Structural and Functional Insights from the Metagenome of an Acidic Hot Spring Microbial Planktonic Community in the Colombian Andes

A taxonomic and annotated functional description of microbial life was deduced from 53 Mb of metagenomic sequence retrieved from a planktonic fraction of the Neotropical high Andean (3,973 meters above sea level) acidic hot spring El Coquito (EC). A classification of unassembled metagenomic reads using different databases showed a high proportion of Gammaproteobacteria and Alphaproteobacteria (in total read affiliation), and through taxonomic affiliation of 16S rRNA gene fragments we observed the presence of Proteobacteria, micro-algae chloroplast and Firmicutes. Reads mapped against the genomes Acidiphilium cryptum JF-5, Legionella pneumophila str. Corby and Acidithiobacillus caldus revealed the presence of transposase-like sequences, potentially involved in horizontal gene transfer. Functional annotation and hierarchical comparison with different datasets obtained by pyrosequencing in different ecosystems showed that the microbial community also contained extensive DNA repair systems, possibly to cope with ultraviolet radiation at such high altitudes. Analysis of genes involved in the nitrogen cycle indicated the presence of dissimilatory nitrate reduction to N2 (narGHI, nirS, norBCDQ and nosZ), associated with Proteobacteria-like sequences. Genes involved in the sulfur cycle (cysDN, cysNC and aprA) indicated adenylsulfate and sulfite production that were affiliated to several bacterial species. In summary, metagenomic sequence data provided insight regarding the structure and possible functions of this hot spring microbial community, describing some groups potentially involved in the nitrogen and sulfur cycling in this environment. Citation: Jimenez DJ, Andreote FD, Chaves D, Montana JS, Osorio-Forero C, et al. (2012) Structural and Functional Insights from the Metagenome of an Acidic Hot Spring Microbial Planktonic Community in the Colombian Andes. PLoS ONE 7(12): e52069. doi:10.1371/journal.pone.0052069

Redefining the taxonomic status of Laurencia dendroidea (Ceramiales, Rhodophyta) from Brazil and the Canary Islands

Morphological and molecular studies have been performed on Laurencia dendroidea derived from Brazil and the Canary Islands. This species possesses all of the characters that are typical of the genus Laurencia, including the production of the first pericentral cell underneath the basal cell of the trichoblast; the production of tetrasporangia from particular pericentral cells without the formation of additional fertile pericentral cells; spermatangial branches that are produced from one of two laterals on the suprabasal cell of the trichoblasts; and a procarp-bearing segment that possesses five pericentral cells. The phylogenetic position of L. dendroidea was inferred by analysing the chloroplast-encoded rbcL gene sequences of 51 taxa. Phylogenetic analyses revealed that the taxa previously identified and cited in Brazil as Laurencia filiformis, L. majuscula and L. obtusa and in the Canary Islands as L. majuscula all represent the same taxonomic entity and examination of type material allowed us to identify this entity as L. dendroidea, whose type locality is in Brazil. Laurencia obtusa from the Northern Atlantic is confirmed to represent a distinct species, which displays high genetic divergence with respect to western and eastern Atlantic samples. The phylogenetic analyses also supported the nomenclatural transfer of Chondrophycus furcatus (Cordeiro-Marino & M. T. Fujii) M. T. Fujii & Senties to Palisada furcata (Cordeiro-Marino & M. T. Fujii) Cassano & M. T. Fujii comb. nov.

Analysis of three Xanthomonas axonopodis pv. citri effector proteins in pathogenicity and their interactions with host plant proteins

Xanthomonas axonopodis pv. citri, the bacterium responsible for citrus canker, uses effector proteins secreted by a type III protein secretion system to colonize its hosts. Among the putative effector proteins identified for this bacterium, we focused on the analysis of the roles of AvrXacE1, AvrXacE2 and Xac3090 in pathogenicity and their interactions with host plant proteins. Bacterial deletion mutants in avrXacE1, avrXacE2 and xac3090 were constructed and evaluated in pathogenicity assays. The avrXacE1 and avrXacE2 mutants presented lesions with larger necrotic areas relative to the wild-type strain when infiltrated in citrus leaves. Yeast two-hybrid studies were used to identify several plant proteins likely to interact with AvrXacE1, AvrXacE2 and Xac3090. We also assessed the localization of these effector proteins fused to green fluorescent protein in the plant cell, and observed that they co-localized to the subcellular spaces in which the plant proteins with which they interacted were predicted to be confined. Our results suggest that, although AvrXacE1 localizes to the plant cell nucleus, where it interacts with transcription factors and DNA-binding proteins, AvrXacE2 appears to be involved in lesion-stimulating disease 1-mediated cell death, and Xac3090 is directed to the chloroplast where its function remains to be clarified.

