TY  - THES
A1  - Peer, Markus
T1  - Sphingolipide – Analytik, Biosynthese und Funktion in der Arabidopsis thaliana Pathogenantwort
T1  - Sphingolipids – Analytics, Biosynthesis and Functions in the Arabidopsis thaliana Pathogen Interaction
N2  - Sphingolipide (SPL) sind wichtige und ubiquitar verbreitete Bestandteile von Biomembranen. Aufgrund der enormen Vielfalt, der komplexen Struktur und diverser physiko-chemischer Eigenschaften der Sphingolipide gestaltet sich die qualitative und quantitative Untersuchung der Sphingolipide allerdings schwierig. In dieser Arbeit konnten, basierend auf publizierten Methoden, analytische Verfahren entwickelt werden, mit deren Hilfe sich die Gehalte spezifischer Sphingolipide in A. thaliana quantitativ nachweisen lassen. Unter Einsatz eines targeted metabolite profiling-Ansatzes wurde die Rolle spezifischer Sphingolipide in der Pflanzen-Pathogen Interaktion charakterisiert. Infiltration von avirulenten P. syringae pv. tomato (Pst) in Blätter von A. thaliana führte zu schnell und transient erhöhten Gehalten der freien Sphingobase Phytosphingosin (t18:0). Im Gegensatz zu avirulenten Pst kam es nach Infiltration von virulenten Pst zu einer schnellen Rückkehr auf Basalniveau und nicht zu einer hypersensitiven Antwort (HR), was auf eine positiv regulatorische Rolle von t18:0 in Abwehrreaktionen von Pflanzen hinwies, z.B. bei der HR. Damit konnte in der vorliegenden Arbeit zum ersten Mal gezeigt werden, dass die Spiegel freier Sphingobasen der Pflanze, insbesondere von t18:0, in Antwort auf bakterielle Pathogene reguliert werden. Diese spezifische Regulation korreliert, in Abhängigkeit von der Pathogeninfektion, mit dem Verlauf der HR. Im Unterschied zu avirulenten Stämmen sind virulente Pst in der Lage, Abwehrreaktionen des Wirtsorganismus zu unterdrücken. Daher tritt keine HR auf, welche die Ausbreitung des Pathogens stoppen könnte. Die unterschiedliche Beeinflussung der t18:0 Gehalte virulenter und avirulenter Stämme zeigte sich auch in Experimenten mit einem anderen P. syringae Stamm. Freie Sphingobasen zeigten in dieser Arbeit typische Merkmale von Signalmolekulen: geringe basale Spiegel, schnelle und transiente Gehaltsanderungen, präzise Regulation sowie spezifische Wirkeffekte. Sphingolipide stellen somit, neben den etwa durch PAMPs ausgelösten und durch Phytohormone vermittelten, weitere Signalwege in der Pflanzen Pathogen Interaktion dar. Die Infiltration von Pst in Blätter der A. thaliana Mutante sbh1-1 führte zu transient erhöhten d18:0 Spiegeln. In dieser Mutante ist die Funktion von einer der zwei Sphingobasen-Hydroxylasen gestört. Wie sich nach Totalhydrolyse zeigte, sind die Gesamtgehalte von t18:0 in der Mutante allerdings nicht reduziert. Dies spricht dafür, dass der pathogenabhängige transiente Anstieg von t18:0 durch de novo Synthese aus d18:0 entsteht und nicht durch Freisetzung aus komplexen Sphingolipiden mittels spezifischer Lipasen. Somit ist die Hydroxylase SBH1 für den schnellen signalvermittelten Anstieg von t18:0 verantwortlich. Neben t18:0 lösen auch strukturell ähnliche freie Sphingobasen, z.B. d18:1 und d18:0, Abwehrreaktionen und Zelltod aus, während andere Sphingobasen (d20:0 und d20:1) sowie Ceramide keine Reaktionen auslösten. Dies weist auch direkt auf die Spezifität der beteiligten Mechanismen hin.
N2  - Sphingolipids (SPL) are important and ubiquitously distributed constituents of biological membranes. Due to the tremendous variety, complex structure and diverse physicochemical properties of sphingolipids, qualitative and quantitative analysis has only recently been possible due to newly developed methods in mass spectrometry and chromatography. In this work, analytical methods to quantitatively detect the SPL content in A. thaliana leaves were established based on published literature. Using a targeted metabolic profiling approach, the role of specific SPL in the plant‐pathogen interaction was characterized. In line with the production of reactive oxygen species (ROS), a hallmark of biotic stress, infiltration of the avirulent form of the phytopathogen P. syringae pv. tomato (Pst) led to a fast and transient increase of the free long chain base Phytosphingosine (t18:0). Virulent Pst showed also a fast and transient, but clearly less prolonged elevation of t18:0 levels. Also, no HR was elicited in response to the infiltration, pointing to a positive regulatory role of t18:0 in this plant defense response. This work shows, for the first time, that SPL, namely t18:0, were regulated in response to bacterial pathogens. The t18:0 kinetics showed a strong correlation with the course of the pathogen‐elicited HR. There was also evidence, that virulent Pst influences the plants own biosynthetic and regulatory mechanisms to inhibit the SPL mediated defense response. This was also the case with another tested Pseudomonas syringae strain. In this work, free long chain bases showed characteristics typical for signaling molecules: low basal levels, a fast and transient increase in response to pathogens and a tight regulation. Hence, SPL may represent members of signaling pathways in plant‐pathogen interactions in addition to or besides PAMP‐triggered and hormonal mediated signaling pathways. Infiltration of Pst into leaves of the A. thaliana hydroxylase mutant sbh1-1 led to transiently increased d18:0 levels in leaves. In this mutant, one of the two functional sphingobase hydroxylases of A. thaliana is impaired. As the total pool of t18:0 was not significantly reduced in the mutant after total hydrolysis, we argue that the pathogen‐dependent transient increase of t18:0 was due to de novo synthesis from d18:0 and not to the action of specific lipases. Furthermore SBH1 was responsible for the fast increase of t18:0 levels. In addition to t18:0, also other free long chain bases, e.g. d18:0, elicited plant reactions and cell death, whereas other long chain bases (d20:0 and d20:1) or ceramides elicited no response. Apparently, the specific lipid structure plays a major role for the efficiency in different signaling pathways.
KW  - Sphingolipide
KW  - Ackerschmalwand
KW  - Pseudomonas syringae tomato
KW  - Abwehrreaktion
KW  - Pathogeninteraktion
KW  - Sphingolipidstoffwechsel
KW  - Pseudomonas syringae
KW  - Schmalwand <Arabidopsis>
KW  - Sphingolipids
KW  - Pathogens
KW  - Pseudomonas
KW  - HPLC-MS
KW  - Arabidopsis
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-55034
ER  - 
TY  - THES
A1  - Weidauer, Stella Elisabeth
T1  - Strukturelle und funktionelle Charakterisierung des Knochenwachstums-Modulators Sclerostin
T1  - Structural and functional characterization of the bone-modulator protein sclerostin
N2  - Die Knochenhomöostase erfolgt durch das Zusammenspiel mehrerer Zelltypen. Während die Osteoblasten für den Knochenaufbau verantwortlich sind, resorbieren die Osteoklasten Knochengewebe. Beide Vorgänge werden durch die Osteozyten streng reguliert. Eine Störung im strikt regulierten Gleichgewicht zwischen Knochenabbau und Knochenaufbau kann daher zu Knochenkrankheiten wie Osteoporose führen. Auf molekularer Ebene erfolgt die Kommunikation zwischen den einzelnen Zelltypen über zwei wichtige Signalwege, den der „Bone Morphogenetic Protein“-Superfamilie (BMPs) und den der Wnt-Proteine. Die Signalübertragung wird hierbei durch sekretierte Faktoren induziert, die an Rezeptoren auf der Zelloberfläche binden. Deren Aktivierung führt zu einem intrazellulären Signal, welches letztlich die Expression von Zielgenen reguliert. Beide Signalwege werden auf mehreren Ebenen, extrazellulär, membranständig und intrazellulär reguliert. Das 2003 identifizierte Sclerostin ist ein Vertreter der extrazellulären Regulatorproteine und wurde aufgrund seiner Zugehörigkeit zur DAN-Familie zunächst fälschlicherweise als direkter Inhibitor des BMP-Signalwegs eingestuft. Mittlerweile wird allerdings davon ausgegangen, dass Sclerostin den Wnt-Signalweg negativ reguliert, indem es die Wnt Ko-Rezeptoren LRP5 und LRP6 bindet, die beide zu der Familie der „Low-density lipoprotein receptors“ gehören. Über den molekularen Inhibitionsmechanismus von Sclerostin war jedoch zum Startpunkt dieser Dissertationsarbeit wenig bekannt. Daher wurde Sclerostin im Rahmen dieser Arbeit biophysikalisch und biochemisch charakterisiert. Die Aufklärung mittels NMR-Spektroskopie ergab für Sclerostin eine Struktur, die sich in drei Regionen gliedert: den Cystinknoten, sowie einen „Loop“-Bereich und die Fingerregion. Vom zentralen Cystinknoten gehen drei Peptid-Schleifen in zwei entgegengesetzte Richtungen aus. Schleife eins und drei bilden eine definierte ß-Faltblattstruktur und ähneln zwei Fingern einer Hand. Die zweite Schleife, welche vom Cystinknoten isoliert in die entgegengesetzte Richtung verläuft („Loop“), ist wie die beiden langen N- und C-Termini flexibel und unstrukturiert. Die in Zusammenarbeit mit der Firma AbD-Serotec entstandenen Fab-Fragmente ermöglichten die Bestimmung des Bindeepitops der Sclerostin/LRP5-Interaktion im Bereich der unstrukturierten dritten Schleife von Sclerostin. Die Struktur von Sclerostin und die Identifikation des Bindeepitops auf Sclerostinseite geben nun erste Einblicke in den molekularen Mechanismus der Sclerostin/LRP5-Interaktion. Diese Kenntnis kann für die Entwicklung von Kleinmolekülinhibitoren mittels rationalem Drugdesign genutzt werden, welche, wie auch der in Kooperation entwickelte die Sclerostinaktivität neutralisierende Antikörper AbD09097, hochinteressante Ansätze für neuartige anabole Therapien von Krankheiten mit Knochenschwund darstellen.
