TY  - THES
A1  - Frank, Erik Thomas
T1  - Behavioral adaptations in the foraging behaviour of \(Megaponera\) \(analis\)
T1  - Verhaltensanpassungen im Furagierverhalten von \(Megaponera\) \(analis\)
N2  - An efficient foraging strategy is one of the most important traits for the fitness of animals. The theory of optimal foraging tries to predict foraging behaviour through the overarching question: how animals should forage so as to minimize costs while maximizing profits? Social insects, having occupied nearly every natural niche through widely different strategies, offer themselves as an ideal group to study how well optimal foraging theory can explain their behaviour and success. 
Specialization often leads to unique adaptations in morphology and behaviour. I therefore decided to investigate the behaviour of Megaponera analis. This ponerine ant species is specialized on hunting only termites of the subfamily Macrotermitinae at their foraging sites. Their foraging behaviour is regulated by a handful of individual scouts (10-20) that search for termite foraging sites before returning to the nest to recruit a large number of nestmates (200-500 ants). These ants then follow the scout in a column formation to the termites and after the hunt return together to the nest, these raids occur two to five times per day.
Predators of highly defensive prey likely develop cost reducing adaptations. The evolutionary arms race between termites and ants led to various defensive mechanisms in termites, e.g. a caste specialized in fighting predators. As M. analis incurs high injury/mortality risks when preying on termites, some risk mitigating adaptations have evolved. I show that a unique rescue behaviour in M. analis, consisting of injured nestmates being carried back to the nest, reduces combat mortality. These injured ants “call for help” with pheromones present in their mandibular gland reservoirs. A model accounting for this rescue behaviour identifies the drivers favouring its evolution and estimates that rescuing allows for maintaining a 29% larger colony size. Heavily injured ants that lost too many legs during the fight on the other hand are not helped. Interestingly, this was regulated not by the helper but by the uncooperativeness of the injured ant.  I further observed treatment of the injury by nestmates inside the nest through intense allogrooming directly at the wound. Lack of treatment increased mortality from 10% to 80% within 24 hours, with the cause of death most likely being infections.
Collective decision-making is one of the main mechanisms in social insects through which foraging is regulated. However, individual decision-making can also play an important role, depending on the type of foraging behaviour. In M. analis only a handful of individuals (the scouts) hold all the valuable information about foraging sites. I therefore looked at predictions made by optimal foraging theory to better understand the interplay between collective and individual decision-making in this obligate group-raiding predator. I found a clear positive relation between raid size and termite abundance at the foraging site. Furthermore, selectivity of the food source increased with distance. The confirmation of optimal foraging theory suggests that individual scouts must be the main driver behind raid size, choice and raiding behaviour. Therefore most central place foraging behaviours in M. analis were not achieved by collective decisions but rather by individual decisions of scout ants. Thus, 1% of the colony (10–20 scouts) decided the fate and foraging efficiency of the remaining 99%. 
Division of labour is one of the main reasons for the success of social insects. Worker polymorphism, age polyethism and work division in more primitive ants, like the ponerines, remain mostly unexplored though. Since M. analis specializes on a defensive prey, adaptations to reduce their foraging costs can be expected. I found that the work division, task allocation and column-formation during the hunt were much more sophisticated than was previously thought. The column-formation was remarkably stable, with the same ants resuming similar positions in subsequent raids and front ants even returning to their positions if displaced in the same raid. Most of the raid tasks were not executed by predetermined members of the raid but were filled out as need arose during the hunt, with a clear preference for larger ants to conduct most tasks. 
I show that specialization towards a highly defensive prey can lead to very unique adaptations in the foraging behaviour of a species.  I explored experimentally the adaptive value of rescue behaviour focused on injured nestmates in social insects. This was not only limited to selective rescuing of lightly injured individuals by carrying them back (thus reducing predation risk) but moreover includes a differentiated treatment inside the nest. These observations will help to improve our understanding of the evolution of rescue behaviour in animals. I further show that most optimal foraging predictions are fulfilled and regulated by a handful of individuals in M. analis. Lastly, I propose that the continuous allometric size polymorphism in M. analis allows for greater flexibility in task allocation, necessary due to the unpredictability of task requirements in an irregular system such as hunting termites in groups. All of my observations help to further understand how a group-hunting predator should forage so as to minimize costs while maximizing profits.
N2  - Ein effizientes Furagierverhalten ist eine der wesentlichsten Voraussetzungen für die Überlebensfähigkeit von Tieren. Die Theorie des „Optimal Foraging“ versucht, das Furagierverhalten durch die übergreifende Frage zu verstehen: Wie sollten Tiere nach Futter suchen/jagen, um die Kosten zu minimieren und gleichzeitig die Gewinne zu maximieren? Soziale Insekten, die fast jede natürliche Nische durch diverse Strategien besetzt haben, bieten sich als ideale Gruppe an, um zu untersuchen, wie gut „Optimal Foraging“ ihr Verhalten und ihren Erfolg erklären kann.
Da Spezialisierung oft zu einzigartigen Anpassungen in Morphologie und Verhalten führt, war das Jagdverhalten von Megaponera analis diesbezüglich sehr vielversprechend. Diese Ponerinae Ameisenart ist spezialisiert auf die Jagd von Termiten der Unterfamilie Macrotermitinae an ihren Futterstellen. Ihr Jagdverhalten wird durch eine Handvoll von einzelner Späher (10-20) geregelt, die nach Termiten-Futterstellen suchen, bevor sie zum Nest zurückkehren, um eine große Anzahl von Nestgenossinnen (200-500 Ameisen) zu rekrutieren. Die Ameisen folgen dann dem Späher in einer Kolonne zu den Termiten und zurück, diese Überfälle finden zwei bis fünf Mal am Tag statt.
Es ist wahrscheinlich, dass Prädatoren von defensiver Beute kostenreduzierende Anpassungen entwickeln. Das evolutionäre Wettrüsten zwischen Termiten und Ameisen führte zu verschiedenen Abwehrmechanismen bei Termiten, z.B. eine Soldaten-Kaste, die sich auf die Bekämpfung von Raubtieren spezialisiert hat. Da M. analis ein hohes Verletzungsrisiko durch Termitensoldaten hat, haben sich bei ihr einige kostenreduzierende Anpassungen entwickelt. Ich zeige, dass ein einzigartiges Rettungsverhalten bei M. analis, bestehend aus verletzten Nestgenossinnen, die zum Nest zurückgetragen werden, die Mortalität reduziert. Diese verletzten Ameisen „rufen“ um Hilfe mit Pheromonen, die in ihren mandibularen Drüsenreservoirs vorhanden sind. Ein Modell, das dieses Rettungsverhalten berücksichtigt, hilft dabei die wichtigsten Faktoren zu identifizieren, welche die Evolution dieses Rettungsverhaltens begünstigen. Ferner wird schwerverletzten Ameisen, die während des Kampfes zu viele Beine verloren haben, nicht geholfen. Interessanterweise wird dies nicht durch den Helfer reguliert, sondern durch die mangelnde Kooperation der verletzten Ameise. Des Weiteren beobachtete ich die Behandlung der Verletzten durch Nestgenossinnen im Nest durch intensives „Allogrooming“/lecken direkt an der Wunde. Eine Unterbindung der Behandlung erhöhte die Mortalität von 10% auf 80% innerhalb von 24 Stunden, höchstwahrscheinlich aufgrund von Infektionen.
Die kollektive Entscheidungsfindung ist einer der Hauptmechanismen bei sozialen Insekten, durch die die Futtersuche reguliert wird. Allerdings spielt die individuelle Entscheidungsfindung, je nach Art des Furagierverhaltens, auch eine wichtige Rolle. In M. analis haben nur eine Handvoll von Individuen (die Späher) alle Informationen über die Futterstellen. Ich betrachtete daher die Vorhersagen, die durch „Optimal Foraging“ gemacht werden, um das Zusammenspiel von kollektiver und individueller Entscheidungsfindung bei diesem obligaten Gruppenjäger besser zu verstehen. Ich fand eine klare positive Beziehung zwischen Raubzugsgröße und Termitenabundanz an der Futterstelle. Außerdem erhöhte sich die Selektivität der Futterstelle mit der Entfernung zum Nest. Die Bestätigung der „Optimalen Foraging“ Theorie deutet darauf hin, dass einzelne Späher der Haupttreiber hinter Raubzugsgröße, Wahl und Raubzugsverhalten sein müssen. Dies bedeutet, dass in M. analis das Furagierverhalten nicht durch kollektive Entscheidungen, sondern durch individuelle Entscheidungen der Späher reguliert wird. So entschied 1% der Kolonie (10-20 Späher) das Schicksal und die Furagier-Effizienz der restlichen 99%.
