time are wide-spread and were shown to exist in many taxa. These mechanisms are expected to provide fitness benefits by enabling organisms to anticipate environmental changes and adapt accordingly. However, very few studies have addressed the adaptive value of proper timing. The objective of this PhD-project was to investigate mechanisms and fitness consequences of timing decisions concerning colony phenology and foraging activity in the honey bee (Apis mellifera), a social insect species with a high degree of social organization and one of the most important pollinators of wild plants and crops. In chapter II, a study is presented that aimed to identify the consequences of disrupted synchrony between colony phenology and the local environment by manipulating the timing of brood onset after hibernation. In a follow-up experiment, the importance of environmental factors for the timing of brood onset was investigated to assess the potential of climate change to disrupt synchronization of colony phenology (Chapter III). Chapter IV aimed to prove for the first time that honey bees can use interval time-place learning to improve foraging activity in a variable environment. Chapter V investigates the fitness benefits of information exchange between nest mates via waggle dance communication about a resource environment that is heterogeneous in space and time.
II. In the study presented in chapter II, the importance of the timing of brood onset after hibernation as critical point in honey bee colony phenology in temperate zones was investigated. Honey bee colonies were overwintered at two climatically different sites. By translocating colonies from each site to the other in late winter, timing of brood onset was manipulated and consequently colony phenology was desynchronized with the local environment. Delaying colony phenology in respect to the local environment decreased the capability of colonies to exploit the abundant spring bloom. Early brood onset, on the other hand, increased the loads of the brood parasite Varroa destructor later in the season with negative impact on colony worker population size. This indicates a timing related trade-off and illustrates the importance of investigating effects of climate change on complex multi-trophic systems. It can be concluded that timing of brood onset in honey bees is an important fitness relevant step for colony phenology that is highly sensitive to climatic conditions in late winter. Further, phenology shifts and mismatches driven by climate change can have severe fitness consequences.
III. In chapter III, I assess the importance of the environmental factors ambient temperature and photoperiod as well as elapsed time on the timing of brood onset. Twenty-four hibernating honey bee colonies were placed into environmental chambers and allocated to different combinations of two temperature regimes and three different light regimes. Brood onset was identified non-invasively by tracking comb temperature within the winter cluster. The experiment revealed that ambient temperature plays a major role in the timing of brood onset, but the response of honey bee colonies to temperature increases is modified by photoperiod. Further, the data indicate the involvement of an internal clock. I conclude that the timing of brood onset is complex but probably highly susceptible to climate change and especially spells of warm weather in winter.
IV. In chapter IV, it was examined if honey bees are capable of interval time-place learning and if this ability improves foraging efficiency in a dynamic resource environment. In a field experiment with artificial feeders, foragers were able to learn time intervals and use this ability to anticipate time periods during which feeders were active. Further, interval time-place learning enabled foragers to increase nectar uptake rates. It was concluded that interval time-place learning can help honey bee foragers to adapt to the complex and variable temporal patterns of floral resource environments.
V. The study presented in chapter V identified the importance of the honey bee waggle dance communication for the spatiotemporal coordination of honey bee foraging activity in resource environments that can vary from day to day. Consequences of disrupting the instructional component of honey bee dance communication were investigated in eight temperate zone landscapes with different levels of spatiotemporal complexity. While nectar uptake of colonies was not affected, waggle dance communication significantly benefitted pollen harvest irrespective of landscape complexity. I suggest that this is explained by the fact that honey bees prefer to forage pollen in semi-natural habitats, which provide diverse resource species but are sparse and presumably hard to find in intensively managed agricultural landscapes. I conclude that waggle dance communication helps to ensure a sufficient and diverse pollen diet which is crucial for honey bee colony health.
VI. In my PhD-project, I could show that honey bee colonies are able to adapt their activities to a seasonally and daily changing environment, which affects resource uptake, colony development, colony health and ultimately colony fitness. Ongoing global change, however, puts timing in honey bee colonies at risk. Climate change has the potential to cause mismatches with the local resource environment. Intensivation of agricultural management with decreased resource diversity and short resource peaks in spring followed by distinctive gaps increases the probability of mismatches. Even the highly efficient foraging system of honey bees might not ensure a sufficiently diverse and healthy diet in such an environment. The global introduction of the parasitic mite V. destructor and the increased exposure to pesticides in intensively managed landscapes further degrades honey bee colony health. This might lead to reduced cognitive capabilities in workers and impact the communication and social organization in colonies, thereby undermining the ability of honey bee colonies to adapt to their environment.
N2  - I. Zeitliche Koordination ist äußerst wichtig für Organismen, die in einer variablen und sich wandelnden Umwelt leben. Komplexe Mechanismen, die das Messen von Zeit ermöglichen, sind weit verbreitet und wurden bei vielen Taxa aufgezeigt. Es wird generell angenommen, dass diese Mechanismen Fitnessvorteile verschaffen, indem sie es Organismen ermöglichen, Umweltveränderungen vorherzusehen und sich entsprechen anzupassen. Allerdings gibt es bisher nur sehr wenige Studien zum adaptiven Wert einer guten zeitlichen Koordination. Ziel dieses Dissertations-Projekts war es, Mechanismen der zeitlichen Koordination bei Honigbienen (Apis mellifera) zu erforschen und deren Bedeutung für die Fitness des Honigbienenvolks zu identifizieren. In Kapitel II präsentiere ich meine Studie über die Konsequenzen eines falsch gewählten Zeitpunkts für den Brutbeginn am Ende des Winters und der daraus folgenden gestörten Synchronisation zwischen der Phänologie von Honigbienenvölkern und der lokalen Umwelt. In einem Folgeexperiment wurde die Bedeutung von Umweltfaktoren für das Timing des Brutbeginns untersucht (Kapitel III). Die Studie in Kapitel IV zielt darauf ab, erstmalig den Beweis zu erbringen, dass Honigbienen das „Intervall time-place learning“, d.h. die Fähigkeit, Zeitintervalle zwischen Ereignissen zu lernen und mit deren räumlichen Lage zu assoziieren, beherrschen und, dass diese Fähigkeit beim Sammeln von Ressourcen vorteilhaft ist. Kapitel V untersucht die Fitnessvorteile, die aus dem Austausch von Informationen über ein raumzeitlich heterogenes Ressourcenumfeld zwischen Stockgenossinnen mit Hilfe des Schwänzeltanzes gezogen werden.
II. In der Studie, die in Kapitel II präsentiert wird, wurde die Bedeutung des Brutbeginns als entscheidender Punkt für die Phänologie von Honigbienenvölkern in den gemäßigten Breiten untersucht. Honigbienenvölker wurden an zwei klimatisch unterschiedlichen Standorten überwintert. Indem ein Teil der Völker im Spätwinter zwischen den Standorten ausgetauscht wurde, wurde deren Brutbeginn manipuliert und dadurch die Phänologie bezüglich der lokalen Umwelt desynchronisiert. Das verzögern der Phänologie der Völker verminderte deren Fähigkeit die üppige Frühjahrsblüte zu nutzen. Ein früher Brutbeginn andererseits erhöhte die Belastung der Völker durch den Brutparasiten Varroa destructor im Verlauf der Saison, was sich negativ auf die Menge der Arbeiterinnen im Volk auswirkte. Es gibt also entscheidende gegensätzlich wirkende Faktoren, die den optimalen Zeitpunkt des Brutbeginns bestimmen. Die Studie zeigt zudem warum es wichtig ist, die möglichen Folgen des Klimawandels in einem multitrophischen System zu betrachten statt sich auf einfache Interaktionen zu beschränken. Man kann allgemein folgern, dass das Timing des Brutbeginns einen bedeutenden fitnessrelevanten Schritt in der Phänologie von Honigbienenvölkern darstellt, der stark von klimatischen Bedingungen im Spätwinter beeinflusst wird. Verschiebungen und Fehlanpassungen des Brutbeginns, und damit der Phänologie, durch den Klimawandel können ernsthafte negative Konsequenzen für die Fitness von Honigbienenvölkern haben.
III. In Kapitel III beleuchte ich die Bedeutung der Umweltfaktoren Umgebungstemperatur und Photoperiode sowie der verstrichenen Zeit auf das Timing des Brutbeginns. Vierundzwanzig überwinternde Honigbienenvölker wurden in Klimakammern untergebracht und auf sechs unterschiedliche Kombinationen von Temperatur- und Lichtregimes verteilt. Der Brutbeginn wurde nicht-invasiv über den Temperaturverlauf auf der Wabe innerhalb der Wintertraube festgestellt. Das Experiment hat gezeigt, dass die Umgebungstemperatur eine entscheidende Rolle beim Timing des Brutbeginns spielt. Allerdings wurde die Reaktion der Völker auf einen Temperaturanstieg vom jeweils vorherrschenden Lichtregime beeinflusst. Zudem deuten die Daten auf die Beteiligung einer inneren Uhr hin. Ich folgere, dass das Timing des Brutbeginns durch ein komplexes System geregelt wird, das wahrscheinlich anfällig für Einflüsse durch den Klimawandel und insbesondere durch Warmwetterphasen im Winter ist.
IV. In Kapitel IV meiner Dissertation wird eine Studie präsentiert, die untersucht ob Bienen die Befähigung zum „Intervall time-place learning“ besitzen und ob diese Fähigkeit die Sammeleffizienz in einem dynamischen Ressourcenumfeld verbessert. In einer Feldstudie mit künstlichen Futterquellen zeigten Sammelbienen, dass sie in der Lage waren, Zeitintervalle zu lernen und das Wissen zu nutzen, um die Zeiten vorherzusehen zu denen die Futterquellen aktiv waren. Dieses Lernverhalten ermöglichte es den Sammelbienen, ihre Nektaraufnahmerate zu steigern. Es wurde gefolgert, dass „Intervall time-place learning“ Sammelbienen dabei helfen kann, sich in einem Blühressourcenumfeld mit komplexen und variablen Zeitmustern zurechtzufinden. 
V. Diese Studie, die in Kapitel V präsentiert wird, untersuchte die Bedeutung der Schwänzeltanzkommunikation der Honigbienen für die raumzeitliche Koordination der Sammelaktivität des Volkes innerhalb eines Ressourcenumfelds, das täglich variieren kann. Die Folgen der Störung der instruktiven Komponenten des Schwänzeltanzes wurden in acht unterschiedlich komplex strukturierten Landschaften innerhalb der gemäßigten Breiten ermessen. Während kein Einfluss auf den Nektarsammelerfolg festgestellt werden konnte, wurde jedoch gezeigt, dass der Pollensammelerfolg, unabhängig von der raumzeitlichen Komplexität der Landschaft, stark von der Schwänzeltanzkommunikation profitiert. Der Grund dafür liegt vermutlich darin, dass Honigbienen vorzugsweise Pollen in halbnatürlichen Habitaten sammeln, die eine hohe Ressourcenvielfalt bieten, aber in intensiv agrarwirtschaftlich genutzten Landschaften eher selten und relativ schwer zu finden sind. Die Studie lässt schließen, dass die Schwänzeltanzkommunikation dabei hilft, eine ausreichende und diverse Pollenernährung zu gewährleisten und damit eine große Rolle für die Gesundheit von Honigbienenvölkern spielt.