N2  - Different cell types like osteoblasts, osteoclasts and osteocytes maintain bone homeostasis. While osteoblasts build up bone, osteoclasts resorb bone tissue and both actions are tightly regulated by the osteocytes. Imbalance between bone formation and resorption will lead to various bone diseases, e.g. osteoporosis. On a molecular level communication between these cell types occurs through two major signalling pathways, i.e. the bone morphogenetic proteins (BMPs) and the Wnt-factors. In both pathways signal transduction is induced by secreted factors, which bind to cell surface receptors. This activation leads to an intracellular signal that finally regulates expression of target genes. Both pathways are tightly regulated at various cellular levels, extracellular, at the membrane as well as intracellular. Sclerostin, which was identified in 2003, is a member of the extracellular modulator proteins. Initially it was wrongly classified as a direct inhibitor of the BMP-signalling pathway due to its classification as a member of the DAN-family. Meanwhile it became apparent that sclerostin targets the Wnt-pathway by binding to the Wnt co-receptors LRP5 and LRP6, which belong to the family of low-density lipoprotein receptors. At the beginning of this work very little was known about the molecular mechanism how sclerostin inhibits the Wnt-pathway. The structure analysis of sclerostin employing NMR-spectroscopy revealed in a modular architecture, which can be divided into three regions: the central, characteristic cystine knot, the loop-region and the two fingers. From the cystine knot three loops emanate in two opposite directions. Loop one and loop three form defined ß-sheet structures resembling two fingers of a hand. Loop two, which runs into the opposite direction, is unstructured and highly flexible like the long N- and C-termini. Antibody fab-fragments, which were generated in collaboration with AbD-Serotec, facilitated the mapping of the binding-epitop of sclerostin to LRP5/6, highlighting an extended area of the unstructured loop region of sclerostin as the LRP5/6 binding site. The high-resolution structure of sclerostin and the identification of the LRP5-binding-epitop yield first insights into the molecular mechanism of sclerostin-LRP5 interaction. This knowledge can now be used to develop small-molecule inhibitors by rational drug design, which are, like the sclerostin activity neutralising fab-fragment AbD09097, highly interesting targets for new bone-anabolic therapies of diseases characterised by bone loss.
KW  - Cytokine
KW  - Knochen-Morphogenese-Proteine
KW  - Wnt-Proteine
KW  - Transforming Growth Factor beta
KW  - Mehrdimensionale NMR-Spektroskopie
KW  - Struktur-Aktivitäts-B
KW  - LRP5/6
KW  - DAN-Modulatorproteine
KW  - Cystinknotenprotein
KW  - Knochenhomöostase
KW  - LRP5/6
KW  - DAN modulator proteins
KW  - cystin knot protein
KW  - bone homeostasis
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-46224
ER  - 
TY  - THES
A1  - Knapek, Stephan
T1  - Synapsin and Bruchpilot, two synaptic proteins underlying specific phases of olfactory aversive memory in Drosophila melanogaster
T1  - Synapsin und Bruchpilot, zwei synaptische Proteine für spezifische Komponenten von aversivem olfaktorischem Gedächtnis bei Drosophila melanogaster
N2  - Memory is dynamic: shortly after acquisition it is susceptible to amnesic treatments, gets gradually consolidated, and becomes resistant to retrograde amnesia (McGaugh, 2000). Associative olfactory memory of the fruit fly Drosophila melanogaster also shows these features. After a single associative training where an odor is paired with electric shock (Quinn et al., 1974; Tully and Quinn, 1985), flies form an aversive odor memory that lasts for several hours, consisting of qualitatively different components. These components can be dissociated by mutations, their underlying neuronal circuitry and susceptibility to amnesic treatments (Dubnau and Tully, 1998; Isabel et al., 2004; Keene and Waddell, 2007; Masek and Heisenberg, 2008; Xia and Tully, 2007). A component that is susceptible to an amnesic treatment, i.e. anesthesia-sensitive memory (ASM), dominates early memory, but decays rapidly (Margulies et al., 2005; Quinn and Dudai, 1976). A consolidated anesthesia-resistant memory component (ARM) is built gradually within the following hours and lasts significantly longer (Margulies et al., 2005; Quinn and Dudai, 1976). I showed here that the establishment of ARM requires less intensity of shock reinforcement than ASM. ARM and ASM rely on different molecular and/or neuronal processes: ARM is selectively impaired in the radish mutant, whereas for example the amnesiac and rutabaga genes are specifically required for ASM (Dudai et al., 1988; Folkers et al., 1993; Isabel et al., 2004; Quinn and Dudai, 1976; Schwaerzel et al., 2007; Tully et al., 1994). The latter comprise the cAMP signaling pathway in the fly, with the PKA being its supposed major target (Levin et al., 1992). Here I showed that a synapsin null-mutant encoding the evolutionary conserved phosphoprotein Synapsin is selectively impaired in the labile ASM. Further experiments suggested Synapsin as a potential downstream effector of the cAMP/PKA cascade. Similar to my results, Synapsin plays a role for different learning tasks in vertebrates (Gitler et al., 2004; Silva et al., 1996). Also in Aplysia, PKA-dependent phosphorylation of Synapsin has been proposed to be involved in regulation of neurotransmitter release and short-term plasticity (Angers et al., 2002; Fiumara et al., 2004). Synapsin is associated with a reserve pool of vesicles at the presynapse and is required to maintain vesicle release specifically under sustained high frequency nerve stimulation (Akbergenova and Bykhovskaia, 2007; Li et al., 1995; Pieribone et al., 1995; Sun et al., 2006). In contrast, the requirement of Bruchpilot, which is homologous to the mammalian active zone proteins ELKS/CAST (Wagh et al., 2006), is most pronounced in immediate vesicle release (Kittel et al., 2006). Under repeated stimulation of a bruchpilot mutant motor neuron, immediate vesicle release is severely impaired whereas the following steady-state release is still possible (Kittel et al., 2006). In line with that, knockdown of the Bruchpilot protein causes impairment in clustering of Ca2+ channels to the active zones and a lack of electron-dense projections at presynaptic terminals (T-bars). Thus, less synaptic vesicles of the readily-releasable pool are accumulated to the release sites and their release probability is severely impaired (Kittel et al., 2006; Wagh et al., 2006). First, I showed that Bruchpilot is required for aversive olfactory memory and localized the requirement of Bruchpilot to the Kenyon cells of the mushroom body, the second-order olfactory interneurons in Drosophila. Furthermore, I demonstrated that Bruchpilot selectively functions for the consolidated anesthesia-resistant memory. Since Synapsin is specifically required for the labile anesthesia sensitive memory, different synaptic proteins can dissociate consolidated and labile components of olfactory memory and two different modes of neurotransmission (high- vs. low frequency dependent) might differentiate ASM and ARM.
