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Plant transpiration is a key element in the hydrological cycle. Widely used methods for its assessment comprise sap flux techniques for whole-plant transpiration and porometry for leaf stomatal conductance. Recently emerging approaches based on surface temperatures and a wide range of machine learning techniques offer new possibilities to quantify transpiration. The focus of this study was to predict sap flux and leaf stomatal conductance based on drone-recorded and meteorological data and compare these predictions with in-situ measured transpiration. To build the prediction models, we applied classical statistical approaches and machine learning algorithms. The field work was conducted in an oil palm agroforest in lowland Sumatra. Random forest predictions yielded the highest congruence with measured sap flux (r\(^2\) = 0.87 for trees and r\(^2\) = 0.58 for palms) and confidence intervals for intercept and slope of a Passing-Bablok regression suggest interchangeability of the methods. Differences in model performance are indicated when predicting different tree species. Predictions for stomatal conductance were less congruent for all prediction methods, likely due to spatial and temporal offsets of the measurements. Overall, the applied drone and modelling scheme predicts whole-plant transpiration with high accuracy. We conclude that there is large potential in machine learning approaches for ecological applications such as predicting transpiration.
In Brassicaceae, tissue damage triggers the mustard oil bomb i.e., activates the degradation of glucosinolates by myrosinases leading to a rapid accumulation of isothiocyanates at the site of damage. Isothiocyanates are reactive electrophilic species (RES) known to covalently bind to thiols in proteins and glutathione, a process that is not only toxic to herbivores and microbes but can also cause cell death of healthy plant tissues. Previously, it has been shown that subtoxic isothiocyanate concentrations can induce transcriptional reprogramming in intact plant cells. Glutathione depletion by RES leading to breakdown of the redox potential has been proposed as a central and common RES signal transduction mechanism. Using transcriptome analyses, we show that after exposure of Arabidopsis seedlings (grown in liquid culture) to subtoxic concentrations of sulforaphane hundreds of genes were regulated without depletion of the cellular glutathione pool. Heat shock genes were among the most highly up-regulated genes and this response was found to be dependent on the canonical heat shock factors A1 (HSFA1). HSFA1-deficient plants were more sensitive to isothiocyanates than wild type plants. Moreover, pretreatment of Arabidopsis seedlings with subtoxic concentrations of isothiocyanates increased resistance against exposure to toxic levels of isothiocyanates and, hence, may reduce the autotoxicity of the mustard oil bomb by inducing cell protection mechanisms.
While much research has addressed the aboveground response of trees to climate warming and related water shortage, not much is known about the drought sensitivity of the fine root system, in particular of mature trees. This study investigates the response of topsoil (0–10 cm) fine root biomass (FRB), necromass (FRN), and fine root morphology of five temperate broadleaf tree species (Acer platanoides L., Carpinus betulus L., Fraxinus excelsior L., Quercus petraea (Matt.) Liebl., Tilia cordata Mill.) to a reduction in water availability, combining a precipitation gradient study (nine study sites; mean annual precipitation (MAP): 920–530 mm year\(^{−1}\)) with the comparison of a moist period (average spring conditions) and an exceptionally dry period in the summer of the subsequent year. The extent of the root necromass/biomass (N/B) ratio increase was used as a measure of the species’ belowground sensitivity to water deficits. We hypothesized that the N/B ratio increases with long-term (precipitation gradient) and short-term reductions (moist vs. dry period) of water availability, while FRB changes only a little. In four of the five species (exception: A. platanoides), FRB did not change with a reduction in MAP, whereas FRN and N/B ratio increased toward the dry sites under ample water supply (exception: Q. petraea). Q. petraea was also the only species not to reduce root tip frequency after summer drought. Different slopes of the N/B ratio-MAP relation similarly point at a lower belowground drought sensitivity of Q. petraea than of the other species. After summer drought, all species lost the MAP dependence of the N/B ratio. Thus, fine root mortality increased more at the moister than the drier sites, suggesting a generally lower belowground drought sensitivity of the drier stands. We conclude that the five species differ in their belowground drought response. Q. petraea follows the most conservative soil exploration strategy with a generally smaller FRB and more drought-tolerant fine roots, as it maintains relatively constant FRB, FRN, and morphology across spatial and temporal dimensions of soil water deficits.
The origins of multicellular physiology are tied to evolution of gene expression. Genes can shift expression as organisms evolve, but how ancestral expression influences altered descendant expression is not well understood. To examine this, we amalgamate 1,903 RNA-seq datasets from 182 research projects, including 6 organs in 21 vertebrate species. Quality control eliminates project-specific biases, and expression shifts are reconstructed using gene-family-wise phylogenetic Ornstein-Uhlenbeck models. Expression shifts following gene duplication result in more drastic changes in expression properties than shifts without gene duplication. The expression properties are tightly coupled with protein evolutionary rate, depending on whether and how gene duplication occurred. Fluxes in expression patterns among organs are nonrandom, forming modular connections that are reshaped by gene duplication. Thus, if expression shifts, ancestral expression in some organs induces a strong propensity for expression in particular organs in descendants. Regardless of whether the shifts are adaptive or not, this supports a major role for what might be termed preadaptive pathways of gene expression evolution.