Morphological and molecular evidence demonstrates the amphi-Atlantic distribution of Laurencia catarinensis (Ceramiales, Rhodophyta)

We performed morphological and molecular studies of Laurencia catarinensis from the Canary Islands. This species has an entangled habit, cushion-like tuft formation, cortical cell walls, slightly to markedly projecting near the apex, and lacking lenticular thickenings in medullary cells. We inferred its phylogenetic position by analyzing the chloroplast-encoded rbcL gene sequences from 41 samples. The results demonstrate that specimens of L. catarinensis from the Canary Islands, where it is referred to as L. intricata, and those from Brazil (including specimens from the type locality in Santa Catarina) form a monophyletic clade with low genetic divergence (0-0.9%). In contrast, specimens of L. intricata from the type locality in Cuba, Mexico, and the USA were clearly distinct from L. catarinensis collected in Brazil and the Canary Islands, as shown by high genetic divergence values (4.9-5.7%). The type material of L. catarinensis from Brazil allowed us to identify all samples from the Canarian Archipelago as L. catarinensis. These findings expand the known geographical distribution of L. catarinensis to the eastern Atlantic Ocean and demonstrate an amphi-Atlantic distribution of the species.

Morphological and molecular evidences within Osmundea (Ceramiales, Rhodophyta) from the Canary Islands, eastern Atlantic Ocean

The genus Osmundea is a strongly supported monophyletic group within the Laurencia complex and shows a disjunct distribution occurring in the North-East and South-West Pacific, the Indian and Atlantic oceans and the Mediterranean Sea. Its phenotypic plasticity on the Canary Islands may be the result of the high ecological variability partially due to the particular oceanographic characteristics in this region. The combination of molecular analyses based on the comparison of the chloroplast-encoded rbcL sequences and morphological data allowed us to delimit three distinct taxa from the coasts of the Canarian Archipelago: Osmundea pinnatifida, Osmundea truncata and an unidentified species, Osmundea sp. Moreover, the high value of genetic divergence between Osmundea sp. and the rest of the Osmundea species suggests that this taxon should be assigned to a new species within the Osmundea genus. Occurrence of O. hybrida and O. oederi (synonym: O. ramosissima) has not been confirmed. Our results also suggest a possibly questionable record of the taxa O. hybrida and O. oederi on the Canary Islands.

Morphological and molecular studies on the Brazilian native red seaweed Laurencia oliveirana (Rhodomelaceae, Ceramiales)

Morphological and molecular studies were carried out on Laurencia oliveirana from the type locality (Arraial do Cabo, Rio de Janeiro, Brazil). This species is easily recognized by its small size, sub-erect habit forming intricate cushion-like tufts and unilateral pectinate branching. The species displays all the typical characters of the genus Laurencia, such as the production of the first pericentral cell underneath the basal cell of the trichoblast, tetrasporangia produced from particular pericentral cells, with the third and fourth pericentral cells becoming fertile, without production of additional pericentral cells, spermatangial branches produced from one of two laterals on the suprabasal cell of trichoblasts, and procarp-bearing segment with five pericentral cells. Details of tetrasporangial plants and development of procarp and male plants are described for the first time for the species. The phylogenetic position of L. oliveirana was inferred by analysis of the chloroplast-encoded rbcL gene sequences from 57 taxa. In all phylogenetic analyses, L. oliveirana grouped with L. caraibica, L. caduciramulosa, L. venusta and L. natalensis, forming a monophyletic clade within the Laurencia sensu stricto. The genetic divergence between L. oliveirana and the molecularly closest species, L. caraiba collected in Brazil, was 2.3%.