VI. Ich konnte in meinem Dissertationsprojekt zeigen, dass Honigbienen in der Lage sind ihre Aktivitäten an eine sich jahreszeitlich und täglich verändernde Umwelt anzupassen. Eine gute zeitliche Koordination hat Einfluss auf Sammelerfolg, Volksentwicklung, Gesundheit und letztlich auf die Fitness des Volkes. Allerdings gefährdet der voranschreitende globale Wandel die zeitliche Koordination der Honigbienenvölker. Der Klimawandel hat das Potenzial, zeitliche Anpassungen an die lokale Umwelt zu stören. Die Intensivierung der Landwirtschaft und der damit einhergehende Verlust von Pflanzenvielfalt sowie die kurzen Zeiträume von extrem hohem Ressourcenangebot, gefolgt von einer ausgeprägten Blühlücke, erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass zeitlich Fehlanpassungen auftreten. In einer derartigen Umwelt könnte selbst das höchst effiziente Ressourcensammelsystem der Honigbienen nicht mehr genügen, um eine ausreichende, vielfältige und gesunde Ernährung zu gewährleisten. Die globale Verbreitung der parasitischen Varroamilbe durch den Menschen und die erhöhte Belastung durch Pestizide verschlechtert zusätzlich den Gesundheitszustand der Honigbienen. Das wiederum kann sich negativ auf das Lernvermögen und des Weiteren auf die Kommunikation und soziale Organisation der Völker auswirken und dadurch deren Fähigkeit, sich an eine veränderliche Umwelt anzupassen unterwandern.
KW  - Biene
KW  - Phänologie
KW  - Kommunikation
KW  - Soziale Insekten
KW  - Apis mellifera
KW  - foraging
KW  - brood rearing
KW  - temperate zones
KW  - waggle dance
KW  - hibernation
KW  - climate change
KW  - varroa
KW  - Timing
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-155105
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schücker, Katharina
T1  - The molecular architecture of the meiotic chromosome axis as revealed by super-resolution microscopy
T1  - Die molekulare Architektur der meiotischen Chromosomenachse dargestellt mit hochauflösender Mikroskopie
N2  - During meiosis proteins of the chromosome axis are important for monitoring chromatin structure and condensation, for pairing and segregation of chromosomes, as well as for accurate recombination. They include HORMA-domain proteins, proteins of the DNA repair system, synaptonemal complex (SC) proteins, condensins and cohesins. To understand more about their function in shaping the meiotic chromosome it is crucial to establish a defined model of their molecular architecture. Up to now their molecular organization was analysed using conventional methods, like confocal scanning microscopy (CLSM) and transmission electron microscopy (TEM). Unfortunately, these techniques are limited either by their resolution power or their localization accuracy. In conclusion, a lot of data on the molecular organization of chromosome axis proteins stays elusive. For this thesis the molecular structure of the murine synaptonemal complex (SC) and the localization of its proteins as well as of three cohesins was analysed with isotropic resolution, providing new insights into their architecture and topography on a nanoscale level. This was done using immunofluorescence labelling in combination with super-resolution microscopy, line profiles and average position determination. The results show that the murine SC has a width of 221.6 nm ± 6.1 nm including a central region (CR) of 148.2 nm ± 2.6 nm. In the CR a multi-layered organization of the central element (CE) proteins was verified by measuring their strand diameters and strand distances and additionally by imaging potential anchoring sites of SYCP1 (synaptonemal complex protein 1) to the lateral elements (LEs). We were able to show that the two LEs proteins SYCP2 and SYCP3 do co-localize alongside their axis and that there is no significant preferential localization towards the inner LE axis of SYCP2. 
The presented results also predict an orderly organization of murine cohesin complexes (CCs) alongside the chromosome axis in germ cells and support the hypothesis that cohesins in the CR of the SC function independent of CCs.
In the end new information on the molecular organization of two main components of the murine chromosome axis were retrieved with nanometer precision and previously unknown details of their molecular architecture and topography were unravelled.
N2  - Innerhalb der Meiose sind Proteine der Chromosomenachse wichtig für das Monitoring der Chromatinstruktur und dessen Kondensation, sowie für die Paarung und Trennung der Chromosomen und für eine fehlerfreie Rekombination. Zu diesen Proteinen zählen HORMA-domain Proteine, Proteine des DNA-Reparatur-Systems und des synaptonemalen Komplexes, sowie Kohäsine und Kondesine. Um mehr über ihre Rolle in der Formgebung meiotischer Chromosomen zu erfahren, ist es unabdingbar ein genau definiertes Modell über ihre molekulare Architektur zu erstellen. Bis jetzt wurde ihre molekulare Organisation mit konventionellen Methoden wie dem konfokalen Laser-Scanning-Mikroskop (CLSM) und dem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) untersucht. Beide Techniken sind jedoch entweder in ihrer Auflösung oder ihrer Lokalisationsgenauigkeit beschränkt, wodurch viele Daten zur molekularen Organisation der Chromosomenachse noch nicht erfasst werden konnten. Die vorliegende Arbeit untersucht mit isotropischer Auflösung die molekulare Struktur des synaptonemalen Komplexes (SC) der Maus und die Lokalisation seiner Proteine, sowie die Lokalisation von drei Kohäsinen, was neue Einsichten in deren Architektur und Topographie auf der nanomolekularen Ebene erbrachte. Dies gelang durch die Verwendung von Immunfluoreszenzmarkierungen in Kombination mit hochauflösender Mikroskopie, Linienprofilen und durchschnittlicher Positionsbestimmung. Es konnte gezeigt werden, dass der murine SC eine Weite von 221,6 nm ± 6,1 nm besitzt, inklusive einer 148,2 nm ± 2,6 nm weiten zentralen Region (CR). Innerhalb der CR konnte eine mehrschichtige Anordnung der Proteine des zentralen Elements (CE) bestätigt werden. Dies gelang indem ihre Strangdurchmesser und –abstände gemessen worden sind und zusätzlich potentielle Bindestellen von SYCP1 (synaptonemal complex protein 1) an den lateral Elementen des SCs (LEs) abgebildet werden konnten. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass die beiden LE Proteine, SYCP2 und SYCP3, kolokalisieren. Dabei zeigte SYCP2 keine präferentielle Lokalisation im inneren Bereich der LE. 
Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit deuten auf eine organisierte Anordnung der murinen Kohäsin Komplexe (CCs) entlang der Chromosomenachse in Keimzellen hin und unterstützen die Hypothese, dass Kohäsine innerhalb der CR des SC eine Funktion unabhängig der von CCs haben. 
Schlussendlich konnten neue Informationen zur molekularen Anordnung von zwei wichtigen Komponenten der murinen Chromosomenachse mit einer Präzision im Nanometerbereich gewonnen werden und bisher nicht bekannte Details ihrer molekularen Architektur und Topographie aufgedeckt werden.
KW  - Meiose
KW  - Super-resolution microscopy
KW  - Meiosis
KW  - Synaptonemal complex
KW  - Cohesin complex
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-144199
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kropf, Jan
T1  - The Dual Olfactory Pathway in the Honeybee Brain: Sensory Supply and Electrophysiological Properties
T1  - Der duale olfaktorische Weg im Gehirn der Honigbiene: Sensorischer Eingang und elektrophysiologische Eigenschaften
N2  - The olfactory sense is of utmost importance for honeybees, Apis mellifera. Honeybees use olfaction for communication within the hive, for the identification of nest mates and non-nest mates, the localization of food sources, and in case of drones (males), for the detection of the queen and mating. Honeybees, therefore, can serve as excellent model systems for an integrative analysis of an elaborated olfactory system.
To efficiently filter odorants out of the air with their antennae, honeybees possess a multitude of sensilla that contain the olfactory sensory neurons (OSN). Three types of olfactory sensilla are known from honeybee worker antennae: Sensilla trichoidea, Sensilla basiconica and Sensilla placodea. In the sensilla, odorant receptors that are located in the dendritic arborizations of the OSNs transduce the odorant information into electrical information. Approximately 60.000 OSN axons project in two parallel bundles along the antenna into the brain. Before they enter the primary olfactory brain center, the antennal lobe (AL), they diverge into four distinct tracts (T1-T4). OSNs relay onto ~3.000-4.000 local interneurons (LN) and ~900 projection neurons (PN), the output neurons of the AL. The axons of the OSNs together with neurites from LNs and PNs form spheroidal neuropil units, the so-called glomeruli. OSN axons from the four AL input tracts (T1-T4) project into four glomerular clusters. LNs interconnect the AL glomeruli, whereas PNs relay the information to the next brain centers, the mushroom body (MB) - associated with sensory integration, learning and memory - and the lateral horn (LH). In honeybees, PNs project to the MBs and the LH via two separate tracts, the medial and the lateral antennal-lobe tract (m/lALT) which run in parallel in opposing directions. The mALT runs first to the MB and then to the LH, the lALT runs first to the LH and then to the MB. This dual olfactory pathway represents a feature unique to Hymenoptera. Interestingly, both tracts were shown to process information about similar sets of odorants by extracting different features. Individual mALT PNs are more odor specific than lALT PNs. On the other hand, lALT PNs have higher spontaneous and higher odor response action potential (AP) frequencies than mALT PNs. In the MBs, PNs form synapses with ~184.000 Kenyon cells (KC), which are the MB intrinsic neurons. KCs, in contrast to PNs, show almost no spontaneous activity and employ a spatially and temporally sparse code for odor coding. 
In manuscript I of my thesis, I investigated whether the differences in specificity of odor responses between m- and lALT are due to differences in the synaptic input. Therefore, I investigated the axonal projection patterns of OSNs housed in S. basiconica in honeybee workers and compared them with S. trichoidea and S. placodea using selective anterograde labeling with fluorescent tracers and confocal- microscopy analyses of axonal projections in AL glomeruli. Axons of S. basiconica-associated OSNs preferentially projected into the T3 input-tract cluster in the AL, whereas the two other types of sensilla did not show a preference for a specific glomerular cluster. T3- associated glomeruli had previously been shown to be innervated by mALT PNs. Interestingly, S. basiconica as well as a number of T3 glomeruli lack in drones. Therefore I set out to determine whether this was associated with the reduction of glomeruli innervated by mALT PNs. Retrograde tracing of mALT PNs in drones and counting of innervated glomeruli showed that the number of mALT-associated glomeruli was strongly reduced in drones compared to workers. The preferential projections of S. basiconica-associated OSNs into T3 glomeruli in female workers together with the reduction of mALT-associated glomeruli in drones support the presence of a female-specific olfactory subsystem that is partly innervated by OSNs from S. basiconica and is associated with mALT projection neurons. As mALT PNs were shown to be more odor specific, I suppose that already the OSNs in this subsystem are more odor specific than lALT associated OSNs. I conclude that this female-specific subsystem allows the worker honeybees to respond adequately to the enormous variety of odorants they experience during their lifetime. 
