570 Biowissenschaften; Biologie
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Um die weiterhin ansteigende Weltbevölkerung auch zukünftig mit Nahrungsmitteln und anderen wichtigen Rohstoffen zu versorgen, bedarf es einer immer größeren Nutzungsausweitung der Landwirtschaft auf natürliche Flächen. Im Jahre 2009 wurde ein Drittel der Landoberfläche der Erde bereits landwirtschaftlich genutzt. In jüngster Zeit kommt der Landwirtschaft zusätzlich eine wichtige Bedeutung als Energielieferant zu. Ein weiter steigender Flächenbedarf ist die Konsequenz dieser Entwicklung. Dies führt zum Verlust von Habitaten und somit zu einer starken Fragmentierung der Landschaft. Die direkten und indirekten Auswirkungen dieser Entwicklung auf den weltweiten Biodiversitätsrückgang werden mittlerweile als eine der Hauptursachen für den Rückgang vieler Arten anerkannt. Auch der Gesetzgeber hat dieses Problem erkannt und versucht dem entgegenzuwirken. In der vorliegenden Arbeit wird durch einen multiplen Methodenansatz der Einfluss der Habitatfragmentierung auf die Konnektivität der Populationen von zwei unterschiedlich mobilen Insektenarten untersucht. Als Modelarten wurden eine wenig mobile Heuschreckenart (Chorthippus montanus) und ein hoch mobiler Tagfalter (Brenthis ino) ausgewählt, welche beide an feuchte Grünländer gebunden sind. Für C. montanus wurde gezeigt, dass die Art nur ein sehr eingeschränktes Mobilitätspotenzial besitzt und stark an ihr Habitat gebunden ist. Daher ist eine Durchquerung von ungeeigneten Lebensräumen als äußerst unwahrscheinlich zu erachten. Eine Studie zur Mobilität und dem Verhalten von Brenthis ino belegt eine starke Philopatrie für eine nicht territoriale Insektenart. Zusätzlich zu den Fang-Wiederfang-Untersuchungen im Freiland wurden populations- und landschaftsgenetische Analysen durchgeführt. Die populationsgenetischen Analysen zeigen eine starke Isolation der Populationen von C. montanus, während zwischen den untersuchten Populationen von B. ino eine gute Konnektivität besteht. Mittels der landschaftsgenetischen Analyse wird gezeigt, dass Wälder und bebaute Flächen für beide Arten substanzielle Genefluss-Barrieren darstellen. Basierend auf einer GIS gestützten Analyse wird dargelegt, dass eine lokal ausreichende Vernetzung von Grünländern in Rheinland-Pfalz durch den Biotopverbund existiert. Die Berücksichtigung der Konnektivität bei der Auswahl und Ausgestaltung der Instrumente zur rechtlichen Sicherung und Umsetzung des Biotopverbundes (-§ 21 BNatSchG) bergen großes Potenzial zum Schutz von Grünländern. Ferner wird gezeigt, dass die Landschaftsplanung zwar ein geeignetes Instrument zur Erarbeitung des Biotopverbundes ist, aber kein Instrument zur rechtlichen Sicherung desselbigen im Sinne des -§ 21 Abs. 4 BNatSchG sein kann.
Caenorhabditis elegans Modelsysteme für Freiland und Labor Caenorhabditis elegans ist eines der am intensivsten untersuchten Tiermodelle, dabei weisen die nur unzureichenden Informationen über sein ursprüngliches Habitat eine Vielzahl offener Fragen auf. Deshalb beschäftigt sich der erste Teil vorliegender Arbeit mit einer Überprüfung der Freilandökologie und Biogeographie des Taxons. Nach den Untersuchungen spricht vieles dafür, dass die Ursprungsart der C. elegans Gruppe ein Begleiter von Gastropoden war, welche auch für ihre Ausbreitung häufig verantwortlich sind. Als Folge der Verschleppung durch Wirtstiere (u.a. die Weinbergschnecke Helix aspersa) erreichte sie ihr heutiges Areal, in allen Kontinenten. Ein nicht weniger wichtiges Ziel der vorliegenden Arbeit war die Etablierung von C. elegans als Biotest-System für die Indikation von Chemikalien-Wirkungen. In dieser Arbeit wurden ein ökotoxikologisches Testsystem entwickelt mit den C. elegans als Modellorganismus, das durch Messung von umweltbedingten intrazellulär gebildeten ROS im Gesamtorganismus eine Einschätzung der biologischen Aktivität von Chemikalien und Umweltmedien ermöglichen sollte. Als grundlegender biochemischer Parameter ist eine, die Kapazität der antioxidativen Schutzmechanismen übersteigende, ROS-Bildung ursächlich für oxidative Schädigungen der Zelle verantwortlich und damit Basis für zahlreiche pathologische Effekte. Aus den Resultaten als Bewertungsgrundlage lässt sich folgern, dass sich das erarbeitete Biotestsystem als adäquates Verfahren zur Messung von oxidativem Stress, als Folge exogener Belastung, einsetzen lässt. Damit leistet es einen Beitrag zur Beurteilung des Toxizitätspotentials von Chemikalien und Umweltproben. Zur Eignung des Einsatzes von C. elegans für Toxizitätstest wurden weitere Untersuchungen mit verschiedenen Chemikalien durchgeführt. Dabei ergibt sich bezogen auf molare Einheiten eine immer gleich bleibende Reihenfolge der Sensitivitäten gegenüber BaP > Cu2+ > AcL, ein Ergebnis welches mit Testergebnissen von anderen Versuchsorganismen zu vergleichen war. Die Wirkung von Atrazin auf die Entwicklung von C. elegans wurde auch untersucht. Es wurde festgestellt, dass Atrazin auf Wachstum und Reproduktion von C. elegans konzentrationsabhängig toxisch wirkt. Die bisherigen Ergebnisse zeigen jedoch, dass das Testsystem C. elegans hervorragend geeignet ist, um Chemikalienwirkungen frühzeitig sichtbar zu machen.
