Auswirkungen des Klimawandels auf die klein- und großräumige genetische Populationsstruktur von Makrozoobenthos in Rhein, Main und Mosel

In den letzten Jahrzehnten wurde eine deutliche, anhaltende Veränderung des globalen Klimas beobachtet, die in Zukunft zu einer Erhöhung der durchschnittlichen Oberflächentemperatur, erhöhten Niederschlagsmengen und anderen gravierenden Umweltveränderungen führen wird (IPCC 2001). Der Klimawandel wird in Flüssen sowohl mehr Extremereignisse verursachen als auch das Abflussregime bisher schmelzwasserdominierter Flüsse zu grundwassergespeisten hin ändern; dies gilt insbesondere für den Rhein (MIDDELKOOP et al. 2001). Um die möglichen Auswirkungen dieser Veränderungen auf die genetische Populationsstruktur von Makrozoobenthosorganismen vorhersagen zu können, wurden in den grundwassergespeisten Flüssen Main und Mosel sowie im Rhein Entnahmestellen oberhalb und unterhalb von Staustufen beprobt, die durch kontrastierende Strömungsverhältnisse als Modell für die zu erwartenden Änderungen dienten. Als Untersuchungsobjekt wurden Dreissena polymorpha PALLAS 1771 sowie Dikerogammarus villosus SOWINSKI 1894 herangezogen. Sie zeichnen sich durch hohe Abundanzen aus, sind aber unterschiedlich u.a. hinsichtlich ihrer Besiedlungsstrategie und –historie. Bei beiden Spezies sind die phylogeographischen Hintergründe bekannt; daher wurde auch versucht, die Einwanderungsrouten in der Populationsstruktur nachzuweisen (phylogeographisches Szenario). Dies konkurrierte mit der möglichen Anpassung der Spezies an das Abflussregime des jeweiligen Flusses (Adaptations-Szenario). Die Populationen wurden molekulargenetisch mit Hilfe der AFLP-Methode („Amplified-Fragment Length Polymorphism“) untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass D. polymorpha deutlich durch die Abflussregimes der Flüsse (Schmelz- oder Grundwasserdominanz) beeinflusst wird. Die Allelfrequenzen in Populationen des Rheins sind von denen der beiden grundwassergespeisten Flüsse Main und Mosel deutlich unterscheidbar (Adaptations-Szenario). Jedoch ist kein Unterschied der genetischen Diversitäten zu beobachten; das ist auf die lange Adaptation an ihre jeweiligen Habitate durch die lange Besiedlungsdauer zurückzuführen. Dies ist auch der Grund, warum die Einwanderungsrouten anhand der Populationsstruktur nicht mehr nachzuweisen waren. Die kontrastierenden Strömungsverhältnisse um die Staustufen hatten ebenfalls keine konsistenten Auswirkungen auf die genetische Diversität der Populationen. Diese Ergebnisse zeigen eine hohe phänotypische Plastizität der Spezies und dadurch eine große Anpassungsfähigkeit an wechselnde Umweltbedingungen, die unter anderem für den großen Erfolg dieser Spezies verantwortlich ist. D. villosus wanderte erst vor Kurzem in das Untersuchungsgebiet ein; die Einwanderungsroute war anhand der genetischen Diversität nachvollziehbar (phylogeographisches Szenario); durch die kurze Besiedlungsdauer war eine Adaptation an die divergenten Abflussregime der Flüsse nicht zu erwarten und wurde auch nicht gefunden. Dagegen war ein deutlicher negativer Einfluss von starker Strömung auf die genetische Diversität nachweisbar. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass die zukünftigen Auswirkungen des Klimawandels auf die Strömungsgeschwindigkeit negative Konsequenzen auf die genetische Diversität von D. villosus haben werden, während D. polymorpha hier keine Auswirkungen erkennen lässt. Die Auswirkungen des veränderten Abflussregimes im Rhein sind für D. villosus mit den vorliegenden Daten aufgrund der kurzen Besiedlungsdauer nicht vorhersagbar; D. polymorpha wird durch die Veränderung des Rheins zu einem grundwassergespeisten Fluss zwar einen Wandel in der genetischen Struktur erfahren, aber auch hier keine Einbußen in der genetischen Diversität erleiden.