In manuscript II, I investigated the ion channel composition of mALT and lALT PNs and KCs in situ. This approach represents the first study dealing with the honeybee PN and KC ion channel composition under standard conditions in an intact brain preparation. With these recordings I set out to investigate the potential impact of intrinsic neuronal properties on the differences between m- and lALT PNs and on the sparse odor coding properties of KCs. In PNs, I identified a set of Na+ currents and diverse K+ currents depending on voltage and Na+ or Ca2+ that support relatively high spontaneous and odor response AP frequencies. This set of currents did not significantly differ between mALT and lALT PNs, but targets for potential modulation of currents leading to differences in AP frequencies were found between both types of PNs. In contrast to PNs, KCs have very prominent K+ currents, which are likely to contribute to the sparse response fashion observed in KCs. Furthermore, Ca2+ dependent K+ currents were found, which may be of importance for coincidence detection, learning and memory formation.
Finally, I conclude that the differences in odor specificity between m- and lALT PNs are due to their synaptic input from different sets of OSNs and potential processing by LNs. The differences in spontaneous activity between the two tracts may be caused by different neuronal modulation or, in addition, also by interaction with LNs. The temporally sparse representation of odors in KCs is very likely based on the intrinsic KC properties, whereas general excitability and spatial sparseness are likely to be regulated through GABAergic feedback neurons.
N2  - Der Geruchssinn ist für die Honigbiene, Apis mellifera, von größter Bedeutung. Honigbienen kommunizieren olfaktorisch, sie können Nestgenossinnen und koloniefremde Honigbienen aufgrund des Geruchs unterscheiden, sie suchen und erkennen Nahrungsquellen olfaktorisch, und Drohnen (männliche Honigbienen) finden die Königin mit Hilfe des Geruchssinns. Deshalb dient die Honigbiene als exzellentes Modell für die Untersuchung hochentwickelter olfaktorischer Systeme.
Honigbienen filtern Duftmoleküle mit ihren Antennen aus der Luft. Auf diesen Antennen sitzen Sensillen, die die olfaktorischen sensorischen Neurone (OSN) beinhalten. Drei verschiedene olfaktorische Sensillen existieren bei Arbeiterinnen: Sensilla trichoidea, Sensilla basiconica und Sensilla placodea. In diesen Sensillen sind olfaktorische Rezeptorproteine auf den Dendriten der OSN lokalisiert. Diese Duftrezeptoren wandeln die Duftinformationen in elektrische Informationen um. Die Axone von ca. 60.000 OSN ziehen in zwei Bündeln entlang der Antenne in das Gehirn. Bevor sie das erste olfaktorische Gehirnzentrum, den Antennallobus (AL), erreichen, spalten sie sich in vier distinkte Trakte (T1-T4) auf. Im AL verschalten sie auf 3.000-4.000 lokale Interneurone (LN) und auf etwa 900 Ausgangsneurone des AL, die Projektionsneurone (PN). Die axonalen Endigungen der OSN bilden mit Neuriten der PN und LN kugelförmige Strukturen, die so genannten Glomeruli. Die OSN aus den vier Trakten T1-T4 ziehen in vier zugehörige glomeruläre Cluster. LN verschalten die Information unter den AL Glomeruli, PN leiten olfaktorische Informationen zu den nächsten Gehirnstrukturen, den Pilzkörpern und dem lateralen Horn, weiter. Die Pilzkörper werden als Zentrum für sensorische Integration, Lernen und Gedächtnis gesehen. Die PN, die den AL mit dem Pilzkörper und dem lateralen Horn verbinden, verlaufen in Honigbienen parallel über zwei Bahnen, den medialen und den lateralen Antennallobustrakt (mALT/lALT), aber in entgegengesetzter Richtung. Dieser duale olfaktorische Signalweg wurde in dieser Ausprägung bisher nur in Hymenopteren gefunden. Interessanterweise prozessieren beide Trakte Informationen über die gleichen Düfte. Dabei sind mALT PN duftspezifischer und lALT PN haben höhere spontane Aktionspotentialfrequenzen sowie höhere Aktionspotentialfrequenzen in Antwort auf einen Duftreiz. Im Pilzkörper verschalten PN auf Kenyon Zellen (KC), die intrinsischen Neurone des Pilzkörpers. KC sind im Gegensatz zu PN fast nicht spontan aktiv und kodieren Informationen auf räumlicher und zeitlicher Ebene mit geringer Aktivität. Man spricht von einem so genannten "sparse code". 
Im ersten Manuskript meiner Doktorarbeit habe ich untersucht, ob die Unterschiede in der Spezifität der Duftantworten zwischen mALT und lALT PN zumindest zum Teil auf Unterschieden im sensorischen Eingang beruhen. Ich habe die axonalen Projektionen der OSN der S. basiconica in Honigbienen untersucht und mit den Projektionen von OSN in S. trichoidea und S. placodea verglichen. Dazu wurden die OSN in den S. basiconica anterograd mit Fluoreszenzmarkern gefärbt und mit mittels konfokaler Mikroskopie untersucht und quantifiziert. Die Axone von OSN aus S. basiconica ziehen präferentiell in das T3 Glomerulus Cluster, die Axone der anderen beiden Sensillentypen zeigen keine Präferenz für ein spezielles Cluster. Es wurde bereits gezeigt, dass die Glomeruli des T3 Clusters von mALT PN innerviert werden. Interessanterweise fehlen S. basiconica und Teile der T3 Glomeruli in Drohnen. Deshalb habe ich untersucht, ob die T3 Reduzierung in Drohnen mit einer Reduzierung der mALT Glomeruli einhergeht. Retrograde Färbungen der mALT PN in Drohnen zeigten, daß die Zahl der mALT Glomeruli in Drohnen gegenüber Arbeiterinnen deutlich reduziert ist. Die Präferenz der OSN der S. basiconica für das T3 Cluster und die reduzierte Anzahl von mALT Glomeruli in Drohnen weisen auf ein arbeiterinnenspezifisches olfaktorisches Subsystem hin, welches aus S. basiconica, T3 Glomeruli und einer Gruppe von mALT PN besteht. Da die mALT PN duftspezifischer als lALT PN sind, vermute ich, dass auch die OSN, die auf mALT PN verschalten, duftspezifischer antworten als OSN die auf lALT PN verschalten. Daraus schließe ich, daß dieses Subsystem den Arbeiterinnen ermöglicht, passend auf die enorme Breite an Duftstoffen zu reagieren, die diese im Laufe ihres arbeitsteiligen Lebens wahrnehmen müssen.
Im zweiten Manuskript meiner Doktorarbeit habe ich die Ionenkanalzusammensetzung der mALT PN, der lALT PN und der KC in situ untersucht. Mein Ansatz stellt die erste Studie dar, die die Ionenkanäle von Neuronen in der Honigbiene unter Standardbedingungen an einer intakten Gehirnpräparation untersucht. Mit diesen Messungen versuche ich die potentiellen bioelektrischen Grundlagen für Unterschiede in der Informationskodierung in mALT PN, lALT PN und Kenyon Zellen zu ergründen. In PN konnte ich eine Gruppe von Na+ Ionenkanälen und Na+ abhängigen, Ca2+ abhängigen sowie spannungsabhängigen K+ Ionenkanälen identifizieren, die die Grundlagen für hohe, spontane Aktionspotentialfrequenzen und hohe Duftantwortfrequenzen schaffen. Diese Ströme unterschieden sich nicht grundsätzlich zwischen m- und lALT PN. Jedoch wurden potentielle Ziele für neuronale Modulation gefunden, welche zu unterschiedlichen Aktionspotentialfrequenzen zwischen PN der beiden Trakte führen könnten. Im Gegensatz zu den PN wurden in Kenyon Zellen in der Relation sehr starke K+ Ionenströme gemessen. Diese dienen sehr wahrscheinlich der schnellen Terminierung von Duftantworten, also dem Erzeugen des zeitlichen "sparse code". Außerdem wurden Ca2+ abhängige K+ Kanäle gefunden, die für Koinzidenzdetektion, Lernen und Gedächtnis von Bedeutung sein können. 
In der Gesamtsicht folgere ich aus meinen Ergebnissen, dass die Unterschiede in der Duftspezifizität zwischen m- und lALT PN überwiegend auf deren sensorischen Eingängen von unterschiedlichen Populationen von OSN und der Verarbeitung über lokale Interneuronen im AL beruht. Die Unterschiede in der Spontanaktivität zwischen mALT und lALT basieren sehr wahrscheinlich auf neuronaler Modulation und/oder Interaktion mit LN. Die zeitliche Komponente des "sparse code" in KC entsteht höchstwahrscheinlich durch die intrinsischen elektrischen Eigenschaften der KC, wohingegen die generelle Erregbarkeit und der räumliche "sparse code" mit großer Wahrscheinlichkeit auf der Regulation durch GABAerge Neurone beruht.
KW  - Voltage-Clamp-Methode
KW  - Biene
KW  - Neuroanatomie
KW  - Neurobiology
KW  - Olfaction
KW  - Geruchssinn
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-108369
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kay, Janina
T1  - The circadian clock of the carpenter ant \(Camponotus\)  \(floridanus\)
T1  - Die circadiane Uhr der Rossameise \(Camponotus\)  \(floridanus\)
N2  - Due to the earth´s rotation around itself and the sun, rhythmic daily and seasonal changes in illumination, temperature and many other environmental factors occur. Adaptation to these environmental rhythms presents a considerable advantage to survival. Thus, almost all living beings have developed a mechanism to time their behavior in accordance. This mechanism is the endogenous clock. If it fulfills the criteria of (1) entraining to zeitgebers (2) free-running behavior with a period of ~ 24 hours (3) temperature compensation, it is also referred to as “circadian clock”. Well-timed behavior is crucial for eusocial insects, which divide their tasks among different behavioral castes and need to respond to changes in the environment quickly and in an orchestrated fashion. Circadian rhythms have thus been studied and observed in many eusocial species, from ants to bees. The underlying mechanism of this clock is a molecular feedback loop that generates rhythmic changes in gene expression and protein levels with a phase length of approximately 24 hours. The properties of this feedback loop are well characterized in many insects, from the fruit fly Drosophila melanogaster, to the honeybee Apis mellifera. Though the basic principles and components of this loop are seem similar at first glance, there are important differences between the Drosophila feedback loop and that of hymenopteran insects, whose loop resembles the mammalian clock loop. The protein PERIOD (PER) is thought to be a part of the negative limb of the hymenopteran clock, partnering with CRYPTOCHROME (CRY). The anatomical location of the clock-related neurons and the PDF-network (a putative in- and output mediator of the clock) is also well characterized in Drosophila, the eusocial honeybee as well as the nocturnal cockroach Leucophea maderae. The circadian behavior, anatomy of the clock and its molecular underpinnings were studied in the carpenter ant Camponotus floridanus, a eusocial insect Locomotor activity recordings in social isolation proved that the majority of ants could entrain to different LD cycles, free-ran in constant darkness and had a temperature-compensated clock with a period slightly shorter than 24 hours. Most individuals proved to be nocturnal, but different types of activity like diurnality, crepuscularity, rhythmic activity during both phases of the LD, or arrhythmicity were also observed. The LD cycle had a slight influence on the distribution of these activities among individuals, with more diurnal ants at shorter light phases. The PDF-network of C. floridanus was revealed with the anti-PDH antibody, and partly resembled that of other eusocial or nocturnal insects. A comparison of minor and major worker brains, only revealed slight differences in the number of somata and fibers crossing the posterior midline. All in all, most PDF-structures that are conserved in other insects where found, with numerous fibers in the optic lobes, a putative accessory medulla, somata located near the proximal medulla and many fibers in the protocerebrum. A putative connection between the mushroom bodies, the optic lobes and the antennal lobes was found, indicating an influence of the clock on olfactory learning. Lastly, the location and intensity of PER-positive cell bodies at different times of a 24 hour day was established with an antibody raised against Apis mellifera PER. Four distinct clusters, which resemble those found in A. mellifera, were detected. The clusters could be grouped in dorsal and lateral neurons, and the PER-levels cycled in all examined clusters with peaks around lights on and lowest levels after lights off. 
