Evolution of South African Bruniaceae: evidence from ecological and geographical investigations

The central aim of the present study was to analyse ecological and geographical mechanisms that led to the species diversity and distribution pattern of the South African (sub-) endemic Bruniaceae shown today. To answer the question if the endangerment of some species and the sometimes restricted distribution area is due to an incongruence of pollination and breeding system, pollinator observations and the breeding system were analysed. rnThe effectiveness of the plant-pollinator interactions should be reflected in the reproductive success wherefore fruit set analyses were carried out. The genetic constitution of distant and close-by populations along a spatial gradient should illuminate gene-flow or habitat isolation that could have led to the species diversity. Since niche-inhabitation could be shown in the present study, an overall biogeographical analysis illuminated the distribution pattern on family level and the geographical as well as ecological factors that led to species persistence. rnThe study illuminated that the plant-pollinator interactions and the breeding system are adaptations to the fynbos biome but can not be defined as factors that drove speciation or have tremendous influence on distribution of Bruniaceae. In fact the geography of South Africa with its fragmented landscape as well as close niche-inhabitation of co-occuring species is the reason for species diversity and the recent distribution.rn

Exchange of nitrogen dioxide (NO 2) between plants and the atmosphere under laboratory and field conditions

Nitrogen is an essential nutrient. It is for human, animal and plants a constituent element of proteins and nucleic acids. Although the majority of the Earth’s atmosphere consists of elemental nitrogen (N2, 78 %) only a few microorganisms can use it directly. To be useful for higher plants and animals elemental nitrogen must be converted to a reactive oxidized form. This conversion happens within the nitrogen cycle by free-living microorganisms, symbiotic living Rhizobium bacteria or by lightning. Humans are able to synthesize reactive nitrogen through the Haber-Bosch process since the beginning of the 20th century. As a result food security of the world population could be improved noticeably. On the other side the increased nitrogen input results in acidification and eutrophication of ecosystems and in loss of biodiversity. Negative health effects arose for humans such as fine particulate matter and summer smog. Furthermore, reactive nitrogen plays a decisive role at atmospheric chemistry and global cycles of pollutants and nutritive substances.rnNitrogen monoxide (NO) and nitrogen dioxide (NO2) belong to the reactive trace gases and are grouped under the generic term NOx. They are important components of atmospheric oxidative processes and influence the lifetime of various less reactive greenhouse gases. NO and NO2 are generated amongst others at combustion process by oxidation of atmospheric nitrogen as well as by biological processes within soil. In atmosphere NO is converted very quickly into NO2. NO2 is than oxidized to nitrate (NO3-) and to nitric acid (HNO3), which bounds to aerosol particles. The bounded nitrate is finally washed out from atmosphere by dry and wet deposition. Catalytic reactions of NOx are an important part of atmospheric chemistry forming or decomposing tropospheric ozone (O3). In atmosphere NO, NO2 and O3 are in photosta¬tionary equilibrium, therefore it is referred as NO-NO2-O3 triad. At regions with elevated NO concentrations reactions with air pollutions can form NO2, altering equilibrium of ozone formation.rnThe essential nutrient nitrogen is taken up by plants mainly by dissolved NO3- entering the roots. Atmospheric nitrogen is oxidized to NO3- within soil via bacteria by nitrogen fixation or ammonium formation and nitrification. Additionally atmospheric NO2 uptake occurs directly by stomata. Inside the apoplast NO2 is disproportionated to nitrate and nitrite (NO2-), which can enter the plant metabolic processes. The enzymes nitrate and nitrite reductase convert nitrate and nitrite to ammonium (NH4+). NO2 gas exchange is controlled by pressure gradients inside the leaves, the stomatal aperture and leaf resistances. Plant stomatal regulation is affected by climate factors like light intensity, temperature and water vapor pressure deficit. rnThis thesis wants to contribute to the comprehension of the effects of vegetation in the atmospheric NO2 cycle and to discuss the NO2 compensation point concentration (mcomp,NO2). Therefore, NO2 exchange between the atmosphere and spruce (Picea abies) on leaf level was detected by a dynamic plant chamber system under labo¬ratory and field conditions. Measurements took place during the EGER project (June-July 2008). Additionally NO2 data collected during the ECHO project (July 2003) on oak (Quercus robur) were analyzed. The used measuring system allowed simultaneously determina¬tion of NO, NO2, O3, CO2 and H2O exchange rates. Calculations of NO, NO2 and O3 fluxes based on generally small differences (∆mi) measured between inlet and outlet of the chamber. Consequently a high accuracy and specificity of the analyzer is necessary. To achieve these requirements a highly specific NO/NO2 analyzer was used and the whole measurement system was optimized to an enduring measurement precision.rnData analysis resulted in a significant mcomp,NO2 only if statistical significance of ∆mi was detected. Consequently, significance of ∆mi was used as a data quality criterion. Photo-chemical reactions of the NO-NO2-O3 triad in the dynamic plant chamber’s volume must be considered for the determination of NO, NO2, O3 exchange rates, other¬wise deposition velocity (vdep,NO2) and mcomp,NO2 will be overestimated. No significant mcomp,NO2 for spruce could be determined under laboratory conditions, but under field conditions mcomp,NO2 could be identified between 0.17 and 0.65 ppb and vdep,NO2 between 0.07 and 0.42 mm s-1. Analyzing field data of oak, no NO2 compensation point concentration could be determined, vdep,NO2 ranged between 0.6 and 2.71 mm s-1. There is increasing indication that forests are mainly a sink for NO2 and potential NO2 emissions are low. Only when assuming high NO soil emissions, more NO2 can be formed by reaction with O3 than plants are able to take up. Under these circumstance forests can be a source for NO2.