N2  - Gedächtnis ist ein dynamischer Prozess. In der Zeit kurz nach seiner Bildung ist es instabil und anfällig gegen amnestische Störungen, dann wird es schrittweise konsolidiert und schließlich resistent gegenüber retrogradem Gedächtnisverlust (McGaugh, 2000). Auch das assoziative olfaktorische Gedächtnis der Fruchtfliege Drosophila melanogaster zeigt diese Merkmale. Nach einem einzelnen assoziativen Training, in welchem ein Duft mit elektrischen Stromstößen gepaart wird, bilden die Fliegen ein aversives Duftgedächtnis, welches über mehrere Stunden anhält und aus qualitativ unterschiedlichen Komponenten besteht (Quinn et al., 1974; Tully and Quinn, 1985). Diese Komponenten können zum Beispiel durch Mutationen, die zugrunde liegenden neuronalen Verknüpfungen oder durch ihre Anfälligkeit für amnestische Behandlungen unterschieden werden (Dubnau and Tully, 1998; Isabel et al., 2004; Keene and Waddell, 2007; Masek and Heisenberg, 2008; Xia and Tully, 2007). Eine gegen amnestische Behandlungen, wie beispielsweise Kälte-induzierte Betäubung, anfällige Komponente beherrscht das frühe Gedächtnis, zerfällt jedoch schnell (Margulies et al., 2005; Quinn and Dudai, 1976). Diese wird deshalb Anästhesie-sensitives Gedächtnis genannt (anesthesia-sensitive memory [ASM]). Im Gegensatz dazu baut sich eine konsolidierte Komponente erst langsam in den folgenden Stunden nach dem Training auf, hält stattdessen jedoch länger an (Margulies et al., 2005; Quinn and Dudai, 1976). Diese Komponente ist resistent gegenüber Kälte-induzierter Anästhesie und wird deshalb als ARM (anesthesia-resistant memory) bezeichnet. In der vorliegenden Arbeit konnte ich zeigen, dass das konsolidierte ARM bereits mit deutlich weniger starken Elektroschocks im Training gebildet wird als das instabile ASM. ARM und ASM unterliegen unterschiedliche molekulare und/oder neuronale Prozesse. Während in einer Mutante für das radish Gen selektiv ARM beeinträchtigt ist, werden andere Gene wie zum Beispiel amnesiac oder rutabaga ausschließlich für ASM benötigt (Dudai et al., 1988; Folkers et al., 1993; Isabel et al., 2004; Quinn and Dudai, 1976; Schwaerzel et al., 2007; Tully et al., 1994). Die beiden letzteren sind Teil des cAMP Signalweges, welcher vermutlich hauptsächlich die cAMP abhängige Protein-Kinase A (PKA) aktiviert (Levin et al., 1992). Hier zeige ich, dass eine Null-Mutante für das evolutionär konservierte Phosphoprotein Synapsin einen selektiven Defekt in ASM hat. Weitere Experimente lassen vermuten, dass Synapsin als Effektor stromabwärts der cAMP/PKA Kaskade wirkt. Ähnlich wie bei Drosophila spielt Synaspin auch in Vertebraten eine Rolle in unterschiedlichen Lernparadigmen (Gitler et al., 2004; Silva et al., 1996). Auch in der Meeresschnecke Aplysia wurde eine PKA abhängige Phosphorylierung von Synapsin als Mechanismus für die Regulierung von Neurotransmitterausschüttung und Kurzzeitplastizität vorgeschlagen (Angers et al., 2002; Fiumara et al., 2004). Synapsin wird für die Bildung eines Reserve-Pools von Vesikeln an der Präsynapse und für die Aufrechterhaltung der Vesikelausschüttung speziell bei anhaltender, hochfrequenter Stimulation von Nervenzellen benötigt (Akbergenova and Bykhovskaia, 2007; Li et al., 1995; Pieribone et al., 1995; Sun et al., 2006). Im Gegensatz dazu wird Bruchpilot, ein Protein der aktiven Zone und homolog zu den ELKS/CAST Proteinen bei Säugern (Wagh et al., 2006), haupsächlich für sofortige Vesikelausschüttung gebraucht (Kittel et al., 2006). Bei wiederholter Stimulation an Motorneuronen einer bruchpilot Mutante ist die akute Vesikelausschüttung stark vermindert, während die darauf folgende andauernde Ausschüttung noch immer möglich ist (Kittel et al., 2006). Dazu passend beeinträchtigt eine künstliche Verminderung des Bruchpilot-Proteins die Ansammlung von Ca2+ Kanälen an den aktiven Zonen, sowie die Bildung von elektronendichten Strukturen (T-bars) an den präsynaptischen Endigungen. Deshalb akkumulieren weniger Vesikel des “readily-releasable” Pools an den Ausschüttungsstellen und die Ausschüttungswahrscheinlichkeit ist stark vermindert (Kittel et al., 2006; Wagh et al., 2006). In dieser Arbeit zeige ich zum ersten Mal, dass Bruchpilot für aversives olfaktorisches Gedächtnis benötigt wird. Der Ort an dem Bruchpilot hierfür gebraucht wird sind die Kenyon-Zellen des Pilzkörpers, die olfaktorischen Interneuronen zweiter Ordnung in Drosophila. Desweiteren zeige ich, dass die Funktion von Bruchpilot selektiv für das konsolidierte ARM ist. Da Synapsin spezifisch für das labile ASM benötigt wird, können diese beiden olfaktorischen Gedächtniskomponenten durch verschiedene synaptische Proteine getrennt werden, und zwei unterschiedliche Arten der Neurotransmitterausschüttung (abhängig von hoch- oder niedrig-frequenter Stimulation) könnten ASM und ARM auseinander halten.
KW  - Taufliege
KW  - Assoziatives Gedächtnis
KW  - Geruchswahrnehmung
KW  - Molekularbiologie
KW  - Synapsin
KW  - Bruchpilot
KW  - Präsynapse
KW  - Drosophila melanogaster
KW  - olfaktorisches Gedächtnis
KW  - Synapsin
KW  - Bruchpilot
KW  - presynapse
KW  - Drosophila melanogaster
KW  - olfactory memory
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-49726
ER  - 
TY  - THES
A1  - Grohmann, Constanze
T1  - Termite mediated heterogeneity of soil and vegetation patternsin a semi‐arid savanna ecosystem in Namibia
T1  - Einfluss von Termiten auf Vegetations- und Bodenmuster eines semi-ariden Savannenökosystems in Namibia
N2  - Termites are the most important soil ecosystem engineers of semi‐arid and arid habitats. They enhance decomposition processes as well as the subsequent mineralisation of nutrients by bacteria and fungi. Through their construction of galleries, nests and mounds, they promote soil turnover and influence the distribution of nutrients and also alter texture and hydrological properties of soils, thereby affecting the heterogeneity of their ecosystem. The main aim of the present thesis was to define the impact of termites on ecosys‐tem functioning in a semi‐arid ecosystem. In a baseline study, I assessed the diversity of termite taxa in relation to the amount of precipitation, the vegetation patterns and the land use systems at several sites in Namibia. Subsequently, I focussed on a species that is highly abundant in many African savannas, the fungus growing and mound building species Macro‐termes michaelseni (Sjöstedt, 1914). I asked how this species influences the spatial hetero‐geneity of soil and vegetation patterns. From repeated samplings at 13 sites in Namibia, I obtained 17 termite taxa of 15 genera. While the type of land use seems to have a minor effect on the termite fauna, the mean annual precipitation explained 96% and the Simpson index of vascular plant diversity 81% of the variation in taxa diversity. The number of termite taxa increased with both of these explanation variables. In contrast to former studies on Macrotermes mounds in several regions of Africa that I reviewed, soil analyses from M. michaelseni mounds in the central Namibian savanna revealed that they contain much higher nitrogen contents when compared to their parent material. Further analyses revealed that nitrate forms a major component of the nitrogen content in termite mounds. As nitrate solves easily in water, evaporation processes are most probably responsible for the transport of solved nitrates to the mound surface and their accumulation there. The analysed mounds in central Namibia contained higher sand propor‐tions compared to the mounds of the former studies. Through the higher percentage of coarse and middle sized pores, water moves more easily in sandy soils compared to more clayey soils. In consequence, evaporation‐driven nitrate accumulation can occur in the studied mounds at high rates. Hochgerechnet auf den Gesamtumfang der Hügel bedeckte das pro Jahr von einem bewohnten Hügel erodierte Material theoretisch einen 1 m breiten Kreisring um den Schwemmkegel des Hügels 2,4 mm hoch. Der entsprechende Wert für unbewohnte Hügel betrug 1,0 mm. To assess the amount of soil that erodes from termite mounds, I fastened four strong, 65 cm wide plastic bags at 14 mounds each and collected the soil that eroded during five rainfall events. Projected to the total mound circumference, the amount of soil eroded covers theoretically a 1 m wide circular ring around the pediment of an inhabited mound up to a height of 2.4 mm per year. For uninhabited mounds, the height of this soil layer would be 1.0 mm. Per hectare, roughly 245 kg eroded per year from the mounds. However, as the erosion rate depends on several factors such as rainfall intensity, soil texture and point of time within the rainy season, this is only a vague estimate. In order to determine up to which distance the soil erosion from the mounds still influences the chemical characteristics of the adjacent topsoil, I took samples from depth of 0–10 cm at 1, 5 and 25 m distances, respectively, from four different mounds and from the mounds themselves. The non‐metric multidimensional scaling of the soil properties showed strong differences between mound and off‐mound samples. Soil characteristics within the samples from the mounds did not differ largely. Similarly, I found no strong differences between the samples taken from the different distances from the mound. From these results I conclude that through the construction of foraging galleries and sheetings (soil constructions with which some termite species cover their food items), the soil eroding from termite mounds is quickly mixed with deeper soil layers. In consequence, mound material does not accumulate in the mound’s vicinity. In order to reveal how plant growth is influenced by termite mound material, we assessed the number of grass and herb individuals as well as the biomass of plants growing in situ on the base of mounds compared to adjacent sites. While the numbers of both grass and herb individuals were significantly lower compared to adjacent sites, the total biomass of plants growing on the base of mounds was significantly higher. Reverse results were obtained by pot experiments with radish (Raphanus sativus subsp. sativus) and sorghum (Sorghum sp.) growth. Both species grew significantly weaker on mound soil compared to adjacent soil. The contradictory results concerning the biomass of in situ and pot experi‐ments are most probably caused by the disturbance of the original soil structure during the potting process. The material was subsequently compacted through watering the plants. In contrast, Macrotermes mounds are pervaded by many macropores which seem to be essential for the plant roots to penetrate the soil. In the last part of this thesis, I posed the question how mounds of M. michaelseni are distributed and what factors might be responsible for this pattern. Former studies showed that mound size is correlated with the size of its inhabiting colony. With several multi‐scale analyses, I revealed that larger inhabited mounds were regularly distributed. Additionally, mounds which were closer together tended to be smaller than on average. This indicates that intraspecific competition controls the distribution and size of colonies and their mounds. Former studies concerning Odontotermes mounds substantiated that they are local hotspots of primary productivity and animal abundance. Based on these findings, simulations revealed that a regular distribution of these mounds leads to a greater ecosystem‐wide productivity compared to a random arrangement. As in the present study, plant biomass was higher at the mounds compared to off‐mound sites, this might hold true for M. michaelseni mounds. From the results of this thesis, I draw the conclusion that through their mound building activities, M. michaelseni strongly influences the distribution patterns of soil nutrients within the central Namibian savanna. These termites create sharp contrasts in nutrient levels and vegetation patterns between mound soils and off‐mound soils and enhance the heterogeneity of their habitats. Former studies revealed that habitat hetero‐geneity is important in generating species diversity and species richness in turn is correlated positively with biomass production and positively affects ecosystem services. In conclusion, the present thesis underlines the importance of M. michaelseni for ecosystem functioning of the central Namibian savanna.
