Mobile signals in plant parasitism

Close to two percent of all flowering plants evolved parasitism, with some parasitic species, like Striga spp. from the Orobanchaceae family, posing a prevailing threat to crop yield. Parasitic weed management is challenging and requires a deeper understanding of the complex parasite-host relationship (Section 1.1). Parasitic plants infect and parasitize host plants through a multicellular feeding organ, the haustorium. This organ may either develop from the root tip as a single terminal haustorium or emerge multiple times along the growing roots, called lateral haustoria. In both cases, protohaustoria develop into mature haustoria that enable the withdrawal of water and nutrients. Parasitism depends on parasite and host endogenous signaling but also on communication between both partners (Section 1.2). This is similar to the development of other plant organs like lateral roots and symbiotic nodules, whose number is adjusted by an autoregulation of nodulation (AON) system. The induction of parasitic organs by pathogenic nematodes, but in particular also by parasitic plants, involves the manipulation, neofunctionalization, and interspecific exchange of mobile signals (Section 1.3). However, most of these molecular cues remain elusive in the parasitic plant-host plant interaction. This work aimed to address the biogenesis and function of parasite-derived endogenous and interspecific mobile signals involved in early till late stages of parasitism in the model system Phtheirospermum japonicum infecting Arabidopsis thaliana (Section 1.4). Transcriptome and genome studies on parasitic plants paved the way to unravel signaling cues contributing to parasitism. The evolution of parasitism correlates with the expansion of certain gene families followed by their parasitism-related neofunctionalization as seen for the KARRIKIN-INSENSITIVE 2 divergent-type (KAI2d) gene family in parasitic plants of the Orobanchaceae. Likewise, subtilisin-like serine protease (subtilase, SBT) genes in P. japonicum and Striga underwent an expansion, and some show haustorium tip-specific expression. The proteolytic activity of PjSBTs is required for proper haustorium formation and development. Despite their importance, no substrates of PjSBTs have been identified. In this work, PjSBT1.2.3 was found to be co-expressed with CLAVATA3(CLV)/EMBRYO-SURROUNDING REGION-related 3 (PjCLE3) during infection in the same domain of the haustorium. PjSBT1.2.3 cleaved PjCLE3 in vitro, thereby releasing the bioactive mature PjCLE3 peptide (Section 2.1, Fig.2.1.1). Sensing host-derived haustorium-inducing factors (HIFs) initiates haustorium organogenesis. In the absence of a host, the synthetic mature PjCLE3 induced protohaustorium formation similar to a host-derived benzoquinone HIF. Combined treatment of both HIFs potentiated their activity (Section 2.1, Fig.2.1.2). Pj cle3 knock-out hairy roots (HRs) formed fewer haustoria, particularly due to the absence of secondary protohaustoria (Section 2.1, Fig.2.1.3). These data demonstrate the existence of an autoregulation of haustoria formation (AOH) system as part of which the PjSBT1.2.3-PjCLE3 module, in analogy to AON, regulates the number of P. japonicum lateral haustoria. During the early stages of parasitism, the parasitism-related PjSBT1.2.3-PjCLE3 module promotes protohaustorium formation by sensitizing the parasite root for host-derived HIFs (Section 3.1). A homologous SBT-CLE module also exists in Striga, even though the parasite forms a terminal haustorium. Striga CLE2s are identical to host CLEs and this mimicry might improve nutrient allocations from the host during later stages of parasitism (Section 2.1, Fig.S2.1.2; Section 3.2). Similarly, parasite-derived cytokinin (CK) translocates through the haustorium inducing host hypertrophy, a swelling of host tissue above the infection site, thereby potentially benefiting parasite nutrient acquisition. In agrobacteria and plants, isopentenyltransferases (IPTs) synthesize CK precursors. Similar to SBTs and KAI2ds from parasitic plants, P. japonicum and S. hermonthica IPT1 genes exist as multiple copies, with one copy, PjIPT1a showing specific expression at the tip of haustoria (Section 2.2, Fig.2.2.1, Fig.2.2.2). Bioinformatic tools predicted a chloroplast transit peptide (CTP) for PjIPT1s, but PjIPT1-GFP fusions localized to cytoplasm and nucleus suggesting the CTP to be non-functional (Section 2.2, Fig.2.2.2, Fig.S2.2.2). To test substrate specificity and activity of both PjIPT1 copies, isoprenylation-activity was probed in vitro. PjIPT1b used both AMP and ATP as substrates, whereas PjIPT1a displayed a higher affinity for AMP, indicating that PjIPT1b may be the canonical, whereas PjIPT1a is the parasitism-related IPT (Section 2.2, Fig.2.2.4). This is further supported by the observation that CRISPR/Cas9-mediated mutation of PjIPT1a abolishes CK responses in the infected host (Section 3.3, Section 2.2, Fig.2.2.3). SBT-CLE, IPT-CK together with KAI2ds all have in common that their parasitism-related function may evolutionally result from gene duplication combined with neofunctionalization. Targeting duplicated and neofunctionalized genes may prove to be a promising strategy to combat parasitic weeds. (Sections 3.4, 3.5).Etwa zwei Prozent aller Blütenpflanzen entwickelten evolutiv die Fähigkeit, andere Pflanzen zu parasitieren. Einige Spezies, wie Striga spp. aus der