Evolution of the sexual reproduction in Veronica (Plantaginaceae) : phylogeny, phylogeography and invasion

Die geschlechtliche Fortpflanzung ist ein universelles Merkmal und erlaubt es genetische Variation innerhalb von Blütenpflanzen zu schaffen. Die Evolution der sexuellen und reproduktiven Systeme wurde hier auf mehreren zeitlichen Ebenen, in verschiedenen Arten von Lebensraum studiert und mit fast allen möglichen Methoden im Labor, im Gewächshaus sowie im Feld untersucht. Drei Hauptteile sind in dieser Arbeit enthalten und entsprechen jeweils einem unterschiedlichen Niveau der Zeit: Gattung, Untergattung und Arten. Der erste Teil zeigt, dass die PO-Verhältnisse Untersuchungen systematisch in jeder Pflanzen-Gattung oder Untergattung untersucht werden müssen. Dieses güngstige, schnelle und leistungsstarke Werkzeug kann eine Vielzahl von Informationen über die Modi der Pflanzenreproduktion produzieren, ohne die Verwendung von teuren und langen Experimenten. Darüber hinaus könnte diese Maßnahme auch ergänzende Daten über die Taxonomie dieser untersuchten Gruppen geben. Das zweite Kapitel befasst sich mehr mit der Taxonomie der Ehrenpreis(Veronica)-Arten als die beiden anderen und zeigt, dass verschiedene Ereignisse der interspezifischen Reproduktion in einem der Hotspots der Artenvielfalt in Europa (der Balkan-Halbinsel) auftreten. Die Ergebnisse zeigen, dass morphologische und genetische Daten inkongruent sind und die Analyse der Taxonomie dieser Arten oder Unterart schwierig ist. Das letzteKapitel erzählt die Geschichte einer erfolgreichen Invasion, die während des letzten Jahrhunderts in Europa ablief trotz der Tatsache, dass die Arten obligate Fremdbefruchter sind und dass keine Samen-Produktion in der Region beobachtet wurde. Dieses Manuskript erläutert den Weg der Pflanze, um die “Baker-Regel“ zu umgehen. Diese Regel besagt, dass selbst-inkompatible Arten erfolgloser bei der Invasion neuer Lebensräume sind. Dennoch schafft es die hier untersuchte Art einen großen Teil der europäischen Rasen zu bevölkern und zeigt dabei genetische und morphologische Veränderungen auf diesem Weg.rnSchließlich wird in diesen drei verschiedenen Papieren versucht, die Verbindung zwischen der Mikro-und Makroevolution in der geschlechtlichen Fortpflanzun in Ehrenpreis (Veronica) unter Betracht verschiedener sexueller Systeme und der Stammesgeschichte, sowie der Migration zu klären.