N2  - Termiten sind die bedeutendsten Ökosystem‐Ingenieure in den Böden arider und semi‐arider Gebiete. Sie beschleunigen Zersetzungsprozesse und damit auch die nachfolgende Mineralisation von Nährstoffen durch Bakterien und Pilze. Durch den Bau ihrer Galerien, Nester und Hügel fördern sie die Umwälzung des Bodens und beeinflussen die Nährstoffver‐teilung, die Textur sowie die hydrologischen Eigenschaften der Böden. Durch diese Prozesse erhöhen sie die Heterogenität in den von ihnen bewohnten Ökosystemen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich vorrangig mit dem Einfluss von Termiten auf Ökosystemfunktionen eines semi‐ariden Ökosystems. Als Grundlage dazu habe ich die Diver‐sität von Termitentaxa und ihre Abhängigkeit von Niederschlagsmenge, Vegetationsmustern und Landnutzungssystemen auf verschiedenen Untersuchungsflächen in Namibia bestimmt. In dem darauffolgenden Teil der Arbeit habe ich mich auf die pilzzüchtende und hügel bauende Art Macrotermes michaelseni (Sjöstedt, 1914) konzentriert, eine Art, die in vielen afrikanischen Savannen in hoher Abundanz vorkommt. Ich habe mich damit beschäftigt, wie diese Art die räumliche Heterogenität von Böden und Vegetationsmustern beeinflusst. Durch wiederholtes Sammeln an 13 verschiedenen Untersuchungsgebieten in Namibia konnte ich 17 Termitentaxa aus 15 Gattungen erfassen. Während die Landnutzung einen unwesentlichen Einfluss auf die Termitenfauna hatte, konnte die Variation in der Taxa‐diversität zu 96% durch den mittleren jährlichen Niederschlag erklärt werden und zu 81% durch den Simpson‐Diversitäts‐Index der Gefäßpflanzen. Die Anzahl der Termitentaxa nahm mit diesen beiden Variablen zu. Im Gegensatz zu vorherigen Studien an Macrotermes Hügeln in verschiedenen Regionen Afrikas, enthielten Bodenproben der untersuchten Hügel in der zentralen namibi‐schen Savanne viel höhere Stickstoffgehalte im Vergleich zum Ausgangsmaterial. Weitere Analysen ergaben, dass der hohe Stickstoffgehalt in dem Hügelmaterial vor allem auf Nitrat zurückzuführen ist. Da Nitrat leicht wasserlöslich ist, gelangt es wahrscheinlich durch von Evaporation angetriebene Wasserbewegungen an die Hügeloberfläche und reichert sich dort an. Die untersuchten Termitenhügel in Namibia enthielten zudem höhere Sandgehalte im Vergleich zu den Hügeln der von mir ausgewerteten vorherigen Studien. Durch den höheren Anteil von Grob‐ und Mittelporen kann sich Wasser in sandigen Böden schneller bewegen als in tonigen Böden. Dadurch bedingt können in den untersuchten Hügeln Evaporation und Nitratakkumulation in hohen Raten erfolgen. Um die Menge des von den Termitenhügeln erodierenden Materials zu ermitteln, habe ich jeweils vier stabile, 65 cm breite Plastikbeutel an 14 Hügeln befestigt und mit diesen das Bodenmaterial aufgesammelt, das während fünf Regenereignissen von den Hügeln abgeschwemmt wurde. Hochgerechnet auf den Gesamtumfang der Hügel bedeckte das pro Jahr von einem bewohnten Hügel erodierte Material theoretisch einen 1 m breiten Kreisring um den Schwemmkegel des Hügels 2,4 mm hoch. Der entsprechende Wert für unbewohnte Hügel betrug 1,0 mm. Projiziert auf eine Fläche von einen Hektar erodierten insgesamt etwa 245 kg Hügelmaterial pro Jahr. Dabei muss berücksichtigt werden, dass dies nur eine ganz grobe Schätzung ist, da die Erosionsrate von verschiedenen Faktoren wie der Regenintensität, der Körnung des Bodens und des Zeitpunkts innerhalb der Regensaison abhängt. Um zu erfassen, bis zu welcher Distanz der erodierte Boden die chemische Zusammensetzung des Umgebungsbodens beeinflusst, habe ich aus jeweils 0–10 cm Tiefe Proben in 1, 5 und 25 m Entfernung sowie als Kontrolle von den Hügeln selbst genommen. Mit Hilfe nichtmetrischer multidimensionaler Skalierung konnte ich zeigen, dass sich die Bodeneigenschaften des Hügelmaterials stark von denen des Umgebungsbodens unter‐schieden. Innerhalb der Hügelproben variierten die Bodeneigenschaften nur gering. Ebenso konnte ich zwischen den Proben, die aus den drei Entfernungen stammten, keine starken Unterschiede feststellen. Aus diesen Ergebnissen schlussfolgere ich, dass der von den Termitenhügeln erodierende Boden sich durch den Bau von unterirdischen Gängen und „sheetings“ (Konstruktionen aus Bodenmaterial, mit denen einige Termitenarten ihre Nahrungsstücke umziehen) schnell mit tieferen Bodenschichten mischt. Infolgedessen sammelt sich das Hügelmaterial nicht in der näheren Umgebung des Hügels an. Um herauszufinden, wie das Pflanzenwachstum durch Termitenhügelmaterial beein‐flusst wird, haben wir die Anzahl und Biomasse von Gräsern und Kräutern erhoben, die in situ an der Basis von Hügel wuchsen. Während die Individuenzahl der Gräser und die der Kräuter signifikant geringer waren, war die Gesamtbiomasse der Pflanzen, die an der Hügel‐basis wuchsen, signifikant höher im Vergleich zu benachbarten Flächen. Umgekehrte Ergeb‐nisse wurden durch Versuche erzielt, bei denen Radieschen (Raphanus sativus subsp. sativus) und Sorghum (Sorghum sp.) Pflanzen in Folientöpfen herangezogen wurden. Beide Arten wuchsen signifikant schlechter auf Hügelerde im Vergleich zu Umgebungsboden. Die widersprüchlichen Ergebnisse im Bezug auf die Biomasse der in situ‐ und Wachstums‐Experimente werden wahrscheinlich durch die Zerstörung der ursprünglichen Bodenstruktur während des Umfüllens der Erde in die Folientöpfe verursacht. Zudem verstärkte das Gießen der Pflanzen die Verdichtung des Materials. Im Gegensatz dazu sind Macrotermes Hügel von vielen Makroporen durchzogen, die für die Durchwurzelung der komprimierten Böden essentiell zu sein scheinen. Im letzten Teil der vorliegenden Arbeit befasse ich mich mit der Frage, wie M. michaelseni Bauten verteilt sind und welche Faktoren dafür verantwortlich sind. Frühere Stu‐dien haben gezeigt, dass die Hügelgröße mit der Größe der Kolonie korreliert ist, die den jeweiligen Hügel bewohnt. Mit verschiedenen Mehrskalenverfahren konnte ich darlegen, dass größere bewohnte Hügel regulär verteilt waren. Außerdem waren Hügel, die enger zusammen standen, kleiner als der Durchschnitt der Hügel. Dieses deutet darauf hin, dass intraspezifische Konkurrenz die Verteilung und Größe der Hügel und deren Kolonien regu‐liert. Frühere Studien an Odontotermes Hügeln haben gezeigt, dass diese lokale Zentren der Primärproduktion und der Abundanz von Tieren sind. Mit darauf basierenden Simulationen konnte nachgewiesen werden, dass eine reguläre Verteilung von Hügeln im Vergleich zu einer zufälligen Anordnung zu einer größeren Gesamtproduktivität des Ökosystems führt. Da in der vorliegenden Arbeit die Pflanzenbiomasse an den Hügeln höher war als an benachbar‐ten Stellen, könnte dieses auch für M. michaelseni Hügel zutreffen. Aus den Ergebnissen dieser Arbeit ziehe ich die Schlussfolgerung, dass M. michaelseni durch ihre Hügelbauaktivitäten die Verteilungsmuster von Bodennährstoffen in der zentra‐len namibischen Savanne stark beeinflusst. Die Termiten erzeugen deutliche Kontraste in Bezug auf Nährstoffgehalt und Vegetationsmuster zwischen Hügelboden und benachbarten Stellen und erhöhen so die Heterogenität ihrer Habitate. Von früheren Studien ist bekannt, dass Habitatheterogenität eine hohe Artendiversität erzeugt. Eine hohe Diversität wiederum ist mit der Biomasseproduktion positiv korreliert und hat einen positiven Einfluss auf Öko‐systemdienstleistungen. Schlussendlich unterstreicht die vorliegende Arbeit die Bedeutung von M. michaelseni für Ökosystemfunktionen in der Savanne Zentralnamibias.
