Leaf level VOC emissions of single plants from Amazonian and Mediterranean ecosystems: Ontogeny and flooding as stress factor for VOC emissions

Die Vegetation ist die wichtigste Quelle von organischen flüchtigen Verbindungen (auf Englisch volatile organic compounds,VOCs), die einen bemerkenswerten Einfluss auf der Chemie und Physik der Atmosphäre haben. VOCs beeinflussen die oxidative Kapazität der Atmosphäre und tragen zu der Bildung und zum Wachstum von sekundären organischen Aerosolen bei, welche einerseits eine Streuung und Reflektierung der Energie verursachen und andererseits sich an der Bildung und Entwicklung von Wolken beteiligen. Ziel dieser Arbeit war die Beschreibung und der Vergleich von VOC Emissionen aus Pflanzen aus zwei verschiedenen Ökosystemen: Mediterranes Ökosystem und Tropisches Ökosystem. Für diese Aufgabe wurden gewöhnliche Pflanzen von beiden Ökosystemen untersucht. Siebzehn Pflanzenspezies aus der Mittelmeergebiet, welches bekannt ist für seine Vielfalt an VOC emittierenden Pflanzen, wurden in die Untersuchungen einbezogen. Im Gegensatz zum mediterranen Ökosystem sind nur wenig Information verfügbar über VOC Emissionen aus Blättern tropischer Baumspezies. Vor diesem Hintergrund wurden sechsundzwanzig Baumspezies aus verschiedenen Ökotypen des Amazonasbeckens (Terra firme, Várzea und Igapó) wurden auf VOC Emissionen auf Blattebene mit einem Küvetten-System untersucht. Analysen von flüchtigen organischen Verbindungen wurden online mit PTR-MS und offline mittels Sammlung auf entsprechenden Adsorbern (Kartuschen) und nachfolgender GC-FID Analyse untersucht. Die höchsten Emissionen wurden für Isoprene beobachtete, gefolgt durch Monoterpene, Methanol und Aceton. Die meisten Mittelmeer Spezies emittierten eine hohe Vielfalt an Monoterpenspezies, hingegen zeigten nur fünf tropische Pflanzenspezies eine Monoterpene mit einen sehr konservativen Emissionsprofil (α-Pinen>Limonen>Sabinen >ß-Pinen). Mittelmeerpflanzen zeigten zusätzlich Emissionen von Sesquiterpenen, während bei der Pflanzen des Amazonas Beckens keine Sesquiterpenemissionen gefunden wurden. Dieser letzte Befund könnte aber auch durch eine niedrigere Sensitivität des Messsystems während der Arbeiten im Amazonasgebiet erklärt werden. Zusätzlich zu den Isoprenoidemissionen waren Methanolemissionen als Indikator für Wachtumsvorgänge sehr verbreitet in den meisten Pflanzenspezies aus tropischen und mediterranen Gebieten. Einige Pflanzenspezies beider Ökosystemen zeigten Acetonemissionen. rnrnVOC Emissionen werde durch eine große Vielfalt an biotischen und abiotischen Faktoren wie Lichtintensität, Temperatur, CO2 und Trockenheit beeinflusst. Ein anderer, öfter übersehener Faktor, der aber sehr wichtig ist für das Amazonas Becken, ist die regelmäßige Überflutung. In dieser Untersuchung wir fanden heraus, dass am Anfang einer Wurzelanoxie, die durch die Überflutung verursacht wurde, Ethanol und Acetaldehyd emittiert werden können, vor allem in Pflanzenspezies, die schlechter an eine unzureichende Sauerstoffversorgung bei Flutung adaptiert sind, wie z.B. Vatairea guianensis. Die Spezies Hevea spruceana, welche besser an Überflutung adaptiert ist, könnte möglicherweise der gebildete Ethanol sofort remetabolisieren ohne es zu emittieren. Nach einer langen Periode einer Überflutung konnte allerdings keine Emission mehr beobachtet werden, was auf eine vollständige Adaptation mit zunehmender Dauer schließen lässt. Als Reaktion auf den ausgelösten Stress können Isoprenoidemissionen ebenfalls kurzfristig nach einigen Tage an Überflutung zunehmen, fallen dann aber dann nach einer langen Periode zusammen mit der Photosynthese, Transpiration und stomatäre Leitfähigkeit deutlich ab.rnrnPflanzen Ontogenese ist anscheinend von Bedeutung für die Qualität und Quantität von VOC Emissionen. Aus diesem Grund wurden junge und erwachsene Blätter einiger gut charakterisierten Pflanzen Spezies aus dem Mittelmeerraum auf VOC Emissionen untersucht. Standard Emissionsfaktoren von Isopren waren niedriger in jungen Blättern als in erwachsene Blätter. Hingegen wurden höhere Monoterpen- und Sesquiterpenemissionen in jungen Blätter einiger Pflanzenspezies gefunden. Dieser Befund deutet auf eine potentielle Rolle dieser VOCs als Abwehrkomponenten gegen Pflanzenfresser oder Pathogene bei jungen Blätter hin. In einigen Fällen variierte auch die Zusammensetzung der Monoterpen- und Sesquiterpenspezies bei jungen und erwachsenen Blättern. Methanolemissionen waren, wie erwartet, höher in jungen Blättern als in ausgewachsenen Blättern, was mit der Demethylierung von Pectin bei der Zellwandreifung erklärt werden kann. Diese Befunde zu Änderungen der Emissionskapazität der Vegetation können für zukünftige Modellierungen herangezogen werden. rn

