Habitatwahl und Artenzusammensetzung von Arthropodenpopulationen im urbanen Bereich am Beispiel des Rhein-Main-Ballungsraumes unter besonderer Berücksichtigung der Saltatoria

SummaryThe present thesis deals with the choosing of habitats and species structures of invertebrate populations in urban areas. The main emphasis is focused on the group of saltatoria. Samplings by stationary traps and also by net-catching were carried out from 1993 to 1997. The survey extended over the whole city area of Mainz, Germany, as well as several spots in the area of Frankfurt upon Main. Shifting calcerous sands received special consideration. For a better distinction of the surveying area, three different zones were established, 'Relicts of natural landscape', 'Traditional worked rural landscape' and 'Urban environment'. Partly significant differences in species and individual abundance between the zones showed the influence of the different cultivation on the fauna. To investigate population size and -structure as well as migration and habitat preference - especially in urban areas - capture-recapture experiments were performed on the two species Oedipoda caerulescens L. and Sphingonotus caerulans L. in 1998. Large secondary habitats, such as train stations, are getting more and more important for the survival of the highly endangered S. caerulans. Another centre of attention was the structure of invertebrate populations on class level. The results of the investigation show, that the importance of urban environment for the conservation of species and also nature has been highly underestimated so far.ZusammenfassungDie vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Habitatwahl und Artenzusammensetzung von Arthropodenpopulationen im besiedelten Bereich. Der Schwerpunkt lag auf der Gruppe der Saltatoria. Über mehrere Jahre (1993-1996) wurden Fänge mit stationären Fallen sowie Kescherfänge durchgeführt. Das Untersuchungsgebiet umfaßte in erster Linie das Stadtgebiet von Mainz, darüber hinaus wurden einzelne Standorte in Frankfurt/M. und Umgebung untersucht. Ein Schwerpunkt der Untersuchungen lag auf Kalkflugsanddünen, besonders Restflächen im besiedelten Bereich. Sekundäre Sandstandorte oder vergleichbare anthropogen entstandene Böden wurden ebenfalls beprobt Das Stadtgebiet wurde aufgrund besserer Unterscheidung in drei Zonen aufgeteilt, die 'Naturlandschaftsrelikte', die 'Zone der Alten Kulturlandschaft' und die 'Urbane Landschaft'. Größtenteils signifikante Unterschiede in der Arten- und Individuenanzahl zwischen den Zonen zeigen den bedeutenden Einfluß der unterschiedlichen Bearbeitung und Kultivierung auf die Fauna. An den beiden Spezies Oedipoda caerulescens L. und Sphingonotus caerulans L. wurden Fang-Wiederfangexperimente zur Abschätzung der Populationsgröße, -struktur, Habitatwahl sowie Migration durchgeführt. Besonders für die stark gefährdete S. caerulans stellte sich die enorme Bedeutung von großflächigen Sekundärhabitaten im besiedelten Bereich, wie sie Bahnhöfe darstellen, heraus. Der zweite Schwerpunkt lag auf der Struktur von Invertebratenpopulationen im besiedelten Bereich. Sie wurden auf Ordnungsniveau erfaßt. Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, daß die Bedeutung des besiedelten Bereiches für den Arten- und Biotopschutz bisher weit unterschätzt wurde.

Isolierung und Charakterisierung allergener Proteine aus der Amerikanischen Schabe (Periplaneta americana)

Allergie gegen Schaben ist eine der Hauptursachen für das Auftreten von allergischem Asthma und allergischer Rhinitis. Verursacht werden diese Krankheiten durch die Schabenallergene. Obwohl bisher zahlreiche Allergene identifiziert wurden, ist bisher nicht bekannt, was ein Protein tatsächlich zu einem Allergen macht. Um die intrinsischen Eigenschaften von Allergenen besser verstehen zu können, wurden in dieser Arbeit Reinigungsprotokolle für die zwei Allergenklassen Per a 3 und Per a 9 aus der Amerikanischen Schabe entwickelt und die Allergene biochemisch und immunologisch charakterisiert. Die Besonderheit der Per a 3-Allergene liegt zum einen darin, dass bisher keine kreuzreagierenden Allergene bekannt sind und zum anderen, dass es sich um -hinsichtlich Temperatur, Harnstoff und Hydrolyse- sehr stabile hexamere Proteine handelt. Zudem sind sie in ihrer nativen hexameren Oligomerisierung stärkere Allergene und in dissoziierter Form könnten sie geeignete Kandidaten für eine Immuntherapie sein. Proteinbiochemisch sind die Per a 3-Allergene als Hexamerine einzustufen. Bei Per a 9 handelt es sich um eine monomere Arginin-Kinase mit allergenem Potential. Aufgrund der weiten Verbreitung der Arginin-Kinasen, den hohen Sequenzidentitäten zu weiteren Invertebraten-Arginin-Kinasen und den bisher bekannten Kreuzreaktionen sind diese Proteine aus Invertebraten wahrscheinlich als Pan-Allergene einzustufen.

