Ectomycorrhizae of sessile oak (Quercus petraea (Matt.) Liebl.)

Investigations were performed during the years 1999 to 2001 on a limed and unlimed plot within a high-elevated sessile oak forest. The oak forest (with 90 years old European beech at the understorey) was 170 to 197 years old. It is located at forest district Merzalben, location 04/0705, which is situated in the Palatinate Forest in south-west Germany. Liming was performed in December 1988 when 6 tons/ha of powdered Dolomite were brought up by the forestry department. Liming was performed to counteract the effects of soil acidification (pH(H2O) at Horizon A (0-10 cm): 3.9), which is induced by long-term (anthropogenic) acidic cloud cover and precipitation. Potentially toxic Al3+ ions, which become solubilized below pH 5, were suspected to be responsible for forest dieback and sudden death of the mature oaks. The most logical entry point for these toxic ions was suspected to occur in the highly absorptive region of the ectomycorrhizae (fungal covered root tips). However, the diversity and abundance of oak-ectomycorrhizal species and their actual roles in aluminum translocation (or blockage) were unknown. It was hypothesized that the ectomycorrhizae of sessile oaks in a limed forest would exhibit greater seasonal diversity and abundance with less evidence of incorporated aluminum than similar oak ectomycorrhizae from unlimed soils. To test this hypothesis, 12 oaks in the limed plot and 12 in an adjacent unlimed plot were selected. Each spring and fall for 2 years (1999 & 2000), 2 sets of soil cylinders (9.9 cm dia.) were extracted from Horizon A (0-10 cm), Horizon B (30-40 cm) and Horizon C (50-60 cm depth) at a distance of 1 meter from each tree base. Roots were extracted from each probe by gentle sieving and rinsing. Soil samples were retained for pH (H2O, CaCl2, and KCl) and moisture analysis. One set of roots was sorted by size and air-dried for biomass analysis. The finest mycorrhizal roots of this set were used for bound and unbound (cytosolic) mineral [Al, Ca, Mg, K, Na, Mn, S, Zn, Fe, Cd and Pb] analysis (by Landwirtschaftliche Untersuchungs- und Forschungsanstalt Rheinland Palatinate (LUFA)). Within 7 days of collection, the mycorrhizal tips from the second set of probes were excised, sorted, identified (using Agerer’s Color Atlas), counted and weighed. Seasonal diversity and abundance was characterized for 50 of the 93 isolates. The location and relative abundance of Al within the fungal and root cell walls was characterized for 68 species using 0.01% Morin dye and fluorescence microscopy. Morin complexes with Al to produce an intense yellow fluorescence. The 4 most common species (Cenococcum geophilum, Quercirhiza fibulocsytidiata, Lactarius subdulcis, Piceirhiza chordata) were prepared for bound Al, Ca, Fe and K mineral analysis by LUFA. The unlimed and limed plots were then compared. Only 46 of the 93 isolated ectomycorrhizal species had been previously associated with oaks in the literature. Mycorrhizal biomass was most abundant in Horizon A, declining with depth, drought and progressive soil acidification. Mycorrhizae were most diverse (32 species) in the limed plot, but individual species abundance was low (R Selection) in comparison to the unlimed plot, where there were fewer species (24) but each species present was abundant (K Selection). Liming increased diversity and altered dominance hierarchy, seasonal distributions and succession trends of ectomycorrhizae at all depths. Despite an expected reduction in Al content, the limed ectomycorrhizae both qualitatively (fluorescence analysis) and quantitatively (mineral analysis) contained more bound Al, especially so in Horizon A. The Al content qualitatively and quantitatively increased with depth in the unlimed and limed plots. The bound Al content fluctuated between 4000-and 20000 ppm while the unbound component was consistently lower (4 -14 ppm). The relative amount of unbound Al declined upon liming implying less availability for translocation to the crown area of the trees. This correspouds with the findings of good crown appearance and lower tree mortality in the limed zone. Each ectomycorrhizal species was unique in its ability to block, sequester (hold) or translocate Aluminum. In several species, Al uptake varied with changes in moisture, pH, depth and liming. According to the fluorescence study, about 48% of the isolated ectomycorrhizal species blocked and/or sequestered (held) Al in their mantle and/or Hartig net walls, qualitatively lowering bound Al in the adjacent root cell walls. Generally, if Al was more concentrated in the fungal walls, it was less evident in the cortex and xylem and conversely, if Al was low or absent from the fungal walls it was frequently more evident in the cortex and xylem.