KW  - Termiten
KW  - Namibia
KW  - Vegetation
KW  - Boden
KW  - Termiten
KW  - Bodeneigenschaften
KW  - Bodenheterogenität
KW  - termites
KW  - soil heterogeneity
KW  - Namibia
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-54318
ER  - 
TY  - THES
A1  - Saverschek, Nicole
T1  - The influence of the symbiotic fungus on foraging decisions in leaf-cutting ants - Individual behavior and collective patterns
T1  - Einfluss des symbiontischen Pilzes auf das Furagierverhalten von Blattschneiderameisen - Individuelles Verhalten und kollektive Muster
N2  - Foraging behavior is a particularly fascinating topic within the studies of social insects. Decisions made by individuals have effects not only on the individual level, but on the colony level as well. Social information available through foraging in a group modulates individual preferences and shapes the foraging pattern of a colony. Identifying parameters influencing foraging behavior in leaf-cutting ants is especially intriguing because they do not harvest for themselves, but for their symbiotic fungus which in turn influences their plant preferences after the incorporation of the substrate. To learn about the substrates’ unsuitability for the fungus, ants need to be able to identify the incorporated substrate and associate it with detrimental effects on the fungus. Odor is an important plant characteristic known to be used as recognition key outside the nest in the context of foraging. Chapter 1 shows that foragers are able to recall information about the unsuitability of a substrate through odor alone and consequently reject the substrate, which leads to the conclusion that inside the nest, odor might be enough to indentify incorporated substrate. Identification of plant species is a key factor in the foraging success of leaf-cutting ants as they harvest a multitude of different plant species in a diverse environment and host plant availability and suitability changes throughout the year. Fixed plant preferences of individuals through innate tendencies are therefore only one factor influencing foraging decisions. On the individual as well as the colony level, foraging patterns are flexible and a result of an intricate interplay between the different members involved in the harvesting process: foragers, gardeners and the symbiotic fungus. In chapter 2 I identified several conditions necessary for naïve foragers to learn about the unsuitability of substrate inside the nest. In order to exchange of information about the unsuitability of a substrate, the plant in question must be present in the fungus garden. Foragers can learn without own foraging experience and even without experiencing the effects of the substrate on the fungus, solely through the presence of experienced gardeners. The presence of experienced foragers alone on the other hand is not enough to lower the acceptance of substrate by naïve foragers in the presence of naïve gardeners, even if experienced foragers make up the majority of the workforce inside the nest. Experienced foragers are also able to reverse their previous negative experience and start accepting the substrate again. The individual behavior of foragers and gardeners with different experiential backgrounds in the presence of suitable or unsuitable substrate inside the fungus chamber was investigated in chapter 3 to shed some light on possible mechanisms involved in the flow of information about substrate suitability from the fungus to the ants. Gardeners as well as foragers are involved in the leaf processing and treatment of the applied leaf patches on the fungus. If the plant material is unsuitable, significantly more ants treat the plant patches, but foragers are less active overall. Contacts between workers initiated by either gardeners or foragers occur significantly more frequent and last longer if the substrate is unsuitable. Even though experienced gardeners increase naïve foragers’ contact rates and duration with other workers in the presence of suitable plant patches, naïve foragers show no differences in the handling of the plant patches. This suggests that foragers gain information about plant suitability not only indirectly through the gardening workers, but might also be able to directly evaluate the effects of the substrate on the fungus themselves. Outside the nest, foragers influence each other the trail (chapter 4). Foraging in a group and the presence of social information is a decisive factor in the substrate choice of the individual and leads to a distinct and consentaneous colony response when encountering unfamiliar or unsuitable substrates. As leaf-cutting ants harvest different plant species simultaneously on several trails, foragers gain individual experiences concerning potential host plants. Preferences might vary among individuals of the same colony to the degree that foragers on the same trail perceive a certain substrate as either suitable or unsuitable. If the majority of foragers on the trail perceives one of the currently harvested substrates as unsuitable, naïve foragers lower their acceptance within 4 hours. In the absence of a cue in the fungus, naïve foragers harvesting by themselves still eventually (within 6 hours) reject the substrate as they encounter experienced gardeners during visits to the nest within foraging bouts. As foraging trails can be up to 100 m long and foragers spend a considerable amount of time away from the nest, learning indirectly from experienced foragers on the trail accelerates the distribution of information about substrate suitability. The level of rejection of a formerly unsuitable substrate after eight hours of foraging by naïve foragers correlates with the average percentage of unladen experienced foragers active on the trail. This suggests that unladen experienced foragers might actively contact laden naïve workers transmitting information about the unsuitability of the load they carry. Results from experiments were I observed individual laden foragers on their way back to the nest backed up this assumption as individuals were antennated and received bites into the leaf disk they carried. Individuals were contacted significantly more often by nestmates that perceived the carried leaf disk as unsuitable due to previous experience than by nestmates without this experience (chapter 6). Leaf-cutting ants constantly evaluate, learn and re-evaluate the suitability of harvested substrate and adjust their foraging activity accordingly. The importance of the different sources of information within the colony and their effect on the foraging pattern of the colony depend on the presence or absence of each of them as e.g. experienced foragers have a bigger influence on the plant preferences of naïve foragers in the absence of a cue in the fungus garden.
