TY - THES A1 - Münch, Miriam T1 - Funktionelle Untersuchungen zur Oxylipin-abhängigen Regulation von Hitzeschockproteinen in \(Arabidopsis\) \(thaliana\) T1 - Functional Significance of Oxylipin-induced Heat Shock Protein Accumulation in \(Arabidopsis\) \(thaliana\) N2 - Oxylipine sind Signalmoleküle, die durch enzymatische Oxidation oder durch Autoxidation von mehrfach ungesättigten Fettsäuren entstehen. Sie akkumulieren während einer Vielzahl von biotischen und abiotischen Stressen und spielen eine bedeutende Rolle bei der Abwehr verschiedener Stressoren. In vielen physiologischen Entwicklungsprozessen sind Oxylipine ebenfalls wichtig. Eine bisher wenig erforschte Untergruppe dieser Oxylipine bilden reaktive elektrophile Spezies, die sog. RES-Oxylipine. Hierzu gehören unter anderem der Jasmonsäure-Vorläufer 12 Oxophytodiensäure (OPDA), aber auch (E)-2-Hexenal oder Phytoprostan A1 (PPA1). Diese Substanzen sind aufgrund einer α,β ungesättigten Carbonylgruppe elektrophil und damit chemisch reaktiv. Diese Reaktivität wird als Grund für ihre biologische Aktivität angesehen: RES-Oxylipine sind Induktoren einer Reihe von Genen. Allerdings ist bisher wenig über den Signalweg sowie die Funktionen der RES-Oxylipine in Arabidopsis thaliana bekannt. Fast die Hälfte (40 %) aller durch OPDA-induzierten Gene in A. thaliana sind abhängig von TGA-Transkriptionsfaktoren, jedoch werden OPDA-responsive Hitzeschockgene (z.B. Hitzeschockproteine) unabhängig von TGA-Transkriptionsfaktoren induziert. Außerdem gibt es Hinweise auf eine Akkumulation des RES-Oxylipins OPDA, aber auch des non-RES-Oxylipins Jasmonsäure (JA) durch eine Behandlung mit 38° C in A. thaliana. Eine exogene Applikation von JA bewirkt jedoch, im Gegensatz zu OPDA, keine Genexpression von Hitzeschockgenen in Arabidopsis. Ziel dieser Arbeit war es, die Funktion der RES-Oxylipine OPDA und Prostaglandin A1 (PGA1, ein Analogon zu PPA1) während der Hitzeschockantwort in Arabidopsis thaliana, sowie die TGA-unabhängige Signaltransduktion der Hitzeschockgene, aufzuklären. Durch einen Vergleich zweier bereits veröffentlichter Transkriptomdaten in silico konnte die Überschneidung des Hitze-induzierten- (1 h, 37 °C) und des OPDA-induzierten-Transkriptoms (4 h, 75 µM) genau analysiert werden. Es werden 30 Gene sowohl von OPDA als auch durch 37 °C mehr als dreifach hochreguliert. Dieses Ergebnis konnte durch realtime qPCR vier repräsentativer Gene (HSP101, HSP26.5, DREB2A, HSFA2) bestätigt werden. Allerdings zeigten sich deutliche Unterschiede in der Stärke und Kinetik der Induktion: Hitze (37 °C) hat einen sehr viel stärkeren Einfluss auf die Hochregulation der Genexpression als die getesteten RES-Oxylipine OPDA und PGA1 (unter 10 % der Induktion durch 37 °C, Ausnahme DREB2A). Zudem resultiert eine Hitzebehandlung in einer schnellen und transienten Genexpression, das Maximum ist nach 1 bis 2 h erreicht während die Addition von RES-Oxylipinen eine langsamere Induktion der Genexpression bewirkt (Maximum nach 4 bis 6 h). Eine Genexpressionsanalyse mit verschiedenen Signaltransduktionsmutanten half bei der Aufklärung möglicher Signaltransduktionskomponenten der RES-Oxylipine. So konnte gezeigt werden, dass der putative OPDA-Rezeptor Cyclophilin 20-3 sowie sein Interaktionspartner, das Protein Serin-Acetyltransferase 1, keine Bedeutung in der Regulation von Hitzeschockgenen durch RES-Oxylipine haben. Die Hitze-Masterregulatoren HSFA1 a,b,d (und e) jedoch sind für die Induktion der Hitzeschockgene HSP101, HSP26.5 und HSFA2 durch RES-Oxylipine essentiell und für DREB2A zumindest teilweise notwendig. Dennoch spielt der durch Hitze induzierbare Transkriptionsfaktor HSFA2 in der Signaltransduktion von RES-Oxylipinen (bezüglich der Hitzeschockgeninduktion) keine Rolle. Durch ein Screening strukturell verschiedener RES hinsichtlich ihrer Induktion von HSP101 konnte geklärt werden, dass nicht die Anwesenheit einer α,β ungesättigten Carbonylgruppe, sondern vielmehr die Eigenschaft der Elektrophilie für die Induktion des HSP101 verantwortlich ist. Auch das RES Sulforaphan vermittelt, wie die RES-Oxylipine OPDA und PGA1, die Induktion der Hitzeschockgene über die HSFA1-Transkritionsfaktoren. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit lag in der Quantifizierung der endogenen Oxylipine in zehn Tage alten Arabidopsis-Keimligen nach einer Hitzebehandlung unter Kurztag-Lichtbedingungen. Weder während eines kurzzeitigen Hitzestresses (bis zu 8 h) noch während einer längerfristigen Hitzebehandlung (bis zu 7 Tage) steigt der Gehalt des RES Oxylipins OPDA signifikant an. Das non-RES-Oxylipin Jasmonsäure hingegen akkumuliert transient (Maximum 2 h nach Beginn eines Hitzestresses) und signifikant, allerdings ist dieser Anstieg in seiner Stärke (13fach) nicht vergleichbar mit einer Akkumulation beispielsweise nach Verwundung (hier ist ein 1000facher Anstieg möglich). In weiteren Experimenten wurde eine mögliche Korrelation der endogenen Oxylipin-Akkumulation (verursacht durch Verwundung oder osmotischen Stress) mit der Genexpression von Hitzeschockgenen untersucht. … N2 - Oxylipins are important signalling molecules, which are typically produced during a variety of biotic and abiotic stresses. Oxylipins are generated by oxygenation of polyunsaturated fatty