Entstehung und Diversifizierung der mittel- und westeuropäischen Salicornia-Arten

HintergrundrnDie hygrohalophytische Gattung Salicornia ist in Mittel- und Westeuropa durch vier nah verwandte, sympatrisch vorkommende Arten vertreten. Es handelt sich um die zwei tetraploiden Arten S. procumbens und S. stricta und die diploiden Arten S. europaea und S. ramosissima. Morphologisch lassen sich die Arten zwar nur schwer voneinander unterscheiden, die morphologische Variation ist aber wiederum so hoch, dass mehrere distinkte Arten/Morphotypen unterschieden werden können. Bezüglich ihrer Verteilung im hochdynamischen Lebensraum Salzwiese findet man die verschiedenen Arten/Morphotypen in überlappenden Bereichen des Habitats. Ihr relativ vorhersagbares Auftreten entlang eines ökologischen Gradienten innerhalb ihres Lebensraumes scheint jedoch für eine ökologische Differenzierung der verschiedenen Arten/Morphotypen zu sprechen. Aufgrund des sympatrischen Vorkommens der scheinbar ökologisch und morphologisch differenzierten Morphotypen stellt sich die Frage, durch welche Prozesse diese entstanden sein könnten (genetische und ökologische Differenzierung) aber auch welche Prozesse die dauerhafte Koexistenz der Arten (reproduktive Isolationsmechanismen) aufrechterhalten.rnZielsetzungrnZiel dieser Arbeit war es, die Entstehung und Diversifizierung der mittel- und westeuropäischen Salicornia-Arten anhand von molekulargenetischen, ökologischen und reproduktionsbiologischen Methoden zu untersuchen.rnMethodenrnAnhand einer AFLP-Fragmentanalyse mit 89 Herkünften aus Großbritannien, Frankreich und Deutschland wurden molekulare Phylogenien erstellt sowie eine Hauptkomponenten- und Clusteranalyse durchgeführt. Um die ökologische Differenzierung und phänotypische Plastizität der vier Arten/Morphotypen zu untersuchen wurde ein reziprokes Transplantationsexperiment durchgeführt. Um die reproduktiven Isolationsmechanismen der Arten/Morphotypen zu untersuchen, wurden verschiedene Beobachtungen und Experimente durchgeführt.rnErgebnissernDie molekularen Analysen konnten zwar die beiden Artengruppen (Ploidiestufen) trennen, lieferten aber innerhalb dieser weder ein taxonomisches noch ein geographisches Signal. Akzessionen mit identischer Morphologie aus der gleichen Population verteilten sich in den Analysen in verschiedene genetische Cluster. Identische Morphotypen aus verschiedenen geographischen Regionen gruppieren teilweise zusammen. Das Transplantationsexperiment zeigte für die beiden tetraploiden Arten S. procumbens und S. stricta eine deutliche ökologische Differenzierung, bei S. procumbens in Form von verminderter Fitness und einer beschleunigten Phänologie, bei S. stricta nur in Form einer veränderten Phänologie. Bezüglich der Plastizität zeigten beide tetraploiden Arten eine konstante Morphologie. Die beiden diploiden Taxa S. europaea und S. ramosissima zeigten weder eine klare ökologische Differenzierung noch eine konstante Morphologie. Bezüglich der Reproduktionsbiologie konnte bestätigt werden, dass Selbstung bei allen Taxa der hauptsächliche Reproduktionsmodus ist. Bei den tetraploiden Taxa zeigte sich zwar ein geringes Maß an Fremdbefruchtung, bei den diploiden Taxa führen dagegen morphologische Besonderheiten zu hochgradiger Selbstung.rnRésumérnDie in Mittel- und Westeuropa vorkommenden Salicornia-Arten stellen keine evolutionären Einheiten dar. Die beiden tetraploiden Taxa sollten auf Grund ihrer parallelen Entstehung und ökologischen Differenzierung als Ökotypen angesprochen werden. Beide Ökotypen weisen ein hohes Ausbreitungspotential aus und persistieren als Inzuchtlinien mit geringem Anteil an Fremdbestäubung. Die diploiden Taxa sind weder ökologisch differenziert noch morphologisch stabil und sollten deshalb als nur ein morphologisch sehr variables, aus zahlreichen weitverbreiteten Inzuchtlinien bestehendes Taxon angesehen werden.