Die Arbeitsteilung ist einer der Hauptgründe des Erfolgs sozialer Insekten. Arbeiterpolymorphismus, Alterspolyethismus und Arbeitsteilung bei primitiveren Ameisen, wie den Ponerinen, blieben bisher jedoch meist unerforscht. Da M. analis sich auf eine defensive Beute spezialisiert hat, sind Anpassungen zur Reduzierung ihrer Furagierkosten zu erwarten. Ich zeige, dass die Arbeitsteilung und Kolonnenformation während der Jagd viel anspruchsvoller ist, als bisher angenommen. Die Kolonnenformation war bemerkenswert stabil: dieselben Ameisen nahmen ähnliche Positionen in späteren Raubzügen ein und die vorderen Ameisen kehrten sogar zu ihrer Position zurück, wenn diese absichtlich verändert wurde. Dies weist auf unbekannte Regulationsmechanismen für die Bildung der Kolonne hin. Darüber hinaus wurden die meisten der Raubzugsaufgaben nicht von vorgegebenen Mitgliedern des Raubzugs ausgeführt, sondern wurden je nach Bedarf während der Jagd verteilt.
Meine Versuche zeigen, dass die Spezialisierung auf eine hoch defensive Beute zu sehr einzigartigen Anpassungen im Furagierverhalten einer Art führen kann. Ich erforschte experimentell den adaptiven Wert eines Rettungsverhaltens, das auf verletzte Nestgenossinnen bei sozialen Insekten fokussiert war. Dies beschränkte sich nicht nur auf die selektive Rettung von leicht verletzten Individuen, welche zurückgetragen wurden (wodurch das Prädationsrisiko reduziert wurde), sondern umfasst darüber hinaus eine differenzierte Behandlung im Nest. Ich zeige weiter, dass die meisten „Optimal Foraging“ Vorhersagen von einer Handvoll Individuen in M. analis erfüllt und reguliert werden. Schließlich postuliere ich die Hypothese, dass der kontinuierliche allometrische Größenpolymorphismus in M. analis eine größere Flexibilität bei der Aufgabenverteilung ermöglicht, die aufgrund der Unberechenbarkeit der Aufgabenanforderungen in einem unregelmäßigen System wie dem Jagen von Termiten in Gruppen Erforderlich ist. Alle meine Beobachtungen verbessern unser Verständnis des Verhaltens eines Gruppenjägers, das während der Jagd die Kosten zu minimieren und die Gewinne zu maximieren hat.
KW  - Stechameisen
KW  - Nahrungserwerb
KW  - Verhalten
KW  - Optimal foraging
KW  - Rescue behaviour
KW  - Myrmecology
KW  - Behaviour
KW  - Ecology
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-156544
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bergmann Bueno, Amauri
T1  - Ecophysiological adaptations of cuticular water permeability of plants to hot arid biomes
T1  - Ökophysiologische Anpassungen der kutikulären Wasserpermeabilität von Pflanzen an heiße aride Biome
N2  - Arid environments cover almost one-third of the land over the world. Plant life in hot arid regions is prone to the water shortage and associated high temperatures. Drought-stressed plants close the stomata to reduce water loss. Under such conditions, the remaining water loss exclusively happens across the plant cuticle. The cuticular water permeability equals the minimum and inevitable water loss from the epidermal cells to the atmosphere under maximally stomatal closure. Thus, low cuticular water permeability is primordial for plant survival and viability under limited water source. The assumption that non-succulent xerophytes retard water loss due to the secretion of a heavier cuticle is often found in the literature. Intuitively, this seems to be plausible, but few studies have been conducted to evaluate the cuticular permeability of xerophilous plants. In chapter one, we investigated whether the cuticular permeability of Quercus coccifera L. grown in the aridest Mediterranean-subtype climate is indeed lower than that of individuals grown under temperate climate conditions. Also, the cuticular wax chemical compositions of plants grown in both habitats were qualitatively and quantitatively analysed by gas-chromatography. In few words, our findings showed that although the cuticular wax deposition increased in plants under Mediterranean climate, the cuticular permeability remained unaltered, regardless of habitat.
The associated high temperatures in arid regions can drastically increase the cuticular water permeability. Thereby, the thermal stability of the cuticular transpirational barrier is decisive for safeguarding non-succulent xerophytes against desiccation. The successful adaptation of plants to hot deserts might be based on finding different solutions to cope with water and heat stresses. Water-saver plants close the stomata before the leaf water potential drastically changes in order to prevent damage, whereas water-spender plants reduce the leaf water potential by opening the stomata, which allow them to extract water from the deep soil to compensate the high water loss by stomatal transpiration. In chapter two, we compare the thermal stability of the cuticular transpiration barrier of the desert water-saver Phoenix dactylifera L. and the water-spender Citrullus colocynthis (L.) Schrad. In short, the temperature-dependent increase of the cuticular permeability of P. dactylifera was linear over the whole temperature range (25-50°C), while that of C. colocynthis was biphasic with a steep increase at temperatures ≥ 40°C. This drastic increase of cuticular permeability indicates a thermally induced breakdown of the C. colocynthis cuticular transpiration barrier, which does not occur in P. dactylifera. We further discussed how the specific chemical composition of the cutin and cuticular waxes might contribute to the pronounced thermal resistance of the P. dactylifera cuticular transpiration barrier.
A multitude of morpho and physiological modifications, including photosynthetic thermal tolerance and traits related to water balance, led to the successful plant colonisation of hot arid regions over the globe. High evaporative demand and elevated temperatures very often go along together, thereby constraining the plant life in arid environments. In chapter 3, we surveyed cuticular permeability, leaf thermal tolerance, and cuticular wax chemical composition of 14 non-succulent plant species native from some of the hottest and driest biomes in South-America, Europe, and Asia. Our findings showed that xerophilous flowering plants present high variability for cuticular permeability and leaf thermal tolerance, but both physiological features could not be associated with the species original habitat. We also provide substantial evidence that non-succulent xerophytes with more efficient cuticular transpirational barrier have higher leaf thermal tolerance, which might indicate a potential coevolution of these features in hot arid biomes. We further discussed the efficiency of the cuticular transpiration barrier in function to the cuticular wax chemical composition in the general discussion section.
N2  - Trockene Trockene Lebensräume bedecken fast ein Drittel der Landoberfläche der Erde. Das Pflanzenleben in Trockengebieten ist durch Wasserknappheit und hohe Temperaturen gekennzeichnet. Durch Trockenheit beanspruchte Pflanzen schließen die Stomata, um den Wasserverlust zu reduzieren. Unter diesen Bedingungen erfolgt der verbleibende Wasserverlust ausschließlich über die pflanzliche Kutikula. Die kutikuläre Wasserpermeabilität entspricht dem minimalen und unvermeidbaren Wasserverlust aus den Epidermiszellen an die Atmosphäre. Daher ist eine niedrige kutikuläre Wasserpermeabilität für die Lebensfähigkeit der Pflanzen unter begrenzter Wasserverfügbarkeit entscheidend. Die Annahme, dass xerophile Pflanzen den Wasserverlust aufgrund der Ausbildung einer speziellen Kutikula verringern, findet sich häufig in der Literatur. Intuitiv erscheint dies plausibel, jedoch wurden nur wenige Studien durchgeführt, um die kutikuläre Wasserpermeabilität von xerophilen Pflanzen zu untersuchen. Im ersten Kapitel wurde getestet, ob die kutikuläre Wasserpermeabilität von Quercus coccifera L., angezogen im ariden Klima des mediterranen Subtyps, tatsächlich geringer ist als die von Pflanzen derselben Art, die unter gemäßigten Klimabedingungen kultiviert wurden. Außerdem wurde die chemische Zusammensetzung der kutikulären Wachse von Pflanzen, die in beiden Habitaten angezogen wurden, quantitativ und qualitativ durch Gaschromatographie mit Flammenionisationsdetektion- beziehungsweise Massenspektrometrie-Kopplung analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die kutikuläre Wasserpermeabilität unter beiden Anzuchtbedingungen vergleichbar war, obwohl die Pflanzen, die unter dem mediterranen Klima wuchsen, eine höhere Menge an kutikulären Wachsen aufwiesen.