In summary, first data on circadian behavior and the anatomy and workings of the clock of C. floridanus was obtained. Firstly, it´s behavior fulfills all criteria for the presence of a circadian clock. Secondly, the PDF-network is very similar to those of other insects. Lastly, the location of the PER cell bodies seems conserved among hymenoptera. Cycling of PER levels within 24 hours confirms the suspicion of its role in the circadian feedback loop.
N2  - Durch die Rotation der Erde um die Sonne, entstehen rhythmische, tägliche und saisonale Änderungen in der Beleuchtung, Temperatur und vielen anderen Umweltfaktoren. Die Anpassung an diese Umweltrhythmen stellt einen großen Überlebensvorteil dar. Deshalb haben fast alle bekannten Lebewesen einen Mechanismus zur Steuerung ihres Verhaltens in Relation zu diesen Änderungen entwickelt. Dieser Mechanismus ist die innere Uhr, die auch als zirkadiane Uhr bezeichnet wird wenn sie die folgenden Kriterien erfüllt: (1) Entrainment auf Zeigeber (2) Freilaufendes Verhalten mit einer Periodenlänge von ungefähr 24 Stunden (3) Temperatur-Kompensation. Den korrekten Zeitpunkt für ein bestimmtes Verhalten einzuhalten ist äußerst wichtig für soziale Insekten. Sie verteilen ihre Aufgaben unter verschiedenen Verhaltens-Kasten und müssen in der Lage sein schnell und organisiert auf Umweltänderungen zu reagieren. Deshalb stellen sie interessante Objekte für das Studium circadianen Verhaltens dar, welches schon in vielen eusozialen Spezies wie Ameisen und Bienen beobachtet wurde. Der der inneren Uhr zugrunde liegende Mechanismus ist eine molekulare Rückkopplungsschleife, die rhythmische Veränderungen in der Expression von Genen und dem Akkumulationsniveau von Proteinen in einem 24 Stunden Zyklus hervorruft. Die Eigenschaften dieser Rückkopplungsschleife sind in vielen Organismen, von der Taufliege Drosophila melanogaster, bis zur Hongbiene Apis mellifera, bereits gut charakterisiert. Obwohl die Gemeinsamkeiten der zugrunde liegenden Prinzipien und Bestandteile stark auffallen, gibt es wichtige Unterschiede zwischen der Rückkopplungsschleife von Drosophila und der eher mammal organisierten Rückkopplungsschleifen hymenopterer Insekten. Das PERIOD (PER) Protein ist vermutlich ein Bestandteil des hemmenden Teils der Schleife und verbindet sich mit CRYPTOCHROME (CRY).  Die anatomischen Eigenschaften der Uhrneurone und des PDF-Netzwerks (vermutlich der Ein- und Ausgang für Informationen im Uhrnetzwerk) sind ebenfalls in der Taufliege, eusozialen Honigbiene, sowie in der nachtaktiven Schabe Leucophea maderae sehr gut beschrieben. Die Rossameise Camponotus floridanus wurde hier als Studienobjekt verwendet, um zirkadianes Verhalten, die Anatomie der Uhr sowie die ihr zu Grunde liegenden molekularen Strukturen in einem weiteren eusozialen Organismus zu analysieren. Die Aufzeichnung von Lauf-Verhalten in sozialer Isolation bewies, dass der Großteil der Ameisen in der Lage ist auf verschiedene LD-Zyklen zu entrainen, freilaufendes Verhalten im Dunkeln aufweist und eine temperaturkompensierte Uhr mit einer Periodenlänge von etwa 24 Stunden besitzt. Die meisten Individuen waren nachtaktiv, aber es wurden auch andere Verhaltensmuster wie Tagaktivität, Dämmerungsaktivität, Rhythmische Aktivität während beiden LD Phasen sowie Arrhythmizität beobachtet. Der LD-Zyklus hatte einen leichten Einfluss auf die Verteilungsmuster dieser Aktivitätstypen. Mehr tagaktive Tiere wurden bei kurzen Lichtphasen beobachtet. Das PDF-Netzwerk in C. floridanus konnte mit Hilfe des anti-PDH Antikörpers sichtbar  gemacht werden und ähnelte in Teilen dem anderer eusozialer oder nachtaktiver Insekten. Ein Vergleich zwischen den Gehirnen kleiner und großer Arbeiter zeigte nur geringe Unterschiede in der Anzahl von Zellkörpern und Fasern die die posteriore Mitte des Gehirns überschreiten. Im Gesamten konnte die Mehrzahl der zwischen den anderen Insektengehirnen konservierten PDF-Strukturen, wie viele Fasern in den optischen Loben, eine akzessorische Medulla, Zellkörper neben der proximalen Medulla und viele Verzweigungen im Protozerebrum, gefunden werden. Eine mögliche Verbindung zwischen den Pilzkörpern, optischen Loben und den Antennalloben wurde identifiziert und weist auf einen Einfluss der Uhr auf olfaktorisches Lernen hin. Zu guter letzte wurde mit Hilfe eines gegen Bienen-PER gerichteten Antikörpers die Lage und Intensität der PER-Zellkörper während mehrerer Zeitpunkte im Verlauf von 24 Stunden bestimmt. Vier abgegrenzte Gruppen von Zellkörpern, die den Gruppen in A. mellifera ähneln, konnten identifiziert werden. Diese Gruppen teilen sich in dorsale und laterale Neuronen und der Proteingehalt an PER oszilliert in allen untersuchten Gruppen, mit dem Höhepunkt bei Licht-an und dem Tiefpunkt kurz nach Licht-aus.
Zusammenfassend ist zu sagen, dass erste Erkenntnisse über zirkadianes Verhalten, die Anatomie und die Grundlagen der inneren Uhr von C. floridanus gewonnen werden konnten. Erstens, erfüllt das Verhalten alle Kriterien für die Präsenz einer inneren Uhr. Zweitens, ist das PDF-Netzwerk ähnlich dem anderer Insekten. Letztens, scheint die Lage der PER-positiven Neurone innerhalb der Hymenopteren konserviert. Die Oszillation von PER bestätigt den Verdacht seiner Beteiligung an der Rückkopplungsschleife der inneren Uhr.
KW  - Chronobiologie
KW  - Tagesrhythmus
KW  - Camponotus floridanus
KW  - Protein
KW  - Innere Uhr
KW  - Endogenous clock
KW  - Circadiane Uhr
KW  - Circadian Clock
KW  - Ant
KW  - Ameise
KW  - Insect
KW  - Insekt
KW  - Protein
KW  - Circadianer Rhythmus
KW  - Tagesrhythmik
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-158061
ER  - 
TY  - THES
A1  - Mildner, Stephanie
T1  - Temporal organization in \(Camponotus\) \(ants\):  endogenous clocks and zeitgebers responsible for synchronization of task-related circadian rhythms in foragers and nurses
T1  - Zeitliche Organisation bei Camponotus-Ameisen:  innere Uhren und die verantwortlichen Zeitgeber für die Synchronisation von Aufgaben-bezogenen circadianen Rhythmen von Fourageuren und Brutpflegerinnen
N2  - The rotation of the earth around its axis causes recurring and predictable changes in the environment. To anticipate those changes and adapt their physiology and behavior accordingly, most organisms possess an endogenous clock. The presence of such a clock has been demonstrated for several ant species including Camponotus ants, but its involvement in the scheduling of daily activities within and outside the ant nest is fairly unknown. Timing of individual behaviors and synchronization among individuals is needed to generate a coordinated collective response and to maintain colony function. The aim of this thesis was to investigate the presence of a circadian clock in different worker castes, and to determine the daily timing of their behavioral tasks within the colonies of two nectar-collecting Camponotus species.
In chapter I, I describe the general temporal organization of work throughout the worker life in the species Camponotus rufipes. Continuous tracking of behavioral activity of individually- marked workers for up to 11 weeks in subcolonies revealed an age-dependent division of labor between interior and exterior workers. After eclosion, the fairly immobile young ants were frequently nurtured by older nurses, yet they started nursing the brood themselves within the first 48 hours of their life. Only 60% of workers switched to foraging at an age range of one to two weeks, likely because of the reduced needs within the small scale of the subcolonies. Not only the transition rates varied between subcolonies, but also the time courses of the task sequences between workers did, emphasizing the timed allocation of workers to different tasks in response to colony needs. 
Most of the observed foragers were present outside the nest only during the night, indicating a distinct timing of this behavioral activity on a daily level as well. As food availability, humidity and temperature levels were kept constant throughout the day, the preference for nocturnal activity seems to be endogenous and characteristic for C. rufipes. The subsequent monitoring of locomotor activity of workers taken from the subcolonies revealed the presence of a functional endogenous clock already in one-day old ants. As some nurses displayed activity rhythms in phase with the foraging rhythm, a synchronization of these in-nest workers by social interactions with exterior workers can be hypothesized.
Do both castes use their endogenous clock to schedule their daily activities within the colony? In chapter II, I analyzed behavioral activity of C. rufipes foragers and nurses within the social context continuously for 24 hours. As time-restricted access to food sources may be one factor affecting daily activities of ants under natural conditions, I confronted subcolonies with either daily pulses of food availability or ad libitum feeding. Under nighttime and ad libitum feeding, behavioral activity of foragers outside the nest was predominantly nocturnal, confirming the results from the simple counting of exterior workers done in chapter I. Foragers switched to diurnality during daytime feeding, demonstrating the flexible and adaptive timing of a daily behavior. Because they synchronized their activity with the short times of food availability, these workers showed high levels of inactivity. Nurses, in contrast, were active all around the clock independent of the feeding regime, spending their active time largely with feeding and licking the brood. After the feeding pulses, however, a short bout of activity was observed in nurses. During this time period, both castes increasingly interacted via trophallaxis within the nest. With this form of social zeitgeber, exterior workers were able to entrain in-nest workers, a phenomenon observed already in chapter I. Under the subsequent monitoring of locomotor activity under LD conditions the rhythmic workers of both castes were uniformly nocturnal independent of the feeding regime. This endogenous activity pattern displayed by both worker castes in isolation was modified in the social context in adaption to task demands.