Role of xanthophyll and water-water cycles in the protection of photosynthetic apparatus in Arbutus unedo and Arabidopsis thaliana

Photosynthetic organisms have sought out the delicate balance between efficient light harvesting under limited irradiance and regulated energy dissipation under excess irradiance. One of the protective mechanisms is the thermal energy dissipation through the xanthophyll cycle that may transform harmlessly the excitation energy into heat and thereby prevent the formation of damaging active oxygen species (AOS). Violaxanthin deepoxidase (VDE) converts violaxanthin (V) to antheraxanthin (A) and zeaxanthin (Z) defending the photosynthetic apparatus from excess of light. Another important biological pathway is the chloroplast water-water cycle, which is referred to the electrons from water generated in PSII reducing atmospheric O2 to water in PSI. This mechanism is active in the scavenging of AOS, when electron transport is slowed down by the over-reduction of NADPH pool. The control of the VDE gene and the variations of a set of physiological parameters, such as chlorophyll florescence and AOS content, have been investigated in response to excess of light and drought condition using Arabidopsis thaliana and Arbutus unedo.. Pigment analysis showed an unambiguous relationship between xanthophyll de-epoxidation state ((A+Z)/(V+A+Z)) and VDE mRNA amount in not-irrigated plants. Unexpectedly, gene expression is higher during the night when xanthophylls are mostly epoxidated and VDE activity is supposed to be very low than during the day. The importance of the water-water cycle in protecting the chloroplasts from light stress has been examined through Arabidopsis plant with a suppressed expression of the key enzyme of the cycle: the thylakoid-attached copper/zinc superoxide dismutase. The analysis revealed changes in transcript expression during leaf development consistent with a signalling role of AOS in plant defence responses but no difference was found any in photosynthesis efficiency or in AOS concentration after short-term exposure to excess of light. Environmental stresses such as drought may render previously optimal light levels excessive. In these circumstances the intrinsic regulations of photosynthetic electron transport like xanthophyll and water-water cycles might modify metabolism and gene expression in order to deal with increasing AOS.

Pigmentbindung verschiedener Mitglieder der erweiterten Chlorophyll a/b-Proteinfamilie und des wasserlöslichen Chlorophyll-Proteins WSCP

In dieser Arbeit wurde die Pigmentbindung verschiedener Pflanzenproteine untersucht, um daraus Rückschlüsse auf ihre Funktion zu ziehen. PsbS, die S-Untereinheit des Photosystems II, konnte mit Pigmenten isoliert werden. Es wurde kein Hinweis auf eine spezifische Wechselwirkung der Chromophore gefunden, Ergebnisse wie pigmentabhängig stärkere Helixbildung unterstützen jedoch die Vermutung, PsbS fungiere als transienter Pigmentcarrier. Die Sequenzverwandten OHP, Sep1 und Sep2 binden entweder keine Pigmente oder nur so schwach, dass eine Bindung mit den verwendeten Methoden nicht nachweisbar ist.WSCP aus Blumenkohl ist ein wasserlösliches chlorophyllbindendes Protein mit unbekannter Funktion. In dieser Arbeit wurde ein rekombinantes WSCP mit N-terminal angehängtem His-Tag hergestellt und überexprimiert. WSCP-his tetramerisiert pigmentabhängig und bindet Chlorophylle, nicht aber Carotinoide. In seinen biochemischen und spektroskopischen Eigenschaften gleicht das rekombinante dem nativen WSCP und kann als Werkzeug für Untersuchungen zur Funktion herangezogen werden. Rekonstitutionsexperimente mit Chlorophyll-Derivaten zeigten, dass der Phytolrest für die Oligomerisierung des Proteins verantwortlich ist. WSCP bindet außerdem die Chlorophyll-Vorstufen Chlorophyllid und Mg-Protoporphyrin IX. Es könnte sich um ein Carrierprotein handeln, welches die Vorstufen von der Chloroplastenhülle durch das Stroma zur Thylakoidmembran transportiert. Der Fall eines chlorophyllbindenden Pflanzenproteins ohne Carotinoide ist einmalig. Messungen zu Photostabilität und Singulettsauerstoffbildung zeigten, dass es dennoch gebundenes Chlorophyll vor photooxidativer Schädigung schützt.