Die hohen Temperaturen in trockenen Regionen können die Wasserdurchlässigkeit der pflanzlichen Kutikula drastisch erhöhen. Dabei ist die thermische Stabilität der kutikulären Transpirationsbarriere entscheidend für den Austrocknungsschutz xerophiler Pflanzen. Die erfolgreiche Anpassung von Wüstenpflanzen kann auf verschiedenen Strategien zur Bewältigung von Wassermangel und Hitze beruhen. Wassersparende Pflanzen (water-save
plants) schließen die Stomata, bevor sich das Wasserpotenzial drastisch ändert, um Schädigungen zu verhindern. Wasserverschwendende Pflanzen (water-spender plants) reduzieren das Wasserpotenzial durch das Öffnen der Stomata. Dadurch können diese Pflanzen Wasser aus tiefen Bodenschichte nachziehen, um den hohen stomatären Wasserverlust zu kompensieren. Im zweiten Kapitel wurde die thermische Stabilität der kutikulären Transpirationsbarriere der beiden Wüstenpflanzen Phoenix dactylifera L. (saver) und Citrullus colocynthis (L.) Schrad. (spender) verglichen. Der temperaturabhängige Anstieg der kutikulären Wasserpermeabilität von P. dactylifera verlief linear über einen Temperaturbereich von 25°C bis 50°C. Dagegen war der temperaturabhängige Anstieg der kutikulären Wasserpermeabilität von C. colocynthis zweiphasig. Der steile Anstieg der kutikulären Permeabilität bei Temperaturen ≥ 35°C weist auf eine thermisch induzierte Schädigung der kutikulären Transpirationsbarriere hin. Die spezielle chemische Zusammensetzung der Kutinmatrix und der kutikulären Wachse trägt zur ausgeprägten thermischen Resistenz der kutikulären Transpirationsbarriere von P. dactylifera bei.

Die erfolgreiche Besiedlung von heißen und trockenen Regionen der Erde beruht auf einer Vielzahl von morphologischen und physiologischen Anpassungen wie der fotosynthetischen Hitzetoleranz. Eine hohe Verdunstungskapazität und hohe Temperaturen treten oft zusammen auf, wodurch das Pflanzenleben in ariden Klimazonen eingeschränkt wird. In Kapitel 3 wurde die kutikuläre Wasserpermeabilität, die kutikuläre Wachszusammensetzung sowie die fotosynthetische Hitzetoleranz von 14 nicht-sukkulenten Pflanzenarten aus einigen der heißesten und trockensten Biome Südamerikas, Europas und Asiens untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die ausgewählten xerophilen Pflanzen eine hohe Variabilität in der kutikulären Wasserpermeabilität und der fotosynthetischen Hitzetoleranz aufwiesen. Beide physiologischen Merkmale konnten jedoch nicht mit dem ursprünglichen Standort der Arten assoziiert werden. Dennoch weisen xerophile Pflanzen mit einer effizienteren kutikulären Transpirationsbarriere eine höhere Hitzetoleranz auf, was auf eine mögliche Koevolution
dieser Merkmale in trockenen Biomen hinweisen könnte. Darüber hinaus wurde die Effizienz der kutikulären Transpirationsbarriere in Zusammenhang mit der chemischen
Zusammensetzung der kutikulären Wachse diskutiert
KW  - Plant cuticle
KW  - Arid biomes
KW  - Cuticular transpiration
KW  - Cuticular waxes
KW  - Water stress
KW  - Heat stress
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-167832
ER  - 
TY  - THES
A1  - Castillo Cajas, Ruth
T1  - Evolution and diversity of cuticular hydrocarbon proﬁles of cuckoo wasps
T1  - Evolution und Diversität der Kohlenwasserstoffprofile der Goldwespen
N2  - Cuticular hydrocarbons (CHC) abound on the surface of arthropods. In spite of their simple structure (molecules of carbon and hydrogen atoms), they provide pivotal functions in insects: their hydrophobic properties confer the insects a means to regulate water balance and avoid desiccation, whereas their diversity has enhanced their use as signals and cues in a wide range of communication and recognition processes. Although the study of CHC in insects over the past two decades has provided great insight into the wide range of functions they play, there is still a gap in understanding how they diversify and evolve. In this thesis, I have used members of the family Chrysididae to explore patterns of diversiﬁcation of CHC. Most of the species of cuckoo wasps in this study are specialized parasitoids or kleptoparasites of mainly solitary hymenopteran hosts. Other hosts of the family include butterﬂies or stick insects. Cuckoo wasps are a particular interesting model to study the evolution of cuticular hydrocarbons because of their chemical adaptations that allow them to remain unrecognized by their hosts. Chemical insigniﬁcance (the reduction of the total amount of CHC on the cuticle) and chemical mimicry (the de novo production of CHC proﬁles resembling those of their female host) have been described in some representatives of the family and unpublished evidence suggests chemical deception is widespread in Chrysididae (Chapter 2). Nonetheless, to trace the evolution of any trait of interest, a reliable phylogenetic reconstruction of the family is required. Therefore, the ﬁrst study of this thesis constitutes the largest and to-date most reliable phylogenetic reconstruction of the family Chrysididae, which includes representatives of 186 species of cuckoo wasps. While the results of this phylogenetic reconstruction are consistent with previous ideas on the relationships of subfamilies and tribes, it shows the existence of several non-monophyletic genera (Chapter 3). CHC are involved in intraspeciﬁc recognition, often acting as contact sex pheromones. Nevertheless, it is not yet understood to what extent CHC proﬁles diﬀer between the two sexes and whether some compound classes are more prevalent in one or the other sex. So far, no comparison of CHC proﬁles of males and females has been done for more than a dozen of related species. In Chapter 4, I describe and compare CHC proﬁles of females and males of 58 species of cuckoo wasps in order to evaluate whether and to what extent CHC proﬁles of these species diﬀer between the sexes. I demonstrated that CHC proﬁles of cuckoo wasps are frequently (more than 90% of the species analyzed) and strongly dimorphic (both sexes of a given species tend to produce very diﬀerent CHC compounds). Methyl-branched compounds tend to be more prevalent in males (especially dimethyl-branched compounds) and unsaturated compounds prevail in females. Moreover, a sex-speciﬁc pattern in the distribution of the double bond position of alkenes was evident: internal double bond positions (> 11) occur predominantly in males, whereas alkenes with the doublé bond at position 9 were more abundant and frequent in females (Chapter4). In Chapter5, I investigated how CHC proﬁles of cuckoo wasps diﬀer across species. Are CHC proﬁles of cuckoo wasps species-speciﬁc, enabling their use as cues for species recognition? How do CHC proﬁles resemble phylogenetic relatedness? In Chapter 5, I try to answer these questions by comparing CHC proﬁles of 59 species of cuckoo wasps. CHC proﬁles of cuckoo wasps are shown to be species (and sex-) speciﬁc. I show that CHC proﬁles are useful as a complementary tool to help delimiting taxonomically diﬃcult sibling species. Moreover, the evaluation of CHC proﬁles of ﬁve commonly occurring species within a genus, showed little or no geographical variation. However, CHC proﬁles of closely related species may diﬀer strongly among each other, not being useful to track the evolutionary history of species (Chapter 5). Sexual selection is generally credited for generating striking sexual dimorphism by causing changes in male traits. Most often, sexual selection has a stronger eﬀect on males, who compete for access to and may be selected by females, thus male traits may rapidly evolve. Nevertheless, in cuckoo wasps, it appears that it is the female sex the one evolving faster changes, with females of very closely related species showing extremely divergent proﬁles. One plausible reason for this disparity is that natural selection acting on female’s CHC proﬁles may be stronger than sexual selection on males (Chapter 6). Since females of cuckoo wasps are most probably engaged in an evolutionary arms race with their female hosts, CHC proﬁles of female cuckoo wasps are likely rapidly evolving, thus explaining part of the strong observed sexual dimorphism of CHC (Chapter 6). In fact, Chapter 7 shows evidence of a possible ongoing evolutionary arms race between ﬁve cuckoo wasps of the genus Hedychrum and their hosts. Hedychrum species parasitize either Coleoptera-hunting or Hymenoptera-hunting digger wasps. Since the coleopteran prey of the former digger wasps is naturally better protected against fungus infestation, these wasps do not embalm their prey with alkene-enriched secretions as do the Hymenoptera-hunting digger wasps. Thus, Coleoptera-hunting digger wasps can apparently diversify their proﬁles to escape chemical mimicry. Interestingly, only female cuckoo wasps of these hosts have started producing the same compound classes and even the same CHC compounds as those of their hosts. Male cuckoo wasps, however retain an alkene-enriched CHC proﬁle that reﬂects the molecular phylogeny of the genus (Chapter 7). Whereas, a larger number of parasite-host comparisons may be needed to further conclude that an arms race between cuckoo wasps and their hosts is capable of generating sexual dimorphism of cuckoo wasps, this thesis constitutes the ﬁrst eﬀort towards this, providing a starting point for further studies. Finally, I provide some methodological tools that may help in speeding up the sometimes cumbersome process of analyzing and identifying CHC proﬁles. One of the most time-demanding steps in the processing of CHC data is the alignment of CHC chromatograms. This process is often done manually, because alignment programs are mostly designed for metabolomics or are just recently being developed. I analyzed CHC proﬁles using a combined approach with two freely available programs. I used AMDIS (Automated Mass Spectral Deconvolution and Identiﬁcation System, http://chemdata.nist.gov/mass-spc/amdis/) to deconvolute and automatically identify all CHC of interest present in a chromatogram. I then developed a series of R scripts to correct for potential, unavoidable errors while processing CHC chromatograms with AMDIS. Chapter 8 explains this procedure. In the next chapter, I developed a program that helps in the identiﬁcation of one commonly occurring class of hydrocarbons. The limited number of linear alkanes (only one per carbon atom) and their characteristic diagnostic ion allows a rapid and unambigous identiﬁcation of these substances. In opposition, unsaturated and methyl-branched compounds are more diﬃcult to identify, as a result of the much larger diversity of existing compounds. To identify unsaturated compounds a derivatization is necessary to determine the position of the double bond. Methyl-branched alkanes, however can be identiﬁed from the original chromatogram if their diagnostic ions are known. Nonetheless, polymethyl-branched alkanes (e.g., compounds with two or more methyl groups along the chain) are often diﬃcult to identify, because they may appear in mixes (e.g., 3,7 diMeC27 and 3,9 diMeC27), and tables containing the diagnostic ions are not easily available. Therefore, I developed a program that creates a table with all possiblemethyl-branched compounds containing up to 4 methyl groups, and that provides their diagnostic ions and a calculated retention index. This may allow a much faster identiﬁcation of the methyl-branched compound a researcher is dealing with, without having to lose time in the tedious calculations by hand. The program is able to correctly identify, or at least, greatly reduce the number of possible options for the identiﬁcation of an unknown methyl-branched compound. Thus, using this tool, most methyl-branched compounds can be readily identiﬁed (Chapter 9). This thesis ends with a general discussion (Chapter 10). Overall, this work provides a comprehensive overview of the diversity of cuticular hydrocarbons of cuckoo wasps. The analyses presented here shed light on the emergence and evolution of interspeciﬁc diversity and intraspeciﬁc sexual dimorphism of CHC proﬁles. In addition, two technical methods have been developed that could greatly facilitate the CHC analysis of insects.