Preparation and functional characterisation of recombinant silicatein-alpha from the sponge Suberites domuncula

The marine world is an immense source of biodiversity that provides substances with striking potentials in medicinal chemistry and biotechnology. Sponges (Porifera) are marine animals that represent the most impressive example of organisms possessing the ability to metabolise silica through a family of enzymes known as silicateins. Complex skeletal structures (spicules) made of pure biogenic silica (biosilica) are produced under physiological conditions. Biosilica is a natural material comprising inorganic and organic components with unique mechanical, optical, and physico-chemical properties, including promising potential to be used for development of therapeutic agents in regenerative medicine. Unravelling the intimate physiological mechanisms occurring in sponges during the construction of their siliceous spicules is an on-going project, and several questions have been addressed by the studies proposed by our working group. In this doctoral work, the recombinant DNA technology is exploited for functional and structural characterisation of silicatein. Its precursors are produced as fusion proteins with a chaperone tag (named TF-Ps), and a robust method for the overexpression of native soluble proteins in high concentrations has been developed. In addition, it is observed and proven experimentally that the maturation of silicatein is an autocatalytic event that: (i) can be modulated by rational use of protease inhibitors; (ii) is influenced by the temperature of the environment; (iii) only slightly depends on the pH. In the same experimental framework, observations on the dynamics in the maturation of silicateins allow a better understanding of how the axial filaments form during the early stages of spicule construction. In addition, the definition of new distinct properties of silicatein (termed “structure-guiding” and “structure-forming”) is introduced. By homology models and through comparisons with similar proteins (the cathepsins), domains with significant surface hydrophobicity are identified as potential self-assembly mediators. Moreover, a high-throughput screening showed that TF-Ps could generate crystals under certain conditions, becoming promising for further structural studies. With the goal of optimise the properties of the recombinant silicatein, implementation of new production systems are tried for the first time. Success in the expression of silicatein-type proteins in insect and yeast cells, constitute a promising basis for further development, towards the establishment of an efficient method for the production of a high-value pure and soluble protein.

Entwicklung einer Kryokonservierungsmethode für Spermien der Honigbiene, Apis mellifera

Die westliche Honigbiene (Apis mellifera) ist von großer ökologischer und ökonomischer Bedeutung. Seit Jahren zeichnen sich in Nordamerika sowie in manchen Teilen Europas rückläufige Bienenvölkerzahlen und eine abnehmende Artenvielfalt innerhalb der Bienenfamilie ab. Mittlerweile ist von einer globalen Bestäuberkrise die Rede und es wird verstärkt nach Möglichkeiten gesucht, um dieser Krise entgegenzuwirken. Eine Konservierung von Bienenspermien in flüssigem Stickstoff ohne Fruchtbarkeitsreduzierung würde die Bienenzucht revolutionieren und stark beschleunigen, da räumliche und zeitliche Restriktionen bei der Wahl des Bienenspermas wegfielen. Zudem wäre eine Möglichkeit zur Sicherung der genetischen Diversität geschaffen. Im Rahmen des hier vorgestellten Projektes wurde eine solche Methode erarbeitet. In umfangreichen Abkühl- und Einfrierversuchen konnte eine neue Konservierungstechnik entwickelt werden, bei der das Kryoprotektivum mittels Dialyse dem Bienensperma zugesetzt wird. Dieses Verfahren erhält die native Spermaform, in der die Spermien parallel und inaktiv in dicht gepackten Clustern vorliegen, und erzielt bisher unerreichte Besamungserfolge. So konnten durchschnittlich 1,25 Mio. Spermien in den Spermatheken besamter Königinnen gezählt werden und davon waren ungefähr 90% motil. Besonders vielversprechend ist jedoch, dass 79,4% der Brut weiblich waren. Ein so hoher Anteil weiblicher Brut konnte bislang nicht erreicht werden und wäre für züchterische Zwecke ausreichend.

