Dynamic characterization of olfactory receptors in the fruit fly Drosophila melanogaster

Temporal changes in odor concentration are vitally important to many animals orienting and navigating in their environment. How are such temporal changes detected? Within the scope of the present work an accurate stimulation and analysis system was developed to examine the dynamics of physiological properties of Drosophila melanogaster olfactory receptor organs. Subsequently a new method for delivering odor stimuli was tested and used to present the first dynamic characterization of olfactory receptors at the level of single neurons. Initially, recordings of the whole antenna were conducted while stimulating with different odors. The odor delivery system allowed the dynamic characterization of the whole fly antenna, including its sensilla and receptor neurons. Based on the obtained electroantennogram data a new odor delivery method called digital sequence method was developed. In addition the degree of accuracy was enhanced, initially using electroantennograms, and later recordings of odorant receptor cells at the single sensilla level. This work shows for the first time that different odors evoked different responses within one neuron depending on the chemical structure of the odor. The present work offers new insights into the dynamic properties of olfactory transduction in Drosophila melanogaster and describes time dependent parameters underlying these properties.

Electrophysiological analysis of the olfactory signal transduction cascade in the hawkmoth Manduca sexta

Neben der Verbreitung von gefährlichen Krankheiten sind Insekten für enorme agrarwirtschaftliche Schäden verantwortlich. Ein Großteil der Verhaltensweisen bei Insekten wird über den Geruchssinn gesteuert, der somit einen möglichen Angriffspunkt zur Bekämpfung von Schadinsekten darstellt. Hierzu ist es allerdings nötig, die Mechanismen der olfaktorischen Signalübertragung im Detail zu verstehen. Neben den duftstoffbindenden olfaktorischen Rezeptoren spielt hier auch ein konservierter Korezeptor (Orco) eine entscheidende Rolle. Inwieweit bei diesen Proteinen ionotrope bzw. metabotrope Prozesse involviert sind ist bislang nicht vollständig aufgeklärt. Um weitere Einzelheiten aufzuklären wurden daher Einzelsensillenableitungen am Tabakschwärmer Manduca sexta durchgeführt. Orco-Agonisten und Antagonisten wurden eingesetzt, um die Funktion des Korezeptors besser zu verstehen. Bei dem Einsatz des Orco-Agonisten VUAA1 konnte keine Verstärkung der Pheromonantworten bzw. eine Sensitivierung beobachtet werden, wie im Falle einer ionotropen Signalweiterleitung zu erwarten gewesen wäre. Ein ionotroper Signalweg über den OR/Orco-Komplex in M. sexta ist daher unwahrscheinlich. Der Orco-Antagonist OLC15 beeinflusste die gleichen Parameter wie VUAA1 und konnte die von VUAA1 generierte Spontanaktivität blocken. Daher ist es wahrscheinlich, dass dieser einen spezifischen Orco-Blocker darstellt. Sowohl VUAA1 als auch OLC15 hatten großen Effekt auf die langanhaltende Pheromonantwort, welches die Vermutung nahelegt, dass Orco modulierend auf die Sensitivität der Nervenzelle einwirkt. Von OLC15 abweichende Effekte durch die getesteten Amiloride HMA und MIA auf die Pheromonantwort lassen nicht auf eine spezifische Wirkung dieser Agenzien auf Orco schließen und zusätzliche Wirkorte sind anzunehmen. Um die These eines metabotropen Signalwegs zu überprüfen wurde ebenfalls der G-Protein-Blocker GDP-β-S eingesetzt. Alle Parameter der Pheromonantwort die innerhalb der ersten Millisekunden analysiert wurden wiesen eine Reduktion der Sensitivität auf. Im Gegensatz dazu hatte GDP-β-S keinen Effekt auf die langanhaltende Pheromonantwort. Somit scheint ausschließlich die schnelle Pheromonantwort über einen Ligand-bindenden G-Protein-gesteuerten Rezeptor gesteuert zu werden.