N2  - Kutikulare Kohlenwasserstoﬀe (engl. „cuticular hydrocarbons“, CHC) sind Substanzen, die wir in größeren Mengen auf der Körperoberﬂäche von Arthropoden ﬁnden. Diese Moleküle aus Kohlenstoﬀ- und Wasserstoﬀatomen haben trotz ihrer einfachen Struktur entscheidende Funktionen bei Insekten: Ihre wasserabweisende Eigenschaften geben den Insekten die Möglichkeit, den Wasserhaushalt zu regulieren und Austrocknung zu vermeiden. Darüber hinaus ermöglicht die Vielfältigkeit der CHC ihre Verwendung als Signale für eine breite Palette von Kommunikations-und Erkennungsprozessen. Obwohl die Erforschung von CHC in den letzten zwei Jahrzehnten einen großen Einblick in die Funktionen bei Insekten ermöglicht hat, gibt es immer noch Verständnislücken bezüglich der Evolution und Diversiﬁzierung von CHC (Kapitel1). In der vorliegenden Dissertation habe ich anhand verschiedener Arten der Wespen Familie Chrysididae die Diversiﬁzierungsmuster von CHC erforscht. Die meisten der Goldwespenarten in dieser Studie sind spezialisierte Parasitoiden oder Kleptoparasiten von hauptsächlich solitären Hymenopteren. Wirte von anderen Goldwespen sind auch Phasmatodea und Lepidoptera. Goldwespen sind besonders interesante Modellorganismen, um die Evolution von CHC zu untersuchen. Denn sie haben auf ihrer Kutikula chemische Anpassungen an die chemischen Oberﬂächen ihrer Wirte entwickelt, um bei dem Wirt zu vermeiden, dass ihre eigenen chemischen Signale bei der Eiablage erkannt werden. Für einige Vertreter der Familie Chrysididae wurden chemische Unscheinbarkeit/Unsichtbarkeit („insigniﬁcance“) und chemische Mimikry beschrieben. Bei ersterem, handelt es sich um die Reduzierung der Gesamtmenge der CHC auf der Kutikula, bei letzterem um die Nachahmung des CHC Proﬁls des Wirtes. Zudem, deuten unveröﬀentlichte Daten darauf hin, dass chemische Nachahmung unter den Chrysididae weit verbreitet ist (Kapitel 2). Eine zuverlässige phylogenetische Rekonstruktion der Chrysididae ist notwendig, um die Evolution eines Merkmales, wie z.B. die Ausbildung eines CHC-Proﬁls, zu verfolgen. Daher stellt der erste Teil dieser Arbeit die größte und bis heute zuverlässigste phylogenetische Rekonstruktion der Familie Chrysididae dar, welche Vertreter von 186 Arten von Goldwespen umfasst. Die Ergebnisse dieser Phylogenie stehen in Übereinstimmung mit vorherigen Studien über die Beziehungen zwischen Subfamilien und Triben der Goldwespen. Die Phylogenie deutet jedoch auf die Existenz mehrerer nicht-monophyletischer Gattungen in Chrysididae hin (Kapitel 3). CHC sind an der innerartlichen Erkennung beteiligt und fungieren manchmal als Kontakt-Sex-Pheromonen. Es ist jedoch noch nicht klar, inwieweit die CHC-Proﬁle zwischen den beiden Geschlechtern diﬀerieren und ob einige Verbindungsklassen in dem einen Geschlecht häuﬁger als in dem anderen vorkommen. Bislang gibt es lediglich einen Vergleich von CHC-Proﬁlen zwischen Männchen und Weibchen für weniger alseinDutzendverwandterArten.In Kapitel 4 werden die CHC-Proﬁle von Weibchen und Männchen von 58 Goldwespenarten beschrieben und verglichen, um zu beurteilen, ob und in welchem Ausmaß, sich die CHC-Proﬁle dieser Arten zwischen den Geschlechtern unterscheiden. Ich konnte zeigen, dass CHC-Proﬁle von Goldwespen stark sexuell dimorph sind (Männchen und Weibchen der gleichen Art neigen dazu, sehr unterschiedliche CHC-Verbindungen zu produzieren), und dass dieser Dimorphismus sehr häuﬁg vorkommt (mehr als 90% der untersuchten Arten). Methylverzweigte Verbindungen (insbesondere dimethylverzweigte Verbindungen) waren tendenziel bei Männchen häuﬁger und bei Weibchen waren ungesättigte Verbindungen häuﬁger. Darüber hinaus war ein geschlechtsspeziﬁsches Muster in der Verteilung der Doppelbindungsposition von Alkenen oﬀensichtlich: interne Doppelbindungspositionen (>11) treten vorwiegend bei Männchen auf, während Alkene mit der Doppelbindung an Position 9 bei Weibchen häuﬁger vorkommen (Kapitel 4). Im darauf folgenden Kapitel meiner Arbeit, beschäftige ich mich mit der Frage wie unterschiedlich CHC-Proﬁle von Goldwespen zwischen Arten sind. Sind CHC-Proﬁle artspeziﬁsch, wie es zu erwarten wäre, wenn sie zur Arterkennung dienen? Gibt es Ähnlichkeiten in Bezug auf die phylogenetische Verwandtschaft der Arten? In Kapitel 5, versuche ich diese Fragen zu beantworten, indem ich die CHC-Proﬁle von 59 Goldwespenarten vergleiche. Ich zeige, dass CHC-Proﬁle von Goldwespen art- (und geschlechts-) speziﬁsch sind, und dass CHC-Proﬁle als ergänzendes Werkzeug zur Abgrenzung von taxonomisch schwierigen Geschwisterarten nützlich sind. Darüber hinaus zeigt die Beurteilung der CHC-ProﬁlevonfünfhäuﬁgvorkommendeArteninnerhalbeinerGattungwenigoder keine geograﬁsche Variation, was bei der Abgrenzung der Arten hilft. Allerdings können CHC-Proﬁle nah verwandter Arten sehr unterschiedlich sein. Somit sind sie kein geeignetes Merkmal um die Evolutionsgeschichte von Arten nachzuvollziehen (Kapitel 5). Im sich daran anschließenden Kapitel, geht es darum, zu verstehen warum CHCProﬁle der meisten Goldwespenarten so auﬀallend unterschiedliche CHC-Proﬁle zwischen Geschlechtern aufweisen. Beider sexuellen Selektion wird in der Regel erwartet, dass siedurch Veränderungen männlicher Merkmale zu einem auﬀälligen Sexualdimorphismus führt. Meistens wirkt die sexuelle Selektion stärker auf die Männchen aus als auf die Weibchen, weil sie um die Weibchen konkurrieren und von den Weibchen ausgewählt werden müssen. Daher wird erwartet, dass männliche Merkmale schneller evolvieren. Dennoch scheint das weibliche Geschlecht bei Goldwespen das Geschlecht zu sein, das schneller evolviert, was sich z. B. dadurch äußert, dass Weibchen sehr nah verwandter Arten extrem divergierende Proﬁle zeigen (Kapitel 6). Ein plausibler Grund für diese Verschiedenheit zwischen den Weibchen nah verwandter Arten ist, dass die natürliche Selektion, die auf die CHC-Proﬁle von Weibchen wirkt, stärker sein kann als die sexuelle Selektion bei den Männchen (Kapitel 6). Da die Weibchen der Goldwespen höchstwahrscheinlich in einem evolutionären Wettrüsten mit ihren weiblichen Wirten stehen, ist es möglich dass die CHC-Proﬁle von Weibchen schnell evolvieren und somit den stark beobachteten sexuellen Dimorphismus von CHC in Goldwespen erklären (Kapitel 6). In Kapitel 7, werden Hinweise auf ein mögliches fortwährendes Wettrüsten zwischen fünf Goldwespenarten der Gattung Hedychrum und ihren Wirten aufgezeigt. Arten dieser Gattung parasitieren entweder Grabwespen die Coleoptera oder Hymenoptera als Nahrung für ihre Nachkommen jagen. Da die Coleoptera-Beute natürlicherweise besser gegen Pilzbefall geschützt ist, balsamieren diese Wespen ihre Beute nicht mit durch Alkene angereicherte Sekrete ein, im Gegensatz zu der anderen Gruppe der Grabwespen, die Hymenopteren als Futter verwerten. Daher diversiﬁzieren Coleoptera-jagende Grabwespen oﬀenbar ihre Proﬁle stärker,um der chemischen Mimikry ihrer Parasitoiden zu entkommen. Interessanterweise haben nur weibliche Goldwespen dieser Coleoptera-jagende