acids. This oxygenation can be catalysed by enzymes or non-enzymatically by ROS. In general, Oxylipins are important in defence processes against various stresses and play an important role in plant development. A subgroup of Oxylipins are reactive electrophile species, termed RES-Oxylipins. For instance, the jasmonic acid precursor 12-oxyphytodienoic acid (OPDA), (E) 2 hexenal or Phytoprostane A1 (PPA1) are RES-Oxylipins. They are characterized by the presence of an α,β unsaturated carbonyl group, which is responsible for their reactivity and biological activity. But until now, little is known about the signalling pathways and the functions of this RES-Oxylipins in Arabidopsis thaliana. Almost half of all (40 %) OPDA-induced genes in A. thaliana are dependent on TGA transcription factors. However, the OPDA-induced heat shock genes are not dependent on TGA transcription factors. Furthermore, it has been published that the RES-Oxylipin OPDA and also the non-RES-Oxylipin jasmonic acid (JA) accumulate during heat (38 °C). Admittedly, the exogenous application of jasmonic acid on Arabidopsis does not lead to the induction of heat shock genes. Aim of this work was to study the in vivo relevance of the RES-Oxylipins OPDA and Prostaglandine A1 (PGA1, an analogue of PPA1) in the heat response of Arabidopsis thaliana. Additionally, the signal transduction components, which are required for induction of heat-responsive genes by RES-Oxylipins, should also be clarified. When comparing heat- and ODA-induced transcriptome data in silico (1 h, 37 °C vs. 4 h, 75 µM OPDA), 30 genes were found to be strongly (more than 3fold) upregulated by both, moderate heat and OPDA. Performing real time PCR analysis of four representative genes (HSP101, HSP26.5, DREB2A, HSFA2) confirms this result. However, there is a great difference between the strength and the kinetic of the induction by OPDA or heat, respectively. Moderate heat (37 °C) induces the gene expression much stronger and faster than OPDA or PGA1 (induction by RES-Oxylipins is under 10 % of the induction by heat, except DREB2A). Gene expression analysis with different signal transduction mutants were important to reveal the (TGA-independent) signalling pathway of RES-Oxylipins. The putative OPDA-receptor Cyclophilin 20-3 and its interacting protein, the serin acetyltransferase 1 are not required for the upregulation of heat shock genes by RES-Oxylipins. But the results also clearly indicate that the master regulators of heat shock, HSFA1 a,b,d (and e), are essential for induction of HSP101, HSP26.5 and HSFA2 by RES-Oxylipins and at least partial necessary for the induction of DREB2A. The heat-inducible transcription factor HSFA2 plays no role in the signalling pathway of RES-Oxylipins (inducing heat shock genes). A screening of structural different RES could show, that the electrophilic property itself and not the presence of an α,β unsaturated carbonyl group is important for the induction of HSP101. The RES Sulforaphane induces the heat shock genes via the HSFA1 transcription factors, like the RES-Oxylipins OPDA and PGA1. The quantification of endogenous oxylipins in 10 day old Arabidopsis seedlings during heat (under light) was another part of this work. Seedlings did not accumulate OPDA in the response to heat, neither during a short-term (up to 8 h) nor a long-term (up to 7 days) heat stress. In the case of JA, a transient and significant increase could be detected. In comparison to an accumulation of JA after wounding (a 1000fold increase is possible), the increase (13fold) caused by heat treatment is very weak. A possible correlation between the endogenous Oxylipin accumulation (due to wounding or osmotic stress) and the induction of heat shock genes was analysed. … KW - Schmalwand KW - Hitzeschock-Proteine KW - Oxylipine KW - Arabidopsis thaliana KW - reaktive elektrophile Spezies KW - RES-Oxylipine Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-140299 ER - TY - THES A1 - Ferber, Elena T1 - Transkriptionelle, metabolische und physiologische Anpassung nach Selbstintoxikation mit reaktiven Sekundärstoffen: die Glukosinolat-Bombe in Arabidopsis thaliana T1 - Transcriptional, metabolic and physiological adaptation after self-intoxication with reactive secondary substances: the glucosinolate bomb in Arabidopsis thaliana N2 - In Brassicaceae werden bei einer Gewebszerstörung unreaktive Glukosinolate durch das Enzym Myrosinase hydrolysiert. Es entstehen reaktive Substanzen wie Isothiocyanate (ITCs). Da diese Reaktion sehr schnell erfolgt wird sie auch als Senföl-Glukosid-Bombe bezeichnet. In Arabidopsis thaliana erfolgt nach Verwundung und Pathogeninfektion eine massive Akkumulation des ITCs Sulforaphan (SF), welches eine reaktive elektophile Spezies (RES) darstellt. Zu der Gruppe der RES zählen auch einige Oxylipine mit einer α,β-ungesättigten Carbonylgruppen wie 12-oxo-Phytodiensäure (OPDA) oder Phytoprostan A1 (PPA1). Die Fähigkeit der kovalenten Modifikation von Peptiden und Proteinen gilt als essentiell sowohl für die toxischen als auch die Gen-induzierenden Eigenschaften der RES. Neben ihrer Reaktivität spielt auch die Lipophilie eine Rolle für die Fähigkeit über Membranen zu diffundieren und unspezifisch an Proteine zu binden. Die in der vorliegenden Arbeit durchgeführten Transkriptomanalysen an Arabidopsis-Keimlingen mit sub-toxischen Konzentrationen von SF, Benzylisothiocyanat (BITC) und dem Oxylipin Prostaglandin A1 (PGA1) zeigten, dass strukturell sehr verschiedene RES einen gemeinsamen Satz von 55 Genen induzieren. Unter diesen befanden sich verschiedene Hitzeschock-, Stressassoziierte- und Detoxifizierungsgene. