570 Biowissenschaften; Biologie
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Studying how cambial age and axial height affects wood anatomical traits may improve our understanding of xylem hydraulics, heartwood formation and axial growth. Radial strips were collected from six different heights (0–11.3 m) along the main trunk of three Manchurian catalpa (Catalpa bungei) trees, yielding 88 samples. In total, thirteen wood anatomical vessel and fiber traits were observed usinglight microscopy (LM) and scanning electron microscopy (SEM), and linear models were used to analyse the combined effect of axial height, cambial age and their interaction. Vessel diameter differed by about one order of magnitude between early- and latewood, and increased significantly with both cambial age and axial height in latewood, while it was positively affected by cambial age and independent of height in earlywood. Vertical position further had a positive effect on earlywood vessel density, and negative effects on fibre wall thickness, wall thickness to diameter ratio and length. Cambial age had positive effects on the pit membrane diameter and vessel element length, while the annual diameter growth decreased with both cambial age and axial position. In contrast, early- and latewood fiber diameter were unaffected by both cambial age and axial height. We further observed an increasing amount of tyloses from sapwood to heartwood, accompanied by an increase of warty layers and amorphous deposits on cell walls, bordered pit membranes and pit apertures. This study highlights the significant effects of cambial age and vertical position on xylem anatomical traits, and confirms earlier work that cautions to take into account xylem spatial position when interpreting wood anatomical structures, and thus, xylem hydraulic functioning.
Bulb, leaf, scape and flower samples of British bluebells (Hyacinthoides non-scripta) were collected regularly for one growth period. Methanolic extracts of freeze-dried and ground samples showed antitrypanosomal activity, giving more than 50% inhibition, for 20 out of 41 samples. High-resolution mass spectrometry was used in the dereplication of the methanolic extracts of the different plant parts. The results revealed differences in the chemical profile with bulb samples being distinctly different from all aerial parts. High molecular weight metabolites were more abundant in the flowers, shoots and leaves compared to smaller molecular weight ones in the bulbs. The anti-trypanosomal activity of the extracts was linked to the accumulation of high molecular weight compounds, which were matched with saponin glycosides, while triterpenoids and steroids occurred in the inactive extracts. Dereplication studies were employed to identify the significant metabolites via chemotaxonomic filtration and considering their previously reported bioactivities. Molecular networking was implemented to look for similarities in fragmentation patterns between the isolated saponin glycoside at m/z 1445.64 [M + formic-H](-) equivalent to C64H104O33 and the putatively found active metabolite at m/z 1283.58 [M + formic-H](-) corresponding to scillanoside L-1. A combination of metabolomics and bioactivity-guided approaches resulted in the isolation of a norlanostane-type saponin glycoside with antitrypanosoma I activity of 98.9% inhibition at 20 mu M.
In plants, antimicrobial immune responses involve the cellular release of anions and are responsible for the closure of stomatal pores. Detection of microbe-associated molecular patterns (MAMPs) by pattern recognition receptors (PRRs) induces currents mediated via slow-type (S-type) anion channels by a yet not understood mechanism. Here, we show that stomatal closure to fungal chitin is conferred by the major PRRs for chitin recognition, LYK5 and CERK1, the receptor-like cytoplasmic kinase PBL27, and the SLAH3 anion channel. PBL27 has the capacity to phosphorylate SLAH3, of which S127 and S189 are required to activate SLAH3. Full activation of the channel entails CERK1, depending on PBL27. Importantly, both S127 and S189 residues of SLAH3 are required for chitin-induced stomatal closure and anti-fungal immunity at the whole leaf level. Our results demonstrate a short signal transduction module from MAMP recognition to anion channel activation, and independent of ABA-induced SLAH3 activation.
In contrast to the plasma membrane, the vacuole membrane has not yet been associated with electrical excitation of plants. Here, we show that mesophyll vacuoles from Arabidopsis sense and control the membrane potential essentially via the K\(^+\)-permeable TPC1 and TPK channels. Electrical stimuli elicit transient depolarization of the vacuole membrane that can last for seconds. Electrical excitability is suppressed by increased vacuolar Ca\(^{2+}\) levels. In comparison to wild type, vacuoles from the fou2 mutant, harboring TPC1 channels insensitive to luminal Ca\(^{2+}\), can be excited fully by even weak electrical stimuli. The TPC1-loss-of-function mutant tpc1-2 does not respond to electrical stimulation at all, and the loss of TPK1/TPK3-mediated K\(^{+}\) transport affects the duration of TPC1-dependent membrane depolarization. In combination with mathematical modeling, these results show that the vacuolar K\(^+\)-conducting TPC1 and TPK1/TPK3 channels act in concert to provide for Ca\(^{2+}\)- and voltage-induced electrical excitability to the central organelle of plant cells.