optomotor-blind and the horizontal and vertical system cells of the drosophila optic lobes

The horizontal and vertical system neurons (HS and VS cells) are part of a conserved set of lobula plate giant neurons (LPGNs) in the optic lobes of the adult brain. Structure and physiology of these cells are well known, predominantly from studies in larger Dipteran flies. Our knowledge about the ontogeny of these cells is limited and stems predominantly from laser ablation studies in larvae of the house fly Musca domestica. These studies suggested that the HS and VS cells stem from a single precursor, which, at least in Musca, has not yet divided in the second larval instar. A regulatory mutation (In(1)omb[H31]) in the Drosophila gene optomotor-blind (omb) leads to the selective loss of the adult HS and VS cells. This mutation causes a transient reduction in omb expression in what appears to be the entire optic lobe anlage (OLA) late in embryogenesis. Here, I have reinitiated the laser approach with the goal of identifying the presumptive embryonic HS/VS precursor cell in Drosophila. The usefulness of the laser ablation approach which has not been applied, so far, to cells lying deep within the Drosophila embryo, was first tested on two well defined embryonic sensory structures, the olfactory antenno-maxillary complex (AMC) and the light-sensitive Bolwing´s organ (BO). In the case of the AMC, the efficiency of the ablation procedure was demonstrated with a behavioral assay. When both AMCs were ablated, the response to an attractive odour (n-butanol) was clearly reduced. Interestingly, the larvae were not completely unresponsive but had a delayed response kinetics, indicating the existence of a second odour system. BO will be a useful test system for the selectivity of laser ablation when used at higher spatial resolution. An omb-Gal4 enhancer trap line was used to visualize the embryonic OLA by GFP fluorescence. This fluorescence allowed to guide the laser beam to the relevant structure within the embryo. The success of the ablations was monitored in the adult brain via the enhancer trap insertion A122 which selectively visualizes the HS and VS cell bodies. Due to their tight clustering, individual cells could not be identified in the embryonic OLA by conventional fluorescence microscopy. Nonetheless, systematic ablation of subdomains of the OLA allowed to localize the presumptive HS/VS precursor to a small area within the OLA, encompassing around 10 cells. Future studies at higher resolution should be able to identify the precursor as (an) individual cell(s). Most known lethal omb alleles do not complement the HS/VS phenotype of the In(1)omb[H31] allele. This is the expected behaviour of null alleles. Two lethal omb alleles that had been isolated previously by non-complementation of the omb hypomorphic allele bifid, have been reported, however, to complement In(1)omb[H31]. This report was based on low resolution paraffin histology of adult heads. Four mutations from this mutagenesis were characterized here in more detail (l(1)omb[11], l(1)omb[12], l(1)omb[13], and l(1)omb[15]). Using A122 as marker for the adult HS and VS cells, I could show, that only l(1)omb[11] can partly complement the HS/VS cell phenotype of In(1)omb[H31]. In order to identify the molecular lesions in these mutants, the exons and exon/intron junctions were sequenced in PCR-amplified material from heterozygous flies. Only in two mutants could the molecular cause for loss of omb function be identified: in l(1)omb[13]), a missense mutation causes the exchange of a highly conserved residue within the DNA-binding T-domain; in l(1)omb[15]), a nonsense mutation causes a C-terminal truncation. In the other two mutants apparently regulatory regions or not yet identified alternative exons are affected. To see whether mutant OMB protein in the missense mutant l(1)omb[13] is affected in DNA binding, electrophoretic shift assays on wildtype and mutant T-domains were performed. They revealed that the mutant no longer is able to bind the consensus palindromic T-box element.