Prevalence of intestinal parasites in small ruminants and their senstivity to treatments with ethnobotanical remedies in Cholistan, Pakistan

Livestock production contributes substantially to the livelihoods of poor rural farmers in Pakistan; strengthening pastoral communities plays an imperative role in the country’s thrive for poverty alleviation. Intestinal helminths constitute a major threat for pastoral livestock keepers in the whole country because chronic infestation leads to distinct losses in livestock productivity, particularly the growth of young animals. Synthetic anthelmintics have long been considered the only effective way of controlling this problem but high prices, side effects and chemical residues/toxicity problems, or development of resistance, lead to their very limited use in many pastoral systems. Additionally, poor pastoralists in remote areas of Pakistan hardly have access to appropriate anthelmintic drugs, which are also relatively expensive due to the long routes of transportation. The search for new and more sustainable ways of supporting livestock keepers in remote areas has given rise to studies of ethno-botanicals or traditional plant-based remedies to be used in livestock health care. Plant-based remedies are cheap or free of cost, environmentally safe and generally create no problem of drug resistance; they thus might substitute allopathic drugs. Furthermore, these remedies are easily available in remote areas and simple to prepare and/or administer. Cholistan desert is a quite poor region of Pakistan and the majority of its inhabitants are practicing a nomadic life. The region’s total livestock population (1.29 million heads) is almost twice that of the human population. Livestock husbandry is the primordial occupation of the communities and traditionally wealth assessment was based on the number of animals, especially goats and sheep, owned by an individual. Fortunately, about 60% of this desert region is richly endowed with highly adapted grasses, shrubs and trees. This natural flora has a rich heritage of scientifically unexplored botanical pharmacopoeia. Against this background, the present research project that was conducted under the umbrella of the International Center for Development and Decent Work at Kassel University, focused on a development aspect: in the Cholistan desert region it was firstly examined how pastoralists manage their livestock, which major health problems they face for the different animal species, and which of the naturally occurring plants they use for the treatment of animal diseases (Chapter 2). For this purpose, a baseline survey was carried out across five locations in Cholistan, using a structured questionnaire to collect data from 100 livestock farmers (LF) and 20 local healers (LH). Most of LF and LH were illiterate (66%; 70%). On average, LH had larger herds (109 animals) than LF (85 animals) and were more experienced in livestock husbandry and management. On average LF spent about 163 Euro per year on the treatment of their livestock, with a huge variability in expenditures. Eighty-six traditional remedies based on 64 plants belonging to 43 families were used. Capparaceae was the botanical family with the largest number of species used (4), followed by Chenopodiaceae, Poaceae, Solanaceae and Zygophyllaceae (3). The plants Capparis decidua (n=55 mentions), Salsola foetida (n=52), Suaeda fruticosa (n=46), Haloxylon salicornicum (n=42) and Haloxylon recurvum (n=39) were said to be most effective against the infestations with gastrointestinal parasites. Aerial parts (43%), leaves (26%), fruits (9%), seeds and seed oils (9%) were the plant parts frequently used for preparation of