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Aktivierung über eine Muster-spezifische Erkennung der RES erfolgt. Als einen möglichen Mechanismus der RES-vermittelten Geninduktion wird die Regulation durch die Veränderung des zellulären Redox-Potentials als Folge kovalenter Modifikation von GSH durch RES diskutiert. Die Untersuchung der GSH-Gehalte sowie des Redox-Potential nach Behandlung mit sub-toxischen RES-Konzentrationen in Arabidopsis-Keimlingen zeigte jedoch unter den getesteten Bedingungen keine Veränderung. Neben dem Erkennungs- und Signaltransduktionsmechanismus ist auch die biologische Bedeutung von RES für die Vermittlung einer Stresstoleranz noch weitgehend unklar. Durch die Untersuchung der Genexpression in Arabidopsis-Pflanzen nach Verwundung konnte gezeigt werden, dass eine wundinduzierte Akkumulation von SF zur Induktion einiger Gene der Hitzeschockreaktion (HSR) im Wildtyp, jedoch nicht in der myrosinase-defiziten tgg1tgg2-Mutante führte. Auch in der Transkriptomanalyse war nach RES-Gabe ebenfalls eine starke Induktion hitze-responsiver Gene, deren Regulation über den Masterregulator dem Hitzeschock-TF A1 vermittelt wird, zu beobachten. Besonders die Induktion der HSPs, welche als Chaperone fungieren und damit Thiolgruppen von Proteinen vor Modifikation schützen können, haben vermutlich bei chemischer Intoxikation protektive Eigenschaften für die Zellen. Tatsächlich zeigte sich unter den gewählten Bedingungen die hsfa1a,b,d,e-Mutante empfindlicher gegenüber ITCs als der Wildtyp. Die Fähigkeit, eine HSR ausbilden zu können, scheint in Arabidopsis bei chemischer Intoxikation eine bedeutende Rolle zu spielen. Eine Vorbehandlung mit RES wie SF, BITC oder dem HSP90-Inhibitor Radicicol in Arabidopsis-Keimlingen konnte eine Schutzwirkung vor chemischer Intoxikation vermitteln. Dies erfolgte jedoch nicht nach Behandlung mit moderater Hitze (zwei Stunden, 37 °C). Somit scheint die HSR alleine nicht ausreichend für den Aufbau eines effektiven Schutzes vor BITC-Intoxikation zu sein. Als metabolische Antwort von Arabidopsis-Keimlingen auf Intoxikation mit RES konnte eine konzentrationsabhängige Senkung der maximalen Quantenausbeute am Photosystem II (PSII), sowie gleichzeitig eine Akkumulation an TAG-Spezies beobachtet werden. Diese metabolische Reaktion ist in der Literatur bereits als Schutz gegen Hitzestress beschrieben. Die Bedeutung der TAG-Akkumulation nach chemischem ITC-Stress ist noch unklar. N2 - In Brassicaceae, unreactive glucosinolates are hydrolyzed by the enzyme myrosinase during tissue destruction. Reactive substances such as isothiocyanates (ITCs) are formed. Since this reaction takes place very quickly, it is also called mustard oil bomb. In Arabidopsis thaliana, after wounding and pathogen infection, a massive accumulation of the ITC Sulforaphan (SF) occurs, which is a reactive electophilic species (RES). The group of RES also includes some oxylipins with a α,β-unsaturated carbonyl group such as 12-oxo-phytodienoic acid (OPDA) or phytoprotane A1 (PPA1). The ability to covalently modify peptides and proteins is considered essential for the toxic and gene inducing properties of RES. In addition to their reactivity, lipophilia also plays a role in the ability to diffuse across membranes and bind unspecifically to proteins. The transcriptome analyses performed on Arabidopsis-seedlings with sub-toxic concentrations of SF, benzylisothiocyanate (BITC) and oxylipin prostaglandin A1 (PGA1) showed that structurally very different RES induce a common set of 55 genes. Among the induced genes were several heat shock, stress associated and detoxification genes. These observations suggest that activation is via pattern-specific recognition of RES. As a possible mechanism of RES-mediated gene induction, regulation by alteration of the cellular redox potential as result of covalent modification of GSH by RES is discussed. However, the study of GSH levels and redox potential after treatment with sub-toxic RES concentrations in Arabidopsis-seedlings showed no change under the tested conditions. In addition to the recognition and signal transduction mechanism for RES, the biological significance of RES for the mediation of stress tolerance is still largely unclear. By studying the gene expression of Arabidopsis-plants after wounding, it was shown that wound induced accumulation of SF led to the induction of some genes of heat shock response (HSR) in the wild type, but not in the myrosinase-deficient tgg1tgg2-mutant. Also in transcriptome analysis a strong induction of heat-responsive genes could be observed after RES administration, whose regulation is mediated by the master regulator of the heatshock-TF A1 (HSFA1). In particular, the induction of HSPs, which act as chaperones and can thus protect thiol groups of proteins from modification, presumably have protective properties for