(1) Background: After the discovery and application of Chlamydomonas reinhardtii channelrhodopsins, the optogenetic toolbox has been greatly expanded with engineered and newly discovered natural channelrhodopsins. However, channelrhodopsins of higher Ca\(^{2+}\) conductance or more specific ion permeability are in demand. (2) Methods: In this study, we mutated the conserved aspartate of the transmembrane helix 4 (TM4) within Chronos and PsChR and compared them with published ChR2 aspartate mutants. (3) Results: We found that the ChR2 D156H mutant (XXM) showed enhanced Na\(^+\) and Ca\(^{2+}\) conductance, which was not noticed before, while the D156C mutation (XXL) influenced the Na\(^+\) and Ca\(^{2+}\) conductance only slightly. The aspartate to histidine and cysteine mutations of Chronos and PsChR also influenced their photocurrent, ion permeability, kinetics, and light sensitivity. Most interestingly, PsChR D139H showed a much-improved photocurrent, compared to wild type, and even higher Na+ selectivity to H\(^+\) than XXM. PsChR D139H also showed a strongly enhanced Ca\(^{2+}\) conductance, more than two-fold that of the CatCh. (4) Conclusions: We found that mutating the aspartate of the TM4 influences the ion selectivity of channelrhodopsins. With the large photocurrent and enhanced Na\(^+\) selectivity and Ca\(^{2+}\) conductance, XXM and PsChR D139H are promising powerful optogenetic tools, especially for Ca\(^{2+}\) manipulation.
Metabolomic profiling of different Premna odorata Blanco (Lamiaceae) organs, bark, wood, young stems, flowers, and fruits dereplicated 20, 20, 10, 20, and 20 compounds, respectively, using LC–HRESIMS. The identified metabolites (1–34) belonged to different chemical classes, including iridoids, flavones, phenyl ethanoids, and lignans. A phytochemical investigation of P. odorata bark afforded one new tetrahydrofurofuran lignan, 4β-hydroxyasarinin 35, along with fourteen known compounds. The structure of the new compound was confirmed using extensive 1D and 2D NMR, and HRESIMS analyses. A cytotoxic investigation of compounds 35–38 against the HL-60, HT-29, and MCF-7 cancer cell lines, using the MTT assay showed that compound 35 had cytotoxic effects against HL-60 and MCF-7 with IC50 values of 2.7 and 4.2 µg/mL, respectively. A pharmacophore map of compounds 35 showed two hydrogen bond acceptor (HBA) aligning the phenoxy oxygen atoms of benzodioxole moieties, two aromatic ring features vectored on the two phenyl rings, one hydrogen bond donor (HBD) feature aligning the central hydroxyl group and thirteen exclusion spheres which limit the boundaries of sterically inaccessible regions of the target’s active site.