3D-Strukturanalyse von Molluskenhämocyaninen aus elektronenmikroskopischen Bildern

Diese Arbeit präsentiert die bislang höchst aufgelösten KryoEM-Strukturen für ein Cephalopoden hämocyanin Dekamer (Nautilus pompilus Hämocyanin, NpH) und ein Gastropoden Hämocyanin Didekamer (keyhole limpet hemocyanin isoform 1). Durch die Methoden des “molecular modelling” und “rigid-body-fiting” wurde auch eine detaillierte Beschreibung beider Strukturen auf atomarem Niveau erstmalig möglich. Hämocyanine sind kupferhaltige Sauerstoff-Transportproteine die frei gelöst in Blut zahlreicher Arthropoden und Mollusken vorkommen. Allgemein sind Molluskenhämocyanine als Dekamere (Hohlzylinder aus 5 Untereinheiten-dimere) oder Didecamere (Zusammenlagerung von zwei Dekameren) zu finden. Durch Anlagerung weiterer Dekamere bilden sich teilweise tubuläre Multidekamere. Hämocyanine der Cephalopoden bestehen ausschließlich aus solitären Decameren. In Octopus und Nautilus bestehen die 10 Untereinheiten aus 7 funktionellen Einheiten(FU-a bis FU-g), wobei jede FU ein Sauerstoffmolekül binden kann. FUs a-f bilden die Wand des ringförmigen Moleküls und 10 Kopien der FU-g bilden einen sogenannten „inneren Kragenkomplex“. Das im Rahmen dieser Arbeit erstelltes molekulares Modell von NpH klärt die Struktur des Dekamers vollständig auf. Wir waren zum ersten Mal in der Lage das Untereinheiten-dimer, den Verlauf der Polypeptidkette und 15 unterschiedliche Kontaktstellen zwischen FUs zu identifizieren. Viele der inter-FU-Kontakte weisen Aminosäurenkonstellationen auf, die die Basis für die Übertragung allosterischer Wechselwirkungen zwischen FUs darstellen könnten und Hinweise für den Aufbau der allosterische Einheit geben. Potentielle Bindungsstellen für N-glykosidische Zucker und bivalente Kationen wurden auch identifiziert. Im Gegensatz zu NpH, kommen Gastropoden Hämocyanine (inkl. KLH) hauptsächlich als Didekamere vor und der Kragenkomplex wird in diesem Fall aus 2 FUs gebildet (Fu-g und FU-h). Die zusätzliche C'-terminale FU-h zeichnet sich durch eine spezielle Verlängerung von ~ 100 Aminosäuren aus. KLH stammt aus der kalifornische Schnecke Megathura crenulata und kommt seit mehreren Jahrzehnten als Immunostimulator in der immunologischen Grundlagenforschung und klinischen Anwendung zum Einsatz. KLH weist zwei Isoformen auf, KLH1 und KLH2. Das vorliegende Modell von KLH1 erlaubt die komplexe Architektur dieses riesigen Proteins in allen Details zu verstehen, sowie einen Vergleich zum dem NpH Dekamer auf atomare Ebene. Es wurde gefunden, dass das Untereinheitensegment a-b-c-d-e-f-g, sowie die equivalenten Kontaktstellen zwichen FUs stark konserviert sind. Dies deutet darauf hin, dass in Bezug auf die Übertragung allosterische Signale zwischen benachbarten FUs, grundlegende Mechanismen in beiden Molekülen beibehalten wurden. Weiterhin, konnten die Verbindungen zwischen den zwei Dekameren ertsmalig identifiziert werden. Schließlich, wurde die Topologie der N-glycosidischen Zucker, welche für die immunologische Eigenschaften von KLH1 von großer Bedeutung sind, auch aufgeklärt. Somit leistet die vorliegende Arbeit einen wesentlichen Schritt zum Verständnis der Quartärstruktur und Funktion der Molluskenhämocyanine.rn

Comparative phylogeography of two co-distributed arctic-alpine freshwater insect species in Europe