Familie der Orobanchaceae, befallen dabei Nutzpflanzen und führen zu erheblichen Ertragsverlusten. Die Bekämpfung parasitärer Unkräuter ist schwierig, könnte jedoch durch ein tieferes Verständnis der Interaktion zwischen Parasit und Wirt verbessert werden (Section 1.1). Mit Hilfe eines multizellulären Infektionsorgans, des Haustoriums, dringt die parasitäre Pflanze in den Wirt ein. Dieses Organ kann sich entweder aus der Wurzelspitze als einzelnes terminales Haustorium bilden oder an mehreren Stellen entlang der wachsenden Wurzeln als laterale Haustorien entstehen. In beiden Fällen entwickeln sich Protohaustorien zu reifen Haustorien, welche Wasser und Nährstoffe gewinnen. Der Parasitismus basiert auf endogenen Parasiten- und Wirtssignalwegen, aber auch auf der Kommunikation zwischen beiden Partnern (Section 1.2). Ähnlich verhält es sich bei der Entwicklung anderer Pflanzenorgane wie Seitenwurzeln und symbiotischen Wurzelknöllchen, deren Anzahl durch ein System zur Autoregulation der Knöllchenbildung (AON) gesteuert wird. Vor allem Nematoden induzieren parasitäre Wurzelgallen und -zysten, wie auch parasitäre Pflanzen Haustorien, indem sie mobile Signale manipulieren, umfunktionalisieren und zwischen Parasiten- und Wirtsspezies (interspezifisch) austauschen (Section 1.3). Viele dieser für die Interaktion zwischen parasitärer Pflanze und Wirtspflanze wichtigen mobilen Signale sind allerdings unbekannt. Ziel dieser Arbeit war es, die Biogenese und Funktion parasitärer endogener und interspezifischer Signale in frühen bis späten Stadien des Parasitismus von Phtheirospermum japonicum auf Arabidopsis thaliana aufzuklären (Section 1.4). Transkriptom- und Genomstudien ebneten den Weg molekulare Signale, welche für den Parasitismus bedeutsam sind, einzuordnen. Die Evolution des Parasitismus geht einher mit der Expansion bestimmter Genfamilien gefolgt von deren Umfunktionalisierung wie beispielsweise die KARRIKIN-INSENSITIVE 2 divergent-type (KAI2d) Genfamilie der Orobanchaceae. Ähnlich verhält es sich bei der Genfamilie der Subtilisin-artigen Serinproteasen (SBTs) in P. japonicum and Striga, welche dupliziert und teils speziell in den Haustoriumspitzen exprimiert sind. Obwohl PjSBTs bei der Haustorienbildung unabdingbar sind, blieben potentielle Substrate unbekannt. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass PjSBT1.2.3 mit CLAVATA3/EMBRYO-SURROUNDING REGION-related 3 (PjCLE3) im selben Bereich des Haustoriums co exprimierte. PjSBT1.2.3 spaltete PjCLE3 in vitro, was zur Freisetzung des reifen Peptids führte (Section 2.1, Fig.2.1.1). Das Wahrnehmen Haustorium-induzierender Faktoren (HIFs) initiiert die Haustorienbildung. In Abwesenheit eines Wirtes induzierte das synthetische reife PjCLE3 die Protohaustorienbildung, ähnlich der Wirkung des HIF Benzochinon. Eine kombinierte Behandlung mit beiden HIFs steigerte deren Aktivität (Section 2.1, Fig.2.1.2). Pj cle3 knock-out Haarwurzeln (HR) bildeten weniger Haustorien, zurückzuführen auf die Abwesenheit sekundärer Protohaustorien (Section 2.1, Fig.2.1.3). Folglich könnte das PjSBT1.2.3-PjCLE3 Modul Teil eines Systems zur Autoregulation der Haustorienbildung (AOH), in Analogie zur AON, sein, welches die Bildung lateraler Haustorien in P. japonicum steuert. Während früher Stadien des Parasitismus fördert das Parasitismus-spezifische PjSBT1.2.3-PjCLE3 Modul die Protohaustorienbildung, indem es die Parasitenwurzel für Wirts-HIFs sensibilisiert (Section 3.1). Ein homologes SBT-CLE Modul ist auch in Striga aktiv, obwohl der Parasit zuerst nur ein terminales Haustorium bildet. Striga CLE2s sind identisch zu Wirts-CLEs und diese Mimikry könnte den Fluss von Nährstoffen vom Wirt hin zum Parasiten während späterer Stadien des Parasitismus verbessern (Section 3.2, Section 2.1, Fig.S2.1.2). Ähnlich wandert vom Parasiten stammendes Cytokinin (CK) durch das Haustorium und führt im Wirt zu Hypertrophie, wodurch der Parasit möglicherweise seine Nährstoffgewinnung verbessert. Agrobakterien und Pflanzen synthetisieren CK-Vorstufen durch Isopentenyltransferasen (IPTs). Genau wie SBTs und KAI2ds parasitärer Pflanzen, sind P. japonicum and S. hermonthica IPT1s dupliziert und nur eine Genkopie, PjIPT1a, ist speziell in der Haustorienspitze exprimiert (Section 2.2, Fig.2.2.1, Fig.2.2.2). Bioinformatische Tools sagten Chloroplastentransitpeptide (CTPs) für PjIPT1s vorher, aber PjIPT1-GFP Fusionsproteine waren im Zytoplasma und Nukleus lokalisiert, was auf nicht-funktionale CTPs schließen lässt (Section 2.2, Fig.2.2.2, Fig.S2.2.2). Um die Substratspezifität und Aktivität der beiden PjIPT1-Kopien zu untersuchen, wurden in vitro Tests der Isoprenylierungsaktivität vorgenommen. Diese zeigten, dass PjIPT1b AMP and ATP als Substrate nutzte, während PjIPT1a AMP bevorzugte, was wiederum darauf hindeutet, dass PjIPT1b das ursprüngliche und PjIPT1a das Parasitismus-spezifische IPT sein könnte (Section 2.2, Fig.2.2.4). Diese Vermutung wird dadurch gestützt, dass durch CRISPR/Cas9 erzeugte Mutationen im PjIPT1a Gen die CK-Antwort im Wirt während der Infektion annullierten (Section 3.3, Section 2.2, Fig.2.2.3). SBT-CLE, IPT-CK und KAI2ds ist gemein, dass ihre Parasitismus-spezifische Funktion evolutiv aus Genduplikationen gefolgt von Umfunktionalisierung resultiert. Die gezielte Untersuchung duplizierter und umfunktionalisierter Gene ist möglicherweise eine vielversprechende Strategie im Kampf gegen parasitäre Unkräuter. (Sections 3.4, 3.5)