Harmful algae and their potential impacts on the coastal ecosystem: growth and toxin production dynamics

The main goal of the present thesis was to study some harmful algal species which cause blooms in Italian coastal waters, leading to consequences for human health, coastal ecosystem, fishery and tourism. In particular, in the first part of this thesis the toxicity of Adriatic strains of the raphidophyte Fibrocapsa japonica was investigated. Despite several hypotheses have been proposed for the toxic mechanism of the raphidophytes, especially for the species Chattonella antiqua and C. marina, which have been studied more extensively, just a few studies on the toxic effects of these species for different organisms were reported. Moreover, a careful reading of the literature evidenced as any ichthyotoxic events reported worldwide can be linked to F. japonica blooms. Although recently several studies were performed on F. japonica strains from the USA, Japan, Australia, New Zealand, the Netherlands, Germany, and France in order to characterize their growth and toxicity features, the work reported in this thesis results one of the first investigation on the toxic effects of F. japonica for different organisms, such as bacteria, crustaceans and fish. Mortality effects, together with haemolysis of fish erythrocytes, probably due to the relatively high amount of PUFAs produced by this species, were observed. Mortality for fish, however, was reported only at a high cell density and after a long exposition period (9-10 days); moreover a significant increase of H2O2 obtained in the tanks where sea basses were exposed to F. japonica was also relevant. This result may justify the absence of ichthyotoxic events in the Italian coasts, despite F. japonica blooms detected in these areas were characterized by high cell densities. This work reports also a first complete characterization of the fatty acids produced and extracellularly released by the Adriatic F. japonica, and results were also compared with the fatty acid profile of other strains. The absence of known brevetoxins in F. japonica algal extracts was also highlighted, leading to the hypothesis that the toxicity of F. japonica may be due to a synergic effect of PUFAs and ROS. Another microalgae that was studied in this thesis is the benthic dinoflagellate Ostreopsis cf. ovata. This species was investigated with the aim to investigate the effect of environmental parameters on its growth and toxicity. O. cf. ovata, in fact, shows different blooming periods along the Italian coasts and even the reported toxic effects are variable. The results of this work confirmed the high variability in the growth dynamic and toxin content of several Italian strains which were isolated in recent years along the Adriatic and Tyrrhenian Seas. Moreover, the effects of temperature and salinity on the behaviour of the different isolates are in good agreement with the results obtained from field surveys, which evidence as the environmental parameters are important factors modulating O. cf. ovata proliferation. Another relevant result that was highlighted is the anomaly in the production of palytoxin-like compounds reported by one of the studied isolate, in particular the one isolated in 2008 in Ancona (Adriatic Sea). Only this strain reported the absence of two (ovatoxin-b and –c) of the five ovatoxins so far known in the toxin profile and a different relative abundance of the other toxins. The last aspect that was studied in this thesis regards the toxin biosythesis. In fact, toxins produced (palytoxin-like compounds) or supposed to be produced (brevetoxin-like compounds) by O. cf. ovata and F. japonica, respectively, are polyketides, which are highly oxygenated compounds synthesized by complex enzymes known as polyketide synthase (PKS) enzymes. These enzymes are multi-domain complexes that structurally and functionally resemble the fatty acid synthases (FASs). This work reports the first study of PKS proteins in the dinoflagellates O. cf. ovata, C. monotis and in the raphidophyte F. japonica. For the first time some PKSs were identified in these species, confirming the presence of PKS proteins predicted by the in silico translation of the transcripts found in K. brevis also in other species. The identification of O. cf. ovata PKSs and the localization of the palytoxin-like compounds produced by this dinoflagellate in a similar location (chloroplast) as that observed for other dinoflagellate and cyanobacterial toxins provides some indication that these proteins may be involved in polyketide biosynthesis. However, their potential function as fatty acid synthases cannot be ruled out, as plant fatty acid synthesis also occurs within chloroplasts. This last hypothesis is also supported by the fact that in all the investigated species, and in particular in F. japonica, PKS proteins were present. Therefore, these results provide an important contribution to the study of the polyketides and of the involvement of PKS proteins in the toxin biosynthesis.

Taxonomy, phylogeny and reproductive ecology of Gentiana lutea L.