remedies, while flowers, roots, bulbs and pods were less frequently used (<5%). Common preparations were decoction, jaggery and ball drench; oral drug administration was very common. There was some variation in the doses used for different animal species depending on age, size and physical condition of the animal and severity of the disease. In a second step the regionally most prevalent gastrointestinal parasites of sheep and goats were determined (Chapter 3) in 500 animals per species randomly chosen from pastoral herds across the previously studied five localities. Standard parasitological techniques were applied to identify the parasites in faecal samples manually collected at the rectum. Overall helminth prevalence was 78.1% across the 1000 animals; pure nematode infestations were most prevalent (37.5%), followed by pure trematode (7.9%), pure cestode (2.6%) and pure protozoa infestations (0.8%). Mixed infestations with nematodes and trematodes occurred in 6.4% of all animals, mixed nematode-cestode infestations in 3.8%, and all three groups were found in 19.1% of the sheep and goats. In goats more males (81.1%) than females (77.0%) were infested, the opposite was found in sheep (73.6% males, 79.5% females). Parasites were especially prevalent in suckling goats (85.2%) and sheep (88.5%) and to a lesser extent in young (goats 80.6%, sheep 79.3%) and adult animals (goats 72.8%, sheep 73.8%). Haemonchus contortus, Trichuris ovis and Paramphistomum cervi were the most prevalent helminths. In a third step the in vitro anthelmintic activity of C. decidua, S. foetida, S. fruticosa, H. salicornicum and H. recurvum (Chapter 2) was investigated against adult worms of H. contortus, T. ovis and P. cervi (Chapter 3) via adult motility assay (Chapter 4). Various concentrations ranging from 7.8 to 500 mg dry matter/ml of three types of extracts of each plant, i.e. aqueous, methanol, and aqueous-methanol (30:70), were used at different time intervals to access their anthelmintic activity. Levamisol (0.55 mg/ml) and oxyclozanide (30 mg/ml) served as positive and phosphate-buffered saline as negative control. All extracts exhibited minimum and maximum activity at 2 h and 12 h after parasite exposure; the 500 mg/ml extract concentrations were most effective. Plant species (P<0.05), extract type (P<0.01), parasite species (P<0.01), extract concentration (P<0.01), time of exposure (P<0.01) and their interactions (P<0.01) had significant effects on the number of immobile/dead helminths. From the comparison of LC50 values it appeared that the aqueous extract of C. decidua was more potent against H. contortus and T. ovis, while the aqueous extract of S. foetida was effective against P. cervi. The methanol extracts of H. recurvum were most potent against all three types of parasites, and its aqueous-methanol extract was also very effective against T. ovis and P. cervi. Based on these result it is concluded that the aqueous extract of C. decidua, as well as the methanol and aqueous-methanol extract of H. recurvum have the potential to be developed into plant-based drugs for treatment against H. contortus, T. ovis and P. cervi infestations. Further studies are now needed to investigate the in vivo anthelmintic activity of these plants and plant extracts, respectively, in order to develop effective, cheap and locally available anthelmintics for pastoralists in Cholistan and neighboring desert regions. This will allow developing tangible recommendations for plant-based anthelminthic treatment of sheep and goat herds, and by this enable pastoralists to maintain healthy and productive flocks at low costs and probably even manufacture herbal drugs for marketing on a regional scale.