Evolution und historische Biogeographie von Senecio L. mit Fokus auf die Alte Welt

Senecio L., eine der größten Angiospermengattungen, entstand im mittleren Miozän in trockenen oder Winterregengebieten des südlichen Afrikas. Von dort ausgehend wurden die anderen Kontinente mehrmals unabhängig voneinander besiedelt. Die hohe Artenanzahl, das junge Alter und die was weltweite Verbreitung der Gattung stellt eine Besonderheit dar. Die meisten anderen jungen und schnellen Radiationen sind nicht so weit verbreitet. Es scheint, als wäre die hohe Artenanzahl und die weite Verbreitung das Ergebnis von einer guten Ausbreitungsfähigkeit, einem hohe Samenansatz sowie einer Präferenz für offene und gestörte Standorte.rnDie Paläarktis wurde zweimal unabhängig voneinander kolonisiert, beide Linien kommen in etwa in der gleichen Region vor, unterscheiden sich aber in ihrer Habitatpräferenz und Lebensdauer. Die eine Linie kommt zumeist entlang des Mittelmeeres vor und stammt am wahrscheinlichsten von annuellen Tieflandarten aus den trockenen oder Winterregengebieten des südlichen Afrikas ab. Die andere Linie stammt wahrscheinlich von Drakensbergarten ab und besiedelt auch bevorzugt bergige Regionen in der Paläarktis. Senecio ist außerdem die artenreichste Gattung in den tropisch afroalpinen Regionen Ostafrikas. Die Arten sind während des Pliozäns oder Pleistozäns entstanden und das Ergebnis von mehrfacher Einwanderung aus anderen temperaten Regionen, in situ Artbildung spielte nur eine untergeordnete Bedeutung. rn

High plant species richness indicates management-related disturbances rather than the conservation status of forests

There is a wealth of smaller-scale studies on the effects of forest management on plant diversity. However, studies comparing plant species diversity in forests with different management types and intensity, extending over different regions and forest stages, and including detailed information on site conditions are missing. We studied vascular plants on 1500 20 m × 20 m forest plots in three regions of Germany (Schwäbische Alb, Hainich-Dün, Schorfheide-Chorin). In all regions, our study plots comprised different management types (unmanaged, selection cutting, deciduous and coniferous age-class forests, which resulted from clear cutting or shelterwood logging), various stand ages, site conditions, and levels of management-related disturbances. We analyzed how overall richness and richness of different plant functional groups (trees, shrubs, herbs, herbaceous species typically growing in forests and herbaceous light-demanding species) responded to the different management types. On average, plant species richness was 13% higher in age-class than in unmanaged forests, and did not differ between deciduous age-class and selection forests. In age-class forests of the Schwäbische Alb and Hainich-Dün, coniferous stands had higher species richness than deciduous stands. Among age-class forests, older stands with large quantities of standing biomass were slightly poorer in shrub and light-demanding herb species than younger stands. Among deciduous forests, the richness of herbaceous forest species was generally lower in unmanaged than in managed forests, and it was even 20% lower in unmanaged than in selection forests in Hainich-Dün. Overall, these findings show that disturbances by management generally increase plant species richness. This suggests that total plant species richness is not suited as an indicator for the conservation status of forests, but rather indicates disturbances.

Neue Ergebnisse aus den Biodiversitäts-Exploratorien – Weniger ist mehr: Wer Grünland weniger intensiv und weniger gleichmässig nutzt, fördert die Gesamtdiversität

Grünland wird stärker gedüngt, häufiger gemäht und die Bestockungsgrade mit Weidetieren sind heute deutlich höher als früher. Die landwirtschaftliche Produktivität ist dadurch zwar höher, aber der Preis dafür ist ein drastischer Rückgang der Biodiversität. Und das wiederum kann sich negativ auf Ökosystemfunktionen auswirken, die auch für uns Menschen von großer Bedeutung sind.