Sovereign and bank risk : contagion, policy uncertainty and interest rates

This dissertation addresses the dependence between sovereign and bank default risk and the importance of policy uncertainty and interest rates for this nexus. To this end, the thesis includes four self-contained but interrelated studies with different methodological approaches. The first paper sheds light on the cross-country contagion of sovereign and bank default risk between 2009 and 2021 to assess the introduction of the European Banking Union in 2014. Based on Credit Default Swap premia of systemically important banks in the 10 largest eurozone countries, the estimated network structures provide evidence that the introduction of the Single Supervisory Mechanism, as part of the European Banking Union, has been effective in reducing overall financial contagion in the short run (up to 1 month). In the long run, the risk dependence is still very pronounced. Nevertheless, a shock in sovereign or bank risk is less severely transmitted to other eurozone countries after 2014, indicated by lower volatility spillovers. Thus, the Banking Union supports financial stability by weakening the strength of dependence rather than eliminating the dependence itself. The second study takes a closer look at the domestic dependence between sovereign and bank risk in 14 countries. The estimation of dynamic conditional correlations indicates that the dependence is significantly higher in euro member states. This reveals a systematic eurozone risk factor mainly rooted in the home bias of domestic sovereign bond holdings of eurozone banks. Moreover, fixed-effect panel regressions indicate that the sovereign-bank correlation increases in times of great policy uncertainty, high interbank market rates, low bank lending margins, and a low ratio of core bank capital. Economically, banks with a low level of core equity capital are less capable of withstanding shocks to their balance sheets, which spills over to the state and results in higher risk dependence. In addition, banks charge each other higher rates for short-term lending during times of financial distress. In this way, bank liquidity issues and lending aversion in the interbank market are passed on to other banks and ultimately to the sovereign. Overall, the second study emphasizes the importance of bank capital adequacy regulations and joint European policies to mitigate domestic sovereign-bank dependencies. The third study extends prior results and examines the impact of economic policy uncertainty (EPU) on the sovereign-bank nexus by introducing a continuous wavelet time domain. This setting allows to derive causal lead-lag relationships for each point in time. The assessment of the lead-lag relationships in 10 countries shows that a higher level of sovereign default risk leads to an increase in bank risk in the short horizon. In the medium run (6-32 months), the relationship reverses and the default risk of banks determines sovereign risk. Once the influence of policy uncertainty on sovereign and bank risk is eliminated, the partial coherency shows that the sovereign-bank dependence significantly weakens. This reveals the great relevance of political risk factors for the sovereign-bank nexus. The final study addresses the impact of different sources of uncertainty. Besides newspaper-based economic policy uncertainty, the study employs the implied volatility of options written on the S&P500 and a Twitter-based uncertainty index. Based on stock returns of the 22 largest U.S. banks, the computation of principal components, Granger causality, and volatility spillover provides evidence that EPU and Twitter-based uncertainty capture different sources of investor perception in the very short horizon (up to 1 week). Twitter captures consumer uncertainty more appropriately in the short run than newspapers, which usually have a delay in responding to news due to editorial processes. In addition, the study reveals that the impact of uncertainty is considerably stronger for banks with a high ratio of loans to total assets and a large ratio of derivatives to total bank assets. Moreover, banks with a greater loan ratio face a higher level of credit risk. Assuming that bank risk can be transmitted to the state through the sovereign-bank nexus, the results emphasize the importance of differentiating between the sources of uncertainty to evaluate its implications for financial stability. The findings also highlight the increasing importance of social media for the financial markets.Diese Dissertation befasst sich mit der Abhängigkeit der Ausfallrisiken von Staaten und Banken sowie der Bedeutung von (politischer) Unsicherheit und Zinssätzen für diesen Nexus. Zu diesem Zweck umfasst die Arbeit vier in sich geschlossene, jedoch inhaltlich miteinander verbundene Studien mit verschiedenen methodischen Ansätzen. Die erste Studie modelliert länderübergreifende Abhängigkeiten zwischen Staaten und Banken im Zeitraum von 2009 bis 2021, um die Einführung der Europäischen Bankenunion im Jahr 2014 zu bewerten. Basierend auf Kreditausfall-Swap Prämien systemrelevanter Banken der 10 größten Euro-Mitgliedsstaaten zeigen die modellierten Netzwerkstrukturen, dass die Einführung des einheitlichen Aufsichtsmechanismus (SSM) als Teil der Bankenunion die Abhängigkeiten in der kurzen Frist (bis 1 Monat) deutlich verringert hat. Langfristig ist die Risikoabhängigkeit jedoch recht beständig. Dennoch wird ein Schock im Staats- oder Bankenausfallrisiko nach 2014 weniger stark auf andere Länder der Eurozone übertragen, was sich in geringeren Volatilitätsspillover-Effekten widerspiegelt. Entsprechend unterstützt die Bankenunion die Finanzstabilität, indem sie die Stärke der Abhängigkeit abschwächt, anstatt die Abhängigkeit selbst zu beseitigen. Die zweite Studie thematisiert die inländische Abhängigkeit zwischen Staaten und Banken in 14 Ländern. Die Berechnung dynamischer Korrelationen zeigt, dass die Abhängigkeit in Ländern der Eurozone deutlich höher ist. Dies offenbart einen systematischen Risikofaktor in der Eurozone, der hauptsächlich in der Heimatverbundenheit inländischer Banken begründet ist. Darüber hinaus zeigen Panel-Regressionen, dass die Korrelation zwischen Staaten und Banken in Zeiten großer politischer Unsicherheit, hoher Interbankmarktzinsen, niedriger Kreditmargen und einer niedrigen Kernkapitalquote der Banken signifikant zunimmt. Banken mit einem niedrigen Kernkapitalanteil können Schocks in ihren Bilanzen weniger gut abfedern, was sich auf den Staat übertragen und zu einer höheren Risikoabhängigkeit führen kann. Darüber hinaus verlangen Banken in ökonomisch unsicheren Zeiten voneinander höhere Zinsen für kurzfristige Kredite. Auf diese Weise werden Liquiditätsprobleme über den Interbankenmarkt an andere Banken und letztlich an den Staat weitergegeben. Somit untermauert die zweite Studie die Bedeutung von Eigenkapitalvorschriften und einer gemeinsamen europäischen Politik zur Abschwächung des Staat-Banken Nexus. Die dritte Studie baut auf vorherige Ergebnisse auf, indem die Auswirkung von wirtschaftspolitischer Unsicherheit auf den Staat-Banken Nexus genauer betrachtet wird. Die Anwendung kontinuierlicher Wavelet Methoden ermöglicht die Ableitung von kausalen Lead-Lag-Beziehungen für jeden Zeitpunkt. Die Analyse der Lead-Lag-Beziehungen in 10 Ländern zeigt, dass ein höheres Ausfallrisiko von Staaten kurzfristig zu einem Anstieg des Bankenausfallrisikos führt. Mittelfristig (6-32 Monate) kehrt sich die Beziehung um und ein höheres Ausfallrisiko von Banken erhöht das Staatsausfallrisiko. Wenn der Einfluss der politischen Unsicherheit auf das Staats- und Bankenausfallrisiko eliminiert wird, zeigt die partielle Wavelet-Kohärenz, dass die Abhängigkeit signifikant abnimmt. Dies belegt die große Bedeutung politischer Risikofaktoren für den Staat-Banken Nexus. Die letzte Studie befasst sich mit den Auswirkungen verschiedener Quellen von Unsicherheit. Neben zeitungsbasierter Unsicherheit betrachtet die Studie die implizite Volatilität von Optionen auf den S&P500 und einen Twitter-basierten Unsicherheitsindex. Basierend auf Aktienrenditen der 22 größten US-Banken zeigen die Berechnung von Hauptkomponenten, Granger-Kausalität und Volatilität-Spillover, dass zeitungsbasierte und Twitter-basierte Unsicherheit die Anlegerwahrnehmung auf sehr kurze Sicht (bis 1 Woche) unterschiedlich abbilden. In der kurzen Frist bildet Twitter die Unsicherheit der Verbraucher besser ab, da Zeitungen aufgrund redaktioneller Abläufe erst mit Verzögerung auf Nachrichten reagieren können. Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse, dass der Einfluss von Unsicherheit bei Banken mit einem hohen Anteil an Krediten und einem großen Anteil an Derivaten deutlich stärker ist. Zudem tragen Banken mit einem höheren Kreditverhältnis ein höheres Maß an Kreditrisiken. Unter der Annahme, dass sich Bankenrisiken auf Staaten übertragen können, unterstreichen die Ergebnisse die Bedeutung zwischen den Quellen der Unsicherheit zu differenzieren, um deren Auswirkungen auf die Finanzstabilität zu bewerten. Zudem verdeutlichen die Ergebnisse die Bedeutung sozialer Medien für die Finanzmärkte