Wirte begonnen, die gleichen Substanzklassen und sogar die gleichen CHC-Verbindungen wie die ihrer Wirte zu produzieren. Männliche Goldwespen behalten jedoch ein durch Alkene angereichertes CHC-Proﬁl, das die molekulare Phylogenie der Gattung Hedychrum widerspiegelt. Um jedoch eindeutiger zu beweisen, dass ein Wettrüsten zwischen Goldwespen und ihren Wirten den Geschlechtsdimorphismus von Goldwespen hervorbringt, wäre eine größere Anzahl von Vergleichen zwischen Goldwespen und ihren Wirten nötig. Nichtsdestotrotz ist diese Arbeit ein erster Versuch, den Geschlechtsdimorphismus von CHC in Goldwespen zu erklären und ein Ausgangspunkt für weitere Studien. Abschließend stelle ich einige methodische Werkzeuge vor, die helfen können, den bisher umständlichen Prozess der Analyse und Identiﬁzierung von CHC-Proﬁlen zu beschleunigen. Einer der zeitaufwendigsten Schritte bei der Verarbeitung von CHC Daten ist die Alinierung von CHC-Chromatogrammen. Dieser Prozess wird oft manuell durchgeführt, da Alinierungsprogramme für die Metabolomik konzipiert sind oder gerade erst entwickelt werden. Meine CHC-Proﬁle habe ich mit einem kombinierten Ansatz mit zwei frei verfügbaren Programmen analysiert. Ich benutzte AMDIS (Automated Mass Spectral Deconvolution and Identiﬁcation System), um die CHC in einem Chromatogramm zu dekonvolutieren und automatisch zu identiﬁzieren. Ich habe weiterhin eine Reihe von R-Skripten entwickelt, um mögliche unvermeidbare Fehler bei der Verarbeitung von CHC-Chromatogrammen mit AMDIS zu korrigieren. In Kapitel 8 wird dieses Verfahren erläutert. Im darauffolgenden Kapitel stelle ich ein Programm vor, das ich für eine erleichterte Identiﬁzierung einer häuﬁg vorkommenden Verbindungsklasse von CHC entwickelt habe. Die begrenzte Anzahl von linearen Alkanen (nur eines pro Kohlenstoﬀatom) und ihre charakteristischen diagnostischen Ionen erlauben die schnelle und eindeutige Identiﬁzierung dieser Substanzen. Im Gegensatz dazu sind ungesättigte und methylverzweigte Verbindungen auf grund der viel größeren Vielfalt möglicher Verbindungen deutlich schwieriger zu identiﬁzieren. Für die Identiﬁzierung ungesättigter Verbindungen ist eine Derivatisierung notwendig, um die Position der Doppelbindung zu bestimmen. Methylverzweigte Alkane können jedoch theoretisch vom ursprünglichen Chromatogramm unterschieden werden, sofern die diagnostischen Ionen bekannt sind. Trotz alledem sind polymethylverzweigte Alkane (z.B. Verbindungen mit zwei oder mehr Methylgruppen entlang der Kette) oft schwer zu identiﬁzieren, da sie in Mischungen (z. B. 3,7 diMeC27 und 3,9 diMeC27) auftreten können. Ihre diagnostische Ionen müssen entweder berechnet werden oder in Tabellen, die nicht leicht verfügbar sind, gesucht werden. Ich entwickelte daher ein kleines Programm, das eine Tabelle erstellt mit allen möglichen methylverzweigten Verbindungen mit bis zu 4 Methylgruppen sowie deren diagnostischen Ionen und einem berechneten Retentionsindex. Dies erlaubt eine viel schnellere Identiﬁzierung der richtigen methylverzweigten Verbindung, ohne dass ein Wissenschaﬂter Zeit für die mühsamen Berechnungen von Hand verlieren muss. Das Programm ist in der Lage, die Anzahl möglicher Optionen einer unbekannten methylverzweigten Verbindung korrekt zu nennen oder zumindest die Auswahl stark einzugrenzen und damit die Identiﬁkation der Substanz stark zu erleichtern. Es ist daher zu erwarten, dass mit diesem Werkzeug die meisten methylverzweigten Verbindungen leicht identiﬁziert werden können (Kapitel9). Ich schließe meiner Dissertation mit einer allgemeinen Diskussion (Kapitel 10). Die vorliegende Arbeit stellt einen umfangreichen Überblick der Diversität von kutikularen Kohlenwasserstoﬀen von Goldwespen dar. Dieser Einblick kann uns helfen, die Bedeutung von CHC-Proﬁlen für Arthropoden im Allgemeinen besser zu verstehen. Konkret beleuchten die durchgeführten Analysen die Entstehung und Evolution von interspeziﬁscher Diverstität bzw. Ähnlichkeiten von CHC-Proﬁlen und intraspeziﬁschen sexuellen Dimorphismus von CHC-Proﬁlen. Darüber hinaus wurden technische Methoden entwickelt, die zukünftige Arbeiten zu CHC Analysen von verschiedenen Insekten stark erleichtern könnten.
KW  - Chrysididae
KW  - Cuticular hydrocarbons
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-173418
ER  - 
TY  - THES
A1  - Lehenberger, Maximilian
T1  - Ecology and Evolution of symbiotic microbial communities in fungus farming ambrosia beetles
T1  - Ökologie und Evolution von symbiotischen mikrobiellen Gemeinschaften in Pilzzüchtenden Ambrosiakäfern
N2  - Within my PhD project I gained several novel insights into the poorly investigated 
symbiotic world of fungus farming ambrosia beetles and their bark beetle ancestors, 
where I especially focused on physiological interactions and capabilities of 
associated fungal symbionts. Here, (i) I could confirm the association of mutualistic 
Phialophoropsis fungi with the ambrosia beetle genus Trypodendron and found hints 
for a possible new Phialophoropsis species in T. signatum and T. domesticum. 
Moreover, I could show that mutualistic fungi of Trypodendron ambrosia beetles are 
able to decompose major woody polysaccharides such as cellulose and xylan. 
Additionally, (ii) I provided the first images using micro-computed tomography (µCT) 
of the formerly unknown structure of the mycetangium of Trypodendron leave. (iii) I 
could confirm a general tolerance towards ethanol in mutualistic ambrosia beetle 
fungi, while antagonistic fungi as well as most examined fungal bark beetle 
associates (e.g. possibly tree-defense detoxifying species) were highly sensitive to 
even low concentrations of ethanol. Further, (iv) I found that natural galleries of 
ambrosia beetles are highly enriched with several biologically important elements 
(such as N, P, S, K, Mg) compared to the surrounding woody tissue and suggest that 
mutualistic fungi are translocating and concentrating elements from the immediate
surrounding xylem to the beetles galleries. Furthermore, (v) I could show that various 
fungi associated with bark and ambrosia beetles (mutualists, possibly beneficial 
symbionts) are emitting several volatile organic compounds mostly within aliphatic 
and aromatic alcohols and esters, while non-mutualistic and free living species were 
generally emitting a lower number and amount of volatiles. Finally, especially bark 
and ambrosia beetle fungi were found to incorporate several amino acids, from which 
some are especially important for the production of certain volatile organic
compounds. Amino acid content also indicated a higher nutritional value for certain 
species. Here, I propose that especially volatile organic compounds are widespread 
key players in maintaining various symbioses between fungi and beetles, as already 
proven by a recent study on the bark beetle Ips typographus (as well as for some 
other bark beetle-fungus symbioses, see summary in Kandasamy et al. 2016) and 
also suggested for ambrosia beetles.