N2  - Besonders faszinierend ist das Furagierverhalten sozialer Insekten. Entscheidungen von Individuen haben nicht nur direkte Auswirkungen auf individueller Ebene, sondern auch auf Kolonieebene. Soziale Informationen modulieren individuelle Präferenzen beim Furagieren in der Gruppe und beeinflussen dadurch das Aktivitätsmuster der Kolonie. Die Identifizierung der Faktoren, die das Furagierverhalten beeinflussen, ist bei Blattschneiderameisen komplex, da sie nicht für sich, sondern für ihren symbiotischen Pilz furagieren. Dieser wiederum beeinflusst die Pflanzenwahl der Ameisen nach der Einarbeitung des Pflanzenmaterials in den Pilz. Um zu lernen, dass das eingebaute Substrat für den Pilz ungeeignet ist, müssen die Ameisen in der Lage sein, das bereits eingebaute Substrat zu identifizieren und mit den negativen Effekten auf den Pilz zu assoziieren. Duft ist ein bedeutendes Pflanzencharakteristikum, das außerhalb des Nestes als Identifizierungsmerkmal im Furagierkontext verwendet wird. In Kapitel 1 zeige ich, das Pflanzendüfte alleine ausreichen um Furageuren die Information aus dem Pilzgarten über die des Substrates ins Gedächtnis zu rufen. Furageure lehnen auf Grund des Duftes allein das Substrat bereits ab. Dies lässt den Rückschluss zu, dass Duft möglicherweise als Identifizierungsmerkmal des in den Pilz eingebauten Substrats ausreichend ist. Die Identifizierung von Pflanzenarten ist ein wesentlicher Faktor des Furagiererfolgs bei Blattschneiderameisen, da diese eine Vielzahl unterschiedlicher Pflanzenarten ernten, deren Verfügbarkeit und Eignung sich im Jahresverlauf ändert. Angeborene individuelle Präferenzen sind daher nur einer von mehreren Faktoren, die die Furagierentscheidungen beeinflussen. Sowohl auf individueller als auch auf Kolonieebene sind die beobachteten Muster in der Furagieraktivität flexibel und das Ergebnis eines komplexen Wechselspiels aller Beteiligten im Furagierprozess: die Furageure, die Gärtnerinnen und der symbiotische Pilz. In Kapitel 2 habe ich mehrere Bedingungen identifiziert, die notwendig sind, damit naive Furageure im Nest lernen können, das ein Substrat für den Pilz ungeeignet ist. Um Informationen über die Pflanzenqualität austauschen zu können, ist die Anwesenheit des Substrats im Nest erforderlich. Furageure können allein durch die Anwesenheit erfahrener Gärtnerinnen lernen, ohne eigene Furagiererfahrung und ohne die negativen Effekte des Substrats auf den Pilz erfahren zu haben. Andererseits ist die Anwesenheit erfahrener Furageure allein nicht genug, um die Akzeptanz des Substrats durch naive Furageure zu verringern, wenn die Gärtnerinnen naiv sind, selbst wenn die erfahrenen Furageure die Mehrzeit der Tiere im Nest stellen. Erfahrene Furageure sind auch in der Lage, ihre früheren negativen Erfahrungen zu revidieren und das Substrat wieder zu akzeptieren. Das Individualverhalten von Furageuren und Gärtnerinnen mit unterschiedlichem Erfahrungshintergrund in der Anwesenheit von geeignetem oder ungeeignetem Pflanzenmaterial im Pilz wurde in Kapitel 3 untersucht. Hierbei sollten mögliche Mechanismen des Informationsflusses vom Pilz zu den Ameisen aufgedeckt werden. Sowohl Gärtnerinnen als auch Furageure sind in die Bearbeitung des Blattmaterials involviert. Ist das Blattmaterial ungeeignet, wird es von signifikant mehr Ameisen bearbeitet, aber die allgemeine Aktivität der Furageure ist geringer als bei der Bearbeitung von geeignetem Substrat. Ist das Pflanzenmaterial ungeeignet, finden signifikant mehr und längere Kontakte zwischen den Ameisen statt. Die Anwesenheit erfahrener Gärtnerinnen hat keinen Einfluss auf die Bearbeitungszeit oder Frequenz des geeigneten Blattmaterials durch naive Furageure, sie haben aber einen Einfluss auf die von naiven Furageuren induzierten Kontakte. Diese sind in Anwesenheit von erfahrenen Gärtnerinnen häufiger und länger. Dies lässt vermuten, das Furageure sowohl direkt über den Zustand des Pilzes, als auch indirekt durch Kontakte mit erfahrenen Gärtnerinnen lernen, das ein Substrat für den Pilz ungeeignet ist. Außerhalb des Nestes beeinflussen sich Furageure gegenseitig auf den Erntestraßen (Kapitel 4). Das Furagieren in der Gruppe und die dadurch zur Verfügung stehende soziale Informationen sind ein entscheidender Faktor in der Pflanzenwahl von Individuen und führt zu einer klaren und deutlichen Kolonieantwort bei unbekannten oder ungeeigneten Pflanzenarten. Da Blattschneiderameisen mehrere Pflanzenarten gleichzeitig auf unterschiedlichen Erntestraßen eintragen, unterscheiden sich Furageure in ihren individuellen Erfahrungen. Individuelle Präferenzen innerhalb einer Kolonie können sich so stark voneinander unterscheiden, dass eine Pflanze von unterschiedlichen Furageuren auf derselben Erntestraße sowohl als geeignet als auch als ungeeignet bewertet werden kann. Wenn die Mehrheit der auf der Erntestraße aktiven Furageure negative Erfahrungen mit dem Substrat hat und es als ungeeignet bewertet, dann verringert sich die Akzeptanz dieses Substrates durch naive Furageure ebenfalls signifikant innerhalb von 4 Stunden. Wenn die negativen Effekte im Pilzgarten nicht mehr zu detektieren sind lehnen naive Furageure in Abwesenheit von erfahren Furageuren das Substrat nach ungefähr 6 Stunden ab, da sie bei ihren Nestbesuchen auf erfahrene Gärtnerinnen stoßen. Da Erntestraßen bis zu 100 m lang sein können und Furageure daher lange unterwegs sind, beschleunigt das indirekte Lernen durch erfahrene Furageure auf der Erntestraße die Verbreitung der Information über die Substratqualität innerhalb der Kolonie. Das Maß der Ablehnung des ursprünglich ungeeigneten Substrats durch naive Furageure nach 8 Stunden furagieren korreliert mit dem durchschnittlichen Prozentsatz an unbeladenen, erfahrenen Furageuren auf der Erntestraße. Dies lässt vermuten, dass unbeladene, erfahrene Furageure beladene naive Furageure aktiv kontaktieren und dadurch Informationen über das ungeeignete Substrat übermitteln. Ergebnisse von Individualbeobachtungen unterstützen diese Vermutung. In Kapitel 6 zeige ich, dass beladene Rekruten auf dem Weg zurück zum Nest signifikant häufiger von anderen Furageuren kontaktiert werden, wenn diese negative Erfahrungen mit der vom Rekruten getragenen Pflanzenart haben als wenn die Pflanzenart als geeignet bewertet wird. Blattschneiderameisen bewerten, lernen und bewerten wieder die Qualität geernteten Substrats und passen ihr Furagierverhalten entsprechend an. Die verschiedenen Informationsquellen über die Pflanzenqualität innerhalb der Kolonie haben eine unterschiedliche Gewichtung abhängig von der An- oder Abwesenheit von einer von Ihnen. Zum Beispiel haben erfahrene Furageure in der Abwesenheit von negativen Effekten im Pilzgarten einen deutlich größeren Einfluss auf die Präferenzen naiver Furageure.
KW  - Blattschneiderameisen
KW  - Nahrungserwerb
KW  - Erfahrung
KW  - Lernen
KW  - Furagierverhalten
KW  - kollektive Muster
KW  - Soziale Insekten
KW  - Verhaltensforschung
KW  - social insects
KW  - leaf-cutting ants
KW  - learning
KW  - experience
KW  - foraging behavior
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-52087
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Koetschan, Christian
A1  - Foerster, Frank
A1  - Keller, Alexander
A1  - Schleicher, Tina
A1  - Ruderisch, Benjamin
A1  - Schwarz, Roland
A1  - Mueller, Tobias
A1  - Wolf, Matthias
A1  - Schultz, Joerg
T1  - The ITS2 Database III-sequences and structures for phylogeny
N2  - The internal transcribed spacer 2 (ITS2) is a widely used phylogenetic marker. In the past, it has mainly been used for species level classifications. Nowadays, a wider applicability becomes apparent. Here, the conserved structure of the RNA molecule plays a vital role. We have developed the ITS2 Database (http://its2.bioapps .biozentrum.uni-wuerzburg.de) which holds information about sequence, structure and taxonomic classification of all ITS2 in GenBank. In the new version, we use Hidden Markov models (HMMs) for the identification and delineation of the ITS2 resulting in a major redesign of the annotation pipeline. This allowed the identification of more than 160 000 correct full ength and more than 50 000 partial structures. In the web interface, these can now be searched with a modified BLAST considering both sequence and structure, enabling rapid taxon sampling. Novel sequences can be annotated using the HMM based approach and modelled according to multiple template structures. Sequences can be searched for known and newly identified motifs. Together, the database and the web server build an exhaustive resource for ITS2 based phylogenetic analyses.
KW  - Biologie
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-68390
ER  - 
TY  - THES
A1  - Fischer, Andreas
T1  - The Role of Protein-Protein Interactions in the Activation Cycle of RAF Kinases
T1  - Die Rolle von Protein-Protein Interaktionen im Aktivierungszyklus der RAF Kinasen
N2  - Members of the RAF protein kinase family are key regulators of diverse cellular processes. The need for isoform-specific regulation is reflected by the fact that all RAFs not only display a different degree of activity but also perform isoform-specific functions at diverse cellular compartments. Protein-protein-interactions and phosphorylation events are essential for the signal propagation along the Ras-RAF-MEK-ERK cascade. More than 40 interaction partners of RAF kinases have been described so far. Two of the most important regulators of RAF activity, namely Ras and 14-3-3 proteins, are subject of this work. So far, coupling of RAF with its upstream modulator protein Ras has only been investigated using truncated versions of RAF and regardless of the lipidation status of Ras. We quantitatively analyzed the binding properties of full-length B- and C-RAF to farnesylated H-Ras in presence and absence of membrane lipids. While the isolated Ras-binding domain of RAF exhibit a high binding affinity to both, farnesylated and nonfarnesylated H-Ras, the full-length RAF kinases demonstrate crucial differences in their affinity to Ras. In contrast to C-RAF that requires carboxyterminal farnesylated H-Ras for interaction at the plasma membrane, B-RAF also binds to nonfarnesylated H-Ras in the cytosol. For identification of the potential farnesyl binding site we used several fragments of the regulatory domain of C-RAF and found that the binding of farnesylated H-Ras is considerably increased in the presence of the cysteine-rich domain of RAF. In B-RAF a sequence of 98 amino acids at the extreme N terminus enables binding of Ras independent of its farnesylation status. The deletion of this region altered Ras binding as well as kinase properties of B-RAF to resemble C-RAF. Immunofluorescence studies in mammalian cells revealed essential differences between B- and C-RAF regarding the colocalization with Ras. In conclusion, our data suggest that that B-RAF, in contrast to C-RAF, is also accessible for nonfarnesylated Ras in the cytosolic environment due to its prolonged N terminus. Therefore, the activation of B-RAF may take place both at the plasma membrane and in the cytosolic environment. Furthermore, the interaction of RAF isoforms with Ras at different subcellular sites may also be governed by the complex formation with 14-3-3 proteins. 14-3-3 adapter proteins play a crucial role in the activation of RAF kinases, but so far no information about the selectivity of the seven mammalian isoforms concerning RAF association and activation is available. We analyzed the composition of in vivo RAF/14-3-3 complexes isolated from mammalian cells with mass spectrometry and found that B-RAF associates with a greater variety of 14-3-3 proteins than C- and A-RAF. In vitro binding assays with purified proteins supported this observation since B-RAF showed highest affinity to all seven 14-3-3 isoforms, whereas C-RAF exhibited reduced affinity to some and A-RAF did not bind to the 14-3-3 isoforms epsilon, sigma, and tau. To further examine this isoform specificity we addressed the question of whether both homo- and heterodimeric forms of 14-3-3 proteins participate in RAF signaling. By deleting one of the two 14-3-3 isoforms in Saccharomyces cerevisiae we were able to show that homodimeric 14-3-3 proteins are sufficient for functional activation of B- and C-RAF. In this context, the diverging effect of the internal, inhibiting and the activating C-terminal 14-3-3 binding domain in RAF could be demonstrated. Furthermore, we unveil that prohibitin stimulates C-RAF activity by interfering with 14-3-3 at the internal binding site. This region of C-RAF is also target of phosphorylation as part of a negative feedback loop. Using tandem MS we were able to identify so far unknown phosphorylation sites at serines 296 and 301. Phosphorylation of these sites in vivo, mediated by activated ERK, leads to inhibition of C-RAF kinase activity. The relationship of prohibitin interference with 14-3-3 binding and phosphorylation of adjacent sites has to be further elucidated. Taken together, our results provide important new information on the isoform-specific regulation of RAF kinases by differential interaction with Ras and 14-3-3 proteins and shed more light on the complex mechanism of RAF kinase activation.