The carbohydrate D-glucose is the main source of energy in living organisms. In contrast to animals, as well as most fungi, bacteria, and archaea, plants are capable to synthesize a surplus of sugars characterizing them as autothrophic organisms. Thus, plants are de facto the source of all food on earth, either directly or indirectly via feed to livestock. Glucose is stored as polymeric glucan, in animals as glycogen and in plants as starch. Despite serving a general source for metabolic energy and energy storage, glucose is the main building block for cellulose synthesis and represents the metabolic starting point of carboxylate- and amino acid synthesis. Finally yet importantly, glucose functions as signalling molecule conveying the plant metabolic status for adjustment of growth, development, and survival. Therefore, cell-to-cell and long-distance transport of photoassimilates/sugars throughout the plant body require the fine-tuned activity of sugar transporters facilitating the transport across membranes. The functional plant counterparts of the animal sodium/glucose transporters (SGLTs) are represented by the proton-coupled sugar transport proteins (STPs) of the plant monosaccharide transporter(-like) family (MST). In the framework of this special issue on “Glucose Transporters in Health and Disease,” this review gives an overview of the function and structure of plant STPs in comparison to the respective knowledge obtained with the animal Na+-coupled glucose transporters (SGLTs).
Vakuoläre PPasen (V-PPase) in Landpflanzen dienen dem Transport von Protonen in die Vakuole und dem Aufbau eines elektrochemischen Gradienten, während sie gleichzeitig durch Hydrolyse eine Anreicherung des toxischen PPi im Cytosol verhindern. Zahlreiche Publikationen bewiesen bereits positive Effekte der stabilen V-PPase-Überexpression in Pflanzen. Unter anderem zeigte die Ackerschmalwand, Tabak, Reis und Tomate eine erhöhte Biomasse und gesteigerte Stresstoleranz auf Grund einer erhöhten stabilen V-PPase Ex-pression. Um die zugrundeliegenden Prozesse ohne potenzielle pleiotropische Effekte während der Pflanzenentwicklung zu analysieren, wurden in der vorliegenden Dissertation die physiologischen Auswirkungen einer transienten V-PPase-Überexpression in Nicotiona benthamiana Blättern und die Einflussnahme von NaCl quantitativ erfasst.
Zu diesem Zweck wurden zwei endogene V-PPasen (NbVHP1 und NbVHP2) aus N. bentha-miana zunächst bioinformatisch und dann auf Transkriptionsebene mittels quantitativer Real-Time-PCR identifiziert. Die endogenen V-PPasen wurden mittels der Agrobakterien-Infiltrationstechnik transient in N. benthamiana Blättern und ihre vakuoläre Lokalisation mit Hilfe von Fluoreszenzmarkern bestätigt. Die Protonenpump-Funktion der überexprimierten NbVHPs konnte mit der Patch-Clamp-Technik anhand des vier-fach erhöhten Protonenpump-stroms in den isolierten Mesophyllvakuolen verifiziert werden. Im Zuge der elektro-physiologischen Charakterisierung der endogenen N. benthamiana V-PPasen konnte die für V-PPasen typische Sensitivität gegenüber cytosolischem Calcium bestätigt werden, welche sich bei einem erhöhten Calcium-Spiegel in einer Hemmung der Pumpströme äußerte. Ferner wurde ihre gleichartige Substrataffinität (Km von 65 µM PPi) unabhängig des vakuolären pHs zwischen 5,5 und 7,5 festgestellt. Der Vergleich dieser Ergebnisse mit analog durchgeführten Messungen an der bereits publizierten AtVHP1 von A. thaliana bestätigte die große Homo-logie der V-PPasen von Landpflanzen. Im Gegensatz zu den erwünschten Auswirkungen der stabilen V-PPase Überexpression resultierte diese starke transiente Überexpression nach drei Tagen im Absterben makroskopischer Blattbereiche. Das Ausmaß dieser Nekrosen wurde anhand des vorhandenen PhotosystemII in den transformierten Blättern mit der Puls-Amplituden-Modulations-Technik quantifiziert. Die analoge transiente Überexpression einer löslichen PPase (IPP1) führte allerdings zu keinerlei negativen Effekten für die Pflanze, wodurch die erhöhte Protonentransportaktivität im Gegensatz zur Hydrolyseaktivität der V-PPasen als Ursache des Zellsterbens verifiziert werden konnte.