Physiological analysis of central and peripheral insect circadian pacemaker neurons

Alle bisher untersuchten Lebewesen besitzen (circadiane) innere Uhren, die eine endogene Perioden-länge von ungefähr 24 Stunden generieren. Eine innere Uhr kann über Zeitgeber mit der Umwelt synchronisiert werden und ermöglicht dem Organismus, rhythmische Umweltveränderungen vorweg zu nehmen. Neben einem zentralen Schrittmacher, der Physiologie und Verhalten des Organismus steuert, gibt es in unterschiedlichen Organen auch periphere Uhren, die die zeitlichen Abläufe in der spezifischen Funktion dieser Organe steuern. In dieser Arbeit sollten zentrale und periphere Schrittmacherneurone von Insekten physiologisch untersucht und verglichen werden. Die Neurone der akzessorischen Medulla (AME) von Rhyparobia maderae dienten als Modellsystem für zentrale Schrittmacher, während olfaktorische Rezeptorneurone (ORNs) von Manduca sexta als Modellsystem für periphere Schrittmacher dienten. Die zentralen Schrittmacherneurone wurden in extrazellulären Ableitungen an der isolierten AME (Netzwerkebene) und in Patch-Clamp Experimenten an primären AME Zellkulturen (Einzelzellebene) untersucht. Auf Netzwerkebene zeigten sich zwei charakteristische Aktivitätsmuster: regelmäßige Aktivität und Wechsel zwischen hoher und niedriger Aktivität (Oszillationen). Es wurde gezeigt, dass Glutamat ein Neurotransmitter der weitverbreiteten inhibitorischen Synapsen der AME ist, und dass in geringem Maße auch exzitatorische Synapsen vorkommen. Das Neuropeptid pigment-dispersing factor (PDF), das von nur wenigen AME Neuronen exprimiert wird und ein wichtiger Kopplungsfaktor im circadianen System ist, führte zu Hemmungen, Aktivierungen oder Oszillationen. Die Effekte waren transient oder langanhaltend und wurden wahrscheinlich durch den sekundären Botenstoff cAMP vermittelt. Ein Zielmolekül von cAMP war vermutlich exchange protein directly activated by cAMP (EPAC). Auf Einzelzellebene wurde gezeigt, dass die meisten AME Neurone depolarisiert waren und deshalb nicht feuerten. Die Analyse von Strom-Spannungs-Kennlinien und pharmakologische Experimente ergaben, dass unterschiedliche Ionenkanäle vorhanden waren (Ca2+, Cl-, K+, Na+ Kanäle sowie nicht-spezifische Kationenkanäle). Starke, bei hohen Spannungen aktivierende Ca2+ Ströme (ICa) könnten eine wichtige Rolle bei Ca2+-abhängiger Neurotransmitter-Ausschüttung, Oszillationen, und Aktionspotentialen spielen. PDF hemmte unterschiedliche Ströme (ICa, IK und INa) und aktivierte nicht-spezifische Kationenströme (Ih). Es wurde angenommen, dass simultane PDF-abhängige Hyper- und Depolarisationen rhythmische Membranpotential-Oszillationen verursachen. Dieser Mechanismus könnte eine Rolle bei PDF-abhängigen Synchronisationen spielen. Die Analyse peripherer Schrittmacherneurone konzentrierte sich auf die Charakterisierung des olfaktorischen Corezeptors von M. sexta (MsexORCO). In anderen Insekten ist ORCO für die Membran-Insertion von olfaktorischen Rezeptoren (ORs) erforderlich. ORCO bildet Komplexe mit den ORs, die in heterologen Expressionssystemen als Ionenkanäle fungieren und Duft-Antworten vermitteln. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass MsexORCO in pheromonsensitiven ORNs in vivo nicht als Teil eines ionotropen Rezeptors sondern als Schrittmacherkanal fungiert, der unterschwellige Membranpotential-Oszillationen generiert. MsexORCO wurde mit vermeintlichen Pheromonrezeptoren in human embryonic kidney (HEK 293) Zellen coexprimiert. Immuncytochemie und Ca2+ Imaging Experimente zeigten sehr schwache Expressionsraten. Trotzdem war es möglich zu zeigen, dass MsexORCO wahrscheinlich ein spontan-aktiver, Ca2+-permeabler Ionenkanal ist, der durch den ORCO-Agonisten VUAA1 und cyclische Nucleotide aktiviert wird. Außerdem wiesen die Experimente darauf hin, dass MsexOR-1 offensichtlich der Bombykal-Rezeptor ist. Eine weitere Charakterisierung von MsexORCO in primären M. sexta ORN Zellkulturen konnte nicht vollendet werden, weil die ORNs nicht signifikant auf ORCO-Agonisten oder -Antagonisten reagierten.