N2  - RAF Protein Kinasen sind essentielle Regulatoren verschiedener zellulärer Prozesse. Unterschiedlich starke Aktivitäten und Lokalisation der drei RAF Isoformen erfordern eine isoform-spezifische Regulation. Der Einfluss von Protein-Protein Interaktionen und Phosphorylierungen ist dabei mitentscheidend für die Signalweiterleitung entlang der Ras-RAF-MEK-ERK Kaskade. Mehr als 40 Interaktionspartner der RAF Kinasen wurden bereits beschrieben von denen zwei der wichtigsten, Ras und 14-3-3 Proteine, Gegenstand der vorliegenden Arbeit sind. Die Interaktion von RAF mit seinem vorgeschaltetem Modulatorprotein Ras wurde bislang nur mit verkürzten RAF-Proteinen und ohne Rücksicht auf den Lipidierungsgrad von Ras untersucht. Wir haben die Bindeeigenschaften von B- und C-RAF in voller, nativer Länge zu farnesyliertem H-Ras in Gegenwart und Abwesenheit von Membranlipiden quantifiziert. Während die isolierte Ras-Bindungsdomäne eine hohe Affinität sowohl zu farnesyliertem als auch nicht-farnesyliertem H-Ras aufweist, zeigen die RAF Proteine in voller Länge entscheidende Unterschiede in ihrem Bindeverhalten zu Ras. C-RAF benötigt für eine effiziente Interaktion mit H-Ras dessen C-terminale Farnesylgruppe, wobei B-RAF auch an nicht-farnesyliertes H-Ras im Cytosol bindet. Um die verantwortliche Farnesylbinderegion zu identifizieren haben wir verschiedene Fragmente der regulatorischen Domäne von C-RAF eingesetzt. Dadurch konnten wir zeigen, dass die Affinität zu farnesyliertem Ras in Gegenwart der sogenannten Cystein-reichen Domäne von RAF beträchtlich erhöht war. In B-RAF ist eine Sequenz von 98 Aminosäuren am N-Terminus verantwortlich für die Ras-Bindung unabhängig von dessen Farnesylierungszustand. Die Deletion dieser Sequenz von B-RAF veränderte die Ras-Bindungseigenschaften sowie die Kinaseaktivität vergleichbar mit C-RAF. Durch Immunfluoreszenzversuche in Säugerzellen konnten darüber hinaus Unterschiede in der Kolokalisation von B- und C-RAF mit Ras beobachtet werden. Zusammenfassend deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass B-RAF, im Gegensatz zu C-RAF, aufgrund seines verlängerten N-Terminus in der Lage ist bereits im Cytosol auch mit unfarnesyliertem Ras zu interagieren, wodurch die Aktivierung von B-RAF sowohl im Cytosol als auch an der Plasmamenbran erfolgen kann. Die Interaktion der RAF-Isoformen mit Ras in unterschiedlichen zellulären Kompartimenten kann aber auch durch die Komplexbildung mit 14-3-3 Proteinen beeinflusst werden. Die 14-3-3 Adapter Proteine spielen eine entscheidende Rolle im Aktivierungszyklus der RAF Proteine. Bislang waren jedoch keine Details bezüglich der Selektivität der sieben 14-3-3 Isoformen aus Säugerzellen hinsichtlich der Assoziation mit und Aktivierung der RAF Kinasen bekannt. Wir haben RAF/14-3-3 Komplexe aus Säugerzellen isoliert und durch Massenspektrometrie analysiert. Dadurch konnten wir zeigen, dass B-RAF mit einer größeren Vielfalt an 14-3-3 Isoformen bindet als C- und A-RAF. In vitro Bindungsversuche mit gereinigten Proteinen bestätigten die höhere Affinität von B-RAF zu allen sieben Säuger-14-3-3 Proteinen. C-RAF dagegen zeigte eine deutlich reduzierte Affinität, während für A-RAF keine Bindung zu den 14-3-3 Isoformen epsilon, sigma, und tau festgestellt wurde. Um diese Isoformspezifität weiter aufzuklären haben wir untersucht, ob sowohl Homo- als auch Heterodimere von 14-3-3 in der Lage sind die RAF-Signaltransduktion zu beeinflussen. Durch die Deletion einer der beiden 14-3-3 Isoformen aus Saccharomyces cerevisiae konnten wir zeigen, dass bereits ein 14-3-3 Homodimer für die korrekte Aktivierung von B- und C-RAF ausreichend ist. In diesem Zusammenhang konnte auch die Rolle der internen, inhibierenden 14-3-3 Bindestelle in RAF gegenüber der C-terminalen, aktivierenden Stelle dargelegt werden. Zusätzlich zeigen wir, dass Prohibitin seinen aktivierenden Einfluss gegenüber C-RAF durch die Beeinträchtigung der 14-3-3 Bindung an der internen Stelle in RAF ausübt. Diese Region in C-RAF ist das Ziel von Phosphorylierungen im Zuge eines negativen Rückkopplungsmechanismus. Durch den Einsatz von Tandem-Massenspektrometrie konnten wir bislang unbekannte Phosphorylierungsstellen an den Serinen 296 und 301 identifizieren deren ERK-vermittelte Phosphorylierung in vivo eine Inaktivierung der C-RAF bewirkt. Der Zusammenhang zwischen der Behinderung der 14-3-3 Anlagerung durch Prohibitin und die Phosphorylierung in unmittelbarer Nachbarschaft bedarf weiterer Untersuchungen. Zusammengefasst liefern unsere Ergebnisse wichtige Informationen bezüglich der isoform-spezifischen Regulation der RAF Kinasen durch die Interaktion mit Ras und 14-3-3 Proteinen und helfen die komplexen Mechanismen der RAF Aktivierung weiter aufzuklären.
KW  - Signaltransduktion
KW  - Raf <Biochemie>
KW  - Biochemie
KW  - Ras
KW  - H-ras
KW  - Proteininteraktion
KW  - signal transduction
KW  - biochemistry
KW  - Ras
KW  - Raf
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-48139
N1  - Aus rechtlichen Gründen sind die in der Dissertation abgedruckten, bereits in Zeitschriften veröffentlichten Artikel (Seiten 34 - 80) nicht in der elektronischen Version enthalten.
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Bollazzi, Martin
A1  - Roces, Flavio
T1  - The thermoregulatory function of thatched nests in the South American grass-cutting ant, Acromyrmex heyeri
N2  - The construction of mound-shaped nests by ants is considered as a behavioral adaptation to low environmental temperatures, i.e., colonies achieve higher and more stables temperatures than those of the environment. Besides the well-known nests of boreal Formica wood-ants, several species of South American leaf-cutting ants of the genus Acromyrmex construct thatched nests. Acromyrmex workers import plant fragments as building material, and arrange them so as to form a thatch covering a central chamber, where the fungus garden is located. Thus, the degree of thermoregulation attained by the fungus garden inside the thatched nest largely depends on how the thatch affects the thermal relations between the fungus and the environment. This work was aimed at studying the thermoregulatory function of the thatched nests built by the grass-cutting ant Acromyrmex heyeri Forel (Hymenoptera: Formicidae: Myrmicinae). Nest and environmental temperatures were measured as a function of solar radiation on the long-term. The thermal diffusivity of the nest thatch was measured and compared to that of the surrounding soil, in order to assess the influence of the building material on the nest’s thermoregulatory ability. The results showed that the average core temperature of thatched nests was higher than that of the environment, but remained below values harmful for the fungus. This thermoregulation was brought about by the low thermal diffusivity of the nest thatch built by workers with plant fragments, instead of the readily-available soil particles that have a higher thermal diffusivity. The thatch prevented diurnal nest overheating by the incoming solar radiation, and avoided losses of the accumulated daily heat into the cold air during the night. The adaptive value of thatching behavior in Acromyrmex leaf-cutting ants occurring in the southernmost distribution range is discussed.