Chapter III focuses on the potential factors causing the observed plasticity of daily rhythms in the social context in the ant C. rufipes. As presence of brood and conspecifics are likely indicators of the social context, I tested the effect of these factors on the endogenous rhythms of otherwise isolated individuals. Even in foragers, the contact to brood triggered an arrhythmic activity pattern resembling the arrhythmic behavioral activity pattern seen in nurses within the social context. As indicated in chapter I and II, social interaction could be one crucial factor for the synchronization of in nest activities. When separate groups were entrained to phase-shifted light-dark-cycles and monitored afterwards under constant conditions in pairwise contact through a mesh partitioning, both individuals shifted parts of their activity towards the activity period of the conspecific. Both social cues modulated the endogenous rhythms of workers and contribute to the context dependent plasticity in ant colonies.
Although most nursing activities are executed arrhythmically throughout the day (chapter II), previous studies reported rhythmic translocation events of the brood in Camponotus nurses. As this behavior favors brood development, the timing of the translocations within the dark nest seems to be crucial. In chapter IV, I tracked translocation activity of all nurses within subcolonies of C. mus. Under the confirmed synchronized conditions of a LD-cycle, the daily pattern of brood relocation was based on the rhythmic, alternating activity of subpopulations with preferred translocation direction either to the warm or to the cold part of the temperature gradient at certain times of the day. Although the social interaction after pulse feeding had noticeable effects on the in-nest activity in C. rufipes (chapter I and II), it was not sufficient to synchronize the brood translocation rhythm of C. mus under constant darkness (e.g. when other zeitgebers were absent). The free-running translocation activity in some nurses demonstrated nevertheless the involvement of an endogenous clock in this behavior, which could be entrained under natural conditions by other potential non-photic zeitgebers like temperature and humidity cycles.
Daily cycling of temperature and humidity could not only be relevant for in-nest activities, but also for the foraging activity outside the nest. Chapter V focuses on the monitoring of field foraging rhythms in the sympatric species C. mus and C. rufipes in relation to abiotic factors. Although both species had comparable critical thermal limits in the laboratory, foragers in C. mus were strictly diurnal and therefore foraged under higher temperatures than the predominant nocturnal foragers in C. rufipes. Marking experiments in C. rufipes colonies with higher levels of diurnal activity revealed the presence of temporally specialized forager subpopulations. These results suggest the presence of temporal niches not only between the two Camponotus species, but as well between workers within colonies of the same species. 
In conclusion, the temporal organization in colonies of Camponotus ants involves not only the scheduling of tasks performed throughout the worker life, but also the precise timing of daily activities. The necessary endogenous clock is already functioning in all workers after eclosion. Whereas the light-dark cycle and food availability seem to be the prominent zeitgebers for foragers, nurses may rely more on non-photic zeitgeber like social interaction, temperature and humidity cycles.
N2  - Die Drehung der Erde um ihre eigene Achse erzeugt wiederkehrende und vorhersehbare Umweltschwankungen. Um diese Schwankungen zu antizipieren und Physiologie sowie Verhalten entsprechend anzupassen, besitzen fast alle Organismen eine innere Uhr. Bei einigen Ameisenarten, Camponotus Ameisen eingenommen, wurde die Präsenz einer inneren Uhr bereits bestätigt. Wie diese Uhr allerdings zur zeitlichen Abstimmung der Tagesaktivitäten innerhalb und außerhalb des Ameisennestes genutzt wird, war bis jetzt weitestgehend unbekannt. Für die Koordination einer kollektiven Verhaltensantwort und die Aufrechterhaltung der Kolonie ist dabei nicht nur die zeitliche Steuerung vom Verhalten Einzelner notwendig, sondern auch eine Synchronisation zwischen den Arbeiterinnen. Das Ziel dieser Doktorarbeit war es, die mögliche Präsenz einer inneren Uhr in verschiedenen Arbeiterkasten zu untersuchen, und die zeitliche Koordination von Tagesaktivitäten dieser Kasten innerhalb der Kolonien zweier Camponotus Ameisenarten zu bestimmen.
In Kapitel I beschreibe ich die grundlegende zeitliche Organisation der Arbeitsteilung im Laufe des Arbeiterinnenlebens in der Art Camponotus rufipes. Mithilfe einer lückenlosen Verfolgung der Tagesaktivitäten von individuell markierten Tieren in Subkolonien über bis zu 11 Wochen konnte eine altersabhängige Arbeitsteilung zwischen Innen- und Außendienstarbeiterinnen nachgewiesen werden. Nach dem Schlüpfen wurden die eher unbeweglichen jungen Ameisen oft durch ältere Brutpflegerinnen versorgt, engagierten sich dann aber schon innerhalb der ersten 48 Stunden ihres Lebens selbst in der Brutpflege. Wahrscheinlich wegen der verminderten Notwendigkeit zur ausgedehnten Futtersuche innerhalb der kleinen Versuchskolonien wechselten nur 60% der Innendienstarbeiterinnen nach ein bis zwei Wochen zum Fouragieren außerhalb der Kolonie. Nicht nur variierte der Prozentsatz des Verhaltensübergangs von Brutpflegerin zur Sammlerin zwischen den Subkolonien, sondern auch innerhalb der Subkolonien unterschieden sich Arbeiterinnen im Zeitverlauf der Aufgabenfolge. Diese Ergebnisse betonen die gezielte, zeitliche Zuweisung von Arbeiterinnen zu einer bestimmten Arbeiterkaste je nach Bedarf der Kolonie. 
In diesem Experiment waren die Sammlerinnen vorwiegend nur während der Nachtphase außerhalb der Kolonie aktiv, was wiederum eine genaue zeitliche Koordination des Sammelverhaltens auf Tagesbasis zeigt. Da die Futterverfügbarkeit sowie Temperatur- und Luftfeuchte über den Tag hinweg konstant gehalten wurden, scheint die bevorzugte Nachtaktivität endogen und charakteristisch für C. rufipes zu sein. Durch das anschließende Monitoring der Lokomotoraktivität von Arbeiterinnen aus diesen Subkolonien konnte gezeigt werden, dass schon einen Tag alte Ameisen eine funktionierende innere Uhr besitzen. Der Aktivitätsrhythmus mancher Brutpflegerinnen war dabei in Phase mit dem Sammelrhythmus der Kolonie, weswegen man von einer Synchronisation dieser Inndienstarbeiterinnen durch soziale Interaktion mit Außendienstarbeiterinnen ausgehen kann.
Doch nutzen beide Kasten ihre innere Uhr auch, um ihre Tagesaktivitäten innerhalb der Kolonie zeitlich abzustimmen? In Kapitel II habe ich die Verhaltensaktivität von C. rufipes Futtersammlerinnen und Brutpflegerinnen in ihrem sozialen Umfeld kontinuierlich für 24 Stunden verfolgt. Da der beschränkte Zugriff zu Futterquellen einer der Faktoren sein könnte, der die Tagesaktivitäten von Ameisen in der Natur beeinflusst, wurden Subkolonien entweder nur pulsartig oder ad libitum gefüttert. Während der Nacht- und ad libitum Fütterung waren Sammlerinnen vorwiegend nachtaktiv, was die Ergebnisse der simplen Zählung von Außendiensttieren in Kapitel I bestätigt. Während der Tagesfütterung wurden die Sammlerinnen tagaktiv, was die flexible und adaptive zeitliche Anpassung dieses täglichen Verhaltens veranschaulicht. Unabhängig von der Fütterungszeit waren Brutpflegerinnen rund um die Uhr aktiv, wobei sie die größte Zeit mit Fütterung und Säuberung der Brut verbrachten. Jedoch konnte kurz nach den Fütterungspulsen ein kurzer Aktivitätsanstieg verzeichnet werden, welcher auf die erhöhte Interaktion durch Trophallaxis mit den Sammlerinnen zurückzuführen ist. Wie bereits schon in Kapitel I angedeutet, können Außendiensttiere mithilfe dieses sozialen Zeitgebers Arbeiterinnen im Nest synchronisieren. Im anschließenden Monitoring der Lokomotoraktivität unter Licht-Dunkel-Bedingungen waren alle rhythmischen Arbeiterinnen einheitlich nachtaktiv, unabhängig von der vorausgegangen Fütterungszeit. Damit werden die endogenen Aktivitätsmuster, die beide Kasten in Isolation zeigen, im sozialen Kontext in Anpassung an die speziellen Anforderungen an die Kasten modifiziert.
Schwerpunkt des Kapitels III ist die Untersuchung der potentiellen Faktoren, die die gezeigte Plastizität der Tagesrhythmen bei Ameisen der Art C. rufipes bedingen. Da unter anderem das Vorhandensein von Brut und Artgenossinnen sozialen Kontext signalisieren können, wurde der Effekt dieser Faktoren auf die endogenen Rhythmen von ansonsten isolierten Individuen untersucht. Selbst in Sammlerinnen verursachte der Kontakt zu Brut ein arrhythmisches Aktivitätsmuster, welches dem Verhaltensmuster von Brutpflegerinnen innerhalb der Kolonie gleicht. Wie schon in Kapitel I und II deutlich wurde, könnten soziale Interaktionen einen wesentlichen Beitrag zur Synchronisation der Nestaktivitäten leisten. Dazu wurden Gruppen getrennt voneinander mit phasenverschobenen Licht-Dunkel-Zyklen entraint, und Tiere anschließend in paarweisem Kontakt durch ein Netzgitter aufgezeichnet. Beide Individuen verschoben einen Teil ihrer Aktivität in die Aktivitätsperiode des Partners. Damit modulierten beide getesteten sozialen Faktoren die endogenen Rhythmen der Arbeiterinnen, was letztendlich zur kontextabhängigen Plastizität der Rhythmen in Ameisenkolonien beiträgt.
Obwohl Brutpflegerinnen die meisten Verhaltensweisen arrhythmisch während des ganzen Tages ausüben (Kapitel II), zeigten vorangegangene Studien rhythmische Brutverlagerungen bei Brutpflegerinnen der Camponotus-Arten. Da dieses Verhalten die Brutentwicklung fördert, scheint das Timing der Verlagerungen innerhalb des ansonsten dunklen Nestes essentiell zu sein. In Kapitel IV verfolgte ich die Verlagerungsaktivität von allen Brutpflegerinnen in Subkolonien der Art C. mus. Unter den gesichert synchronisierten Bedingungen eines LD-Zykluses basierte das Brutverlagerungsmuster auf der rhythmischen, abwechselnden Aktivität von zwei Subpopulationen mit bevorzugter Verlagerungsrichtung in entweder den warmen oder kalten Bereich des Temperaturgradienten zu bestimmten Tageszeiten. Obwohl die soziale Interaktion nach Pulsfütterung einen deutlichen Einfluss auf die Nestaktivität bei C. rufipes hatte (Kapitel I und II), reichte diese Interaktion nicht aus um den Brutverlagerungsrhythmus bei C. mus innerhalb des dunklen Nests (d.h. unter Abwesenheit sonstiger Zeitgeber) zu synchronisieren. Nichtsdestotrotz zeigte der Freilauf der Brutverlagerungsrhythmen in einigen Brutpflegerinnen die Beteiligung einer inneren Uhr, welche durch anderweitige nicht-photische Zeitgeber wie Temperatur- und Feuchtigkeitszyklen synchronisiert werden könnte.