This research focuses on taxonomy, phylogeny and reproductive ecology of Gentiana lutea. L.. Taxonomic analysis is a critical step in botanical studies, as it is necessary to recognize taxonomical unit. Herbarium specimens were observed to assess the reliability of several subspecies-diagnostic characters. The analysis of G. lutea genetic variability and the comparison with that of the other species of sect. Gentiana were performed to elucidate phylogenetic relationships among G. lutea subspecies and to propose a phylogenetic hypothesis for the evolution and the colonization dynamics of the section. Appropriate scientific information is critical for the assessment of species conservation status and for effective management plans. I carried out field work on five natural populations and performed laboratory analyses on specific critical aspects, with special regard to G. lutea breeding system and type and efficiency of plant-pollinator system. Bracts length is a reliable character to identify subsp. vardjanii, however it is not exclusive, hence to clearly identify subsp. vardjanii, other traits have to be considered. The phylogenetic hypotheses obtained from nuclear and chloroplast data are not congruent. Nuclear markers show a monophyly of sect. Gentiana, a strongly species identity of G. lutea and clear genetic identity of subsp. vardjanii. The little information emerging from plastid markers indicate a weak signal of hybridization and incomplete sorting of ancestral lineages. G. lutea shows a striking variation in intra-floral dichogamy probably evolved to reduce pollen-stigma interference. Although the species is partially self-compatible, pollen vectors are necessary for a successful reproduction, and moreover it shows a strong inbreeding depression. G. lutea is a generalist species: within its spectrum of visitors is possible to recognize "nectar thieves" and pollinators with sedentary or dynamic behaviour. Pollen limitation is frequent and it could be mainly explained by poor pollen quality.

Charakterisierung spezieller pflanzlicher Gamma-Tubulin-Sequenzbereiche und Detektion potentieller Interaktionspartner mittels Yeast-two-Hybrid-System

Mitotische und postmitotische Vorgänge pflanzlicher Zellen basieren auf der Funktion von Mikrotubuli. Es liegen nur wenige gesicherte Erkenntnisse zur Organisation dieser Multifunktionalität vor. Eine zentrale Bedeutung wird bei der Nukleation der Mikrotubuli an MTOCs durch γ-Tubulin zugeschrieben. Deren Zusammenlagerung an MTOCs ist jedoch noch nicht richtig verstanden. Domänen, die an der Proteinoberfläche exponiert werden, könnten in Interaktionen involviert sein. Hier werden im Besonderen der γ-A und γ-B-Peptivmotiv diskutiert. Es wurde das γ-A- und γ-B-Peptidmotiv des γ-Tubulins hinsichtlich einer Konservierung innerhalb des Pflanzenreiches untersucht. Die beiden Bereiche sind bei den grünen Landpflanzen stark konserviert. Sie divergieren stark zu den einzelligen Grünalgen Chlamydomonas reinhardtii und Chlorella spec. Es wurden daher in der bestehenden phylogentischen Lücke weitere Organismen hinsichtlich des γ-A und γ-B Peptidmotivs untersucht. Auswahlkriterien der Organismen waren Ein-/Mehrzelligkeit, Besitz/Abwesenheit von Centriolen und Besitz/Abwesenheit von Geißeln. Des weiteren wurde mit verschiedenen γ-Tubulin-Konstrukten um das γ-A- und γ-B-Peptidmotiv, gewonnen aus Nicotiana tabacum (BY2) mittels Y2H-System nach Interaktionspartnern gesucht. Bei den Sequenzuntersuchungen des γ-A- und γ-B-Peptidmotivs konnte festgestellt werden, dass die Konservierung innerhalb der Streptophytenlinie erfolgt. Interessant erweist sich die Tatsache, dass dieses Motiv bei den Jochalgen, welche ebenfalls den Streptophyten angehören, nur im γ-A-Peptidmotiv auftritt. Es besteht die Möglichkeit, dass die beiden potentiellen Interaktionspartner verschiedene Proteine als Interaktions-partner besitzen. Durch eine Anwendung eines auf dem GAL4-Protein basierenden Y2H-Systems mit vier unterschiedlichen Konstrukten des γ-Tubulin-A/B-Peptidbereichs als Köder-konstrukt und einer cDNA-Bibliothek als Beutekonstrukt, wurden diverse Sequenzen identifiziert. Identifiziert wurden das Poly(A)-Bindeprotein, Glycerin-aldehyd-3-phosphatdehydrogenase, die S-adenosyl-L-methionine-Synthetase, diverse Proteasom-Untereinheiten, eine sekretorische Peroxidase, eine Ascorbat-Peroxidase, die NtPOX1-Peroxidase und verschiedene Peroxidasen aus Nicotiana tabacum, Sequenzen des Chloroplastengenoms, ein Myosin-ähnliches Protein und eine Sequenz auf dem 5. Chromosom des Medicago truncatula-Klons mth2-16f8 und diverse humane Sequenzen der Proteine DKFZp68 und DKFZp77. Die Ergebnisse weisen auf eine komplexe Funktionsweise der unterschiedlichen Komponenten des pflanzlichen Cytoskeletts und des γ-Tubulins hin. Zur Aufklärung müsste dies in Zukunft mittels anderer genetischer, biochemischer oder funktioneller Methoden untersucht werden. Hypothesen über Interaktionen der Cytoskelettkomponenten können wahrscheinlich nicht allein durch die Anwendung des Y2H-Systems aufgeklärt werden.