KW  - Acromyrmex heyeri
KW  - building behaviour
KW  - thermal biology
KW  - nest material
KW  - heat transfer
KW  - leaf-cutting ants
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-68225
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Herpin, Amaury
A1  - Braasch, Ingo
A1  - Kraeussling, Michael
A1  - Schmidt, Cornelia
A1  - Thoma, Eva C.
A1  - Nakamura, Shuhei
A1  - Tanaka, Minoru
A1  - Schartl, Manfred
T1  - Transcriptional Rewiring of the Sex Determining dmrt1 Gene Duplicate by Transposable Elements
N2  - Control and coordination of eukaryotic gene expression rely on transcriptional and posttranscriptional regulatory networks. Evolutionary innovations and adaptations often require rapid changes of such networks. It has long been hypothesized that transposable elements (TE) might contribute to the rewiring of regulatory interactions. More recently it emerged that TEs might bring in ready-to-use transcription factor binding sites to create alterations to the promoters by which they were captured. A process where the gene regulatory architecture is of remarkable plasticity is sex determination. While the more downstream components of the sex determination cascades are evolutionary conserved, the master regulators can switch between groups of organisms even on the interspecies level or between populations. In the medaka fish (Oryzias latipes) a duplicated copy of dmrt1, designated dmrt1bY or DMY, on the Y chromosome was shown to be the master regulator of male development, similar to Sry in mammals. We found that the dmrt1bY gene has acquired a new feedback downregulation of its expression. Additionally, the autosomal dmrt1a gene is also able to regulate transcription of its duplicated paralog by binding to a unique target Dmrt1 site nested within the dmrt1bY proximal promoter region. We could trace back this novel regulatory element to a highly conserved sequence within a new type of TE that inserted into the upstream region of dmrt1bY shortly after the duplication event. Our data provide functional evidence for a role of TEs in transcriptional network rewiring for sub- and/or neo-functionalization of duplicated genes. In the particular case of dmrt1bY, this contributed to create new hierarchies of sex-determining genes.
KW  - Gen
KW  - dmrt1
KW  - sex-determining gene
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-68437
ER  - 
TY  - THES
A1  - Lütkenhaus, Katharina
T1  - Tumour development in Raf-driven cancer mouse models
T1  - Tumor-Entwicklung in Raf-transgenen Mausmodellen
N2  - Metastasis is the cause of death in 90% of cancer-related deaths in men. Melanoma and Non-Small-Cell Lung Cancer (NSCLC) are both tumour types with poor prognosis, lacking appropriate therapeutic possibilities, not least because of their high rate of metastasis. Thus understanding the process of metastasis might unravel therapeutic targets for developing further therapeutic strategies. The generation of a transgenic mouse model expressing B-RafV600E in melanocytes, a mutation that is found in about 60% of all melanoma, would result in an ideal tool to study melanoma progression and metastasis. In this work, a doxycycline-inducible system was constructed for expression of B-RafV600E and transgenic animals were generated, but the expression system has to be improved, since this strategy didn’t give rise to any viable, transgene carrying mice. Furthermore, since it was shown in the work of others that the metastatic behavior of tumour cell lines could be reversed by an embryonic microenvironment and the influence of a tumourigenic microenvironment on melanocytes lead to the acquisition of tumour cell-like characteristics, the question arose, whether B-Raf is as important in melanocyte development as it is in melanoma progression. In this work, the embryonal melanocyte development in B-Raf-deficient and wildtype mouse embryos was examined and there were no differences observed in the localization and number of neural crest stem cells as well as in the localization of the dopachrome-tautomerase positive melanoblasts in the embryos and in cultured neural tube explants. The expression of oncogenic C-Raf in lung epithelial cells has yielded a model for NSCLC giving rise to adenomas lacking spontaneous progression or metastasis. The co-expression of c-Myc in the same cells accelerates the tumour development and gives rise to liver and lymphnode metastases. The expression of c-Myc alone in lung epithelial cells leads to late tumour development with incomplete penetrance. A mutation screen in this work resulted in the observation that a secondary mutation in KRas or LKB1 is necessary for tumour formation in the c-Myc single transgenic animals and suggested metastasis as an early event, since the corresponding metastases of the mutation-prone primary lung tumours were negative for the observed mutations. Furthermore, in this work it was shown that the expression of chicken c-Myc in a non-metastatic NSCLC cell line leads to metastatic clones, showing that c-Myc is sufficient to induce metastasis. Additionally a panel of metastasis markers was identified, that might serve as diagnostic markers in the future.
N2  - In 90% der Todesfälle aufgrund von Krebserkrankungen sind Metastasen für den Tod des Patienten verantwortlich. Sowohl Melanom, als auch nicht-kleinzelliges Lungenkarzinom (Non-Small Cell Lung Cancer, NSCLC) sind beides Tumortypen, die eine schlechte Prognose haben und für die sich wenige Therapiemöglichkeiten bieten, nicht zuletzt aufgrund ihrer häufigen Metastasierung. Somit würde ein besseres Verständnis des Metastasierungsprozesses neue therapeutische Angriffspunkte aufdecken und damit die Möglichkeit zur Entwicklung neuer Therapieansätze bieten. Die Entwicklung eines transgenen Mausmodells, in dem B-RafV600E, eine Mutation die man in 60% der Melanompatienten findet, melanocyten-spezifisch exprimiert wird, würde ein geeignetes Werkzeug ergeben, um die Entstehung und die Metastasierung von Melanom zu untersuchen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Konstrukt zur Doxycyclin-abhängingen Expression von B-RafV600E erzeugt und mit diesem wurden transgene Tiere generiert. Da dieser Ansatz nicht zu lebensfähigen, das Transgen tragenden Linien führte, muss das Expressionssystem weiter verbessert werden. Da in der Arbeit von anderen gezeigt wurde, dass das metastasierende Verhalten von Tumor-Zelllinien durch eine embryonale Mikroumgebung aufgehoben werden konnte, und dass der Einfluss einer tumorähnlichen Mikroumgebung in Melanocyten zur Erlangung von Tumorzell-Charakteristika führte, kam die Frage auf, ob B-Raf eine ähnlich wichtige Rolle in der Entwicklung von Melanocyten wie in der Entstehung von Melanomen spielt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die embryonale Melanocytenentwicklung in B-Raf-defizienten sowie in wildtypischen Mausembryonen untersucht. Es konnten keine Unterschiede in der Lokalisation und Anzahl von Stammzellen des Neuralrohres und in der Lokalisation von Dopachrome-tautomerase positiven Melanoblasten in den Embryonen und in kultivierten Explantaten des Neuralrohres festgestellt werden. Die Expression von oncogenem C-Raf in Lungenepithelzellen von Mäusen ist ein Modell für NSCLC und führt zur Ausbildung von Adenomen ohne spontane Weiterentwicklung oder Metastasen. Die Koexpression von C-Raf mit c-Myc in denselben Zellen beschleunigt die Entwicklung von Tumoren und führt zu Metastasen in Leber und Lymphknoten. Die Expression von c-Myc alleine in Lungenepithelzellen führt zu einer verspäteten Entwicklung von Tumoren mit nicht vollständiger Penetranz. Ein Screening für Mutation im Rahmen dieser Arbeit führte zu der Beobachtung, dass Sekundärmutationen in KRas oder LKB1 für die Tumorentwicklung in den c-Myc transgenen Tieren notwendig sind und dass die Metastasierung ein frühes Ereignis zu seien scheint, da die zugehörigen Metastasen in Leber und Lymphknoten im Gegensatz zum Primärtumor in der Lunge keine Mutationen in diesen Genen trugen. Desweiteren wurde in dieser Arbeit gezeigt, dass die Expression von avianem c-Myc in einer nicht-metastasierenden NSCLC Zelllinie zu metastasierenden Klonen führte, was zeigt, dass c-Myc ausreichend ist um Metastasierung auszulösen. Zusätzlich wurde eine Reihe von Markern für Metastasen identifiziert, die in Zukunft als diagnostische Marker Verwendung finden könnten.
KW  - Raf <Biochemie>
KW  - Melanom
KW  - Metastase
KW  - Lungenkrebs
KW  - Raf
KW  - Myc
KW  - NSCLC
KW  - metastasis
KW  - Raf
KW  - Myc
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-48332
ER  -