Aufgrund dieser unerwarteten negativen Auswirkungen der transienten V-PPase-Überex-pression auf die Blattvitalität wurde zusätzlich die Salzstresstoleranz der Blätter untersucht. Unter Berücksichtigung des kurzen Transformations- und damit Beobachtungszeitfensters wurde ein Salzapplikationsverfahren etabliert, bei dem simultan mit der Agrobakterien-infiltration 200 mM NaCl direkt in den Blattapoplasten eingeführt wurde. Anhand einer Zu-nahme in sowohl der Transskriptmenge der V-PPase als auch des PPi-induzierten Protonen-pumptransportes über den Tonoplasten wurde gezeigt, dass die NaCl-Anwesenheit im Blatt eine erhöhte Aktivität der endogenen V-PPasen des N. benthaminan Pflanzen bewirkte. Der gleichzeitige tendenzielle Rückgang der V-ATPase-Pumpaktivität in salzbehandelten Mesophyllvakuolen lässt vermuten, dass die V-PPasen eine größere Rolle bei der Bewahrung des vakuolären pH-Wertes und der protonenmotorische Kraft (PMF) unter Salzstress ein-nimmt. Interessanterweise führte die Salzapplikation bei einer V-PPase-Überexpression zu keinen additiven negativen Effekten, sondern verhinderte sogar das Auftreten der Nekrosen. Um dieses Phänomen zu ergründen, wurde zunächst mit Hilfe von Apoplastenwaschungen und Natrium-Konzentrationsmessungen bestätigt, dass das injizierte NaCl im Blatt verblieb und von den Blattzellen aufgenommen wurde. Für weitere Studien der Ursachen der Nekrosen wurden in-vivo-pH-, Membranpotenzial- und Metabolitmessungen durchgeführt. Während in V-PPase-überexprimierenden Zellen der vakuoläre pH-Wert zu Kontrollvakuolen signifikant sank, blieb er mit zusätzlicher Salzbehandlung auf Kontrollniveau. Des Weiteren schwächte die Salzapplikation die starke Depolarisation der Plasmamembran nach V-PPase-Über-expression um mehr als die Hälfte ab. Hingegen konnten keine nennenswerten Ver-änderungen im Metabolit- und Ionengehalt des Blattgewebes bei V-PPase-Überexpression festgestellt werden. Lediglich der Natrium- und Chlorid-Spiegel waren bei salz-behandelten Blättern erwartungsgemäß erhöht. Diese Ergebnisse bekräftigten, dass der stark erhöhte V-PPase-vermittelte Protonenpumpstrom und weniger metabolische Veränderungen für die Nekrosen von V-PPase-überexprimierte Pflanzen verantwortlich ist. Diese negativen Auswirkungen werden offensichtlich durch die Salzbehandlung stark vermindert, da die Aufnahme der Salz-ionen über Protonen-Na+/K+-Antiporter wie NHX antagonistisch auf die V-PPase verursachte Protonenanreicherung und die daraus folgende Veränderung des Membran-potentials und der PMF entgegenwirkt. In diese Arbeit wurde in einem neuen Blickwinkel deutlich, dass die natürliche Expressions-kontrolle der V-PPase in ausdifferenzierten Pflanzenzellen sich den Umweltbedingungen anpasst, um das Gleich-gewicht zwischen den positiven und negativen Auswirkungen der Pumpaktivität zu halten.
Fungal endophytes of the genus Epichloë live symbiotically in cool season grass species and can produce alkaloids toxic to insects and vertebrates, yet reports of intoxication of grazing animals have been rare in Europe in contrast to overseas. However, due to the beneficial resistance traits observed in Epichloë infected grasses, the inclusion of Epichloë in seed mixtures might become increasingly advantageous. Despite the toxicity of fungal alkaloids, European seed mixtures are rarely tested for Epichloë infection and their infection status is unknown for consumers. In this study, we tested 24 commercially available seed mixtures for their infection rates with Epichloë endophytes and measured the concentrations of the alkaloids ergovaline, lolitrem B, paxilline, and peramine. We detected Epichloë infections in six seed mixtures, and four contained vertebrate and insect toxic alkaloids typical for Epichloë festucae var. lolii infecting Lolium perenne. As Epichloë infected seed mixtures can harm livestock, when infected grasses become dominant in the seeded grasslands, we recommend seed producers to test and communicate Epichloë infection status or avoiding Epichloë infected seed mixtures.