The influence of individual and colony level variation in behavior on colony performance in ants

In my dissertation I investigated the influence of behavioral variation between and within ant colonies on group performance. In particular, I analyzed how evolution shapes behavior in response to ecological conditions, and whether within-group diversity improves productivity as suggested by theory. Our field and laboratory experiments showed that behavioral diverse groups are more productive. Different aggression levels within colonies were beneficial under competitive field situations, whereas diversity in brood care and exploratory behavior were favored in non-competitive laboratory situations. We then examined whether population density and social parasite presence shape aggression through phenotypic plasticity and/or natural selection. The importance of selection was indicated by the absence of density or parasite effects on aggression in a field manipulation. Indeed, more aggressive colonies fared better under high density and during parasite attack. When analyzing the proximate causes of individual behavioral variation, ovarian development was shown to be linked to division of labor and aggressiveness. Finally, our studies show that differences in the collective behavior can be linked to immune defense and productivity. My dissertation demonstrates that behavioral variation should be studied on multiple scales and when possible combined with physiological analyses to better understand the evolution of animal personalities in social groups.rn

Demography in eusocial Hymenoptera

In my doctoral thesis I investigated the evolution of demographic traits within eusocial Hymenoptera. In the social bees, wasps and ants, eusociality has a unique effect on life span evolution as female larvae with the same genetic background can develop through phenotypic plasticity to a queen or a worker with vastly diverging life-history traits. Ant queens belong to the longest-lived insect species, while workers in most species live only a fraction of the queen’s life span. The average colony size of a species is positively correlated with social complexity, division of labor and diverging morphological female phenotypes all of which also affect life span. Therefore the demographic traits of interest in this thesis were life span and colony size. To understand the evolution of worker life span I applied a trade-off model that includes both hierarchical levels important in eusocial systems, namely the colony- and the individual-level. I showed that the evolution of worker life span may be an adaptive trait on the colony level to optimize resource allocation and therefore fitness in response to different levels of extrinsic mortality. A shorter worker life span as a result of reduced resource investments under high levels of extrinsic mortality increases colony fitness. In a further study I showed that Lasius niger colonies produce different aging phenotypes throughout colony development. Smaller colonies which apply a different foraging strategy than larger colonies produced smaller workers, which in turn have a longer life span as compared to larger workers produced in larger colonies. With the switch to cooperative foraging in growing colonies individual workers become less important for the colony caused by their increasing redundancy. Alternatively a trade of between growth and life span may lead to the results found in this study. A further comparative analysis to study the effect of colony size on life span showed a correlation between queen and worker life span when colony size is taken into account. While neither worker nor queen life span was associated with colony size, the differences between queen and worker life span increase with larger average colony sizes across all eusocial Hymenoptera. As colony size affects both queen and worker life span, I aimed to understand which factors lead to the small colony sizes displayed by some ant species. I therefore analyzed per-capita productivity at different colony sizes of eight cavity dwelling ant species. Most colonies of the study species grew larger than optimal productivity predicted. Larger colony size was shown to increase colony homeostasis, the predictability of future productivity and in turn the survival probability of the colony. I also showed that species that deploy an individual foraging mode may circumvent the density dependent decline in foraging success by splitting the colony to several nest sites.