Die Fauna-Flora-Habitat-Richtlinie (Richtlinie 92/43/EWG) stellt derzeit das umfangreichste Instrument des internationalen Naturschutzes zur Erhaltung der europäischen Biodiversität dar. Das Grundkonzept der FFH-RL beruht hierbei sowohl auf dem Schutz gefährdeter Arten als auch auf dem Erhalt natürlicher Lebensräume. Dieser ganzheitliche Ansatz verursacht jedoch infolge der großen Anzahl zu berücksichtigender Schutzgüter einen hohen personellen wie finanziellen Aufwand bei der Umsetzung der Richtlinienvorgaben. Daher wurde in der vorliegenden Arbeit am Beispiel der Schmetterlingsart Euphydryas aurinia (Anhang II FFH-RL) überprüft, inwieweit die Konzepte von ESUs (Evolutionarily Significant Units) und MUs (Management Units) geeignete Möglichkeiten bieten, um die Prioritätensetzung bei der Auswahl besonders schützenswerter Vorkommen gefährdeter Arten zu erleichtern. Zu diesem Zweck wurden mit drei verschiedenen Subspezies von E. aurinia (E. aurinia beckeri, E. aurinia debilis, E. aurinia aurinia) Fang-Markierung-Wiederfangstudien durchgeführt, sowie mit Hilfe von Allozym-Elektrophoresen populationsgenetische Parametern in europäischem Kontext und auf regionaler Ebene (Westtschechien) erfasst. Die drei untersuchten Subspezies zeigten hierbei spezifische ökologische Adaptationen an die jeweiligen Habitatbedingungen (z.B. bzgl. der Populationsdichte, Demographie und Mobilität). Ferner wiesen die genetischen Analysen starke Differenzierungen bei E. aurinia in Europa nach, die u.a. Antworten auf phylogeographische und taxonomische Fragestellungen ermöglichen. Auch auf regionaler Ebene (Westtschechien) konnten genetische Differenzierungen festgestellt werden. Auf Basis der erhobenen populationsökologischen und -genetischen Daten wird abschließend die generelle Anwendbarkeit und der Nutzen der Konzepte von ESUs und MUs bei der Etablierung von Schutzkonzepten für E. aurinia und andere Arten der FFH-RL diskutiert. rnDer zweite Teil der vorliegenden Arbeit beschäftigt sich exemplarisch mit dem aktuellen Schutzverfahren für deutsche E. aurinia-Vorkommen im Rahmen der FFH-RL und den damit verbundenen Problemen. Der Schwerpunkt lag hierbei auf der Schutzgebietsauswahl, dem Monitoring und dem Gebietsmanagement. In diesem Kontext werden u.a. Problematiken angesprochen, die sich aus der großen ökologischen Variabilität der Art ergeben bzw. die aufgrund von Koordinierungsschwierigkeiten zwischen einzelnen Bundesländern bestehen. Vor dem Hintergrund dieser Erkenntnisse werden Lösungsvorschläge unterbreitet, wie das aktuelle Schutzverfahren für E. aurinia in Deutschland weiter verbessert werden könnte.