Etablierung eines high content imaging-basierten in vitro Testsystems zur Evaluierung genotoxischer Substanzen

Zur Registrierung von Pharmazeutika ist eine umfassende Analyse ihres genotoxischen Potentials von Nöten. Aufgrund der Vielzahl genotoxischer Mechanismen und deren resultierenden Schäden wird ein gestaffeltes Testdesign durch die ICH-Richtlinie S2(R1) „Guidance on genotoxicity testing and data interpretation for pharmaceuticals intended for human use S2(R1)“ definiert, um alle genotoxischen Substanzen zu identifizieren. Die Standardtestbatterie ist in der frühen Phase der Arzneimittelentwicklung aufgrund des geringen Durchsatzes und des Mangels an verfügbarer Substanzmenge vermindert anwendbar. Darüber hinaus verfügen in vitro Genotoxizitätstests in Säugerzellen über eine relativ geringe Spezifität. Für eine vollständige Sicherheitsbeurteilung wird eine in vivo Testung auf Kanzerogenität benötigt. Allerdings sind diese Testsysteme kosten- und zeitintensiv. Aufgrund dessen zielen neue Forschungsansätze auf die Verbesserung der Prädiktivität und die Erfassung des genotoxischen Potentials bereits in der frühen Phase der Arzneimittelentwicklung ab. Die high content imaging (HCI)-Technologie offeriert einen Ansatz zur Verbesserung des Durchsatzes verglichen mit der Standardtestbatterie. Zusätzlich hat ein Zell-basiertes Modell den Vorteil Daten relativ schnell bei gleichzeitig geringem Bedarf an Substanzmenge zu generieren. Demzufolge ermöglichen HCI-basierte Testsysteme eine Prüfung in der frühen Phase der pharmazeutischen Arzneimittelentwicklung. Das Ziel dieser Studie ist die Entwicklung eines neuen, spezifischen und sensitiven HCI-basierten Testsytems für Genotoxine und Progenotoxine in vitro unter Verwendung von HepG2-Zellen gewesen. Aufgrund ihrer begrenzten metabolischen Kapazität wurde ein kombiniertes System bestehend aus HepG2-Zellen und einem metabolischen Aktivierungssystem zur Testung progenotoxischer Substanzen etabliert. Basierend auf einer vorherigen Genomexpressionsprofilierung (Boehme et al., 2011) und einer Literaturrecherche wurden die folgenden neun unterschiedlichen Proteine der DNA-Schadensantwort als putative Marker der Substanz-induzierten Genotoxizität ausgewählt: p-p53 (Ser15), p21, p-H2AX (Ser139), p-Chk1 (Ser345) p-ATM (Ser1981), p-ATR (Ser428), p-CDC2 (Thr14/Tyr15), GADD45A und p-Chk2 (Thr68). Die Expression bzw. Aktivierung dieser Proteine wurde 48 h nach Behandlung mit den (pro-) genotoxischen Substanzen (Cyclophosphamid, 7,12-Dimethylbenz[a]anthracen, Aflatoxin B1, 2-Acetylaminofluoren, Methylmethansulfonat, Actinomycin D, Etoposid) und den nicht-genotoxischen Substanzen (D-Mannitol, Phenforminhydrochlorid, Progesteron) unter Verwendung der HCI-Technologie ermittelt. Die beste Klassifizierung wurde bei Verwendung der folgenden fünf der ursprünglichen neun putativen Markerproteine erreicht: p-p53 (Ser15), p21, p-H2AX (Ser139), p-Chk1 (Ser345) und p-ATM (Ser1981). In einem zweiten Teil dieser Arbeit wurden die fünf ausgewählten Proteine mit Substanzen, welche von dem European Centre for the Validation of Alternative Methods (ECVAM) zur Beurteilung der Leistung neuer oder modifizierter in vitro Genotoxizitätstests empfohlen sind, getestet. Dieses neue Testsystem erzielte eine Sensitivität von 80 % und eine Spezifität von 86 %, was in einer Prädiktivität von 84 % resultierte. Der synergetische Effekt dieser fünf Proteine ermöglicht die Identifizierung von genotoxischen Substanzen, welche DNA-Schädigungen durch eine Vielzahl von unterschiedlichen Mechanismen induzieren, mit einem hohen Erfolg. Zusammenfassend konnte ein hochprädiktives Prüfungssystem mit metabolischer Aktivierung für ein breites Spektrum potenziell genotoxischer Substanzen generiert werden, welches sich aufgrund des hohen Durchsatzes, des geringen Zeitaufwandes und der geringen Menge benötigter Substanz zur Substanzpriorisierung und -selektion in der Phase der Leitstrukturoptimierung eignet und darüber hinaus mechanistische Hinweise auf die genotoxische Wirkung der Testsubstanz liefert.