Reducing uncertainty in prediction of climate change impacts on crop production in Ethiopia

Ethiopia, with an economy heavily reliant on agriculture, is among the countries most vulnerable to climate change. It faces recurrent climate extreme events that result in devastating impacts and acute food shortages for millions of people. Studies that focus on their influence on agriculture, especially crop productivity, are of particular importance. However, only a few studies have been conducted in Ethiopia, and existing studies are spatially limited and show considerable spatial invariance in predicted impacts, as well as discrepancies in the sign and direction of impacts. Therefore, a robust, regionally focused, and multi-model assessment of climate change impacts is urgently needed. To guide policymaking and adaptation strategies, it is essential to quantify the impacts of climate change and distinguish the different sources of uncertainty. Against this backdrop, this study consisted of several key components. Using a multi-crop model ensemble, we began with a local climate change impact assessment on maize and wheat growth and yield across three sites in Ethiopia . We quantified the contributions of different sources of uncertainty in crop yield prediction. Our results projected a of 36 to 40% reduction in wheat grain yield by 2050, while the impact on maize was modest. A significant part of the uncertainty in the projected impact was attributed to differences in the crop growth models. Importantly, our study identified crop growth model-associated uncertainty as larger than the rest of the model components. Second, we produced a high-resolution daily projections database for rainfall and temperature to serve the requirement for impact modeling at regional and local levels using a statistical downscaling technique based on state-of-the-art GCMs under a range of emission scenarios called Shared Socioeconomic Pathways (SSPs). The evaluated results suggest that the downscaling strategy significantly reduced the biases between the GCM outputs and the observation data and minimized the errors in the projections. Third, we explored the magnitude and spatial patterns of trends in observed and projected changes in climate extremes indices based on downscaled high-resolution daily climate data to serve as a baseline for future national or regional-level impact assessment. Our results show largely significant and spatially consistent trends in temperature-derived extreme indices, while precipitation-related extreme indices are heterogeneous in terms of spatial distribution, magnitude, and statistical significance coverage. The projected changes in temperature-related indices are dominated by the uncertainties in the GCMs, followed by uncertainties in the SSPs. Unlike the temperature-related indices, the uncertainty from internal climate variability constitutes a considerable proportion of the total uncertainty in the projected trends. Fourth, we examined the regional-scale impact of climate change on maize and wheat yields by crop modeling, in which we calibrated and validated three process-based crop models to guide the design of national-level adaptation strategies in Ethiopia. Our analysis showed that under a high-emissions scenario, the national-level median wheat yield is expected to decrease by 4%, while maize yield is expected to increase by 2.5% by the end of the century. The CO2 fertilization effect on the crop simulations would offset the projected negative impact. Crop model spread followed by GCMs was identified as the largest contributor to overall uncertainty to the estimated yield changes. In summary, our study quantifies the impact of climate change and demonstrates the importance of a multi-model ensemble approach. We highlight the significant impacts of climate change on wheat yield in Ethiopia and the importance of crop model improvements to reduce overall uncertainty in the projected impact.Äthiopien, dessen Wirtschaft stark von der Landwirtschaft abhängt, zählt zu den Ländern, die am stärksten vom Klimawandel betroffen sind. Immer wieder ist das Land mit extremen Klimaereignissen konfrontiert, die verheerende Auswirkungen haben und zu akuter Nahrungsmittelknappheit für Millionen von Menschen führen. Studien, die sich mit dem Einfluss des Klimawandels auf die Landwirtschaft und insbesondere auf die Pflanzenproduktivität befassen, sind von besonderer Bedeutung. Die wenigen Untersuchungen, die in Äthiopien durchgeführt wurden, sind räumlich begrenzt und zeigen eine hohe räumliche Invarianz in den vorhergesagten Auswirkungen. Sie weisen außerdem Diskrepanzen in deren Richtung und Stärke auf. Daher ist eine robuste, regional ausgerichtete und modellübergreifende Bewertung der Auswirkungen des Klimawandels dringend erforderlich. Für politische Entscheidungen und Anpassungsstrategien ist es unerlässlich, diese zu quantifizieren und die Quellen der Unsicherheit zu identifizieren. Unsere Studie besteht aus mehreren Schlüsselkomponenten. Wir begannen mit einer lokalen Bewertung der Auswirkungen des Klimawandels auf das Wachstum und die Erträge von Mais und Weizen an drei Standorten in Äthiopien unter Verwendung eines Multi-Crop-Modells. Zusätzlich quantifizierten wir den Anteil verschiedener Unsicherheitsquellen an der Vorhersage von Ernteerträgen. Unsere Ergebnisse zeigen einen prognostizierten Rückgang der Kornerträge vonWeizen um 36 bis 40 % bis 2050, während die Auswirkungen auf Mais gering ausfielen. Ein erheblicher Teil der Unsicherheit in den prognostizierten Auswirkungen kann auf die Unterschiede in den Wachstumsmodellen der Pflanzen zurückgeführt werden. Wir stellten fest, dass die mit dem Pflanzenwachstumsmodell verbundene Unsicherheit größer ist als die der übrigen betrachteten Modellkomponenten. Anschließend erstellten wir eine hochauflösende Datenbank mit täglichen Projektionsdaten für Niederschlag und Temperatur, um die klimawandelbedingten Auswirkungen auf regionaler und lokaler Ebene modellieren zu können. Dafür verwendeten wir statistische Downscaling- Techniken auf der Grundlage modernster GCMs unter verschiedenen Emissionsszenarien, den so genannten Shared Socioeconomic Pathways (SSPs). Die ausgewerteten Ergebnisse zeigen, dass die Downscaling-Strategie den Bias zwischen den GCM-Ergebnissen und den Beobachtungsdaten erheblich reduziert und die Fehler in den Projektionen minimiert. Im dritten Schritt untersuchten wir die Stärke und die räumlichen Muster der Trends in den beobachteten und prognostizierten Klimaindizes auf der Grundlage herunterskalierter, hochauflösender täglicher Klimadaten. Sie können als Grundlage für künftige Folgenabschätzungen auf nationaler oder regionaler Ebene dienen. Unsere Ergebnisse zeigen weitgehend signifikante und räumlich konsistente Trends bei den von der Temperatur abgeleiteten Extremindizes, während die niederschlagsbezogenen Extremindizes in Bezug auf die räumliche Verteilung, die Größenordnung und die statistische Signifikanzabdeckung heterogen sind. Die projizierten Änderungen der temperaturbezogenen Indizes werden von den Unsicherheiten in den GCMs dominiert, gefolgt von den Unsicherheiten in den SSPs. Im Gegensatz zu den temperaturbezogenen Indizes macht die Unsicherheit in der internen Klimavariabilität einen beträchtlichen Teil der Gesamtunsicherheit in den projizierten Trends aus. Viertens untersuchten wir die Auswirkungen des Klimawandels auf die Erträge von Mais und Weizen auf regionaler Ebene durch Pflanzenmodellierung, wobei wir drei prozessbasierte Pflanzenmodelle kalibrierten und validierten, um das Design von nationalen Anpassungsstrategien in Äthiopien zu lenken. Unsere Analyse ergab, dass bei einem Szenario mit hohen Emissionen der mittlereWeizenertrag auf nationaler Ebene bis zum Ende des Jahrhunderts voraussichtlich um 4 % zurückgehen wird, während der Maisertrag voraussichtlich um 2,5 % steigen wird. Der CO2 Düngeeffekt würde die prognostizierten negativen Auswirkungen ausgleichen. Die Streuung der Pflanzenmodelle, gefolgt von den GCMs, wurde als größter Unsicherheitsfaktor der geschätzten Ertragsänderungen identifiziert. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass unsere Studie die Auswirkungen des Klimawandels in Äthiopien quantifiziert und die Bedeutung eines Multi-Modell-Ensemble-Ansatzes verdeutlicht. Sie zeigt die erheblichen Auswirkungen des Klimawandels auf die Weizenerträge in Äthiopien. Durch dieWeiterentwicklung und Verbesserung von Pflanzenmodellen könnte die Gesamtunsicherheit derprognostizierten Auswirkungen erheblichverringert werden