the cells during chemical intoxication. In fact, under the conditions tested, the hsfa1a,b,d,e-mutants were more sensitive to ITCs than the wild type. The ability to form HSR seems to play an important role in chemical intoxication in Arabidopsis. Pretreatment with RES such as SF, BITC or the HSP90 inhibitor radicicol in Arabidopsis-seedlings could mediate a protective effect against chemical intoxication. However, this was not done after treatment with moderate heat (two hours, 37 °C). Thus, HSR alone does not seem to be sufficient to provide effective protection against BITC intoxication. As a metabolic response of Arabidopsis-seedlings to intoxication with RES, a concentration-dependent reduction of the maximum quantum yield at the photosystem II (PSII), as well as an accumulation of TAG species could be observed. This metabolic reaction is already described in the literature as protection against heat stress. The significance of TAG accumulation after chemical stress in the form of ITC intoxication is still unclear. KW - Ackerschmalwand KW - Glucosinolate KW - Isothiocyanate KW - reaktive elektrophile Spezies KW - Sulforaphan KW - Schmalwand Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-185116 ER - TY - THES A1 - Fuchs, Benjamin Felix T1 - Effects of timing and herbivory on a grass-endophyte association and its trophic interactions T1 - Auswirkungen von Timing und Herbivorie auf eine Gras-Endophyten Assoziation und ihre trophischen Interaktionen N2 - I.) Plant associated microorganisms can affect the plant`s interaction with herbivores and higher trophic levels. For instance, endophytic fungi infecting aerial plant parts of grass species produce bioactive alkaloids that can negatively affect species from higher trophic levels, indicating a defensive mutualism between the grass and the endophyte. However, beneficial insects can also be negatively affected by the endophyte, which might question the mutualistic effect of endophytic fungi. On the other hand, grass-endophytes are affected by environmental conditions and species interactions. Grazing can increase endophyte frequencies in natural habitats. Furthermore, endophyte mediated effects on herbivores are most pronounced during warm summers following rainy springs. In this study, we investigated whether endophyte derived alkaloids cascade up a food chain (chapter II) and whether their concentrations depend on plant age and season (chapter III). Further we analysed, whether altered herbivore phenology affects the endophytic fungus (chapter IV) and whether endophyte derived alkaloid production is induced by different herbivore species (chapter V). II.) In our first experimental study we analysed whether grass-endophyte derived alkaloids decreased the performance of two ladybird species feeding on aphids exclusively reared on endophyte infected grass (6 weeks young grass). Further, we screened species from three trophic levels (grass, herbivores and aphid predators) for their alkaloid content using two year old infected grass as diet for herbivores. We established an UPLC-MS method to detect and quantify the amount of the endophyte derived alkaloids peramine and lolitrem B extracted from the organic plant and insect material. Performance parameters of ladybirds revealed little differences between ladybirds fed on aphids reared on endophyte infected and non-infected grass, which probably resulted from low alkaloid concentrations in the young (6-weeks old) endophyte infected grass used in this part of the study. Alkaloid quantification of the two year old endophyte infected grass, herbivores and aphid predators revealed similar concentrations between grass and aphids, while aphid predators contained approximately half of that amount which still exceeded the bioactive threshold. We conclude that alkaloids produced by grass-endophytes cascade up the food chain and are responsible for fitness disadvantages of higher trophic levels. III.) In the second study we investigated the impact of plant age and seasonal timing on grass-endophyte growth and alkaloid production. Plants were sown in April of 2013 and sampled monthly over 30 consecutive months. Endophyte growth was quantified with real-time PCR (qPCR) and alkaloid concentrations with UPLC-MS. We showed that alkaloid concentrations and fungal growth followed a seasonal rhythmicity and that alkaloid concentrations increased with plant age. Alkaloid concentrations peak during summer, when also herbivore abundances are high. Consequently, we conclude that plant age and season contribute to the toxicity of endophytes on grass herbivores IV.) In the third study we simulated earlier spring arrival of aphids by enhancing aphid abundance on endophyte infected and endophyte-free grass in spring and analysed responses across three trophic levels. Enhanced aphid abundance in spring caused higher aphid abundances during the study period. Predators stayed unaffected by increased herbivore abundances; however they did level aphid numbers within two weeks after arrival on the plants, independent of aphid abundance. Grass-endophyte showed a time delayed growth, two weeks after aphid abundance peak and after predators already controlled aphid infestations on the plants. We conclude that