Der Forschungsbereich der Systembiologie hat sich in den letzten Jahren mit unvergleichlicher Dynamik entwickelt und sich als interdisziplinäres Feld in den Biowissenschaften etabliert. Die Systembiologie verfolgt hierbei unter anderem das Ziel, biologische Systeme als Ganzes zu betrachten. Die analytische Erfassung der Stoffwechselzwischenprodukte, auch Metaboliten genannt, eröffnet hierbei neue Möglichkeiten. Metaboliten stellen Zwischenprodukte in vivo ablaufender biochemischer Reaktionen dar und stehen in enger Abhängigkeit zu Vorgängen, welche auf der Ebene von Transkriptom und Proteom gesteuert und ermöglicht werden. In dieser Arbeit wurden Zeitreihen von Metabolitkonzentrationen untersucht, welche im Rahmen von Fermentationsexperimenten mit dem nicht-pathogenen Bodenbakterium Corynebacterium glutamicum erfasst worden sind. Die Fermentationsexperimente wurden auf unterschiedlichen Ausgangssubstraten durchgeführt, wobei die Erfassung der Metabolitkonzentration in äquidistanten zeitlichen Abständen gehandhabt wurde. Zur Korrektur von Messfehlern und zur optimalen Vorverarbeitung der Daten wurde ein maßgeschneidertes System der Datenprozessierung entwickelt. Eine unüberwachte Datenstrukturanalyse ergab, dass sich die Metaboliten ihrer zeitlichen Ausprägung nicht uniform oder gar zufällig verhalten, sondern sich in Gruppen unterschiedlichen Prozessverhaltens einordnen lassen. Diese unüberwachte Eingruppierung anhand der in den Zeitreihen vorhandenen Strukturen erlaubte eine erste grundlegende funktionelle Zuordnung der Metaboliten. Weiterhin konnten in den Konzentrationsdaten Strukturen gefunden werden, welche deutliche Übereinstimmungen mit den physiologischen Phasen des bakteriellen Wachstums zeigten. Die Analyse der Metabolomdaten wurde in einem nächsten Schritt durch eine theoretische Betrachtungsweise erweitert. Hierzu wurde der Stoffwechsel von C. glutamicum rechnergestützt modelliert. Zu diesem Zweck wurde eine Genomannotation durchgeführt, mit dem Ziel einen möglichst umfangreichen und qualitativ hochwertigen Katalog über das enzymatische Repertoire von C. glutamicum aus Sequenzinformation abzuleiten. Generiertes Wissen über vorhandene Enzyme wurde in biochemische Reaktionen übersetzt, welche zu Reaktionsnetzwerken zusammengefügt wurden. Die erzeugten Reaktionsnetzwerke wurden unter Verwendung graphentheoretischer Ansätze analysiert. Die integrative Analyse experimenteller und theoretischer Daten ergab, dass sich Eigenschaften von Metabolitzeitreihen deutlich topologischen Merkmalen zuordnen lassen. So zeigt sich beispielsweise, dass ein auffälliger Zusammenhang zwischen der experimentell erfassten Sensitivität im Konzentrationsverlauf eines Metaboliten und seinem theoretischen Verknüpfungsgrad existiert. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass eine hochsignifikante Prozessähnlichkeit zwischen Metaboliten sowohl in direkter Nachbarschaft als auch in größeren Reaktionsabständen auftreten kann, jedoch vorzugsweise dann existiert, wenn beide Metaboliten ihrerseits wenige Reaktionspartner haben. Die integrative Datenanalyse wurde in einem weiteren Schritt abermals erweitert, indem Transkriptominformation weiterer Studien integriert wurde. Im Detail wurde in dieser Analyse die Prozessähnlichkeit theoretisch benachbarter Metaboliten des Zentralstoffwechsels in Zusammenschau mit der Transkription enzymkodierender Gene untersucht. Die Ergebnisse zeigten deutlich, dass eine erhöhte Prozessähnlichkeit benachbarter Metaboliten dann existiert, wenn die entsprechenden enzymkodierenden Gene in Abhängigkeit des verwendeten Ausgangssubstrates signifikant exprimiert waren. Somit konnte ein Zusammenhang zwischen der Prozessähnlichkeit benachbarter Metaboliten in Abhängigkeit zur Genexpression als Resultat substratinduzierter Anpassungsvorgänge gezeigt werden. Es konnte folglich im systembiologischen Kontext belegt werden, dass auf der Ebene des Transkriptoms stattfindende Vorgänge sich deutlich bis in die Zeitreiheneigenschaften erfasster Metabolitkonzentrationen durchpausen können. Darüber hinaus zeigte sich, dass die Berechnung paarweiser Prozessähnlichkeiten das Potenzial zur Charakterisierung der zugrundeliegenden Systemeigenschaften besitzt. So ermöglichte die Betrachtung paarweiser Prozessähnlichkeiten aus allen untersuchten Fermentationsexperimenten, signifikante substrat-induzierte Veränderungen als auch invariante Merkmale im Stoffwechsel von C. glutamicum zu detektieren.