Adaptive operator systems in tractors : analysis of potentials and methods for specification and evaluation

Der Ackerschlepper wird in der Landwirtschaft, auf dem Bau, im Forst und im Kommunalbereich als Universalmaschine eingesetzt. Dazu wird er wechselnd mit einer Vielzahl von Maschinen gekoppelt, um diese zu betreiben. Es ergeben sich wechselnde Bedienszenarien mit unterschiedlichen Anforderungen an die Bedienung der gekoppelten Maschinen. Heutige Bediensysteme sind statisch und müssen daher als Kompromisslösung für diese unterschiedlichen Anforderungen an die Bedienung eingeordnet werden. Adaptive Bediensysteme können sich hingegen an wechselnde Bedienszenarien anpassen. Diese Arbeit beleuchtet den Stand der Technik der Bediensysteme in Ackerschleppern allgemein und explizit an drei ausgewählten Beispielen. Ferner werden zwei Methoden beschrieben, mit denen ein adaptives Bediensystem spezifiziert werden kann. Für die Bewertung der kognitiven und physischen Ergonomie von Bediensystemen allgemein werden zwei weitere Methoden vorgestellt. Alle Methoden sind für einen auf dem V-Modell basierenden Entwicklungsprozess geeignet. Die beschriebenen Ergebnisse einer theoretischen und praktischen Potentialanalyse motivieren den Einsatz adaptiver Bediensysteme im Ackerschlepper. Die theoretische Potentialanalyse stützt sich auf die Grundlagen der Ergonomie und auf die Art und Weise wie die Funktionen in einem Ackerschlepper genutzt werden. Die praktische Potentialanalyse stützt sich auf die Auswertung und Analyse von Messdaten aus dem Feld mit fast 500 Arbeitsstunden aus 14 Bedienszenarien. Ferner beschreibt diese Arbeit die Anwendung der Methoden zur Spezifikation, das entwickelte und funktionsfähige adaptive Bediensystem und die Anwendung der Bewertungsmethoden, die für das adaptive Bediensystem eine signifikante Verbesserungen der physischen und kognitiven Ergonomie zeigen

Adaptation of model organisms and environmental bacilli to glyphosate gives insight to species-specific peculiarities of the shikimate pathway