Analysis of the signal transduction in the hawk moth Manduca sexta

Fliegende Insekten orientieren sich in ihrer Umwelt mit Hilfe ihres hoch entwickelten olfaktorischen Systems. Es ermöglicht ihnen das Auffinden geeigneter Futter- und Eiablageplätze und ist unverzichtbar bei der innerartlichen Kommunikation. Der Geruchssinn muss dabei gleichzeitig sehr schnell und sensitiv sein um selbst geringste Mengen, z.B. des arteigenen Sexualpheromons, wahrnehmen zu können. Spezifische olfaktorische Rezeptoren (ORs) zur Detektion dieser Duftstoffe werden zusammen mit einem hoch konservierten Co-Rezeptor (Orco) in olfaktorischen Rezeptorneuronen (ORNs) auf den Insektenantennen exprimiert. Sie gehören zu den 7 Transmembran Rezeptoren, zeigen jedoch eine invertierte Membrantopologie im Vergleich zu den ORs der Vertebraten. Darüber hinaus bildet der OR/Orco-Komplex einen spontanaktiven Kationenkanal, die Bindung an ein G Protein ist allerdings umstritten. Daher ist noch ungeklärt, ob die Duftstoffbindung zu einer ionotropen Aktivierung des OR/Orco Kanals führt oder ob metabotrope Mechanismen die Bildung von zyklischem Adenosinmonophosphat (cAMP) oder Inositol 1,4,5-trisphosphat (IP3) bewirken. Mit Hilfe von extrazellulären Ableitungen einzelner Trichoidsensillen (tip recordings) auf den Antennen männlicher Manduca sexta wurde die Rolle von Orco sowie die Beteiligung einer Phospholipase Cβ (PLCβ)-abhängigen Transduktionskaskade untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die durch VUAA1 induzierte Spontanaktivität der ORNs durch OLC15 inhibiert und Orco somit kompetitiv gehemmt wurde. Eine Inhibition von Orco sollte die Antwort auf kurze Pheromonpulse sofort reduzieren, sollte die Transduktion über die Aktivierung des OR/Orco Kanals erfolgen. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigten jedoch keine Beeinflussung der primären Pheromonantwort, vielmehr wurde die späte, langanhaltende Antwort reduziert. Die ebenfalls als Orco-Antagonisten charakterisierten Amiloride MIA und HMA beeinflussen offensichtlich weitere Ziele, da eine substanz- und zeitgeberzeitabhängige Reduzierung der primären Antwort auftrat. Zusätzlich wurde die primäre Pheromonantwort durch die Inhibierung der PLCβ und der Proteinkinase C (PKC), sowie durch die Verwendung zweier Diacylglycerol (DAG)- Derivate signifikant beeinflusst. Hierbei zeigte die Inhibierung von PLCβ und PKC zeitgeberzeitabhängige Unterschiede in der Stärke der Antwortreduktion. Auch die Applikation des DAG-Derivates DOG reduzierte die Pheromonantwort, während die Zugabe von OAG die ORN Aktivität steigern oder reduzieren konnte, abhängig von der verwendeten Derivatkonzentration und der Pheromonkonzentration. Die Ergebnisse dieser Arbeit deuten somit auf einen metabotropen, sehr wahrscheinlich PLCβ-abhängigen Mechanismus für die Pheromontransduktion bei Manduca sexta.

Immunolocalization of Arthropsin in the Onychophoran Euperipatoides rowelli (Peripatopsidae)

Opsins are light-sensitive proteins that play a key role in animal vision and are related to the ancient photoreceptive molecule rhodopsin found in unicellular organisms. In general, opsins involved in vision comprise two major groups: the rhabdomeric (r-opsins) and the ciliary opsins (c-opsins). The functionality of opsins, which is dependent on their protein structure, may have changed during evolution. In arthropods, typically r-opsins are responsible for vision, whereas in vertebrates c-opsins are components of visual photoreceptors. Recently, an enigmatic r-opsin-like protein called arthropsin has been identified in various bilaterian taxa, including arthropods, lophotrochozoans, and chordates, by performing transcriptomic and genomic analyses. Since the role of arthropsin and its distribution within the body are unknown, we immunolocalized this protein in a representative of Onychophora – Euperipatoides rowelli – an ecdysozoan taxon which is regarded as one of the closest relatives of Arthropoda. Our data show that arthropsin is expressed in the central nervous system of E. rowelli, including the brain and the ventral nerve cords, but not in the eyes. These findings are consistent with previous results based on reverse transcription PCR in a closely related onychophoran species and suggest that arthropsin is a non-visual protein. Based on its distribution in the central brain region and the mushroom bodies, we speculate that the onychophoran arthropsin might be either a photosensitive molecule playing a role in the circadian clock, or a non-photosensitive protein involved in olfactory pathways, or both.