Nachweis und Charakterisierung der Ketocarotinoidakkumulation in Zygosporen des Modellorganismus Chlamydomonas reinhardtii

Ketocarotinoide sind in den Dauerstadien vieler Grünalgen anzutreffen und aufgrund ihres hohen antioxidativen Potentials vermutlich von großer Bedeutung für deren Überleben unter ungünstigen Umweltbedingungen. Daneben ist die Aufnahme von Ketocarotinoiden im Zuge der Nahrungskette für verschiedene Tiere lebensnotwendig. Trotz zahlreicher Untersuchungen des Biosynthesewegs der Ketocarotinoide, vorwiegend in der Grünalge Haematococcus pluvialis, sind viele grundlegende Aspekte der Synthese nicht verstanden. Dazu zählt neben dem genauen Reaktionsmechanismus des ketolierenden Enzyms ß-Carotin-Ketolase (BKT) vor allem der noch nicht aufgeklärte Zusammenhang zwischen Lipidsynthese und Ketocarotinoidakkumulation. Nach der Entdeckung eines zur BKT aus H. pluvialis homologen Gens in einer EST-Datenbank des Modellorganismus Chlamydomonas reinhardtii wurden im Rahmen der vorliegenden Forschungsarbeit die als orange-rot beschrieben Zygosporen von C. reinhardtii als mögliches ketocarotinoidhaltiges Zellstadium untersucht. Dabei wurden für C. reinhardtii erstmals Ketocarotinoide in Konzentrationen bis zu einem Femtomol pro Zelle nachgewiesen und mittels HPLC-Analytik, chemischer Derivatisierung und Massenspektrometrie zweifelsfrei identifiziert. Es wurden, in aufsteigender Quantität, drei Ketocarotinoide detektiert: Canthaxanthin, Astaxanthin und 4-Ketolutein. Letzteres wurde bisher selten in anderen ketocarotinoidakkumulierenden Organismen beschrieben und stellt, im Gegensatz zu den vom ß-Carotin abgeleiteten Pigmenten Astaxanthin und Canthaxanthin, ein Pigment des α-Carotin-Zweiges dar. Astaxanthin und 4-Ketolutein wurden vor allem in Form von Pigment-Fettsäureestern nachgewiesen. Mit Hilfe von Paarungsansätzen mit der lor1-Mutante, die keine α-Carotinoide synthetisieren kann, und Vergleichen mit Ketocarotinoiden aus H. pluvialis konnte gezeigt werden, dass 4 Ketolutein nur als Monoacylester in der Alge vorliegt, während Astaxanthin sowohl als Monoacyl- wie auch als Diacylester anzutreffen ist. Ketocarotinoide wurden innerhalb der ersten 14 Tage der Zygotenreife gebildet. Transmissionselektronenmikroskopische Aufnahmen der Zygoten dokumentierten, dass damit ein starker Umbau der Zelle einherging, der sich vor allem in der Reduktion des Chloroplasten und der Bildung von Lipidtröpfchen darstellte. Letztere nahmen bei reifen Zygosporen den größten Teil des Zelllumens ein und wurden mittels dünnschichtchromatografischer Analysen als Neutralfette identifiziert. Der sinkende Zellgehalt an Carotinoiden im Zuge der Zygosporenreifung und Inhibitorexperimente an reifenden Zygoten mittels Norflurazon zeigten, dass für die Ketocarotinoidakkumulation keine Neusynthese von Carotinoiden nötig ist und lassen die Hypothese zu, dass C. reinhardtii die im Zuge der Chloroplastenreduktion freigesetzten Photosynthese-Carotinoide als Substrate für die Ketocarotinoidsynthese verwendet. Physiologische Bedeutung könnte den Ketocarotinoiden vor allem beim Schutz der Speicherlipide vor Peroxidation durch reaktive Sauerstoffspezies zukommen. Diese Reservestoffe stellen die Energieversorgung während des Auskeimens der Zellen sicher. Durch den im Rahmen der vorliegenden Forschungsarbeit dokumentierten Nachweis der Ketocarotinoidakkumulation in C. reinhardtii können die Ketocarotinoidsynthese und vor allem der Zusammenhang von Lipid- und Ketocarotinoidakkumulation zukünftig mit Hilfe der für diesen Modellorganismus vorliegenden umfangreichen molekulargenetischen Methoden detailliert untersucht werden.