Glyphosate (GS), the active ingredient of the popular herbicide Roundup, inhibits the 5-enolpyruvyl shikimate-3-phosphate (EPSP) synthase of the shikimate pathway, which is present in archaea, bacteria, Apicomplexa, algae, fungi, and plants. In these organisms, the shikimate pathway is essential for de novo synthesis of aromatic amino acids, folates, quinones and other metabolites. Therefore, the GS-dependent inhibition of the EPSP synthase results in cell death. Previously, it has been observed that isolates of the soil bacteria Burkholderia anthina and Burkholderia cenocepacia are resistant to high amounts of GS. In the framework of this PhD thesis, it could be demonstrated that B. anthina isolates are not intrinsically resistant to GS. However, B. anthina rapidly adapts to the herbicide at the genome level and the characterization of GS-resistant suppressor mutants led to the discovery of a novel GS resistance mechanism. In B. anthina, the acquisition of loss-of-function mutations in the ppsR gene increases GS resistance. The ppsR gene encodes a regulator of the phosphoenolpyruvate (PEP) synthetase PpsA. In the absence of a functional PpsR protein, the bacteria synthesize more PEP, which competes with GS for binding in the active site of the EPSP synthase, increasing GS resistance. The EPSP synthase in B. anthina probably does not allow changes in the amino acid sequence as it is the case in other organisms. Indeed, the Gram-negative model organism Escherichia coli evolves GS resistance by the acquisition of mutations that either reduce the sensitivity of the EPSP synthase or increase the cellular concentration of the enzyme. Unlike E. coli, the EPSP synthase is also critical for the viability of Gram-positive model bacterium Bacillus subtilis. This observation is surprising because the enzyme belongs to the class of GS-insensitive EPSP synthases. In fact, the EPSP synthase is essential for growth of B. subtilis. The determination of the nutritional requirements allowing the growth of B. subtilis and E. coli mutants lacking EPSP synthase activity revealed that the demand for shikimate pathway intermediates is higher in the former organism. This finding explains why laboratory as well as environmental Bacilli exclusively adapt to GS by the mutational inactivation of glutamate transporter genes. Here, it was also shown that a B. subtilis mutant lacking EPSP synthase activity grows in minimal medium only when additional mutations accumulate in genes involved in the regulation of aerobic/anaerobic metabolism and central carbon metabolism. The characterization of these additional mutants will help to elucidate the peculiarities of the shikimate pathway in B. subtilis. Moreover, the mutants could be useful to identify the aromatic amino acid transporters that still await their discovery.Glyphosat (GS), der Wirkstoff der häufig verwendeten Herbizidformulierung Roundup, hemmt die 5-Enoylpyruvyl-Shikimat-3-Phosphat-(EPSP)-Synthase des Shikimat-Wegs, welcher in Archaen, Bakterien, Apicomplexa, Bakterien, Algen. Pilzen und Pflanzen vorkommt. In diesen Organismen ist der Shikimat-Weg für die de novo-Synthese der aromatischen Aminosäuren, Folaten, Chinonen und anderen Metaboliten unerlässlich. Es wurde bereits berichtet, dass Isolate der Bodenbakterien Burkholderia anthina und Burkholderia cenocepacia in Gegenwart hoher Mengen an GS wachsen können. Im Rahmen dieser Doktorarbeit konnte gezeigt werden, dass B. anthina-Isolate nicht intrinsisch resistent gegenüber GS sind. Allerdings passt sich B. anthina auf Genomebene schnell an das Herbizid an und die Charakterisierung von GS-resistenten Suppressormutanten führte zu der Entdeckung eines neuen GS-Resistenzmechanismus. Bei B. anthina erhöht die Inaktivierung des ppsR-Gens die Resistenz gegenüber GS. Das ppsR-Gen kodiert für einen Regulator der Phosphoenolpyruvat-(PEP)-Synthetase PpsA. In Abwesenheit eines funktionalen PpsR-Proteins synthetisieren die Bakterien mehr PEP, welches mit GS um Bindung an das aktive Zentrum der EPSP-Synthase konkurriert und somit die GS-Resistenz erhöht. Im Gegensatz zu anderen Organismen lässt die EPSP-Synthase von B. anthina wahrscheinlich keine Veränderungen der Aminosäuresequenz zu. Tatsächlich passt sich der Gram-negative Modellorganismus Escherichia coli durch die Anreicherung von Mutationen, die die Sensitivität der EPSP-Synthase verringern oder die zelluläre Konzentration des Enzyms erhöhen. Im Gegensatz zu E. coli ist die EPSP-Synthase für die Lebensfähigkeit des Gram-positiven Modellbakteriums Bacillus subtilis essenziell. Diese Beobachtung ist überraschend, da das Enzym zur Klasse der GS-unempfindlichen EPSP-Synthasen gehört. Die Bestimmung der Nährstoffansprüche, welche das Wachstum der B. subtilis und E. coli Mutanten ohne EPSP-Synthaseaktivität ermöglicht, ergab, dass der Bedarf an Zwischenprodukten des Shikimatwegs im erstgenannten Organismus höher ist. Dieser Befund könnte erklären, warum sich sowohl Labor- als auch Umweltisolate von Bacillus ausschließlich durch die Inaktivierung von Glutamat-Transporter-Genen an GS anpassen. Es konnte auch gezeigt werden, dass eine B. subtilis-Mutante ohne EPSP-Synthase Aktivität nur dann in Minimalmedium wächst, wenn sich weitere Mutationen in Genen anreichern, welche an der Regulation des aeroben/anaeroben. Stoffwechsels und des zentralen Kohlenstoff-Stoffwechsels involviert sind. Die Charakterisierung der zusätzlichen Mutanten wird dazu beitragen, die Besonderheiten des Shikimat-Wegs in B. subtilis aufklären zu können. Darüber hinaus werden die Mutanten nützlich sein, um die aromatischen Aminosäuretransporter zu identifizieren, welche auf ihre Entdeckung warten