N2  - Im Rahmen meiner Promotion konnte ich einige neue Einblicke in die symbiotische 
Welt von Pilz-züchtenden Ambrosiakäfern sowie ihren direkten Vorfahren den 
Borkenkäfern, mit speziellen Fokus auf physiologische Interaktionen und 
Besonderheiten der assoziierten Pilzen, erlangen. Hier konnte ich (i) die Assoziation 
der europäischen Trypodendron Arten mit mutualistischen Pilzen in der Gattung 
Phialophoropsis generell bestätigen und fand des weiteren Hinweise auf eine 
vermutlich neue Phialophoropsis Art in den beiden Ambrosiakäfern T. domesticum
und T. signatum. Außerdem konnte ich zeigen, dass mutualistische Pilze, welche mit 
Ambrosiakäfern der Gattung Trypodendron assoziiert sind, wesentliche 
Polysaccharide im Holz (Cellulose und Xylan) abbauen können. Zusätzlich war es 
mir möglich, (ii) erstmals die Pilzsporen übertragende Struktur „Mycetangium“ des 
Ambrosiakäfers Trypodendron laeve zu untersuchen und durch den Einsatz von 
Mikro-Computertomographie (µCT) somit die ersten detaillierten Aufnahmen bereit 
zu stellen. Außerdem bestätigten und ergänzten meine Studien, (iii) das Ethanol� Toleranz unter Ambrosiakäfer-Pilzen eine wohl sehr weit verbreitete Besonderheit ist, 
wohingegen für die Käfer bzw. für die Ambrosiapilze schädliche Pilze stark durch 
schon geringe Ethanol-Konzentrationen gehemmt werden. Interessanterweise 
wurden auch nahezu alle mit Borkenkäfern assoziierten Pilze stark durch Ethanol 
gehemmt. Des Weiteren konnte ich zeigen, (iv) das natürliche Brutsysteme von 
Ambrosiakäfern, im Gegensatz zu unbesiedeltem Splintholz, sehr stark mit 
verschiedenen essentiellen Elementen (wie etwa N, P, S, K und Mg) angereichert 
sind. Sehr wahrscheinlich ist es den Pilzsymbionten möglich, Elemente aus 
unmittelbar umliegendem Splintholz abzuziehen und diese in den Brutsystemen der 
Käfer entsprechend anzureichern. Außerdem konnte ich zeigen, (v) das nahezu alle 
untersuchten Borken- und Ambrosiakäfer-Pilze (Mutualisten sowie möglicherweise 
begünstigende Symbionten) eine Vielzahl an flüchtigen Inhaltsstoffen produzieren, 
welche sich hier vor allem in die Gruppe der aliphatischen und aromatischen 
Alkohole und Ester eingliedern. Nicht mutualistische Pilze sowie freilebende Arten 
produzierten im Vergleich eine geringere Anzahl an unterschiedlichen flüchtigen 
Inhaltsstoffen und emittierten zumeist geringere Mengen davon. Schließlich konnte 
ich zeigen, dass vor allem Pilze welche mit Borken- und Ambrosiakäfern assoziiert 
sind, größere Mengen an verschiedenen Aminosäuren in ihrer Biomasse einbauen, 
von welchen einige besonders wichtig sind um bestimmte flüchtige Inhaltsstoffe zu 
bilden. Dazu kann durch den Anteil der gefundenen Aminosäuren in der 
Pilzbiomasse auf den nährstoffreichen Charakter der Pilze geschlossen werden.
Diese flüchtigen Inhaltsstoffe haben mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit eine 
essenzielle Rolle innerhalb einer Vielzahl an Käfer-Pilz Symbiosen und sind 
vermutlich maßgeblich an dem Erfolg und Bestand solcher Symbiosen beteiligt. Dies 
wurde bereits in jüngster Vergangenheit bei dem Borkenkäfer Ips typographus mit 
seinen assoziierten Pilzen gezeigt (aber auch bei einigen weiteren Borkenkäfern, 
siehe Zusammenfassung von Kandasamy et al., 2016), während es bei 
Ambrosiakäfern bisher nur vermutet wurde.
KW  - Ambrosia beetles
KW  - Ambrosiakäfer
KW  - bark beetles
KW  - fungi
KW  - symbiosis
KW  - mutualism
KW  - Borkenkäfer
KW  - Pilze
KW  - Symbiose
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-241546
PB  - Fungal Ecology, Frontiers in Microbiology, Deutsche Gesellschaft für allgemeine und angewandte Entomologie
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TY  - THES
A1  - Riemens, Renzo J. M.
T1  - Neuroepigenomics in Alzheimer’s disease: The single cell ADds
T1  - Neuroepigenomik bei der Alzheimer-Krankheit: Die Einzelzell ADds
N2  - Die Forschung, die in dieser Arbeit zusammengestellt wird, kann in zwei Teile geteilt werden. Der erste Teil, bestehend aus vier Kapiteln, konzentriert sich auf die Rolle der epigenetischen Dysregulation in der Ätiopathophysiologie der sporadischen Alzheimer-Krankheit (sAD). Neben Einblicken in die neuesten Entwicklungen in neuroepigenomischen Studien zu dieser Krankheit geht der erste Teil der Arbeit auch auf verbleibende Herausforderungen ein und gibt einen Ausblick auf mögliche Entwicklungen auf diesem Gebiet. Der zweite Teil, der drei weitere Kapitel umfasst, konzentriert sich auf die Anwendung von auf induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSC) basierenden Krankheitsmodellen für das Studium der AD, einschließlich, aber nicht beschränkt auf mechanistische Studien zur epigenetischen Dysregulation unter Verwendung dieser Plattform. Neben der Skizzierung der bisherigen Forschung mit iPSC-basierten Modellen für sAD gibt der zweite Teil der Arbeit auch Einblicke in die Gewinnung krankheitsrelevanter Nervenkulturen auf Basis der gezielten Differenzierung von iPSCs und beinhaltet darüber hinaus einen experimentellen Ansatz für den Aufbau eines solchen Modellsystems.
N2  - The research that is compiled in this thesis can be divided in two parts. The first part, consisting of four chapters, is centered around the role of epigenetic dysregulation in the etiopathophysiology of sporadic alzheimer's disease (sAD). In addition to providing insights into the most recent developments in neuroepigenomic studies of this disease, the first part of the thesis also touches upon remaining challenges, and provides a future outlook on possible developments in the field. The second part, which includes three more chapters, is focused on the application of induced pluripotent stem cell (iPSC)-based disease models for the study of AD, including but not limited to mechanistic studies on epigenetic dysregulation using this platform. Aside from outlining the research that has been conducted using iPSC-based models for sAD to date, the second part of the thesis also provides insights into the acquisition of disease-relevant neural cultures based on directed differentiation of iPSCs, and furthermore includes an experimental approach for the establishment of such a model system.
KW  - Epigenetik
KW  - Alzheimerkrankheit
KW  - Neuroepigenomics
KW  - Alzheimer's disease
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-254574
SN  - 978-94-6423-524-1
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TY  - THES
A1  - Becker, Mira Caroline
T1  - Principles of olfactory-visual integration to form a common percept in honeybees
T1  - Prinzipien der olfaktorisch-visuellen Integration des Lernverhaltens der Honigbienen
N2  - The honeybee is a well studied and important organism in neuroethology. The possibility to train them with a classical conditioning paradigm and their miniature brain provide a perfect requisite to investigate the neuronal principles of learning and memory. Honeybees use visual and olfactory cues to detect flowers during their foraging trips. Hence, the reward association of a nectar source is a multi-modal construct, which has at least two major components - olfactory and visual cues. It is still an open question, how both sensory components are converged in the mushroom body, which represent the multi-modal integration centre of the honeybee brain. The main goal of this study, is to investigate the processing of multiple modalities and how a reward association is formed. This includes, how and wether both sensory modalities interfere during learning. Thus, in this study stimulation with UV, blue and green light was used to evoke distinct photoreceptor activities in the compound eye. Furthermore, three different odours (Geraniol, Citronellol and Farnesol) were used. These stimuli were tested in three different experimental series. The first experiment involved classical differential conditioning of the single modalities - odour and colour. Honeybees showed high learning performances in differentiating olfactory stimuli and also reliable responses for visual conditioning. Furthermore, a temporal discrepancy in the stimulus length for best learning in the olfatcoty and visual cues was found. In the second series, it was tested how multi-modal compounds are perceived. This includes, unique cues (configural processing) or the sum of the single components of a compound (elemen- tal processing). This was tested by combining single odour components with monochromatic light in a positive (PP) and negative patterning (NP) experiment. During PP, the olfactory- visual compound was rewarded, whereas the single components were unrewarded. In contrast, during NP the single components were reinforced, but the compound was not. In addition, the ability to distinguish between two different light stimuli presented as a part of an olfactory-visual compound with the same odour component during acquisition was tested. In a memory test, the light stimuli were presented again as a compound and in addition as the single components. The results revealed that bees used elemental processing with compounds containing green and blue light. In contrast, when UV light was presented the bees used configural processing. Finally, a third experiment was conducted at the neuronal level. Multi-unit recordings were established to provide a suitable method to analyse extrinsic neurons at the mushroom body output region, the so called ventral lobe of the pedunculus. Here, three different odours (Geran- iol, Farnesol and Citronellol), two colours (green and blue) and two combined stimuli (colour + odour) were chosen as stimuli, to search for possible variations in processing stimuli with different modalities. Two units could be detected that responded mainly to visual stimuli.