Tageszyklen in Temperatur und Feuchtigkeit könnten nicht nur relevant sein für Aktivitäten innerhalb des Nests, sondern auch für die Fouragieraktivität außerhalb des Nests. In Kapitel V wurden Fouragierrhythmen im Freiland bei den sympatrisch vorkommenden Ameisenarten C. mus und C. rufipes in Abhängigkeit von abiotischen Faktoren betrachtet. Obwohl die beiden Arten unter Laborbedingungen ähnliche kritische Temperaturgrenzen aufzeigten, waren die Fourageure der Art C. mus strikt tagaktiv und sammelten deswegen unter höheren Temperaturen Futter als die vorwiegend nachtaktiven Fourageure der Art C. rufipes. Bei C. rufipes Kolonien mit erhöhter Tagaktivität wiesen Markierexperimente das Vorkommen von zeitlich spezialisierten Fourageur-Subpopulationen nach. Damit deuten die Ergebnisse nicht nur das Vorkommen von unterschiedlichen zeitlichen Nischen innerhalb der beiden Camponotus-Arten an, sondern auch zwischen Arbeiterinnen von Kolonien derselben Art. 
Zusammenfassend gesehen umspannt die zeitliche Organisation in Kolonien der Camponotus-Ameisen nicht nur die zeitliche Planung der Aufgaben, die über das Arbeiterinnenleben hinweg ausgeführt werden, sondern auch das genaue Terminierung von Tagesaktivitäten. Bereits nach dem Schlüpfen besitzen allen Arbeiterinnen eine funktionsfähige und für die zeitliche Organisation notwendige innere Uhr. Während der Licht-Dunkel-Zyklus und Futterverfügbarkeit die bedeutenden Zeitgeber für Fourageure zu sein scheinen, könnten Brutpflegerinnen eher auf nicht-photische Zeitgeber wie soziale Interaktion, Temperatur- und Feuchtigkeitszyklen angewiesen sein.
KW  - circadian clocks
KW  - behavioral rhythms
KW  - Camponotus
KW  - zeitgeber
KW  - division of labor
KW  - temporal organization
KW  - zeitliche Organisation
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-149382
ER  - 
TY  - THES
A1  - Aufmkolk, Sarah
T1  - Super-Resolution Microscopy of Synaptic Proteins
T1  - Hochauflösende Mikroskopie von Synaptischen Proteinen
N2  - The interaction of synaptic proteins orchestrate the function of one of the most complex organs, the brain. The multitude of molecular elements influencing neurological correlations makes imaging processes complicated since conventional fluorescence microscopy methods are unable to resolve structures beyond the diffraction-limit.
The implementation of super-resolution fluorescence microscopy into the field of neuroscience allows the visualisation of the fine details of neural connectivity. The key element of my thesis is the super-resolution technique dSTORM (direct Stochastic Optical Reconstruction Microscopy) and its optimisation as a multi-colour approach. Capturing more than one target, I aim to unravel the distribution of synaptic proteins with nanometer precision and set them into a structural and quantitative context with one another. Therefore dSTORM specific protocols are optimized to serve the peculiarities of particular neural samples.
In one project the brain derived neurotrophic factor (BDNF) is investigated in primary, hippocampal neurons. With a precision beyond 15 nm, preand post-synaptic sites can be identified by staining the active zone proteins bassoon and homer. As a result, hallmarks of mature synapses can be exhibited. The single molecule sensitivity of dSTORM enables the measurement of endogenous BDNF and locates BDNF granules aligned with glutamatergic pre-synapses. This data proofs that hippocampal neurons are capable of enriching BDNF within the mature glutamatergic pre-synapse, possibly influencing synaptic plasticity.
The distribution of the metabotropic glutamate receptor mGlu4 is investigated in physiological brain slices enabling the analysis of the receptor in its natural environment. With dual-colour dSTORM, the spatial arrangement of the mGlu4 receptor in the pre-synaptic sites of parallel fibres in the molecular layer of the mouse cerebellum is visualized, as well as a four to six-fold increase in the density of the receptor in the active zone compared to the nearby environment. Prior functional measurements show that metabotropic glutamate receptors influence voltage-gated calcium channels and proteins that are involved in synaptic vesicle priming. Corresponding dSTORM data indeed suggests that a subset of the mGlu4 receptor is correlated with the voltage-gated calcium channel Cav2.1 on distances around 60 nm.
These results are based on the improvement of the direct analysis of localisation data. Tools like coordinated based correlation analysis and nearest neighbour analysis of clusters centroids are used complementary to map protein connections of the synapse. Limits and possible improvements of these tools are discussed to foster the quantitative analysis of single molecule localisation microscopy data.
Performing super-resolution microscopy on complex samples like brain slices benefits from a maximised field of view in combination with the visualisation of more than two targets to set the protein of interest in a cellular context. This challenge served as a motivation to establish a workflow for correlated structured illumination microscopy (SIM) and dSTORM. The development of the visualisation software coSIdSTORM promotes the combination of these powerful super-resolution techniques even on separated setups. As an example, synapses in the cerebellum that are affiliated to the parallel fibres and the dendrites of the Purkinje cells are identified by SIM and the protein bassoon of those pre-synapses is visualised threedimensionally with nanoscopic precision by dSTORM.
In this work I placed emphasis on the improvement of multi-colour super-resolution imaging and its analysing tools to enable the investigation of synaptic proteins. The unravelling of the structural arrangement of investigated proteins supports the building of a synapse model and therefore helps to understand the relation between structure and function in neural transmission processes.
N2  - Das Zusammenspiel von synaptischen Proteinen organisiert präzise die Funktion eines der komplexesten Organe, dem Gehirn. Die Vielfalt der molekularen Bestandteile, die diese neurologischen Beziehungen beeinflussen, verkomplizieren den Bildgebungsprozess, da die konventionellen Fluoreszenzmikroskopiemethoden Strukturen, die kleiner sind als das Beugungslimit, nicht auflösen können.
Die Implementierung der hochauflösenden Fluoreszenzmikroskopie in das Gebiet der Neurowissenschaften ermöglicht die Visualisierung feiner Details neurologischer Verbindungen. Die hochauflösende Mikroskopietechnik dSTORM (direct Stochastic Optical Reconstruction Microscopy) und dessen Optimierung als Mehrfarbenanwendung sind Schlüsselelemente meiner Doktorarbeit. Mit der Möglichkeit mehr als ein Protein zu messen, ist es mein Ziel die Verteilung synaptischer Proteine mit nanometer Genauigkeit zu entschlüsseln und diese in ein strukturelles und quantitativ Verhältnis zueinander zu setzen.
Aus diesem Grund wurden dSTORM spezifische Protokolle den Besonderheiten der jeweiligen neuronalen Proben angepasst und optimiert.
In einem Projekt wird der neurotrophe Faktor BDNF (brain derived neurotrophic factor) in primären hippocampalen Neuronen untersucht. Mit einer Auflösungspräzision von unter 15 nm kann durch eine Färbung der Proteine Bassoon und Homer in der aktiven Zone die prä- und postsynaptische
Seite identifiziert werden. Daraus resultierend können Kennzeichen für vollentwickelte Synapsen erfasst werden. Die Einzelmolekülsensitivität von dSTORM ermöglicht erstmalig die Messung von endogenem BDNF und zeigt, dass die BDNF Gruppierungen entlang von glutamatergen Präsynapsen verteilt sind. Diese Daten beweisen, dass hippocampale Neuronen die Möglichkeit haben, BDNF in der vollausgebildeten glutamatergen Präsynapse anzureichern und somit möglicherweise synaptische Plastizität beeinflussen.
Die Verteilung des metabotropen Glutamatrezeptors mGlu4 wird in physiologischen Gehirnschnitten untersucht. Das ermöglicht den Rezeptor in seiner natürlichen Umgebung zu analysieren. Mit Zweifarben-dSTORM Messungen wird das räumliche Arrangement der mGlu4 Rezeptoren in der Präsynapse der parallelen Fasern der molekularen Schicht des Mauskleinhirns visualisiert und eine vier- bis sechsfache erhöhte Dichte des Rezeptors in der aktiven Zone, verglichen mit dem näheren Umfeld, aufgezeigt. Vorausgegangende funktionale Messungen zeigen, dass metabotrope Glutamatrezeptoren spannungsgesteuerte Calciumkanäle und Proteine, die in synaptische Vesikelgrundierung involviert sind, beeinflussen.
Entsprechende dSTORM Daten deuten darauf hin, dass ein Teil der mGlu4 Rezeptoren mit dem spannungsgesteuerten Calciumkanal Cav2.1 auf einer Distanz von circa 60 nm korreliert ist.
Diese Ergebnisse basieren auf der Verbesserung der direkten Analyse der Lokalisationsdatensätze. Werkzeuge, wie die Koordinaten basierte Korrelationsanalyse und die Nächste Nachbaranalyse von Clusterschwerpunkten werden sich ergänzend benutzt, um ein umfassendes Bild von Proteinverbindungen in der Synapse zu erzeugen. Die Grenzen und die Verbesserungsmöglichkeiten dieser Werkzeuge werden diskutiert, um die quantitative Analyse von Einzelmoleküldatensätzen voranzubringen.
Die Durchführung von hochauflösender Mikroskopie an komplexen Proben, wie Gehirnschnitten, wird begünstigt durch die Maximierung der Aufnahmefläche in Kombination mit der Möglichkeit mehr als zwei Zielstrukturen zu visualisieren, um somit das Protein von primären Interesse
in einen zellulären Zusammenhang zu setzen. Diese Herausforderung hat als Motivation gedient, ein Messprotokoll für korrelierte Strukturierte Beleuchtungsmikroskopie (SIM) und dSTORM zu etablieren. Die Entwicklung der Visualisierungssoftware coSIdSTORM erleichtert die Kombination dieser beiden leistungsstarken, hochauflösenden Techniken, sogar wenn diese auf getrennten Mikroskopieaufbauten umgesetzt werden.
Als ein Beispiel werden Synapsen, die zwischen den parallelen Fasern in der molekularen Schicht des Cerebellums und den Purkinje-Zellen ausgebildet werden, mit SIM identifiziert und das Protein Bassoon in diesen Präsynapsen wird mit einer nanometergenauen Präzision drei-dimensional mit dSTORM Messungen visualisiert.