Ornithophily in the genus Salvia L. (Lamiaceae)

This dissertation presents for the first time a survey of bird pollinated (ornithophilous) Salvia species. Within the approximately 1000 species of the worldwide distributed genus roughly 20% (186 spp.) are bird pollinated. Excepting four species in the Old World (South Africa and Madagascar), ornithophilous species are restricted to the New World where they represent about one third of the species. They occur mainly in higher altitudes (1500-3000m) and usually grow as shrubs or perennial herbs (97%). The bilabiate to tubular flowers are often red (at least 49%), averaging 35mm (7-130mm) in length and produce a large to medium volume of nectar with rather low sugar concentration. Pollination by sunbirds and white-eyes is documented in a South African species, and that by hummingbirds in 16 species of the New World (USA, Mexico, Guatemala and Bolivia). Beside pollinator observations, the functionality of the staminal levers, the process of pollen transfer and the fitting between flowers and birds are tested by inserting museum skins and metal rods into fresh flowers. The most surprising result is the finding of two different main pollen transfer mechanisms. In at least 54% of the species an active staminal lever mechanism enables pollen deposition on the birds body. This is illustrated in detail in the South African S. lanceolata at which birds were observed to release the lever mechanism and became dusted with pollen. In contrast, the lever mechanism in about 35% of the New World species is reduced in different ways. Pollen transfer by inactive ‘levers’ is demonstrated in detail in S. haenkei in Bolivia, at which four pollinating hummingbird species could be observed. The tubular corolla forced the birds in a specific position, thereby causing pollen transfer from the exserted pollen-sacs to the birds body. With respect to the floral diversity and systematic affiliation of the species, parallel evolution of ornithophily and lever reduction is likely. Considering that bird pollinated species might have derived from bee pollinated species and that the staminal levers have become secondarily inactive, it is concluded that the shift in pollinators induced phenotypic changes even disabling such a sophisticated structure as the staminal lever mechanism.