Sensor psychrometric approaches to mitigating aflatoxins in maize dried on farms in Kenya

Kenia liegt in den Äquatorialtropen von Ostafrika und ist als ein weltweiter Hot-Spot für Aflatoxinbelastung insbesondere bei Mais bekannt. Diese toxischen und karzinogenen Verbindungen sind Stoffwechselprodukte von Pilzen und so insbesondere von der Wasseraktivität abhängig. Diese beeinflusst sowohl die Trocknung als auch die Lagerfähigkeit von Nahrungsmitteln und ist somit ein wichtiger Faktor bei der Entwicklung von energieeffizienten und qualitätsorientierten Verarbeitungsprozessen. Die vorliegende Arbeit hat sich zum Ziel gesetzt, die Veränderung der Wasseraktivität während der konvektiven Trocknung von Mais zu untersuchen. Mittels einer Optimierungssoftware (MS Excel Solver) wurde basierend auf sensorerfassten thermo-hygrometrischen Daten der gravimetrische Feuchteverlust von Maiskolben bei 37°C, 43°C und 53°C vorausberechnet. Dieser Bereich stellt den Übergang zwischen Niedrig- und Hochtemperaturtrocknung dar. Die Ergebnisse zeigen deutliche Unterschiede im Verhalten der Körner und der Spindel. Die Trocknung im Bereich von 35°C bis 45°C kombiniert mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten (> 1,5 m / s) begünstigte die Trocknung der Körner gegenüber der Spindel und kann daher für eine energieeffiziente Trocknung von Kolben mit hohem Anfangsfeuchtegehalt empfohlen werden. Weitere Untersuchungen wurden zum Verhalten unterschiedlicher Schüttungen bei der bei Mais üblichen Satztrocknung durchgeführt. Entlieschter und gedroschener Mais führte zu einem vergrößerten Luftwiderstand in der Schüttung und sowohl zu einem höheren Energiebedarf als auch zu ungleichmäßigerer Trocknung, was nur durch einen erhöhten technischen Aufwand etwa durch Mischeinrichtungen oder Luftumkehr behoben werden könnte. Aufgrund des geringeren Aufwandes für die Belüftung und die Kontrolle kann für kleine landwirtschaftliche Praxisbetriebe in Kenia daher insbesondere die Trocknung ganzer Kolben in ungestörten Schüttungen empfohlen werden. Weiterhin wurde in der Arbeit die Entfeuchtung mittels eines Trockenmittels (Silikagel) kombiniert mit einer Heizquelle und abgegrenztem Luftvolumen untersucht und der konventionellen Trocknung gegenüber gestellt. Die Ergebnisse zeigten vergleichbare Entfeuchtungsraten während der ersten 5 Stunden der Trocknung. Der jeweilige Luftzustand bei Verwendung von Silikagel wurde insbesondere durch das eingeschlossene Luftvolumen und die Temperatur beeinflusst. Granulierte Trockenmittel sind bei der Maistrocknung unter hygienischen Gesichtspunkten vorteilhaft und können beispielsweise mit einfachen Öfen regeneriert werden, so dass Qualitätsbeeinträchtigungen wie bei Hochtemperatur- oder auch Freilufttrocknung vermieden werden können. Eine hochwertige Maistrocknungstechnik ist sehr kapitalintensiv. Aus der vorliegenden Arbeit kann aber abgeleitet werden, dass einfache Verbesserungen wie eine sensorgestützte Belüftung von Satztrocknern, der Einsatz von Trockenmitteln und eine angepasste Schüttungshöhe praktikable Lösungen für Kleinbauern in Kenia sein können. Hierzu besteht, ggf. auch zum Aspekt der Verwendung regenerativer Energien, weiterer Forschungsbedarf.