N2  - Die Honigbiene ist ein gut untersuchter und wichtiger Organismus für die neuroethologische Forschung. Die Möglichkeit sie auf klassische Weise zu Konditionieren und ihr relativ kleines Gehirn macht sie zum idealen Untersuchungs-Gegenstand um die neuronalen Prinzipien des Lernens und der Gedächtnisbildung zu erforschen. Während des Furagierens nutzen Honigbi- enen beides: visuelle und olfaktorische Merkmale der Futterplanzen. Daher ist die Belohnungs- Assoziation mit der Nektar-Belohnung ein multi-modales Konstrukt, welches aus mindestens zwei Hauptkomponenten, den olfaktorischen und den visuellen Reizen, besteht. In dieser Arbeit soll untersucht werden, wie olfaktorische und visuelle Reize verarbeitet wer- den und wie sie im Pilzkörper, dem multi-modalen Integrationszentrum des Bienengehirnes, konvergieren. Wie beide sensorischen Modalitäten integriert werden um eine gemeingültige Belohnungs-Assoziation zu bilden, ist immer noch eine offene Frage. Weiterhin ist unklar ob und wie sie miteinander interferieren. Die hier dargestellten Studien nutzen Stimulationen mit UV, blauem und grünem Licht um unterschiedliche Photorezeptor Aktivitäten im Komplexauge auszulösen. Des Weiteren wurden drei verschiedene Duftkomponenten (Geraniol, Citronellol und Farnesol) verwendet. Diese Stimuli wurden in drei verschiedenen Experiment-Reihen gestestet. Das erste Experiment umfasste die klassische differentielle Konditionierung der Einzelmodalitäten (Duft und Farbe). Honigbienen zeigten eine hohe Lernfähigkeit bei der Unterscheidung zweier olfaktorischer Reize sowie eine solide Lern-Leistung während der Konditionierung mit Licht. Im zweiten Experiment wurde getestet, ob ein zusammengesetzter Reiz aus beiden Modalitäten als Summe der einzelnen Elemente (elementare Verarbeitung) oder als unikaler Reiz (konfigu- rale Verarbeitung) wahrgenommen wird. Hierbei wurde monochromatisches Licht und einzelne Duftkomponenten in positive patterning- (PP) und negative patterning-Experimenten (NP) getestet. Beim PP, wurde der zusammengesetzte Reiz belohnt, wohingegen die Einzelkom- ponenten unbelohnt blieben. Dagegen wurden beim NP nur die Einzelkomponenten belohnt, aber nicht ihre Kombination. Außerdem wurde der Frage nachgegangen, ob die Fähigkeit zur Differenzierung unterschiedlich ist, wenn zwei verschiedene Lichtreize teil einer olfaktorisch- visuellen Kombination sind, oder nicht. Interessanterweise zeigten die Verhaltensleistungen einen prominenten Fall von konfiguraler Verarbeitung, allerdings nur wenn UV-Licht ein El- ement der olfaktorisch-visuellen Zusammensetzung war. Die Ergebnisse der Experimente mit blauem oder grünem Licht hingegen, unterstützen die Theorie einer elementaren Verarbeitung. Abschließend wurde mittels elektrophysiologischer multi-unit-Aufnahmen eine passende Meth- ode etabliert, um die extrinsischen Neurone des Pilzkörpersausganges zu analysieren. Hierbei wurden drei verschiedene Düfte und zwei Farben sowie zwei Kombinationen aus Farbe und Duft getestet, um mögliche Variationen der multimodalen Reiz-Verarbeitung zu untersuchen. Zwei neuronale Einheiten (units) wurden gefunden, welche hauptsächlich auf Lichtreize antworteten.
KW  - honeybees
KW  - learning and behaviour
KW  - multi-modal stimuli
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-199190
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TY  - THES
A1  - Kumar, Manish
T1  - Structural and compositional effects on tree-water relation
T1  - Strukturelle und Zusammenseztungseffekte auf die Beziehung zwischen Baum und Wasser
N2  - Forests are essential sources of tangible and intangible benefits, but global climate change associated with recurrent extreme drought episodes severely affects forest productivity due to extensive tree die-back. On that, it appeals to an urgency for large-scale reforestation efforts to mitigate the impact of climate change worldwide; however, there is a lack of understanding of drought-effect on sapling growth and survival mechanisms. It is also challenging to anticipate how long trees can survive and when they succumb to drought. Hence, to ensure success of reforestation programs and sustainable forest productivity, it is essential to identify drought-resistant saplings. For that, profound knowledge of hydraulic characteristics is needed. To achieve this, the study was split into two phases which seek to address (1) how the hydraulic and anatomical traits influence the sapling’s growth rate under drought stress. (2) how plant water potential regulation and physiological traits are linked to species’ water use strategies and their drought tolerance.
The dissertation is assembled of two study campaigns carried out on saplings at the Chair of Botany II, University of Würzburg, Germany. The first study involved three ecologically important temperate broadleaved tree species — saplings of 18-month (Acer pseudoplatanus, Betula pendula, and Sorbus aucuparia) — grown from seeds in contrasting conditions (inside a greenhouse and outside), with the latter being subjected to severe natural heat waves. In the second study, two additional temperate species (Fagus sylvatica and Tilia cordata) were added. The drying-out event was conducted using a randomised blocked design by monitoring plant water status in a climate-controlled chamber and a greenhouse.
In campaign I, I present the result based on analysed data of 82 plants of temperate deciduous species and address the juvenile growth rate trade-off with xylem safety-efficiency. Our results indicate biomass production varies considerably due to the contrasted growing environment. High hydraulic efficiency is necessary for increased biomass production, while safety-efficiency traits are decoupled and species-specific. Furthermore, productivity was linked considerably to xylem safety without revealing a well-defined pattern among species. Moreover, plasticity in traits differed between stressed and non-stressed plants. For example, safety-related characteristics were more static than efficiency-related traits, which had higher intra-specific variation. Moreover, we recorded anatomical and leaf traits adjustments in response to a stress condition, but consistency among species is lacking.
In campaign II, I combined different ways to estimate the degree of isohydry based on water potential regulation and connected the iso-anisohydric spectrum (i.e., hydroscape area, HSA) to hydraulic traits to elucidate actual plant performance during drought. We analysed plant water potential regulation (Ψpd and Ψmd) and stomatal conductance of 28-29 month saplings of five species. I used a linear mixed modelling approach that allowed to control individual variations to describe the water potential regulation and tested different conceptual definitions of isohydricity. The combined methods allowed us to estimate species' relative degree of isohydry. Further, we examined the traits coordination, including hydraulic safety margin, HSM; embolism resistance, P88; turgor loss, Ψtlp; stomata closure, Ps90; capacitance, C; cuticular conductance, gmin, to determine time to hydraulic failure (Thf). Thf is the cumulative effect of time to stomata closure (Tsc) and time after stomatal closure to catastrophic hydraulic failure (Tcrit).
Our results show the species' HSA matches their stomatal stringency, which confirms the relationship between stomatal response and leaf water potential decline. Species that close stomata at lower water potential notably had a larger HSA. Isohydric behaviour was mostly associated with leaf hydraulic traits and poorly to xylem safety traits. Species' degree of isohydry was also unrelated to the species' time to death during drying-out experiments. This supports the notion that isohydry behaviours are linked to water use rather than drought survival strategies. Further, consistent with our assumptions, more isohydric species had larger internal water storage and lost their leaf turgor at less negative water potentials. Counter to our expectations, neither embolism resistance nor the associated hydraulic safety margins were related to metrics of isohydry. Instead, our results indicate traits associated with plant drought response to cluster along two largely independent axes of variation (i.e., stomatal stringency and xylem safety). Furthermore, on the temporal progression of plant drought responses, stomatal closure is critical in coordinating various traits to determine species' hydraulic strategies. Desiccation avoidance strategy was linked to Tsc and coordinated traits response of Ps90, Ψtlp, and HSA, whereas desiccation tolerance was related to Tcrit and traits such as lower P88 value, high HSM, and lower gmin. Notably, the shoot capacitance (C) is crucial in Thf and exhibits dichotomous behaviour linked to both Tsc and Tcrit. 