Obwohl Pflanzenwurzeln mit einer Vielzahl von Pathogenen in Kontakt kommen, sind induzierbare Abwehrreaktionen der Wurzel bisher kaum beschrieben. Aufgrund der konzentrischen Zellschicht-Organisation der Wurzel wird angenommen, dass bei einer Immunantwort in jeder Zellschicht ein spezifisches genetisches Programm aktiviert wird. Eine Überprüfung dieser Hypothese war bisher wegen methodischen Limitierungen nicht möglich. Die zellschichtspezifische Expression Epitop-markierter ribosomaler Proteine erlaubt eine Affinitätsaufreinigung von Ribosomen und der assoziierten mRNA. Diese Methodik, als TRAP (Translating Ribosome Affinity Purification) bezeichnet, ermöglicht die Analyse des Translatoms und wurde dahingehend optimiert, pflanzliche Antworten auf Befall durch bodenbürtige Mikroorganismen in Rhizodermis, Cortex, Endodermis sowie Zentralzylinder spezifisch zu lokalisieren. Die Genexpression in der Arabidopsis-Wurzel nach Inokulation mit drei Bodenorganismen mit unterschiedlichen Lebensweisen wurde vergleichend betrachtet: Piriformospora indica kann als mutualistischer Pilz pflanzliches Wachstum und Erträge positiv beeinflussen, wohingegen der vaskuläre Pilz Verticillium longisporum für erhebliche Verluste im Rapsanbau verantwortlich ist und der hemibiotrophe Oomycet Phytophthora parasitica ein breites Spektrum an Kulturpflanzen befällt und Ernten zerstört. Für die Interaktionsstudien zwischen Arabidopsis und den Mikroorganismen während ihrer biotrophen Lebensphase wurden sterile in vitro-Infektionssysteme etabliert und mittels TRAP und anschließender RNA-Sequenzierung eine zellschichtspezifische, genomweite Translatomanalyse durchgeführt (Inf-TRAP-Seq). Dabei zeigten sich massive Unterschiede in der differentiellen Genexpression zwischen den Zellschichten, was die Hypothese der zellschichtspezifischen Antworten unterstützt. Die Antworten nach Inokulation mit pathogenen bzw. mutualistischen Mikroorganismen unterschieden sich ebenfalls deutlich, was durch die ungleichen Lebensweisen begründbar ist. Durch die Inf-TRAP-Seq Methodik konnte z.B. im Zentralzylinder der Pathogen-infizierten Wurzeln eine expressionelle Repression von positiven Regulatoren des Zellzyklus nachgewiesen werden, dagegen in den mit P. indica besiedelten Wurzeln nicht. Dies korrelierte mit einer Pathogen-induzierten Inhibition des Wurzelwachstums, welche nicht nach Inokulation mit P. indica zu beobachten war. Obwohl keines der drei Mikroorganismen in der Lage ist, den Zentralzylinder direkt zu penetrieren, konnte hier eine differentielle Genexpression detektiert werden. Demzufolge ist ein Signalaustausch zu postulieren, über den äußere und innere Zellschichten miteinander kommunizieren. In der Endodermis konnten Genexpressionsmuster identifiziert werden, die zu einer Verstärkung der Barriere-Funktionen dieser Zellschicht führen. So könnte etwa durch Lignifizierungsprozesse die Ausbreitung der Mikroorganismen begrenzt werden. Alle drei Mikroorganismen lösten besonders im Cortex die Induktion von Genen für die Biosynthese Trp-abhängiger, antimikrobieller Sekundärmetaboliten aus. Die biologische Relevanz dieser Verteilungen kann nun geklärt werden. Zusammenfassend konnten in dieser Dissertation erstmals die durch Mikroorganismen hervorgerufenen zellschichtspezifischen Antworten der pflanzlichen Wurzel aufgelöst werden. Vergleichende bioinformatische Analyse dieses umfangreichen Datensatzes ermöglicht nun, gezielt testbare Hypothesen zu generieren. Ein Verständnis der zellschichtspezifischen Abwehrmaßnahmen der Wurzel ist essentiell für die Entwicklung neuer Strategien zur Ertragssteigerung und zum Schutz von Nutzpflanzen gegen Pathogene in der Landwirtschaft.
Plant–pathogen interactions have been widely studied, but mostly from the site of the plant secondary defense. Less is known about the effects of pathogen infection on plant primary metabolism. The possibility to transform a fluorescing protein into prokaryotes is a promising phenotyping tool to follow a bacterial infection in plants in a noninvasive manner. In the present study, virulent and avirulent Pseudomonas syringae strains were transformed with green fluorescent protein (GFP) to follow the spread of bacteria in vivo by imaging Pulse-Amplitude-Modulation (PAM) fluorescence and conventional binocular microscopy. The combination of various wavelengths and filters allowed simultaneous detection of GFP-transformed bacteria, PAM chlorophyll fluorescence, and phenolic fluorescence from pathogen-infected plant leaves. The results show that fluorescence imaging allows spatiotemporal monitoring of pathogen spread as well as phenolic and chlorophyll fluorescence in situ, thus providing a novel means to study complex plant–pathogen interactions and relate the responses of primary and secondary metabolism to pathogen spread and multiplication. The study establishes a deeper understanding of imaging data and their implementation into disease screening.