phenology shifts of herbivorous insects can affect multi-trophic interactions leading to desynchronizations between phenologies of interacting species and mismatches in food-webs. V.) In the fourth study we analysed whether herbivores induce endophyte growth and alkaloid production and whether different types of herbivores induce specific alkaloid production. We applied three different herbivore treatments on endophyte infected grass over 18 weeks. Locust herbivory increased the insect deterring alkaloid peramine and clipping of plants (simulation of grazing livestock) increased the vertebrate toxic alkaloid lolitrem B. Aphid herbivory did not affect endophyte derived alkaloid concentrations. Endophyte responses to herbivory were species specific which indicates a primarily plant protecting role of alkaloid synthesis in endophyte infected plants and a close chemical crosstalk between interacting species. VI.) In summary, we showed that endophyte derived alkaloids affect higher trophic levels and that alkaloid concentrations in the plant depend on prevalent herbivore species, plant age and seasonal timing. Our results indicate a close chemical crosstalk between the host plant and the endophytic fungus which is susceptible to environmental changes altering the endophyte`s alkaloid production in plants. We gained insights into the grass-endophyte symbiosis in ecological contexts and conclude that several factors determine the herbivore toxic potential of endophytic fungi and thereby their plant mutualistic or parasitic character. Future studies should investigate the mechanisms behind the herbivore induced alkaloid concentration increase, shown in this thesis, especially whether plant signals mediate the endophyte response. Furthermore it would be interesting to study the induction of indirect endophyte mediated defence and how it affects multi-trophic level interactions. N2 - I.) Mit Pflanzen assoziierte Mikroorganismen können die Interaktionen von Pflanzen mit Herbivoren und höheren trophischen Ebenen beeinflussen. Endophytische Pilze, die oberirdische Pflanzenteile von Gräsern infizieren, produzieren bioaktive Alkaloide, die negative Effekte auf pflanzenfressende Organismen haben können. Blattlaus parasitierende und räuberische Insekten hatten ebenso Fitnessnachteile, wenn sie mit Blattläusen gefüttert wurden, die auf Epichloë festucae var. lolii infiziertem Lolium perenne gezüchtet wurden. Umwelteinflüsse und Interaktionen zu anderen Arten beeinträchtigen das Wachstum und die Alkaloid Produktion von Endophyten. Die Häufigkeit von Endophyten in natürlichen Habitaten können von Herbivorie beeinflusst werden. Weiterhin sind Endophyten verursachte Effekte auf Pflanzenfresser am häufigsten in warmen Sommermonaten nach regenreichen Frühlingsmonaten. In dieser Studie analysieren wir, ob Endophyten produzierte Alkaloide in einer Nahrungskette aufsteigen und in höheren trophischen Ebenen gefunden werden (Kapitel II) und ob ihre Konzentrationen von Pflanzenalter und Saison abhängig sind (Kapitel III). Weiterhin analysieren wir, ob veränderte Phänologie von herbivoren Insekten den endophytischen Pilz beeinflussen (Kapitel IV) und ob Alkaloid Produktion von verschiedenen Pflanzenfressern induziert wird (Kapitel V). II.) In der ersten Studie analysierten wir, ob Alkaloide, die von Gras Endophyten produziert werden, die Fitness von zwei Marienkäfer Arten verringern, wenn sie mit Blattläusen gefüttert werden, die ausschließlich auf Endophyten infiziertem Gras (6 Wochen alt) gezüchtet wurden. Weiterhin analysierten wir Arten aus drei trophischen Ebenen (Gras, Herbivore, Blattlaus Prädatoren) auf ihren Alkaloid Gehalt mit zwei Jahre altem Endophyten infizierten Gras als Futter für pflanzenfressende Insekten. Wir etablierten eine UPLC-MS Methode, um die Endophyten produzierten Alkaloide Peramin und Lolitrem B zu detektieren und zu quantifizieren, nach der Extraktion aus organischem Material von Pflanzen und Insekten. Fitness von Marienkäfern zeigte nur geringe Unterschiede zwischen Marienkäfern, denen Blattläuse gefüttert wurden, die ausschließlich auf Endophyten infizierten Grass oder nicht infiziertem Grass gezüchtet wurden. Die Ursache dafür, ist wahrscheinlich eine zu geringe Alkaloid Konzentration in dem jungen, Endophyten-infizierten Grass (6 Wochen alt), das für diesen Teil der Studie verwendet wurde. Die Quantifizierung der Alkaloide von zwei Jahre altem Endophyten infiziertem Gras, Herbivoren und Prädatoren zeigte ähnliche Konzentrationen zwischen Gras und Blattläusen, wohingegen Prädatoren etwa eine halb so hohe Alkaloid Konzentration enthielten, die aber dennoch den Grenzwert für biologische Wirksamkeit überschritt. Wir folgern, dass Endophyten produzierte Alkaloide innerhalb der Nahrungskette weitergegeben werden und somit verantwortlich für Nachteile auf die Fitness höherer trophischer Ebenen sind. III.) In der zweiten Studie untersuchten wir den Einfluss von Pflanzenalter und Saison auf Wachstum des Endophyten und dessen Alkaloid Produktion. Pflanzen wurden im April 2013 gesät und über einen Zeitraum von 30 Monaten monatlich beprobt. Endophyten Wachstum wurde mittels real-time PCR (qPCR) und Alkaloide mittels UPLC-MS quantifiziert. Wir zeigten, dass Pilzwachstum und Alkaloid Produktion