Systematics, phylogeny and biogeography of Juncaginaceae

I investigated the systematics, phylogeny and biogeographical history of Juncaginaceae, a small family of the early-diverging monocot order Alismatales which comprises about 30 species of annual and perennial herbs. A wide range of methods from classical taxonomy to molecular systematic and biogeographic approaches was used. rnrnIn Chapter 1, a phylogenetic analysis of the family and members of Alismatales was conducted to clarify the circumscription of Juncaginaceae and intrafamilial relationships. For the first time, all accepted genera and those associated with the family in the past were analysed together. Phylogenetic analysis of three molecular markers (rbcL, matK, and atpA) showed that Juncaginaceae are not monophyletic. As a consequence the family is re-circumscribed to exclude Maundia which is pro-posed to belong to a separate family Maundiaceae, reducing Juncaginaceae to include Tetroncium, Cycnogeton and Triglochin. Tetroncium is weakly supported as sister to the rest of the family. The reinstated Cycnogeton (formerly included in Triglochin) is highly supported as sister to Triglochin s.str. Lilaea is nested within Triglochin s. str. and highly supported as sister to the T. bulbosa complex. The results of the molecular analysis are discussed in combination with morphological characters, a key to the genera of the family is given, and several new combinations are made.rnrnIn Chapter 2, phylogenetic relationships in Triglochin were investigated. A species-level phylogeny was constructed based on molecular data obtained from nuclear (ITS, internal transcribed spacer) and chloroplast sequence data (psbA-trnH, matK). Based on the phylogeny of the group, divergence times were estimated and ancestral distribution areas reconstructed. The monophyly of Triglochin is confirmed and relationships between the major lineages of the genus were resolved. A clade comprising the Mediterranean/African T. bulbosa complex and the American T. scilloides (= Lilaea s.) is sister to the rest of the genus which contains two main clades. In the first, the widespread T. striata is sister to a clade comprising annual Triglochin species from Australia. The second clade comprises T. palustris as sister to the T. maritima complex, of which the latter is further divided into a Eurasian and an American subclade. Diversification in Triglochin began in the Miocene or Oligocene, and most disjunctions in Triglochin were dated to the Miocene. Taxonomic diversity in some clades is strongly linked to habitat shifts and can not be observed in old but ecologically invariable lineages such as the non-monophyletic T. maritima.rnrnChapter 3 is a collaborative revision of the Triglochin bulbosa complex, a monophyletic group from the Mediterranean region and Africa. One new species, Triglochin buchenaui, and two new subspecies, T. bulbosa subsp. calcicola and subsp. quarcicola, from South Africa were described. Furthermore, two taxa were elevated to species rank and two reinstated. Altogether, seven species and four subspecies are recognised. An identification key, detailed descriptions and accounts of the ecology and distribution of the taxa are provided. An IUCN conservation status is proposed for each taxon.rnrnChapter 4 deals with the monotypic Tetroncium from southern South America. Tetroncium magellanicum is the only dioecious species in the family. The taxonomic history of the species is described, type material is traced, and a lectotype for the name is designated. Based on an extensive study of herbarium specimens and literature, a detailed description of the species and notes on its ecology and conservation status are provided. A detailed map showing the known distribution area of T. magellanicum is presented. rnrnIn Chapter 5, the flower structure of the rare Australian endemic Maundia triglochinoides (Maundiaceae, see Chapter 1) was studied in a collaborative project. As the morphology of Maundia is poorly known and some characters were described differently in the literature, inflorescences, flowers and fruits were studied using serial mictrotome sections and scanning electron microscopy. The phylogenetic placement, affinities to other taxa, and the evolution of certain characters are discussed. As Maundia exhibits a mosaic of characters of other families of tepaloid core Alismatales, its segregation as a separate family seems plausible.