Die vorliegende Arbeit untersucht zwei grundlegende Fragestellungen im Hinblick auf den Betrieb von Genbanken als Beitrag zur Sicherung der genetischen Diversität. Das erste Kapitel behandelt aus rechtlicher Sicht die juristischen Fragen nach dem Zugang zu genetischen Ressourcen, nach dem Ausgleich aus der Nutzung entstehender Vorteile (Access and Benefit Sharing, ABS) und nach den Möglichkeiten des Handels mit Proben gefährdeter Tierarten, dies sowohl im Hinblick auf die rein wissenschaftliche Forschung als auch in Bezug auf kommerziell orientierte Zwecke. Grundlegend für die Bearbeitung dieser Fragen war die detaillierte Betrachtung des Übereinkommens über die biologische Vielfalt (CBD) und des Übereinkommens über den internationalen Handel mit gefährdeten Arten freilebender Tiere und Pflanzen (CITES). Da das CBD im Hinblick auf den Zugang zu genetischen Ressourcen in der Bundesrepublik Deutschland bisher nicht umgesetzt ist, bleibt dem Betreiber einer Genbank zur rechtlichen Absicherung und Klarheit nur die Aushandlung von Materialübertragungsverträgen mit den Ursprungsländern der genetischen Ressourcen. Der nachfolgende Handel mit gelagerten Proben gefährdeter Tierarten ist möglich, wenn dies nicht-kommerziell zur wissenschaftlichen Forschung erfolgt und die beteiligten Institutionen bei ihren Regierungen als wissenschaftliche Institutionen registriert sind. Bei kommerziellen Absichten unterliegt der Handel streng den durch das CITES vorgegebenen Regulierungen. Ausnahmen des Handelsverbotes sind möglich, z.B. dann wenn es sich um Proben von Tieren handelt, die in Gefangenschaft gezüchtet worden sind. Das zweite Kapitel behandelt aus naturwissenschaftlicher Sicht die Möglichkeit der direkten Gewinnung genetischer Materialien von Tieren. Hierbei wurde die Isolierung adulter Stammzellen aus der Haut von Säugetieren als Zielzellen zur Lagerung in Genbanken fokussiert. Am Modellorganismus Hausschwein (Sus scrofa domestica) wurde eine Methode zur Isolation adulter stammzellähnlicher Zellen aus der Haut etabliert. Durch nachfolgende Laborversuche wurden die isolierten stammzellähnlichen Zellen (pSSCs, porcine skin derived stem cell-like cells) charakterisiert. Wie mesenchymale Stammzellen haben pSSCs eine fibroblasten-ähnliche Morphologie und exprimieren die Oberflächenproteine CD9, CD29, CD44 , CD105 und sehr gering CD90. Neben diesen konnte die Expression der stammzellasoziierten Gene Stat3, Oct3/4, Sox2, Nestin, Bcrp1/ABCG2 und Bmi1 nachgewiesen werden. Weitere Versuche zeigten die induzierte Differenzierung der pSSCs zu Zellen zweier embryonaler Keimblätter, dem Ektoderm (Neuronen, Astrozyten) und dem Mesoderm (glatte Muskelzellen und Adipozyten). Zur vollständigen Charakterisierung und gänzlichen Ermittlung des Differenzierungspotentials bedarf es allerdings weiterer Versuche, die wegen der Kostspieligkeit und einem erhöhten zeitlichen Aufwand hier nicht realisierbar waren. Die Expansion und die Kryokonservierung der pSSCs zeigten geringfügige Auswirkungen auf den Phänotyp und das Differenzierungspotential. In Bezug auf die Kryokonservierung konnte wegen der geringen Anzahl an Versuchen eine definitive Aussage über ihre Folgen nicht getroffen werden. Folglich bedarf es weiterer Untersuchungen zur Ermittlung der Auswirkungen der Kryokonservierung auf adulte Stammzellen, die aus der Haut gewonnen werden können. Durch ihre Lagerung in Genbanken eröffnen aus der Haut isolierbare Stammzellen neue Möglichkeiten für den Artenschutz, dies vor allem durch ihre Anwendbarkeit im Rahmen modernster Reproduktionsmethoden und als nahezu unendliche DNA-Quelle für phylogenetische Studien, die zum Populationsmanagement unerlässlich sind. Trotz der sich aus dieser Arbeit ergebenden neuen Fragen - im Hinblick auf den Zugang, die Gewinnung und auch die Lagerung genetischer Materialien gefährdeter Tierarten -, bleibt festzuhalten, dass Genbanken generell die Möglichkeit bieten, vitales, biologisches Material bereitzuhalten. Dies ist sowohl bedeutend für die Grundlagenforschung als auch für den Einsatz dieser Materialien zur Steigerung der Reproduktion gefährdeter Arten, letztlich mit dem Ziel, genetische Variationen zu erhalten, die anderenfalls verloren gehen würden.