einer saisonalen Rhythmik folgen und Alkaloid Konzentrationen zudem mit dem Pflanzenalter ansteigen. Demzufolge tragen Pflanzenalter und Saison zur Toxizität von endophytischen Pilzen bei. Alkaloid Konzentrationen sind am höchsten im Sommer, wenn auch die Abundanzen von Herbivoren besonders hoch sind. IV.) In der dritten Studie simulierten wir frühzeitiges Blattlausvorkommen, indem wir Blattlausabundanzen auf Endophyten freien und infizierten Graspflanzen im Frühling erhöhten und die Reaktionen auf drei trophischen Ebenen analysierten. Top-Down Kontrolle durch Blattlausprädatoren wurde nicht von erhöhten Blattlausabundanzen beeinflusst, aber innerhalb von zwei Wochen nach ihrem Erscheinen, reduzierten Prädatoren die Anzahl an Blattläusen erheblich, unabhängig von den Blattlausabundanzen. Bottom-Up Kontrolle durch erhöhtes Wachstum der Grasendophyten war zeitlich verzögert, zwei Wochen nachdem Blattlausabundanzen ihre Maxima erreichten und bereits durch Prädatoren stark dezimiert waren. Daraus schlussfolgern wir, dass Phänologieverschiebungen von pflanzenfressenden Insekten multi-trophische Interaktionen beeinflussen und zu einer Desynchronisierung der Phänologien von interagierenden Arten und somit unausgeglichenen Beziehungen in Nahrungsnetzen führen können. V.) In der vierten Studie analysierten wir, ob Herbivore Insekten das Wachstum und die Alkaloid Produktion von endophytischen Pilzen induzieren und ob verschiedene Arten von Herbivorie die Produktion spezifischer Alkaloide induzieren. Wir applizierten drei verschieden Arten von Pflanzenfraß Treatments an Endophyten infiziertem Grass über einen Zeitraum von 18 Wochen und fanden heraus, dass Heuschrecken eine Erhöhung der Konzentration des insektenwirksamen Alkaloids induzieren und Schnitt der Pflanze (Simulierung von Weidevieh) eine Erhöhung des Vertebraten toxischen Alkaloids Lolitrem B. Herbivorie durch Blattläuse hatte keinen Einfluss auf Konzentrationen von Endophyten produzierten Alkaloiden. Reaktionen von endophytischen Pilzen auf Herbivorie sind demnach artspezifisch, was darauf hinweist, dass Alkaloide vorrangig zu Pflanzenschutz Zwecken gegen Fraßfeinde produziert werden. VI.) Zusammenfassend zeigt die vorliegende Arbeit, dass die von endophytischen Pilzen produzierten Alkaloide, Organismen höherer trophischer Ebenen beeinflussen können und dass Alkaloid Konzentrationen im Wirtsgras von Herbivorietyp, Pflanzenalter und saisonbedingten Umwelteinflüssen abhängig sind. Schlussendlich deuten unsere Ergebnisse auf eine enge chemische Verständigung zwischen Wirtsgras und endophytischem Pilz hin, empfindlich gegenüber Umweltveränderungen, die folglich eine Veränderung in der Konzentration von Endophyten produzierten Alkaloiden auslösen. Zukünftige Studien sollten die Mechanismen hinter induziertem Anstieg von Alkaloid Konzentrationen analysieren, speziell, ob Pflanzensignale die Reaktion des Endophyten auf Herbivorie vermitteln. Weiterhin könnte eine Endophyten-vermittelte Induktion von indirekter Pflanzenabwehr zur Interaktion zwischen mehreren trophischen Ebenen beitragen. KW - fungal endophytes of grasses KW - plant defense KW - alkaloids KW - endophyte KW - grass KW - symbiosis Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-141465 ER - TY - THES A1 - Amatobi, Kelechi Michael T1 - Circadian clocks determine transport and membrane lipid oscillation in \(Drosophila\) hemolymph in complex interactions between nutrient-type, photic conditions and feeding behaviour T1 - Die innere Uhr bestimmt den Transport und die Membranlipid-Oszillation in der \(Drosophila\) Hämolymphe in komplexen Interaktionen zwischen Nährstofftyp, photischen Bedingungen und Fressverhalten N2 - The interaction between circadian clocks and metabolism is of increasing interest, since clock dysfunction often correlates with metabolic pathologies. Many research articles have been published analysing the impact of factors such as circadian clock, light, feeding time and diet-type on energy homeostasis in various tissues/organs of organisms with most of the findings done in mammals. Little is known about the impact of circadian clock and the above-mentioned factors on circulating lipids, especially the transport form of lipids - diacylglycerol (DG) and membrane lipids such as phosphatidylethanolamine (PE) and phosphatidylcholine (PC) in the Drosophila hemolymph. The fruit fly Drosophila is a prime model organism in circadian, behaviour and metabolism research. To study the role of circadian clock and behaviour in metabolism, we performed an extensive comparative hemolymph lipid (diacylglycerol: DG, phosphatidylethanolamine: PE, phosphatidylcholine: PC) analysis using ultra performance liquid chromatography coupled to time-of-flight mass spectrometry (UPLC-MS) between wild-type flies (WTCS) and clock disrupted mutants (per01). In addition, clock controlled food intake– feeding behaviour was investigated. Time-dependent variation of transport (DG) and membrane lipids (PE and PC) were not rhythmic in WTCS under constant darkness and in per01 under LD, suggesting an impact of light and clock genes on daily lipid oscillations. Day-time and night-time restriction of food led to comparable lipid profiles, suggesting that lipid oscillations are not exclusively