Agroforstwirtschaft als ökologisch, ökonomisch und sozial nachhaltige Landnutzungsform: Fallbeispiel Kakaoanbau in Bolivien

Die Agroforstwirtschaft kann zum Schutz des Bodens, der Biodiversität, zur Ernährungs- und Einkommenssicherheit sowie zur Resilienz gegenüber dem Klimawandel beitragen. Kakaobauern in Alto Beni in Bolivien setzen verschiedene Anbausysteme für den Kakaoanbau ein, von Monokulturen bis zu hoch diversifizierten Agroforstsystemen, und viele haben die Bio-Zertifizierung. Um die verschiedenen Anbausysteme zu vergleichen und herauszufinden, was die Rolle der Bio-Zertifizierung ist, wurden für diese Studie Daten in Kakaoparzellen erhoben und Interviews mit Kakaoproduzenten durchgeführt. Neben der Biodiversität waren auch die Kakaoernten und die Einkommen der Familien höher, welche ein Agroforstsystem hatten. Die Interviews zeigten, dass die Bio-Zertifizierung die Kakaoproduzenten motivierte, Kooperativen zu gründen, die Wissen und technische Unterstützung zugänglich machten, was wiederum die Agroforstwirtschaft förderte. Die Kooperativen boten Rückhalt und soziale Netze, Austausch und Wissensvermittlung und sollten daher für eine nachhaltige Entwicklung systematisch und langfristig unterstützt werden.

Essen im Anthropozän

Biotechnologie zu verteufeln ist einfach. Ihr verantwortungsbewusster Einsatz kann allerdings die Artenvielfalt auf diesem Planeten retten – und somit auch Leben.

Erfahrungen aus der nachhaltigen Nutzung natürlicher Ressourcen im Nord-Süd-Kontext: Wissen gemeinsam erarbeiten

An Hand zweier Fallstudien wird aufgezeigt, wie Wissen gemäss den Prinzipien der Nachhaltigkeitsforschung gemeinsam von Forschern und Praktikern produziert wird. Diese Prinzipien der Nachhaltigkeitsfor-schung erfordern einen trans-disziplinären Ansatz, also eine Problemstel-lung, die von der Gesellschaft eingebracht wird und ihren Bedürfnissen entspricht sowie den Einbezug von nicht-akademischen Akteuren und deren Wissensformen. Sie unterscheidet sich also von einer Forschung, welche auf eine vorangehende Erarbeitung von Wissen durch die For-scher und einem späteren Transfer in die Praxis abzielt. Das Fallbeispiel in der Schweiz betrifft den Bodenschutz im Ackerbau. Es zeigt auf, wie ein transdisziplinärer Forschungsansatz zu einer systema-tischen Zusammenarbeit von Forschung mit verschiedenen betroffenen Akteuren führt. In diesem Fall sind dies Kantonsbehörden, landwirtschaft-licher Beratung, Versicherungen und Bauernorganisationen. Damit soll eine gemeinsame Produktion von Handlungswissen für einen sozial- und umweltverträglichen Vollzug des Bodenschutzes erreicht werden. Das Fallbeispiel aus der Entwicklungszusammenarbeit von Peru handelt von der Suche nach einer nachhaltigen Entwicklung im Amazonas-Tiefland. Es geht um eine Entwicklungsstrategie bei der anstatt der Prob-leme die Potenziale der Lokalbevölkerung im Vordergrund stehen sollen. Es zeigt auf, wie partizipative Forschung zur Identifikation, Validierung und Verbreitung von lokalen Innovationen beitragen kann, so dass sich daraus eine praxisorientierte Ko-Produktion von Wissen für die nachhal-tige Entwicklung ergibt. Die Konsequenzen die sich aus diesen Fallbeispielen zur Ko-Produktion von Wissen für die Forschung, die Umsetzung und den Vollzug sowie die universitäre Ausbildung ergeben, sollen in der Diskussion zusammen mit den Teilnehmern vertieft werden.