Sphingobasen bilden das Grundgerüst und die Ausgangsbausteine für die Biosynthese von Sphingolipiden. Während komplexere Sphingolipide einen wichtigen Bestandteil von eukaryotischen Membranen bilden, sind Sphingobasen, die auch als long-chain bases (LCBs) bezeichnet werden, als Signalmoleküle bei zellulären Prozessen in Eukaryoten bekannt. Im tierischen System wurden antagonistische Effekte von nicht-phosphorylierten Sphingobasen (LCBs) und ihren phosphorylierten Gegenstücken (LCB-Ps) bei vielen Zellfunktionen, insbesondere der Apoptose, nachgewiesen und die zugrundeliegenden Signalwege umfassend aufgeklärt. Im Gegensatz dazu sind in Pflanzen weniger Belege für einen antagonistischen Effekt und mögliche Signaltransduktionsmechanismen bekannt. Für eine regulatorische Funktion von Sphingobasen beim programmierten Zelltod (PCD) in Pflanzen existieren mehrere Hinweise: (I) Mutationen in Genen, die den Sphingobasen-Metabolismus betreffen, führen zum Teil zu spontanem PCD und veränderten Zelltodreaktionen. (II) Die Gehalte von LCBs sind bei verschiedenen Zelltod-auslösenden Bedingungen erhöht. (III) Nekrotrophe Pathogene produzieren Toxine, wie Fumonisin B1 (FB1), die mit dem Sphingolipid-Metabolismus der Wirtspflanze interferieren, was wiederum die Ursache für den dadurch ausgelösten PCD darstellt. (IV) Die Behandlung von Pflanzen mit LCBs, nicht aber mit LCB-Ps, führt zu Zelltod.
In dieser Arbeit wurde die Rolle von Sphingobasen in der pflanzlichen Zelltodreaktion untersucht, wobei der Fokus auf der Überprüfung der Hypothese eines antagonistischen, Zelltod-hemmenden Effekts von LCB-Ps lag. Anhand von Leitfähigkeit-basierten Messungen bei Blattscheiben von Arabidopsis thaliana wurde der durch Behandlung mit LCBs und separater oder gleichzeitiger Zugabe von LCB-Ps auftretende Zelltod bestimmt. Mit dieser Art der Quantifizierung wurde der an anderer Stelle publizierte inhibierende Effekt von LCB-Ps auf den LCB-induzierten Zelltod nachgewiesen. Durch parallele Messung der Spiegel der applizierten Sphingobasen im Gewebe mittels HPLC-MS/MS konnte dieser Antagonismus allerdings auf eine reduzierte Aufnahme der LCB bei Anwesenheit der LCB-P zurückgeführt werden, was auch durch eine zeitlich getrennte Behandlung mit den Sphingobasen bestätigt wurde. Darüber hinaus wurde der Einfluss einer exogenen Zugabe von LCBs und LCB-Ps auf den durch Pseudomonas syringae induzierten Zelltod von A. thaliana untersucht. Für LCB-Ps wurde dabei kein Zelltod-hemmender Effekt beobachtet, ebenso wenig wie ein Einfluss von LCB-Ps auf den PCD, der durch rekombinante Expression und Erkennung eines Avirulenzproteins in Arabidopsis ausgelöst wurde. Für LCBs wurde dagegen eine direkte antibakterielle Wirkung im Zuge der Experimente mit P. syringae gezeigt, die den in einer anderen Publikation beschriebenen inhibierenden Effekt von LCBs auf den Pathogen-induzierten Zelltod in Pflanzen relativiert.
In weiteren Ansätzen wurden Arabidopsis-Mutanten von Enzymen des Sphingobasen-Metabolismus (LCB-Kinase, LCB-P-Phosphatase, LCB-P-Lyase) hinsichtlich veränderter in-situ-Spiegel von LCBs/LCB-Ps funktionell charakterisiert. Der Phänotyp der Mutanten gegenüber Fumonisin B1 wurde zum einen anhand eines Wachstumstests mit Keimlingen und zum anderen anhand des Zelltods von Blattscheiben bestimmt und die dabei akkumulierenden Sphingobasen quantifiziert. Die Sensitivität der verschiedenen Linien gegenüber FB1 korrelierte eng mit den Spiegeln der LCBs, während hohe Gehalte von LCB-Ps alleine nicht in der Lage waren den Zelltod zu verringern. In einzelnen Mutanten konnte sogar eine Korrelation von stark erhöhten LCB-P-Spiegeln mit einer besonderen Sensitivität gegenüber FB1 festgestellt werden.
Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit stellen die Hypothese eines antagonistischen Effekts von phosphorylierten Sphingobasen beim pflanzlichen Zelltod in Frage. Stattdessen konnte in detaillierten Analysen der Sphingobasen-Spiegel die positive Korrelation der Gehalte von LCBs mit dem Zelltod gezeigt werden. Die hier durchgeführten Experimente liefern damit nicht nur weitere Belege für die Zelltod-fördernde Wirkung von nicht-phosphorylierten Sphingobasen, sondern tragen zum Verständnis der Sphingobasen-Homöostase und des Sphingobasen-induzierten PCD in Pflanzen bei.
Almost all life forms on earth have adapted to the most impactful and most predictable recurring change in environmental condition, the cycle of day and night, caused by the axial rotation of the planet. As a result many animals have evolved intricate endogenous clocks, which adapt and synchronize the organisms’ physiology, metabolism and behaviour to the daily change in environmental conditions. The scientific field researching these endogenous clocks is called chronobiology and has steadily grown in size, scope and relevance since the works of the earliest pioneers in the 1960s.
The number one model organism for the research of circadian clocks is the fruit fly, Drosophila melanogaster, whose clock serves as the entry point to understanding the basic inner workings of such an intricately constructed endogenous timekeeping system. In this thesis it was attempted to combine the research on the circadian clock with the techniques of optogenetics, a fairly new scientific field, launched by the discovery of Channelrhodopsin 2 just over 15 years ago. Channelrhodopsin 2 is a light-gated ion channel found in the green alga Chlamydomonas reinhardtii. In optogenetics, researches use these light-gated ion channels like Channelrhodopsin 2 by heterologously expressing them in cells and tissues of other organisms, which can then be stimulated by the application of light. This is most useful when studying neurons, as these channels provide an almost non-invasive tool to depolarize the neuronal plasma membranes at will. The goal of this thesis was to develop an optogenetic tool, which would be able to influence and phase shift the circadian clock of Drosophila melanogaster upon illumination. A phase shift is the adaptive response of the circadian clock to an outside stimulus that signals a change in the environmental light cycle. An optogenetic tool, able to influence and phase shift the circadian clock predictably and reliably, would open up many new ways and methods of researching the neuronal network of the clock and which neurons communicate to what extent, ultimately synchronizing the network.
The first optogenetic tool to be tested in the circadian clock of Drosophila melanogaster was ChR2-XXL, a channelrhodopsin variant with dramatically increased expression levels and photocurrents combined with a prolonged open state. The specific expression of ChR2-XXL and of later constructs was facilitated by deploying the three different clock-specific GAL4-driver lines, clk856-gal4, pdf-gal4 and mai179-gal4. Although ChR2-XXL was shown to be highly effective at depolarizing neurons, these stimulations proved to be unable to significantly phase shift the circadian clock of Drosophila. The second series of experiments was conducted with the conceptually novel optogenetic tools Olf-bPAC and SthK-bPAC, which respectively combine a cyclic nucleotide-gated ion channel (Olf and SthK) with the light-activated adenylyl-cyclase bPAC. These tools proved to be quite useful when expressed in the motor neurons of instar-3 larvae of Drosophila, paralyzing the larvae upon illumination, as well as affecting body length. This way, these new tools could be precisely characterized, spawning a successfully published research paper, centered around their electrophysiological characterization and their applicability in model organisms like Drosophila. In the circadian clock however, these tools caused substantial damage, producing severe arrhythmicity and anomalies in neuronal development. Using a temperature-sensitive GAL80-line to delay the expression until after the flies had eclosed, yielded no positive results either. The last series of experiments saw the use of another new series of optogenetic tools, modelled after the Olf-bPAC, with bPAC swapped out for CyclOp, a membrane-bound guanylyl-cyclase, coupled with less potent versions of the Olf. This final attempt however also ended up being unsuccessful. While these tools could efficiently depolarize neuronal membranes upon illumination, they were ultimately unable to stimulate the circadian clock in way that would cause it to phase shift.
Taken together, these mostly negative results indicate that an optogenetic manipulation of the circadian clock of Drosophila melanogaster is an extremely challenging subject. As light already constitutes the most impactful environmental factor on the circadian clock, the combination of chronobiology with optogenetics demands the parameters of the conducted experiments to be tuned with an extremely high degree of precision, if one hopes to receive positive results from these types of experiments at all.