entrained by feeding but rather are endogenously regulated. Ultradian oscillations in lipid levels in WTCS under LD were masked by digested fatty acids since lipid levels peaked more robustly at the beginning and end of light phase when flies were fed a lipid- and protein-free diet. These results suggest that metabolite (DG, PE and PC) oscillation is influenced by complex interactions between nutrient-type, photic conditions, circadian clock and feeding time. In conclusion, the results of this thesis suggest that circadian clocks determine transport and membrane lipid oscillation in Drosophila hemolymph in complex interactions between nutrient-type, photic conditions and feeding behaviour. N2 - Die Interaktion zwischen Innerer Uhr und Metabolismus ist von zunehmendem Interesse, weil Störungen der Inneren Uhr oft mit metabolischen Störungen assoziiert sind. Zahlreiche Untersuchungen zum Einfluss verschiedener Faktoren, u.a. der Inneren Uhr, Lichtregime, Zeitpunkt der Nahrungsaufnahme und Art der Diät, auf die Energiehomöostase in verschiedenen Geweben und Organen wurden vor allem in Säugetieren durchgeführt. Der Einfluss der Inneren Uhr und der oben genannten weiteren Faktoren auf zirkulierende Lipide in der Hämolymphe von Drosophila, insbesondere auf die Transportform Diacylglycerol (DG) und Membranlipide (wie z.B. Phosphatidylethanolamin (PE) und Phospathidylcholine (PC)), ist jedoch kaum untersucht. Die Taufliege Drosophila dient dabei als hervorragendes Modell in der circadianen Verhaltens- und Metabolismusforschung. Um die Rolle der Inneren Uhr und circadianen Verhaltens auf den Metabolismus zu untersuchen, haben wir eine extensive und vergleichende Lipidanalyse (DG, PE, PC) in der Hämolymphe von Wildtyp-Fliegen (WTCS) und Uhrmutanten (per01) mittels Ultrahochleistungs-Flüssigkeits-chromatographie gekoppelt mit Flugzeit-Massenspektrometrie (UPLC-MS) durchgeführt. Gleichzeitig wurde auch die circadian gesteuerte Nahrungsaufnahme untersucht. Die zeitabhängigen Schwankungen der Transport-(DG) und Membranlipide (PE, PC) unterlagen keiner tageszeitlichen Rhythmik in konstanter Dunkelheit in Wildtypfliegen, und unter Licht-Dunkelwechsel (LD) in per01 Mutanten. Dies weist auf einen Einfluss der Inneren Uhr und des Lichts auf tägliche Lipidschwankungen hin. Restriktion der Futtergabe auf entweder Tag oder Nacht ergab ähnliche Lipidprofile, was darauf hinweist, daß Schwankungen in den Lipidkonzentrationen nicht ausschliesslich durch die Nahrungsaufnahme, sondern auch endogen geregelt werden. Ultradiane Oszillationen in der Lipidkonzentration in WTCS unter LD-Bedingungen wurden durch mit der Nahrung aufgenommene Fettsäuren maskiert, zeigten sich aber deutlicher zu Beginn und Ende der Lichtphase wenn die Fliegen auf einer Lipid- und Protein-freien Diät gehalten wurden. Diese Ergebnisse weisen darauf hin, daß Oszillationen in Lipiden (DG, PE und PC) in der Hämolymphe durch eine komplexe Interaktion zwischen Diättyp, Lichtregime, Innerer Uhr und Zeitpunkt der Nahrungsaufnahme bestimmt wird. Zusammengenommen zeigen die Resultate dieser Arbeit, dass die Innere Uhr in komplexer Interaktion mit Diättyp, Lichtregime und Freßverhalten das zeitliche Profil von Transport- und Membranlipiden in der Drosophila-Hämolymphe bestimmt. KW - Pharmaceutische Biologie KW - DG diacyglycerol KW - PE Phosphoethanolamine Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-244462 ER - TY - THES A1 - Reichelt, Niklas T1 - Exploring the natural variation of heat-dependent metabolic rearrangements in \(Arabidopsis\) \(thaliana\) to identify genes involved in thermotolerance T1 - Untersuchung der natürlichen Variation des hitzeregulierten Metaboloms in \(Arabidopsis\) \(thaliana\), um Gene der pflanzlichen Thermotoleranz zu identifizieren N2 - Climate change and associated extreme weather events are a threat not only for agricultural yields but the plant kingdom in general. Therefore, there is a great necessity to better understand the plants' intrinsic mechanisms to combat heat stress. The plant heat stress response already has been investigated in many studies, including the role of HSFA1 transcription factors as the central regulators. Other aspects such as the initial perception of heat and the role of heat-induced changes in plant metabolism are rather unknown. In this thesis, the natural variation of 250 different accessions of Arabidopsis thaliana was investigated regarding the temperature-dependent accumulation of raffinose and triacylglycerols. A connection between these phenotypes and respective genotypes was established using genome-wide association studies. As a result, the candidate gene TREHALOSE-6-PHOSPHATE SYNTHASE 1 (TPS1), was identified. Enzymatic TPS1 is responsible for the synthesis of trehalose 6-phosphate (T6P), which serves as an indicator and regulator of sucrose homeostasis. Subsequent analyses using tps1 tilling mutants demonstrated a link between T6P metabolism and an increased accumulation of various soluble carbohydrates and starch, including raffinose both under control conditions and during heat exposure. Furthermore, the mutant lines displayed enhanced thermotolerance and survival rates following long-term heat stress. Transcriptome analyses, however, did not show any difference