Evolutionary tendencies in African Marantaceae

Die Marantaceae (550 Arten) sind eine weltweit verbreitete Familie von Stauden und Lianen aus dem Unterwuchs tropischer Tieflandregenwälder. Der morphologisch-ökologische Vergleich des basal abzweigenden Sarcophrynium-Astes mit dem in abgeleiteter Position stehenden Marantochloa-Ast, soll beispielhaft evolutionäre Muster in der Familie beleuchten. So wird in der Doktorarbeit zum ersten Mal ein Überblick über die Blütenbiologie und Phylogenie von rund 30 der 40 afrikanischen Marantaceae Arten präsentiert. Die Analysen basieren auf Daten von drei mehrmonatigen Feldaufenthalten in Gabun jeweils zwischen September und Januar. Vier Blütentypen werden beschrieben, die jeweils mit einer spezifischen Bestäubergilde verbunden sind (kleine, mittlere, große Bienen bzw. Vögel). Bestäubungsexperimente belegen, dass 18 Arten selbstkompatibel, aber nur zwei Arten autogam sind, also keine Bestäubungsvermittler benötigen. Der Fruchtansatz ist generell gering (10 -30 %). Die komplexe Synorganisation der Blüte ermöglicht in den Marantaceae einen explosiven Bestäubungsmechanismus. Um dessen ökologische Funktionalität zu verstehen, werden die Blüten von 66 Arten, alle wichtigen Äste der Marantaceae abdeckend, unter einem morphologisch-funktionalen Gesichtspunkt untersucht. Es gibt große Übereinstimmungen zwischen allen untersuchten Arten im Zusammenspiel (Synorganisation) der wichtigsten Bauelemente (Griffel, Kapuzenblatt, Schwielenblatt), die eine präzise Pollenübertragung ermöglichen. Basierend auf Daten von nrDNA (ITS, 5S) und cpDNA (trnL-F) wird für ein nahezu komplettes Artenspektrum die Phylogenie der zwei afrikanischen Äste erstellt. Hierauf werden morphologische und ökologische Merkmale sowie geographischer Verbreitungsmuster nach dem Parsimonieprinzip rekonstruiert, um so deren evolutionäre Bedeutung für die Marantaceae abschätzen zu können. Die Ergebnisse weisen auf die Beteiligung einer Vielzahl verschiedener Artbildungsfaktoren hin.

Systematics and biogeography of Southeast Asian Senecioneae (Asteraceae): Revision of Cissampelopsis and Gynura and hybridisation in the introduced Crassocephalum

ZUSAMMENFASSUNG Die vorgelegte Dissertation enthält zwei Teile. Der erste beinhaltet eine Einführung in die Flora Südostasiens und die Untersuchungsgruppe Asteraceae-Senecioneae Cass. mit den Gattungen Cissampelopsis (DC.) Miq., Gynura Cass. und Crassocephalum Moench (Kapitel 1). Der zweite Teil besteht aus drei Manuskripten, die auf originalen Forschungsergebnissen basieren (Kapitel 2-4). In Kapitel 2 wird eine Revision der asiatischen Gattung Cissampelopsis vorgelegt. Die folgenden zwei Sektionen mit zehn Arten und zwei Varietäten werden anerkannt: sect. Buimalia C. Jeffrey & Y. L. Chen mit C. buimalia (Buch.-Ham. ex D. Don) C. Jeffrey & Y. L. Chen, C. erythrochaeta C. Jeffrey & Y. L. Chen und C. calcadensis (Ramasw.) C. Jeffrey & Y. L. Chen sowie sect. Cissampelopsis mit C. glandulosa C. Jeffrey & Y. L. Chen, C. walkeri (Arn.) C. Jeffrey & Y. L. Chen mit var. walkeri und var. floccosa Vanijajiva & Kadereit (var. nov.), C. corifolia C. Jeffrey & Y. L. Chen, C. volubilis (Bl.) Miq, C. ansteadii (Tadul. & Jacob) C. Jeffrey & Y. L. Chen, C. spelaeicola (Van.) C. Jeffrey & Y. L. Chen und C. corymbosa (Wall. ex DC.) C. Jeffrey & Y. L. Chen. Schlüssel, Artbeschreibungen, Fotographien von Blütenmerkmalen und Verbreitungskarten werden präsentiert. Kapitel 3 beinhaltet die Revision der paläotropischen Gattung Gynura. Vierundvierzig Arten werden anerkannt, darunter die folgenden drei Neubeschreibungen: G. davisii Vanijajiva & Kadereit, G. siamensis Vanijajiva & Kadereit und G. villosus Vanijajiva & Kadereit. Gynura dissecta (F. G. Davies) Vanijajiva & Kadereit, G. annua (F. G. Davies) Vanijajiva & Kadereit und G. aurantiaca (Bl) DC. subsp. parviflora (F. G. Davies) Vanijajiva & Kadereit sind Neukombinationen. Ein Schlüssel, Artbeschreibungen und Verbreitungskarten werden vorgelegt. In Kapitel 4 wird eine Analyse von Crassocephalum in Asien, einer aus Afrika eingeschleppten Gattung, präsentiert. Diese Untersuchung basiert auf umfangreicher Feldarbeit, Herbarstudien, Analysen der Pollen- und Samenfertilität, Chromosomenzählungen sowie ITS- und trnL-F-Sequenzen. Die Studie ergab, dass Crassocephalum in Asien mit zwei Arten und deren Hybrid vertreten ist. Die zwei Arten sind C. crepidioides (Benth.) S. Moore und C. rubens (Juss. ex Jacq.) S. Moore, wobei letztere einen Neufund für Asien darstellt. Der Hybrid aus diesen beiden Arten resultiert aus einer Kreuzung von C. crepidioides (2n=40) als weiblichem und C. rubens (2n=40) als männlichem Elter.