Grape leaf metabolite markers for Plasmopara viticola resistance

Der Falsche Mehltau der Weinrebe ist eine der bedeutendsten Erkrankungen der europäischen Weinrebe Vitis vinifera LINNÉ subsp. vinifera. Er wird durch den obligat biotrophen Oomyceten Plasmopara viticola Berl. & De Toni hervorgerufen. Amerikanische Reben sind weitestgehend resistent gegen den Falschen Mehltau und könnten zum Schutz der anfälligen Reben auch gegen P. viticola beitragen. Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Metabolite profiling von Resistenzmarkern (RM) innerhalb der flüchtigen Sekundärmetabolite von anfälligen und resistenten Reben. Es wurden 10 Genotypen mit unterschiedlicher Resistenz gegen P. viticola analysiert. Es wurden 3 verschiedene Vitis Arten (V. vinifera, V. riparia, V. labrusca) und einige Hybridreben untersucht. Zunächst wurden die konstitutiven Marker von jeweils 3 Entwicklungsstadien (BBCH6, BBCH8 und BBCH9) ermittelt. Außerdem wurden induzierte Marker analysiert. Des Weiteren wurde der Zusammenhang zwischen der Blattposition und dem Auftreten von RM untersucht. Hierbei wurden mit den verwendeten Metabolomics-Methoden auch Marker für die Blattposition identifiziert. Für das Metabolite profiling wurden die Weinblätter mittels GC-MS analysiert und anschließend mit non-targeted und targeted Analysenmethoden ausgewertet. Es zeigte sich, dass das Entwicklungsstadium den stärksten Einfluss auf das Metabolitprofil hat und der Einfluss der Blattposition so gering ist, dass er vernachlässigt werden kann. Es konnten 41 konstitutive RM ermittelt werden. Die identifizierten Metabolite stammten aus den Stoffklassen der green leaf volatiles (GLV), Norisoprenoide, Benzoat-Derivate, Monoterpenoide, einem Furan und einem Sesquiterpen. GLV, Norisoprenoide, Benzoat-Derivate und 2-Ethylfuran lagen fast ausschließlich in den resistenten Genotypen in höherer Konzentration vor. Die Terpenoide lagen hauptsächlich in anfälligen Genotypen von V. vinifera in höherer Konzentration vor. Zudem wurden Monoterpenoide verstärkt im Entwicklungsstadium BBCH6 in signifikant höheren Konzentrationen in V. vinifera ermittelt. Wohingegen das Sesquiterpen α-Calacoren erst in den späteren Entwicklungsstadien in signifikant erhöhter Konzentration in V. vinifera ermittelt wurde. GLVs traten als RM in den resistenten Genotypen wie V. labrusca auf, hauptsächlich im Entwicklungsstadium BBCH9. Für die konstitutiven RM aus den Gruppen der Norisoprenoide, Benzoat-Derivate und Furan wurde keine Abhängigkeit des Entwicklungsstadiums beobachtet. Allerdings wurden drei weitere Metabolite als RM ermittelt, die eine starke Korrelation zum Entwicklungsstadium aufwiesen. Sie traten zunächst in BBCH6 in signifikant höheren Konzentrationen in V. vinifera und in BBCH9 in signifikant höheren Konzentrationen in V. labrusca auf. Diese RM mit wechselnder Korrelation waren die beiden Monoterpenoide Geranylaceton und Terpineol, sowie das GLV (Z)-3-Hexenal. Der Zusammenhang zwischen Auftreten der konstitutiven RM und Entwicklungsstadium ist bisher noch nicht beschrieben worden. Es ist eine neue Erkenntnis dieser Arbeit, dass Monoterpenoide als RM in Reben hauptsächlich in BBCH6 auftreten. GLV und Sesquiterpene wurden hauptsächlich in BBCH9 als RM ermittelt; wohingegen Norisoprenoide, Benzoat-Derivate und Furan zu allen getesteten Entwicklungsstadien als RM auftraten. Zudem traten Terpenoide artspezifisch häufiger in V. vinifera als konstitutive RM auf, wohingegen das Furan 2-Ethylfuran niemals in V. vinifera als RM in Erscheinung trat. Benzoat-Derivate und GLVs wurden am häufigsten in V. labrusca stämmigen Genotypen als RM detektiert. Norisoprenoide traten am häufigsten, aber nicht ausschließlich in V. riparia als RM in Erscheinung. Der Zusammenhang zwischen dem Auftreten von Norisoprenoiden als RM und der Artspezifität zu V. riparia ist eine neue Erkenntnis dieser Arbeit. Dennoch soll hier kurz erwähnt werden, dass diese Artspezifität sich ausschließlich auf die Eingruppierung als konstitutive RM bezieht. Monoterpene sind auch Bestandteil des Metabolitprofils von V. labrusca und Norisoprenoide sind wichtige Geschmacksträger in Qualitätsweinen. Es konnten 24 induzierte RM ermittelt werden. Dabei stellte sich heraus, dass die meisten induzierten RM in der pilzwiderstandsfähigen Züchtung Regent auftraten und nur 6 in der resistenten V. labrusca-stämmigen Hybride Blaue Isabella und in V. riparia. Für alle ermittelten RM wurde nach beschriebener Bioaktivität recherchiert. Für 2-Ethylfuran, einem Isomeren-Mix aus (Z)- und (E)-Ocimen sowie Cyclocitral wurde bereits eine inhibierende Wirkung auf P. viticola publiziert. 20 Verbindungen wurden hier zum 1. Mal mit einer Resistenzantwort auf eine P. viticola Infektion in Verbindung gebracht. Dabei handelt es sich um Theaspiran, (E)-Damascon, (E)-Damascenon, Dihydroedulan I, Megastigmatrienon, Sulcaton, Carvomenthenal A, Nonanol, (Z)-3-Hexenylacetat, p-Cymen, p-Cymol, Limonen, Alloocimen, Myrcen, Citronellol, Hotrienol, (Z)-Rosenoxid, Geraniumoxid und Calacoren.Downy mildew of grapevine is one of the most important diseases of the European grapevine Vitis vinifera LINNÉ supsp. vinifera. It is caused by the obligate biotrophic oomycete Plasmopara viticola Berl. & De Toni. American grapevines are largely resistant to downy mildew and may contribute in to the protection of susceptible vines against P. viticola. Therefore, this work deals with the metabolite profiling of resistance markers (RM) from volatile secondary metabolites of susceptible and resistant grapevines. 10 genotypes with different resistance to P. viticola were analysed. 3 different Vitis species (V. vinifera, V. riparia, V. labrusca) and some hybrid vines were analysed. The constitutive markers of 3 developmental stages (BBCH6, BBCH8, BBCH9) were determined. In addition, induced markers were analysed. Furthermore, the relationship between leaf position and the occurrence of RM was investigated. The used metabolomic methods were also applied to identify markers for leaf position. For metabolite profiling the grape leaves were analysed using GC-MS and were evaluated using non-targeted and targeted analytical methods. The comparison of the metabolite profiles showed that the developmental stage has the strongest influence on the metabolite profile and the influence of the leaf position is so small that it can be neglected. A total of 41 constitutive RMs were identified. The metabolites identified came from the substance classes of green leaf volatiles (GLV), norisoprenoids, benzoate derivatives, monoterpenoids, a furan and a sesquiterpene. It was elaborated, that GLV, norisoprenoids, benzoate derivatives and 2-ethylfuran were almost exclusively present in higher concentrations in resistant genotypes. Monoterpenoids and the sesquiterpene calacorene were mainly detected in higher concentrations in the susceptible genotypes of V. vinifera. Furthermore, it could be shown, that monoterpenoids were detected in significantly increased concentrations at the developmental stage BBCH6 in the susceptible V. vinifera. calacorene was never detected in BBCH6. It was only found in significantly increased concentrations in the later developmental stages of V. vinifera. GLVs are RM in the resistant genotypes such as V. labrusca and occur here exclusively at the later developmental stages, mainly at BBCH9. For the constitutive RMs from the classes of norisoprenoids, benzoate derivatives and furan, no dependence of the developmental stages and their occurrence was observed. 3 other metabolites were identified as RMs that showed a strong correlation with the developmental stage. They appeared initially in BBCH6 in significantly increased concentrations in susceptible V. vinifera, but in BBCH9 they showed significantly increased concentrations in the resistant V. labrusca genotypes. These RMs with changing correlation were geranyl acetone, terpineol, and (Z)-3-hexenal. The correlation between occurrence of the constitutive RMs and the developmental stages has not been described before. It is a new finding of this work that monoterpenoids occur as RMs in grapevines mainly at BBCH6 and GLV as well as sesquiterpenes were found as RMs mainly at BBCH9. Norisoprenoids, benzoate derivatives and furan occurred as RMs at all developmental stages tested. Furthermore, terpenoids occurred species-specifically more frequently in V. vinifera as constitutive RMs, whereas the furan 2-ethylfuran never appeared as a RM in V. vinifera. Benzoate derivatives and GLVs were most frequently detected as RMs in V. labrusca genotypes. Norisoprenoids appeared most frequently, but not exclusively, as RMs in V. riparia. The correlation between the occurrence of norisoprenoids as RMs and species specificity to V. riparia is a new finding of this work. Nevertheless, it should be briefly mentioned, that this species specificity refers exclusively to the classification as a constitutive RM. Monoterpenes are also part of the metabolite profile of V. labrusca as well as norisoprenoids are important flavour compounds in quality wines. 24 induced RMs were determined. Most of the induced RMs occurred in the fungus-resistant cultivar Regent and only six induced RMs in the resistant V. labrusca hybrid Blue Isabella and in V. riparia. For all RMs identified, it was searched for reports on bioactivity in publications. For 2-ethylfuran, an isomer mix of (Z)- and (E)-ocimene as well as cyclocitral, an inhibitory effect on P. viticola has already been published. Still, 20 compounds have been associated here for the first time with a resistance response to P. viticola infection. These are theaspirane, (E)-damascone, (E)-damascenone, dihydroedulan I, megastigmatrienone, sulcatone, carvomenthenal A, nonanol(Z)-3-hexenyl acetate, p-cymenene, p-cymene, limonene, alloocimene, myrcene, citronellol, hotrienol, (Z)-rose oxide, geranium oxide and calacorene