Detrimental effects of exuberant and restrained immune responses against the central nervous system in the context of multiple sclerosis and glioblastoma multiforme

Glioblastoma multiforme (GBM) is the most common and most aggressive astrocytic tumor of the central nervous system (CNS) in adults. The standard treatment consisting of surgery, followed by a combinatorial radio- and chemotherapy, is only palliative and prolongs patient median survival to 12 to 15 months. The tumor subpopulation of stem cell-like glioma-initiating cells (GICs) shows resistance against radiation as well as chemotherapy, and has been suggested to be responsible for relapses of more aggressive tumors after therapy. The efficacy of immunotherapies, which exploit the immune system to specifically recognize and eliminate malignant cells, is limited due to strong immunosuppressive activities of the GICs and the generation of a specialized protective microenvironment. The molecular mechanisms underlying the therapy resistance of GICs are largely unknown. rnThe first aim of this study was to identify immune evasion mechanisms in GICs triggered by radiation. A model was used in which patient-derived GICs were treated in vitro with fractionated ionizing radiation (2.5 Gy in 7 consecutive passages) to select for a more radio-resistant phenotype. In the model cell line 1080, this selection process resulted in increased proliferative but diminished migratory capacities in comparison to untreated control GICs. Furthermore, radio-selected GICs downregulated various proteins involved in antigen processing and presentation, resulting in decreased expression of MHC class I molecules on the cellular surface and diminished recognition potential by cytotoxic CD8+ T cells. Thus, sub-lethal fractionated radiation can promote immune evasion and hamper the success of adjuvant immunotherapy. Among several immune-associated proteins, interferon-induced transmembrane protein 3 (IFITM3) was found to be upregulated in radio-selected GICs. While high expression of IFITM3 was associated with a worse overall survival of GBM patients (TCGA database) and increased proliferation and migration of differentiated glioma cell lines, a strong contribution of IFITM3 to proliferation in vitro as well as tumor growth and invasiveness in a xenograft model could not be observed. rnMultiple sclerosis (MS) is the most common autoimmune disease of the CNS in young adults of the Western World, which leads to progressive disability in genetically susceptible individuals, possibly triggered by environmental factors. It is assumed that self-reactive, myelin-specific T helper cell 1 (Th1) and Th17 cells, which have escaped the control mechanisms of the immune system, are critical in the pathogenesis of the human disease and its animal model experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE). It was observed that in vitro differentiated interleukin 17 (IL-17) producing Th17 cells co-expressed the Th1-phenotypic cytokine Interferon-gamma (IFN-γ) in combination with the two respective lineage-associated transcription factors RORγt and T-bet after re-isolation from the CNS of diseased mice. Pathogenic molecular mechanisms that render a CD4+ T cell encephalitogenic have scarcely been investigated up to date. rnIn the second part of the thesis, whole transcriptional changes occurring in in vitro differentiated Th17 cells in the course of EAE were analyzed. Evaluation of signaling networks revealed an overrepresentation of genes involved in communication between the innate and adaptive immune system and metabolic alterations including cholesterol biosynthesis. The transcription factors Cebpa, Fos, Klf4, Nfatc1 and Spi1, associated with thymocyte development and naïve T cells were upregulated in encephalitogenic CNS-isolated CD4+ T cells, proposing a contribution to T cell plasticity. Correlation of the murine T-cell gene expression dataset to putative MS risk genes, which were selected based on their proximity (± 500 kb; ensembl database, release 75) to the MS risk single nucleotide polymorphisms (SNPs) proposed by the most recent multiple sclerosis GWAS in 2011, revealed that 67.3% of the MS risk genes were differentially expressed in EAE. Expression patterns of Bach2, Il2ra, Irf8, Mertk, Odf3b, Plek, Rgs1, Slc30a7, and Thada were confirmed in independent experiments, suggesting a contribution to T cell pathogenicity. Functional analysis of Nfatc1 revealed that Nfatc1-deficient CD4+ T cells were restrained in their ability to induce clinical signs of EAE. Nfatc1-deficiency allowed proper T cell activation, but diminished their potential to fully differentiate into Th17 cells and to express high amounts of lineage cytokines. As the inducible Nfatc1/αA transcript is distinct from the other family members, it could represent an interesting target for therapeutic intervention in MS.rn