In conclusion, knowledge of growth rate trade-offs with xylem safety-efficiency combined with traits linked to species’ hydraulic strategies along the isohydry could substantially enhance our ability to identify drought-resistant saplings to ensure the success of reforestation programs and predicting sensitivity to drought for achieving sustainable forest ecosystems.
N2  - Wälder sind wichtige Quellen materieller und immaterieller Vorteile, aber der globale Klimawandel, der mit wiederkehrenden extremen Dürreperioden einhergeht, beeinträchtigt die Produktivität der Wälder aufgrund des starken Absterbens von Bäumen erheblich. Deshalb werden dringend groß angelegte Aufforstungsmaßnahmen gefordert, um die Auswirkungen des Klimawandels weltweit abzumildern. Allerdings fehlt es an Kenntnissen über die Auswirkungen von Dürre auf das Wachstum und die Überlebensmechanismen von Jungbäumen. Es ist auch schwierig, vorherzusehen, wie lange Bäume überleben können und wann sie der Trockenheit erliegen. Um den Erfolg von Wiederaufforstungsprogrammen und die nachhaltige Produktivität der Wälder zu gewährleisten, ist es daher unerlässlich, trockenheitsresistente Setzlinge zu identifizieren. Dazu ist eine profunde Kenntnis der hydraulischen Eigenschaften erforderlich. Um dies zu erreichen, wurde die Studie in zwei Phasen aufgeteilt, in denen untersucht werden soll, (1) wie die hydraulischen und anatomischen Merkmale die Wachstumsrate der Setzlinge unter Trockenstress beeinflussen. (2) wie die Regulierung des pflanzlichen Wasserpotenzials und die physiologischen Merkmale mit den Wassernutzungsstrategien der Arten und ihrer Trockentoleranz zusammenhängen. 
Die Dissertation setzt sich aus zwei Studienkampagnen zusammen, die am Lehrstuhl für Botanik II der Universität Würzburg an Setzlingen durchgeführt wurden. In der ersten Studie wurden drei ökologisch wichtige Laubbaumarten der gemäßigten Zonen - 18-monatige Setzlinge (Acer pseudoplatanus, Betula pendula und Sorbus aucuparia) - aus Samen unter unterschiedlichen Bedingungen (in einem Gewächshaus und im Freien) aufgezogen, wobei letztere schweren natürlichen Hitzewellen ausgesetzt waren. In der zweiten Studie wurden zwei weitere gemäßigte Arten (Fagus sylvatica und Tilia cordata) hinzugefügt. Der Austrocknungsversuch wurde in einem randomisierten Blockdesign durchgeführt, bei dem der Wasserhaushalt der Pflanzen in einer klimatisierten Kammer und einem Gewächshaus überwacht wurde.
In Kampagne I präsentiere ich die Ergebnisse, die auf den analysierten Daten von 82 Pflanzen gemäßigter Laubbaumarten basieren, und gehe auf den Kompromiss zwischen der Wachstumsrate von Jungpflanzen und der Sicherheitseffizienz des Xylems ein. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Biomasseproduktion aufgrund der unterschiedlichen Wachstumsbedingungen stark variiert. Eine hohe hydraulische Effizienz ist für eine erhöhte Biomasseproduktion notwendig, während die Sicherheitseffizienz entkoppelt und artspezifisch ist. Darüber hinaus war die Produktivität in erheblichem Maße mit der Xylemsicherheit verknüpft, ohne dass sich ein klar definiertes Muster zwischen den Arten ergab. Darüber hinaus war die Plastizität der Merkmale zwischen gestressten und nicht gestressten Pflanzen unterschiedlich. So waren beispielsweise sicherheitsbezogene Merkmale statischer als effizienzbezogene Merkmale, die eine stärkere intra-spezifische Variation aufwiesen. Darüber hinaus haben wir Anpassungen der anatomischen Merkmale und der Blatteigenschaften als Reaktion auf eine Stressbedingung festgestellt, aber es fehlt die Konsistenz zwischen den Arten.
In Kampagne II kombinierte ich verschiedene Methoden zur Schätzung des Isohydrierungsgrads auf der Grundlage der Wasserpotenzialregulierung und verknüpfte das iso-anisohydrische Spektrum (d. h. die Hydroscape-Fläche, HSA) mit hydraulischen Merkmalen, um die tatsächliche Leistung der Pflanzen bei Trockenheit zu ermitteln. Wir analysierten die Regulierung des pflanzlichen Wasserpotenzials (Ψpd und Ψmd) und die stomatäre Leitfähigkeit von 28-29 Monate alten Setzlingen von fünf Arten. Ich verwendete einen linearen gemischten Modellierungsansatz, der die Kontrolle individueller Variationen zur Beschreibung der Wasserpotenzialregulierung ermöglichte, und testete verschiedene konzeptionelle Definitionen der Isohydrizität. Die kombinierten Methoden ermöglichten es uns, den relativen Grad der Isohydrizität der Arten zu schätzen. Darüber hinaus untersuchten wir die Koordination der Merkmale, einschließlich der hydraulischen Sicherheitsspanne (HSM), des Embolieresistenz (P88), des Turgorverlustes (Ψtlp), des Spaltöffnungsgrades (Ps90), der Kapazität (C) und des kutikulären Leitwertes (gmin), um die Zeit bis zum hydraulischen Versagen (Thf) zu bestimmen. Thf ist der kumulative Effekt der Zeit bis zum Schließen der Spaltöffnungen (Tsc) und der Zeit nach dem Schließen der Spaltöffnungen bis zum katastrophalen hydraulischen Versagen (Tcrit).
Unsere Ergebnisse zeigen, dass die HSA der Arten mit ihrer Spaltöffnungsintensität übereinstimmt, was die Beziehung zwischen der Spaltöffnungsreaktion und dem Rückgang des Wasserpotenzials der Blätter bestätigt. Arten, die ihre Spaltöffnungen bei einem niedrigeren Wasserpotenzial schließen, hatten einen deutlich größeren HSA. Das isohydrische Verhalten stand hauptsächlich mit den hydraulischen Eigenschaften der Blätter in Verbindung und kaum mit den Sicherheitsmerkmalen des Xylems. Der Grad der Isohydrierung der Arten stand auch in keinem Zusammenhang mit der Zeit bis zum Absterben der Arten während der Austrocknungsversuche. Dies unterstützt die Annahme, dass das Isohydrie-Verhalten eher mit der Wassernutzung als mit Überlebensstrategien bei Trockenheit zusammenhängt. Darüber hinaus wiesen isohydrische Arten, wie von uns angenommen, einen größeren internen Wasserspeicher auf und verloren ihren Blattturgor bei weniger negativen Wasserpotentialen. Entgegen unseren Erwartungen standen weder die Embolieresistenz noch die damit verbundenen hydraulischen Sicherheitsspannen in Zusammenhang mit Isohydratisierungsmerkmalen. Stattdessen deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass sich die Merkmale, die mit der Reaktion der Pflanzen auf Trockenheit in Verbindung stehen, entlang zweier weitgehend unabhängiger Variationsachsen (d. h. stomatäre Strenge und Xylem-Sicherheit) gruppieren. Was den zeitlichen Verlauf der pflanzlichen Reaktionen auf Trockenheit betrifft, so ist der Stomataverschluss für die Koordinierung der verschiedenen Merkmale entscheidend, um die hydraulischen Strategien der Arten zu bestimmen. Die Strategie zur Vermeidung von Austrocknung war mit Tsc und koordinierten Merkmalen wie Ps90, Ψtlp und HSA verbunden, während die Austrocknungstoleranz mit Tcrit und Merkmalen wie einem niedrigeren P88-Wert, einem hohen HSM und einem niedrigeren gmin zusammenhing. Insbesondere die Sprosskapazität (C) ist für Thf entscheidend und zeigt ein dichotomes Verhalten, das sowohl mit Tsc als auch mit Tcrit zusammenhängt. 
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Wissen um die Wechselwirkungen zwischen der Wachstumsrate und der Sicherheitseffizienz des Xylems in Verbindung mit Merkmalen, die mit den hydraulischen Strategien der Arten entlang der Isohydrie zusammenhängen, unsere Fähigkeit, trockenheitsresistente Setzlinge zu identifizieren, erheblich verbessern könnte, um den Erfolg von Aufforstungsprogrammen zu gewährleisten und die Empfindlichkeit gegenüber Trockenheit vorherzusagen, um nachhaltige Waldökosysteme zu erreichen.
KW  - Wachstumsrate
KW  - hydraulic efficiency
KW  - phenotypic plasticity
KW  - growth rate
KW  - safety-efficiency trade-off
KW  - vulnerability curve
KW  - stomatal closure
KW  - desiccation time
KW  - hydroscape
KW  - cuticular conductance
KW  - shoot capacitance
KW  - Baum
KW  - Wasser
KW  - hydraulische Effizienz
KW  - Verwundbarkeitskurve
KW  - Stomatenverschluss
KW  - Hydroscape-Gebiet
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-326245
ER  -