in the regulation of canonical heat stress-associated genes. Instead, genes related to photosynthesis were overrepresented among the differentially upregulated genes in tps1 tilling lines during heat exposure. In this work, a direct connection of T6P signaling, sucrose homeostasis, and thermotolerance is shown for the first time. In a second project, two Arabidopsis thaliana accessions (Oberursel-0, accession ID: 7276; Nieps-0, accession ID: 7268) showing distinct capacities to acquire short-term thermotolerance were compared to identify the putative causative regulators or mechanisms that lead to the different levels of thermotolerance. An examination of the transcriptomes of 7268 and 7276 showed that several hundreds of genes were already differentially regulated within 10 minutes of exposure to 32 °C or 34 °C. Among these, several genes associated with sulfur metabolism were more highly induced in the more thermotolerant accession 7268. However, experimental as well as genetic manipulation of sulfur availability and metabolism did not result in altered thermotolerance. In addition to sulfur-related genes, most of the canonical heat stress-associated genes were more highly expressed in 7268 than in 7276. While we could not identify a causative regulator or mechanism of differential thermotolerances, the data strongly suggests that 7268 either has a higher overall sensitivity, i.e., the heat stress response is initiated at lower temperatures, or stronger overall heat stress response when exposed to a certain elevated temperature. N2 - Der Klimawandel und die damit einhergehenden extremen Wetterereignisse stellen eine große Bedrohung für den Ertrag der Landwirtschaft aber auch das Reich der Pflanzen im Allgemeinen dar. Es ist daher von großer Notwendigkeit, die der Pflanzen intrinsischen Mechanismen zur Bekämpfung von Hitzestress besser zu verstehen. Die hierbei zugrundeliegende Hitzestressantwort der Pflanzen ist bereits durch viele Studien untersucht worden, unter anderem die Rolle von HSFA1 Transkriptionsfaktoren als zentrale Regulatoren. Andere Aspekte wie die initiale Wahrnehmung von Hitze sowie die Rolle von hitzeinduzierten Veränderungen des Pflanzenmetabolismus sind eher unbekannt. In dieser Thesis wurde die natürliche Variation von 250 Populationen von Arabidopsis thaliana hinsichtlich der temperatur-abhängigen Akkumulation von Raffinose und Triacylglycerolen untersucht. Ein statistischer Zusammenhang dieser Phänotypen sowie zugrundeliegender Genotypen wurde mittels Genomweiter Assoziationsstudien erstellt. Als Ergebnis konnte das Kandidatengen Trehalose-6-Phosphate Synthase 1 (TPS1) identifiziert werden. Das Enzym TPS1 ist verantwortlich für die Synthese von T6P, welches als Indikator sowie Regulator der Homöostase von Saccharose fungiert. Folgestudien an tps1 tilling lines konnten sowohl unter Kontrollbedingungen als auch bei Hitzestress einen Zusammenhang zwischen dem T6P Metabolismus und einer erhöhten Akkumulation von Raffinose, weiterer löslicher Zucker, sowie Stärke nachweisen. Des Weiteren zeigten die tps1 tilling lines eine erhöhte Thermotoleranz und Überlebensrate gegenüber Langzeit-Hitzestress. Eine Analyse der Transkriptome zeigte keinen Unterschied in der Regulation klassischer Hitzestress-assoziierter Gene. In beiden tps1 tilling lines war in Folge von Hitzestress eine Überrepräsentation von signifikant hochregulierten Genen vorzufinden, welche mit der Photosynthese der Pflanze assoziiert sind. In dieser Arbeit konnte erstmalig ein direkter Zusammenhang von T6P Signaling, Zucker-Homöostase und Thermotoleranz gezeigt werden. In einem zweiten Projekt wurden zwei Arabidopsis thaliana Populationen (Oberursel-0, Populations-ID: 7276; Nieps-0, Populations-ID: 7268) verglichen, welche deutliche Unterschiede in ihrer Fähigkeit der kurzzeitig akquirierten Thermotoleranz aufweisen. Ziel war hierbei die Identifikation etwaiger kausaler Regulatoren oder Mechanismen, welche zu den unterschiedlich ausgeprägten Thermotoleranzen führen. Eine Untersuchung der Transkriptome von 7268 und 7276 konnte zeigen, dass bereits nach 10 Minuten einer 32 °C oder auch 37 °C Hitzebehandlung hunderte von Genen differentiell reguliert sind. Hierbei waren in der hitzetoleranteren Population 7268 mehrere Gene, welche mit dem Schwefel-Metabolismus assoziiert sind, im Vergleich zu 7276 höher exprimiert. Jedoch hatten sowohl die experimentelle Schwefelverfügbarkeit als auch die genetische Manipulation des Schwefelmetabolismus keinen Effekt auf die Thermotoleranz. Neben den Schwefel-assoziierten Genen waren auch die meisten der klassischen Hitzestress-assoziierten Gene in 7268 höher exprimiert als in 7276. Zwar konnte kein kausaler Regulator oder Mechanismus für die unterschiedlichen Thermotoleranzen identifiziert werden, jedoch weisen die generierten Daten auf eine allgemein stärkere Hitzestressantwort oder aber eine höhere Hitzesensitivität von 7268 gegenüber 7276 hin. KW - Schmalwand KW - Hitzestress KW - Stärke KW - Raffinose KW - Genomweite-Assoziationsstudien KW - Genome-wide association studies KW - RNA-Seq KW - Natürliche Variation KW - Natural Variation KW - Trehalose-6-Phosphate Synthase 1 (TPS1) KW - Triacylglycerole Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-371324 ER -