In meiner Arbeit habe ich den Fokus auf die Weiterentwickelung von hochauflösender Mehrfarbenmikroskopie und die damit verbundenen analytischen Werkzeuge gelegt, sodass die Untersuchung von synaptischen Proteinen ermöglicht wird. Die Herausarbeitung des strukturellen Arrangements der untersuchten synaptischen Proteine unterstützt den Aufbau eines Models der Synapse und erweitert somit das Verständnis des Zusammenhangs von Struktur und Funktion in neuronalen Übertragungsvorgängen.
KW  - Hochauflösende Mikroskopie
KW  - correlative methods
KW  - Fluoreszenzmikroskopie
KW  - Synaptische Proteine
KW  - Korrelative Mikroskopie
KW  - dSTORM
KW  - SIM
KW  - fluorescence
KW  - super-resolution microscopy
KW  - localization microscopy
KW  - two-color microscopy
KW  - synapse
KW  - synaptic proteins
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-151976
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bartossek, Thomas
T1  - Structural and functional analysis of the trypanosomal variant surface glycoprotein using x-ray scattering techniques and fluorescence microscopy
T1  - Strukturelle und funktionale Analyse des variablen Oberflächenproteins von Trypanosoma brucei mithilfe vön Röntgenstreutechniken und Fluoreszenzmikroskopie
N2  - Trypanosoma brucei is an obligate parasite and causative agent of severe diseases affecting humans and livestock. The protist lives extracellularly in the bloodstream of the mammalian host, where it is prone to attacks by the host immune system. As a sophisticated means of defence against the immune response, the parasite’s surface is coated in a dense layer of the variant surface glycoprotein (VSG), that reduces identification of invariant epitopes on the cell surface by the immune system to levels that prevent host immunity. The VSG has to form a coat that is both dense and mobile, to shield invariant surface proteins from detection and to allow quick recycling of the protective coat during immune evasion. This coat effectively protects the parasite from the harsh environment that is the mammalian bloodstream and leads to a persistent parasitemia if the infection remains untreated. The available treatment against African Trypanosomiasis involves the use of drugs that are themselves severely toxic and that can lead to the death of the patient. Most of the drugs used as treatment were developed in the early-to-mid 20th century, and while developments continue, they still represent the best medical means to fight the parasite. The discovery of a fluorescent VSG gave rise to speculations about a potential interaction between the VSG coat and components of the surrounding medium, that could also lead to a new approach in the treatment of African Trypanosomiasis that involves the VSG coat. The initially observed fluorescence signal was specific for a combination of a VSG called VSG’Y’ and the triphenylmethane (TPM) dye phenol red. Exchanging this TPM to a bromo-derivative led to the observation of another fluorescence effect termed trypanicidal effect which killed the parasite independent of the expressed VSG and suggests a structurally conserved feature between VSGs that could function as a specific drug target against T. b. brucei. The work of this thesis aims to identify the mechanisms that govern the unique VSG’Y’ fluorescence and the trypanocidal effect. Fluorescence experiments and protein mutagenesis of VSG’Y’ as well as crystallographic trials with a range of different VSGs were utilized in the endeavour to identify the binding mechanisms between TPM compounds and VSGs, to find potentially conserved structural features between VSGs and to identify the working mechanisms of VSG fluorescence and the trypanocidal effect. These trials have the potential to lead to the formulation of highly specific drugs that
target the parasites VSG coat.
During the crystallographic trials of this thesis, the complete structure of a VSG was solved experimentally for the first time. This complete structure is a key component in furthering the understanding of the mechanisms governing VSG coat formation. X-ray scattering techniques, involving x-ray crystallography and small angle x-ray scattering were applied to elucidate the first complete VSG structures, which reveal high flexibility of the protein and supplies insight into the importance of this flexibility in the formation of a densely packed but highly mobile surface coat.
N2  - Trypanosoma brucei ist ein eukaryotischer Parasit welcher bei Menschen und Nutztieren schwere Krankheiten auslöst. Der Protist lebt extrazellulär im Blutstrom seines Säugetier-Wirtes, in welchem er unter konstantem Angriff durch das Wirts-Immunsystem steht. Als ausgeklügelte Methode zur Umgehung der Immunantwort besitzt der Parasit einen dichten Oberflächenmantel des variablen Oberflächen-Glycoproteins (VSG), welcher die Identifikation invariabler Oberflächenproteine durch das Immunsystem erschwert und Wirts-Immunität gegen den Parasiten verhindert. Der gebildete VSG-Mantel muss gleichzeitig eine hohe Dichte besitzt, um invariable Oberflächenproteine vor Immundetektion zu beschützen, und eine hohe Mobilität aufweisen, um ein schnelles Recycling des
Schutzmantels während Immunantworten zu gewährleisten. Dieser Mantel schützt den Parasiten effektiv vor dem Wirts-Immunsystem und führt bei fehlender Behandlung des Patienten zur persistenten Parasitemie durch Trypanosoma brucei. Die verfügbaren Behandlung gegen die Afrikanische Trypanosomiasis beinhaltet die Benutzung von Medikamenten welche ihrerseits z.T. stark toxisch sind und den Tod des Patienten verursachen können. Ein Großteil der verfügbaren Medikamente wurden zu Beginn des letzten Jahrhunderts entwickelt und stellen trotz anhaltenden Entwicklungen noch immer die beste Lösung im Kampf gegen den Parasiten dar. 
Die Entdeckung eines fluoreszierenden VSGs deutete auf eine Interaktionen zwischen dem VSG Mantel und Bestandteilen des umgebenden Medium hin, welche die Entwicklung von Medikamenten mit dem VSG
Mantel als Drug Target ermöglichen könnte. Das ursprünglich beobachtete Fluoreszenz-Signal war spezifisch für eine Kombination eines VSG namens VSG’Y’ und dem Triphenylmethan (TPM) Phenolrot. Der Austausch von Phenolrot gegen ein Brom-Derivat führte zur Beobachtung eines weiteren Fluoreszenz-Effekts, welcher unabhängig vom exprimierten VSG auftritt und letal für den Parasiten ist. Dieser so genannten Trypanozide Effekt lässt auf konservierte Strukturen schließen, welche von allen VSGs geteilt werden und als hochspezifisches Drug Target gegen T. b. brucei fungieren könnten. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Mechanismen zu identifizieren, welche die einzigartige VSG’Y’-Fluoreszenz und den Trypanoziden Effekt auslösen. Fluoreszenz-Experimente
und Protein-Mutagenese von VSG’Y’, sowie röntgenkristallographische Analysen mit mehreren unterschiedlichen VSGs wurden in dem Bestreben durchgeführt, die Bindung zwischen VSGs und TPMs zu charakterisieren, potentiell konservierte Strukturen von VSGs zu finden und die Mechanismen der einzigartigen VSG’Y’-Fluoreszenz und des Trypanoziden Effekts zu identifizieren. Diese Arbeiten haben das Potenzial die Formulierung hochspezifischer Medikamente mit VSGs als Drug Target anzutreiben.
Im Rahmen der kristallographischen Analysen wurden die ersten vollständigen VSG Strukturen ermittelt, welche eine hohe Bedeutung für das Verständnis über die Bildung des VSG-Mantels haben. Die VSG Strukturen wurden u.a. per Röntgenkristallographie und Kleinwinkel-Röntgenstreuung aufgeschlüsselt und zeigten dass VSGs ein hohes Maß an Flexibilität besitzen. Diese Flexibilität ist wichtig für die Bildung eines dichten und hochmobilen VSG-Mantels.
KW  - Trypanosoma brucei brucei
KW  - Röntgenstrukturanalyse
KW  - Röntgen-Kleinwinkelstreuung
KW  - Mutagenese
KW  - Fluoreszenzmikroskopie
KW  - Variables Oberflächen Glycoprotein
KW  - VSG
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-144775
ER  - 
TY  - THES
A1  - Ankenbrand, Markus Johannes
T1  - Squeezing more information out of biological data - development and application of bioinformatic tools for ecology, evolution and genomics
T1  - Mehr aus biologischen Daten herausholen - Entwicklung und Anwendung bioinformatischer Programme für Ökologie, Evolution und Genomik
N2  - New experimental methods have drastically accelerated the pace and quantity at which biological data is generated. High-throughput DNA sequencing is one of the pivotal new technologies. It offers a number of novel applications in various fields of biology, including ecology, evolution, and genomics. However, together with those opportunities many new challenges arise. Specialized algorithms and software are required to cope with the amount of data, often requiring substantial training in bioinformatic methods. Another way to make those data accessible to non-bioinformaticians is the development of programs with intuitive user interfaces.

In my thesis I developed analyses and programs to tackle current problems with high-throughput data in biology. In the field of ecology this covers the establishment of the bioinformatic workflow for pollen DNA meta-barcoding. Furthermore, I developed an application that facilitates the analysis of ecological communities in the context of their traits. Information from multiple public databases have been aggregated and can now be mapped automatically to existing community tables for interactive inspection. In evolution the new data are used to reconstruct phylogenetic trees from multiple genes. I developed the tool bcgTree to automate this process for bacteria. Many plant genomes have been sequenced in current years. Sequencing reads of those projects also contain data from the chloroplasts. The tool chloroExtractor supports the targeted extraction and analysis of the chloroplast genome. To compare the structure of multiple genomes specialized software is required for calculation and visualization of the relationships. I developed AliTV to address this. In contrast to existing programs for this task it allows interactive adjustments of produced graphics. Thus, facilitating the discovery of biologically relevant information. Another application I developed helps to analyze transcriptomes even if no reference genome is present. This is achieved by aggregating the different pieces of information, like functional annotation and expression level, for each transcript in a web platform. Scientists can then search, filter, subset, and visualize the transcriptome.

Together the methods and tools expedite insights into biological systems that were not possible before.
N2  - Neue experimentelle Methoden haben die Geschwindigkeit und Masse, in der biologische Daten generiert werden, in den letzten Jahren enorm gesteigert. Eine zentrale neue Technologie ist die Hochdurchsatzsequenzierung von DNA. Diese Technik eröffnet eine ganze Reihe Anwendungsmöglichkeiten in vielen Bereichen der Biologie, einschließlich der Ökologie, Evolution und Genomik. Neben den neuen Möglichkeiten treten jedoch auch neue Herausforderungen auf. So bedarf es spezialisierter Algorithmen und Computerprogramme, um mit der Masse an Daten umgehen zu können. Diese erfordern in der Regel ein fundiertes Training in bioinformatischen Methoden. Ein Weg, die Daten auch Wissenschaftlern ohne diesen Hintergrund zugänglich zu machen ist die Entwicklung von Programmen, die sich intuitiv bedienen lassen.