Pollen-placement and pollen-portioning in diverse Salvia-species

This dissertation addresses the staminal lever mechanism of the genus Salvia. Various hypotheses referring to its purpose and function are tested and elucidated. The first hypothesis maintains that the lever is a mechanical selection mechanism which excludes weak pollinators from the flower. This hypothesis is refuted and the respective results of force measurements and morphological investigations are presented, statistically evaluated and discussed. The force measurements and morphological investigations were conducted on the staminal levers and flowers of 8 bee pollinated (melittophilous) and 6 bird pollinated (ornithophilous) species. For comparison a ninth melittophilous species that lacks the staminal lever was investigated. In this species the force measurements were conducted on floral structures that were suspected to hinder a flower visitor. The hypotheses, which state that the staminal lever is a tool for pollen portioning and reduces the risk of pollen loss as well as hybridisation due to its ability to perform a repeatable, accurate and species-specific pollen placement on a wide range of diverse pollinators, are confirmed. Investigations with respect to pollen portioning were carried out on 13 sages. The lever mechanism can be released several times in a row, while the pollen sacs leave a dosed pollen portion on a well defined spot on the pollinator‘s body. Pollen placement was investigated for 12 sages. In sympatric sages, lever length and the area of pollen placement are of particular interest. A shared pollinator bears species-specific areas of pollen placement for different sages. The accurate pollen placement ensures an efficient pollination. However, the question of the functionality of the lever mechanism can not be answered with absolute certainty. The lever‘s backswing is not caused by the adaxial lever arm; the adaxial lever arm is too light and too short to be an adequate counterweight to the abaxial lever arm. Therefore, the adaxial lever arm can not pull the abaxial lever arm to return it to its neutral position. But there are indications of a cellular mainspring in the filament. According to the current state of knowledge, this is the most plausible explanation for the lever's backswing, but further histological investigations on the joint of the lever mechanism are necessary to confirm this assumption.

Ontogenetic studies on the determination of the apical meristem in racemose inflorescences

This thesis presents a comparative developmental study of inflorescences and focuses on the production of the terminal flower (TF). Morphometric attributes of inflorescence meristems (IM) were obtained throughout the ontogeny of inflorescence buds with the aim of describing possible spatial constraints that could explain the failure in developing the TF. The study exposes the inflorescence ontogeny of 20 species from five families of the Eudicots (Berberidaceae, Papaveraceae-Fumarioideae, Rosaceae, Campanulaceae and Apiaceae) in which 745 buds of open (i.e. without TF) and closed (i.e. with TF) inflorescences were observed under the scanning electron microscope.rnThe study shows that TFs appear on IMs which are 2,75 (se = 0,38) times larger than the youngest lateral reproductive primordium. The shape of these IMs is characterized by a leaf arc (phyllotactic attribute) of 91,84° (se = 7,32) and a meristematic elevation of 27,93° (se = 5,42). IMs of open inflorescences show a significant lower relative surface, averaging 1,09 (se=0,26) times the youngest primordium size, which suggests their incapacity for producing TFs. The relative lower size of open IMs is either a condition throughout the complete ontogeny (‘open I’) or a result from the drastic reduction of the meristematic surface after flower segregation (‘open II’). rnIt is concluded that a suitable bulge configuration of the IM is a prerequisite for TF formation. Observations in the TF-facultative species Daucus carota support this view, as the absence of the TF in certain umbellets is correlated with a reduction of their IM dimensions. A review of literature regarding histological development of IMs and genetic regulation of inflorescences suggests that in ‘open I’ inflorescences, the histological composition and molecular activity at the tip of the IM could impede the TF differentiation. On the other side, in ‘open II’ inflorescences, the small final IM bulge could represent a spatial constraint that hinders the differentiation of the TF. The existence of two distinct kinds of ontogenies of open inflorescences suggests two ways in which the loss of the TF could have occurred in the course of evolution.rn