Das Adapterprotein TRAF2 und seine Bedeutung für die Todesrezeptor-vermittelte Signaltransduktion
(2020)
Während die Rolle des tumor necrosis factor (TNF) receptor associated factor (TRAF)2 in der Signaltransduktion der TRAF-interagierenden Rezeptoren der TNF Receptor (TNFR)- Superfamily (TNFRSF) bereits in der Vergangenheit umfassend erforscht wurde, ist die Rolle und Funktion dieses Adapterproteins für die Signalgebung der Todesrezeptoren nicht vollständig aufgeklärt. Die unklare Funktion der Really Interesting New Gene (RING) E3 Ligase Domäne in TRAF2 und die Abhängigkeit von Caspasen für die Aktivierung des klassischen nuclear factor κB (NFκB)-Signalweges führten in dieser Arbeit zur Herstellung von CRISPR/Cas9 knockout (KO) Zellen, bei denen TRAF2 in der Kolorektalkarzinomzelllinie HCT116 als auch in den Fibrosarkomzellen HT1080 ausgeschaltet wurde. Diese Zellen wurden zuvor so modifiziert, dass die Apoptose „downstream“ der Caspase-8-Aktivierung nicht weiter induzierbar war. HCT116-Zellen exprimierten hierzu ein mutiertes Allel der Phosphoinositide 3-kinase (PI3K) und HT1080-Bcl2-TNFR2 Zellen das anti-apoptotische Protein B-cell lymphoma 2 (Bcl2).
Im Fokus dieser Arbeit waren die Todesrezeptoren TNFR1, TNF-Related Apoptosis Inducing Receptor (TRAILR)1/2 und Cluster of Differentiation(CD)95. In den TRAF2-KO Zelllinien war der alternative NFκB Signalweg konstitutiv aktiv und der TNFR1-induzierte klassische NFκB-Signalweg inhibiert. Die proinflammatorische Signalgebung in Form der Interleukin (IL)8 Produktion war in den CD95-artigen Todesrezeptoren signifikant, aber nicht vollständig, reduziert und erfolgte Caspase-8-Aktivität unabhängig. Der Effekt der TRAF2-Deletion konnte durch eine Rekonstitution von TRAF2, jedoch nicht durch eine Überexpression von TRAF1 wiederhergestellt werden.
Des Weiteren führte die TRAF2-Defizienz zu einer verstärkten Procaspase-8- Prozessierung nach Aktivierung von Todesrezeptoren, die überraschenderweise mit einer Reduktion der Caspase-8-Aktivität einherging. Die Prozessierung der Procaspase-8, jedoch nicht die Aktivierung des klassischen NFκB-Signalweges wurde vermutlich durch eine verringerte Rekrutierung von cellular inhibitor of apoptosis protein (cIAP)1 an den TNFR1 erreicht. Die Expression der anti-apoptotischen Proteine FADD-like ICE (FLICE) Inhibitory Protein (FLIP)Long(L), FLIPShort(S) und cIAP1 wurde nicht von der TRAF2-Depletion beeinflusst.
Somit konnte in dieser Arbeit ein nicht-obligatorischer Effekt von TRAF2 auf die Regulation der proinflammatorischen Todesrezeptor-vermittelten Signaltransduktion nachgewiesen werden, die durch TRAF1 nicht ersetzt werden kann. Des Weiteren wurde eine bisher nicht beschriebene, stabilisierende Wirkung von TRAF2 auf die Capsase-8-Aktivität gezeigt.
Using Expansion Microscopy to Visualize and Characterize the Morphology of Mitochondrial Cristae
(2020)
Mitochondria are double membrane bound organelles indispensable for biological processes such as apoptosis, cell signaling, and the production of many important metabolites, which includes ATP that is generated during the process known as oxidative phosphorylation (OXPHOS). The inner membrane contains folds called cristae, which increase the membrane surface and thus the amount of membrane-bound proteins necessary for the OXPHOS. These folds have been of great interest not only because of their importance for energy conversion, but also because changes in morphology have been linked to a broad range of diseases from cancer, diabetes, neurodegenerative diseases, to aging and infection. With a distance between opposing cristae membranes often below 100 nm, conventional fluorescence imaging cannot provide a resolution sufficient for resolving these structures. For this reason, various highly specialized super-resolution methods including dSTORM, PALM, STED, and SIM have been applied for cristae visualization. Expansion Microscopy (ExM) offers the possibility to perform super-resolution microscopy on conventional confocal microscopes by embedding the sample into a swellable hydrogel that is isotropically expanded by a factor of 4–4.5, improving the resolution to 60–70 nm on conventional confocal microscopes, which can be further increased to ∼ 30 nm laterally using SIM. Here, we demonstrate that the expression of the mitochondrial creatine kinase MtCK linked to marker protein GFP (MtCK-GFP), which localizes to the space between the outer and the inner mitochondrial membrane, can be used as a cristae marker. Applying ExM on mitochondria labeled with this construct enables visualization of morphological changes of cristae and localization studies of mitochondrial proteins relative to cristae without the need for specialized setups. For the first time we present the combination of specific mitochondrial intermembrane space labeling and ExM as a tool for studying internal structure of mitochondria.