In meiner Doktorarbeit habe ich Analysen und Programme entwickelt, um einige aktuelle Probleme mit Hochdurchsatzdaten in der Biologie zu lösen. Im Bereich der Ökologie umfasst das die Etablierung der bioinformatischen Methode, um Pollen DNA Metabarcoding durchzuführen. Darüberhinaus habe ich eine Anwendung entwickelt, die es ermöglicht Artgemeinschaften im Kontext ihrer Eigenschaften zu erforschen. Dazu wurden Informationen aus diversen öffentlichen Datenbanken zusammen getragen. Diese können nun automatisch auf bestehende Projekte übertragen und interaktiv analysiert werden. Im Bereich der Evolution ermöglichen die neuen Daten phylogenetische Berechnungen mit multiplen Genen durchzuführen. Um dies für Bakterien zu automatisieren habe ich das Programm bcgTree entwickelt. In den letzten Jahren wurden viele pflanzliche Genome sequenziert. Die Sequenzdaten des pflanzlichen Genoms enthalten auch die des Chloroplasten. Das Programm chloroExtractor unterstützt die gezielte Analyse des Chloroplasten Genoms. Um jedoch die Struktur mehrerer Genome miteinander vergleichen zu können, wird spezielle Software benötigt, die den Vergleich berechnen und visuell darstellen kann. Daher habe ich das Programm AliTV entwickelt. Im Gegensatz zu bestehenden Programmen erlaubt AliTV interaktive Anpassungen der erzeugten Grafik. Das erleichtert es die relevanten Informationen zu finden.
Ein weiteres von mir entwickeltes Programm hilft dabei Transkriptom Daten zu analysieren, auch wenn kein Referenzgenom vorliegt. Dazu werden Informationen zu jedem Transkript, z.B. Funktion und Expressionslevel, in einer Webanwendung aggregiert. Forscher können diese durchsuchen, filtern und graphisch darstellen.

Zusammen eröffnen die entwickelten Methoden und Programme die Möglichkeit, Erkenntnisse über biologische Systeme zu erlangen, die bislang nicht möglich waren.
KW  - bioinformatics
KW  - research software
KW  - ecology
KW  - evolution
KW  - genomics
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-156344
ER  - 
TY  - THES
A1  - Glogger, Marius
T1  - Single-molecule fluorescence microscopy in live \(Trypanosoma\) \(brucei\) and model membranes
T1  - Einzelmolekül-Fluoreszenzmikroskopie in lebenden \(Trypanosoma\) \(brucei\) und Modellmembranen
N2  - Der eukaryotische Parasit Trypanosoma brucei hat komplexe Strategien entwickelt um der
Immunantwort eines Wirtes zu entkommen und eine persistente Infektion innerhalb dessen
aufrechtzuerhalten. Ein zentrales Element seiner Verteidigungsstrategie stützt sich auf die
Schutzfunktion seines Proteinmantels auf der Zelloberfläche. Dieser Mantel besteht aus
einer dichten Schicht aus identischen, Glykosylphosphatidylinositol (GPI)-verankerten
variablen Oberflächenglykoproteinen (VSG). Der VSG Mantel verhindert die Erkennung
der darunterliegenden, invarianten Epitope durch das Immunsystem. Obwohl es notwendig
ist die Funktionsweise des VSG Mantels zu verstehen, vor allem um ihn als mögliches Angriffsziel
gegen den Parasiten zu verwenden, sind seine biophysikalischen Eigenschaften
bisher nur unzureichend verstanden. Dies ist vor allem der Tatsache geschuldet, dass die
hohe Motilität der Parasiten mikroskopische Studien in lebenden Zellen bisher weitestgehend
verhinderten.
In der vorliegenden Arbeit wird nun hochmoderne Einzelmolekül-Fluoreszenzmikroskopie
(EMFM) als Möglichkeit für mikroskopische Untersuchungen im Forschungsbereich der
Trypanosomen vorgestellt. Die Arbeit umfasst Untersuchungen der VSG Dynamik unter
definierten Bedingungen künstlicher Membransysteme. Es wurde zuerst der Einfluss der
lateralen Proteindichte auf die VSG Diffusion untersucht. Experimente mittels Fluoreszenz-
Wiederkehr nach irreversiblem Photobleichen und komplementäre Einzelmolekül-
Verfolgungs Experimente offenbarten, dass ein molekularer Diffusionsschwellenwert
existiert. Über diesem Schwellenwert wurde eine dichteabhänige Reduzierung des
Diffusionskoeffizienten gemessen. Eine relative Quantifizierung der rekonstituierten VSGs
verdeutlichte, dass der Oberflächenmantel der Trypanosomen sehr nahe an diesem
Schwellenwert agiert. Der VSG Mantel ist optimiert um eine hohe Proteindichte bei gleichzeitiger
hoher Mobilität der VSGs zu gewährleisten. Des Weiteren wurde der Einfluss
der VSG N-Glykosylierung auf die Diffusion des Proteins quantitativ untersucht. Die
Messungen ergaben, dass die N-Glykosylierung dazu beiträgt eine hohe Mobilität bei
hohen Proteindichten aufrechtzuerhalten. Eine detaillierte Analyse von VSG Trajektorien
offenbarte, dass zwei unterschiedliche Populationen frei diffundierender VSGs in der
künstlichen Membran vorlagen. Kürzlich wurde entdeckt, dass VSGs zwei strukturell unterschiedliche Konformationen annehmen können. Die Messungen in der Arbeit stimmen
mit diesen Beschreibungen überein.
Die Ergebnisse der EMFM in künstlichen Membranen wurden durch VSG Einzelmolekül-
Verfolgungs Experimente auf lebenden Zellen ergänzt. Es wurde eine hohe Mobilität
und Dynamik einzelner VSGs gemessen, was die allgemein dynamische Natur des VSG
Mantels verdeutlicht. Dies führte zu der Schlussfolgerung, dass der VSG Mantel auf
lebenden Trypanosomen ein dichter und dennoch dynamischer Schutzmantel ist. Die
Fähigkeit der VSGs ihre Konformation flexibel anzupassen, unterstützt das Erhalten der Fluidität bei variablen Dichten. Diese Eigenschaften des VSG Mantels sind elementar für
die Aufrechterhaltung einer presistenden Infektion eines Wirtes.
In dieser Arbeit werden des Weiteren verschiedene, auf Hydrogel basierende Einbettungsmethoden
vorgestellt. Diese ermöglichten die Zellimmobilisierung und erlaubten
EMFM in lebenden Trypanosomen. Die Hydrogele wiesen eine hohe Zytokompatibilität
auf. Die Zellen überlebten in den Gelen für eine Stunde nach Beginn der Immobilisierung.
Die Hydrogele erfüllten die Anforderungen der Superresolution Mikroskopie (SRM) da
sie eine geringe Autofluoreszenz im Spektralbereich der verwendeten Fluorophore besaßen.
Mittels SRM konnte nachgewiesen werden, dass die Hydrogele die Zellen effizient
immobilisierten. Als erstes Anwendungsbeispiel der Methode wurde die Organisation
der Plasmamembran in lebenden Trypanosomen untersucht. Die Untersuchung eines
fluoreszenten Tracers in der inneren Membranschicht ergab, dass dessen Verteilung nicht
homogen war. Es wurden spezifische Membrandomänen gefunden, in denen das Molekül
entweder vermehrt oder vermindert auftrat. Dies führte zu der Schlussfolgerung, dass diese
Verteilung durch eine Interaktion des Tracers mit Proteinen des zellulären Zytoskeletts
zustande kam.
Die in dieser Arbeit präsentierten Ergebnisse zeigen, dass EMFM erfolgreich für verschiedene
biologische Untersuchungen im Forschungsfeld der Trypanosomen angewendet
werden kann. Dies gilt zum Beispiel für die Untersuchung von der VSG Dynamik in künstlichen
Membransystemen, aber auch für Studien in lebenden Zellen unter Verwendung
der auf Hydrogelen basierenden Zelleinbettung.
N2  - The eukaryotic parasite Trypanosoma brucei has evolved sophisticated strategies to escape
the host immune response and maintain a persistent infection inside a host. One central
feature of the parasite’s defense mechanism relies on the shielding function of their surface
protein coat. This coat is composed of a dense arrangement of one type of glycosylphosphatidylinositol
(GPI)-anchored variant surface glycoproteins (VSGs) which impair the
identification of epitopes of invariant surface proteins by the immune system. In addition
to the importance of understanding the function of the VSG coat and use it as a potential
target to efficiently fight the parasite, it is also crucial to study its biophysical properties as it is not yet understood sufficiently. This is due to the fact that microscopic investigations
on living trypanosomes are limited to a great extent by the intrinsic motility of the parasite.
In the present study, state-of-the-art single-molecule fluorescence microscopy (SMFM)
is introduced as a tool for biophysical investigations in the field of trypanosome research.
The work encompasses studies of VSG dynamics under the defined conditions of an
artificial supported lipid bilayer (SLB). First, the impact of the lateral protein density on
VSG diffusion was systematically studied in SLBs. Ensemble fluorescence after photobleaching
(FRAP) and complementary single-particle tracking experiments revealed that a
molecular crowding threshold (MCT) exists, above which a density dependent decrease
of the diffusion coefficient is measured. A relative quantification of reconstituted VSGs
illustrated that the VSG coat of living trypanosomes operates very close to its MCT and
is optimized for high density while maintaining fluidity. Second, the impact of VSG
N-glycosylation on VSG diffusion was quantitatively investigated. N-glycosylation was
shown to contribute to preserving protein mobility at high protein concentrations. Third,
a detailed analysis of VSG trajectories revealed that two distinct populations of freely
diffusing VSGs were present in a SLB, which is in agreement with the recent finding, that
VSGs are able to adopt two main structurally distinct conformations. The results from
SLBs were further complemented by single-particle tracking experiments of surface VSGs
on living trypanosomes. A high mobility and free diffusion were measured on the cell
surface, illustrating the overall dynamic nature of the VSG coat. It was concluded that
the VSG coat on living trypanosomes is a protective structure that combines density and
mobility, which is supported by the conformational flexibility of VSGs. These features are
elementary for the persistence of a stable infection in the host.
Different hydrogel embedding methods are presented, that facilitated SMFM in immobilized,
living trypanosomes. The hydrogels were found to be highly cytocompatible for one
hour after cross-linking. They exhibited low autofluorescence properties in the spectral
range of the investigations, making them suitable for super-resolution microscopy (SRM).
Exemplary SRM on living trypanosomes illustrated that the hydrogels efficiently immobilized
the cells on the nanometer lever. Furthermore, the plasma membrane organization was studied in living trypanosomes. A statistical analysis of a tracer molecule inside the
inner leaflet of the plasma membrane revealed that specific membrane domains exist, in
which the tracer appeared accumulated or diluted. It was suggested that this distribution
was caused by the interaction with proteins of the underlying cytoskeleton.
In conclusion, SMFM has been successfully introduced as a tool in the field of trypanosome
research. Measurements in model membranes facilitated systematic studies of VSG dynamics
on the single-molecule level. The implementation of hydrogel immobilization
allowed for the study of static structures and dynamic processes with high spatial and
temporal resolution in living, embedded trypanosomes for the first time.
KW  - Single-molecule fluorescence microscopy
KW  - Trypanosoma brucei
KW  - Variant surface glycoprotein
KW  - Trypanosoma brucei
KW  - Virulenzfaktor
KW  - Zelloberfläche
KW  - Glykoproteine
KW  - Fluoreszenzmikroskopie
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-169222
ER  -