The distribution pattern of European arctic-alpine disjunct species is of growing interest among biogeographers due to the arising variety of inferred demographic histories. In this thesis I used the co-distributed mayfly Ameletus inopinatus and the stonefly Arcynopteryx compacta as model species to investigate the European Pleistocene and Holocene history of stream-inhabiting arctic-alpine aquatic insects. I used last glacial maximum (LGM) species distribution models (SDM) to derive hypotheses on the glacial survival during the LGM and the recolonization of Fennoscandia: 1) both species potentially survived glacial cycles in periglacial, extra Mediterranean refugia, and 2) postglacial recolonization of Fennoscandia originated from these refugia. I tested these hypotheses using mitochondrial sequence (mtCOI) and species specific microsatellite data. Additionally, I used future SDM to predict the impact of climate change induced range shifts and habitat loss on the overall genetic diversity of the endangered mayfly A. inopinatus.rnI observed old lineages, deep splits, and almost complete lineage sorting of mtCOI sequences between mountain ranges. These results support the hypothesis that both species persisted in multiple periglacial extra-Mediterranean refugia in Central Europe during the LGM. However, the recolonization of Fennoscandia was very different between the two study species. For the mayfly A. inopinatus I found strong differentiation between the Fennoscandian and all other populations in sequence and microsatellite data, indicating that Fennoscandia was recolonized from an extra European refugium. High mtCOI genetic structure within Fennoscandia supports a recolonization of multiple lineages from independent refugia. However, this structure was not apparent in the microsatellite data, consistent with secondary contact without sexual incompability. In contrast, the stonefly A. compacta exhibited low genetic structure and shared mtCOI haplotypes among Fennoscandia and the Black Forest, suggesting a shared Pleistocene refugium in the periglacial tundrabelt. Again, there is incongruence with the microsatellite data, which could be explained with ancestral polymorphism or female-biased dispersal. Future SDM projects major regional habitat loss for the mayfly A. inopinatus, particularly in Central European mountain ranges. By relating these range shifts to my population genetic results, I identified conservation units primarily in Eastern Europe, that if preserved would maintain high levels of the present-day genetic diversity of A. inopinatus and continue to provide long-term suitable habitat under future climate warming scenarios.rnIn this thesis I show that despite similar present day distributions the underlying demographic histories of the study species are vastly different, which might be due to differing dispersal capabilities and niche plasticity. I present genetic, climatic, and ecological data that can be used to prioritize conservation efforts for cold-adapted freshwater insects in light of future climate change. Overall, this thesis provides a next step in filling the knowledge gap regarding molecular studies of the arctic-alpine invertebrate fauna. However, there is continued need to explore the phenomenon of arctic-alpine disjunctions to help understand the processes of range expansion, regression, and lineage diversification in Europe’s high latitude and high altitude biota.

Identifizierung, Expression und Charakterisierung des Nanos-verwandten Proteins aus dem marinen Schwamm Suberites domuncula

Im Rahmen dieser Arbeit konnte in dem marinen Schwamm Suberites domuncula ein Gen identifiziert werden, dessen C-terminale konservierte Domäne eine hohe Sequenzähnlichkeit zu den Zinkfingerdomänen der Nanos-Proteine aufweist. Weiter konnte ein N-terminales Sequenzmotiv identifiziert werden, das eine hohe Sequenzidentität zu den konservierten NIM Motiven (CNOT1-interagierendes-Motiv) von Nanos zeigt. Nach der Klonierung der cDNA erfolgte die Expression des als Sd_nrp bezeichneten Proteins in E. coli Bakterien, für dessen 231 Aminosäuren umfassende Polypeptidkette eine theoretische Molekülmasse von 25.8 kDa berechnet wurde. Anschließend gelang ein Nachweis des Proteins mithilfe eines polyklonalen, gegen Sd_nrp gerichteten Antikörpers in drei Gewebetypen, dem Pinacoderm, den Primmorphen (3D-Zellaggregate) und den Gemmulae (Dauerstadien der Schwämme). Dabei konnte die höchste Expression von Sd_nrp in den als totipotent geltenden Stammzellen der Schwämme, den Archaeocyten innerhalb der Gemmulae beobachtet werden. Die Identifizierung der Zellstrukturen, erfolgte dabei aufgrund morphologischer Vergleiche. Speziell die Merkmale der Zellen in den Gemmulae, der große Nukleus, die amöboide Form sowie die granulären Reservesubstanzen, entsprechen den typischen morphologischen Eigenschaften der Archaeocyten, und bestätigen die Interpretation der Ergebnisse. Weiter konnte mit Hilfe des Anti-Sd_nrp Antikörpers das native Protein in Proteinextrakten aus Gewebe adulter Tiere nachgewiesen werden. Die vergleichende Sequenzanalyse von Sd_nrp mit dem Nanos-verwandten Protein der Schwammspezies Ephydatia fluviatilis und die phylogenetische Stammbaum-Analyse mit Nanos-Homologen unterschiedlicher Invertebraten und Vertebraten lässt die Schlussfolgerung zu, dass es sich bei dem hier identifizierten Protein Sd_nrp um ein Nanos-verwandtes Protein handelt. Darüber hinaus konnte anhand eines Homologiemodells bestätigt werden, dass es sich bei der konservierten C-terminalen Domäne des Proteins Sd_nrp um die für Nanos-Proteine spezifische Zinkfingerstruktur mit dem konservierten Sequenzmotiv CCHC handelt. Dieses Ergebnis konnte auch bei einem Vergleich der Zinkfingerdomäne von Sd_nrp mit den Zinkfingerdomänen der Nanos-Homologen unterschiedlicher Invertebraten- und Vertebratenspezies bestätigt werden.