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.

Biochemische Untersuchungen des Lichtsammlerprotein (LHCP) im Komplex mit seinem Chaperon, dem plastidären Signalerkennungspartikel cpSRP

Das Lichtsammlerprotein (light harvesting chlorophyll a/b-binding protein, LHCP) ist das Apoprotein des Haupt-Lichtsammelkomplexes (LHCII) und stellt das häufigste Membranprotein der Erde dar. Nicht nur aufgrund seiner Abundanz, sondern auch wegen seiner speziellen Translokation als stark hydrophobes Membranprotein durch hauptsächlich wässrige Milieus von cytosolischen Ribosomen bis in die Thylakoidmembran der Chloroplasten ist der Biogeneseweg dieses Proteins von besonderem Interesse. LHCP ist kernkodiert und wird nach seinem Import in Chloroplasten als Transitkomplex mit dem stromalen Signalerkennungsprotein (cpSRP) zur Thylakoide geleitet. Der cpSRP-Komplex besteht aus dem cpSRP43 mit Chaperonfunktion für das LHCP sowie dem Co-Chaperon cpSRP54, welches eine entscheidende Rolle in der stromalen Zielführung des Transitkomplexes spielt. Sowohl die Proteinkonformation des LHCP während seiner Biogenese als auch der in vivo Faltungsablauf während der Thylakoidinsertion sind noch völlig unklar. Mithilfe der Elektronen-paramagnetischen Resonanz (EPR-)Spektroskopie sollte in dieser Arbeit der Faltungszustand des LHCP im Transitkomplex mit dem cpSRP oder in Teilkomplexen davon ermittelt werden.rnKopplungen von cpSRP43 und LHCP bestätigten, dass das Chaperon als Minimaleinheit zur quantitativen Solubilisierung des Membranproteins genügt. Gelfiltrationschromatographische (GFC-) Untersuchungen solcher Komplexe wiesen jedoch mit einem apparenten MW von ≥ 600 kDa ein sehr hochmolekulares Laufverhalten auf. Variierende Proteinstöchiometrien im Komplex zeigten in densitometrischen Auswertungen eine undefinierte Aggregation. Zusätze von Agenzien zur Vermeidung unspezifischer Wechselwirkungen wie z.B. Detergentien oder auch Salzzugabe zeigten keinen Einfluss auf die Aggregate. Volllängen-Transitkomplexe dagegen wiesen trotz unterschiedlichem Angebot von Einzelproteinen reproduzierbar definierte Stöchiometrien auf. Diese zeigten eine LHCP:cpSRP43-Stöchiometrie von 1,25. Dennoch hatten diese Komplexe mit einem apparenten MW von > 300 kDa einen mindestens dimeren Assemblierungsgrad. Eine Voraussetzung für eindeutige EPR-spektroskopische Distanzmessungen zwischen definierten Positionen im LHCP ist jedoch dessen monomolekularisiertes Vorliegen im Chaperonkomplex. Die Darstellung von ternären Transitkomplexen mit einem zu erwartenden apparenten MW von ~175 kDa war auch durch Zusatz verschiedener Proteinaggregationshemmer nicht möglich. Transitkomplexe mit einer verkürzten Version des cpSRP54 zeigten schließlich eine definierte 1:1-Komplexstöchiometrie bei gleichzeitiger polydisperser Komplexzusammensetzung. Es konnten ~60% dieser sogenannten 54M-Transitkomplexe nach GFC-Daten und densitometrischer Auswertung als potentiell ternär eingeschätzt werden. Darüber hinaus gelang es solche Ansätze durch GFC-Fraktionierung zusätzlich von oligomerisierten Spezies aufzureinigen. Dennoch zeigten die Präparate vor GFC-Fraktionierung ein (noch) zu hohes Aggregationssignal im Hintergrund und nach Fraktionierung ein zu schwaches Signal, um eine eindeutige Aussage der EPR-Daten zuzulassen. Dennoch bietet dieses ausgearbeitete Komplexbildungsprotoll in Verbindung mit der Verwendung von verkürztem cpSRP54 eine solide Basis, um weitere Versuche zu EPR-Messungen an cpSRP-gebundenem LHCP durchzuführen. rn