Evolution von Miniaturisierung in arktisch-alpinen Lebensräumen in Petasites Mill., Endocellion Turcz. ex Herder, Homogyne Cass. und Tussilago L. (Asteraceae) sowie Soldanella L. (Primulaceae)

Hintergrund: Miniaturisierung ist ein häufig beobachtetes Phänomen bei Pflanzen in arktisch-alpinen Lebensräumen und wird als Anpassung an niedrige Jahresmitteltemperaturen und eine kurze Vegetationsperiode interpretiert. Ziele: In der vorliegenden Arbeit wird im Petasites-Clade (Petasites Mill., Endocellion Turcz. ex Herder, Homogyne Cass., Tussilago L.; Asteraceae) und in Soldanella (Primulaceae) die Evolution der Miniaturisierung arktisch-alpiner Arten untersucht. Zudem wird innerhalb von Homogyne untersucht, ob unterschiedliche edaphische Präferenz von H. alpina (variabel) und H. discolor (kalkliebend) genetisch fixiert ist. rnMethoden: Molekulare Phylogenien des Petasites-Clades und von Soldanella wurden mit nukleären und plastidären Markern erstellt, und mit den in den Alpen vorkommenden Soldanella-Arten wurde zudem eine Fingerprint-Studie (AFLPs) gemacht. Zur Datierung der Diversifizierungsereignisse im Petasites-Clade diente eine molekulare Uhr, und die Evolution von Miniaturisierung wurde rekonstruiert. Mit H. alpina und H. discolor wurde ein vergleichendes Kulturexperiment durchgeführt.rnErgebnisse: Miniaturisierung entstand mehrere Male unabhängig voneinander in den arktisch-alpinen Vertretern des Petasites-Clade, aber nicht alle arktisch-alpinen Arten sind klein. Das Alter der arktisch-alpinen Arten deutet darauf hin, dass diese Taxa ihren Ursprung in der arkto-tertiären Flora haben. In Soldanella sind reduzierte Blütenmorphologie sowie Kleinwüchsigkeit der beiden alpinen Arten zweimal parallel entstanden. Homogyne alpina und H. discolor zeigen keine edaphischen Unterschiede hinsichtlich des Keimverhaltens, aber in Kultur zeigt sich, dass die Präferenz von H. discolor für Kalk wahrscheinlich genetisch fixiert ist.rnSchlussfolgerungen: Miniaturisierung von Pflanzen in größerer Höhe und höherer geographischer Breite kann in der Regel beobachtet werden. Allerdings kann die Evolution arktisch-alpiner Arten auch durch Faktoren wie Nährstoffverfügbarkeit, Konkurrenz und Störung beeinflusst werden, die dem Effekt der Temperatur entgegenwirken, so dass nicht alle Pflanzen in arktisch-alpinen Habitaten klein sind. Blütenmorphologische Reduktion in Soldanella kann als Anpassung an einen höheren Grad an Selbstbestäubung interpretiert werden, um eine geringere Bestäuberaktivität im alpinen Lebensraum zu kompensieren.