DIY insect flushing bar : concept and realisation in the InsectMow project

Kurzanleitung zum Bau der Insektenscheuche aus dem Projekt InsectMowQuick guide to building the insect flushing bar from the InsectMow projec

Screen for collusive behavior : a machine learning approach

The paper uses a machine learning technique to build up a screen for collusive behavior. Such tools can be applied by competition authorities but also by companies to screen the behavior of their suppliers. The method is applied to the German retail gasoline market to detect anomalous behavior in the price setting of the filling stations. Therefore, the algorithm identifies anomalies in the data-generating process. The results show that various anomalies can be detected with this method. These anomalies in the price setting behavior are then discussed with respect to their implications for the competitiveness of the market

The role of NLRC5 in obesity

Obesity and its associated morbidities are major global health problems. It has become evident in the last decades that the state of obesity is intimately linked with our immune system. Pattern recognition receptors (PRRs), the main sensor molecules of the innate immune system, were shown to play an essential role in the pathology of obesity and its associated morbidities. Among others, members of the nucleotide-binding and oligomerization domain (NOD) -like receptors (NLRs), a family of cytosolic PRRs, were associated with the obesity-accompanying low-grade inflammatory response contributing to obesity-associated morbidities. NLRC5 is a NLR protein functioning as key transcriptional regulator of major histocompatibility complex (MHC) class I genes responsible for antigen presentation. Recent observations now suggest novel roles of NLRC5 in metabolic trades, but so far, no confirmation of these singular observations is available, and the underlying mechanisms remain elusive. The aim of this thesis was to characterize the role of the NLR protein NLRC5 in obesity. To this end, two Nlrc5 deficient mouse lines (Nlrc5 deltaExon4-7 and Nlrc5 deltaExon4) were subjected to high-fat diet (HFD) feeding and phenotypic, morphological, and biochemical analyses were performed. Female Nlrc5 deltaExon4-7 mice presented with higher body and adipose tissue (AT) weight gain and larger adipocytes compared to wildtype (WT) animals. This phenotype, however, could not be recapitulated in the Nlrc5 deltaExon4 mouse line. Microbiome analysis revealed subtle alterations of the faecal microbiome by diet:genotype interactions. To further characterize the effect of NLRC5 deficiency on adipocyte differentiation, the CRISPR/Cas9 gene editing system was used to modify Nlrc5 expression in the 3T3-L1 preadipocyte cell line. Using inducible HeLa cell lines with stable GFP-NLRC5 expression we showed NLRC5 to interact with the master regulator of adipogenesis peroxisome proliferator-activated receptor y (PPARy) and to enhance the expression of PPARy target genes. In addition, a contribution of NLRC5 to PPARys anti-inflammatory actions was revealed using NLRC5 deficient THP-1 macrophage-like cells and bone marrow-derived macrophages from Nlrc5 deltaExon4-7 mice. To elucidate the mechanism behind the synergy between NLRC5 and PPARy, reporter gene and chromatin immunoprecipitation (ChIP) assays were performed. Lastly, the expression of multiple NLR family members was correlated with body mass index (BMI) in obese human patients and investigated in the adipose tissue and liver of HFD-fed mice, the latter revealing Nlrp10 to be highly upregulated by HFD feeding. Taken together, this thesis provides a comprehensive characterization of Nlrc5 deficient mice on HFD and reveals a function of NLRC5 as transcriptional co-regulator of PPARy targets and its anti-inflammatory properties. In addition, this work provides first insights into the potential mechanism behind the synergistic transcriptional regulation by NLRC5 and PPARy and extends the knowledge on the regulation of NLR expression by HFD feeding.Adipositas und die damit verbundenen Komorbiditäten sind ein großes globales Gesundheitsproblem. In den letzten Jahrzehnten wurde offensichtlich, dass der Zustand der Adipositas eng mit unserem Immunsystem zusammenhängt. Es wurde gezeigt, dass Mustererkennungsrezeptoren, die wichtigsten Sensormoleküle des angeborenen Immunsystems, eine wesentliche Rolle in der Pathologie der Adipositas und der damit verbundenen Morbiditäten spielen. Unter anderem wurden Mitglieder der Nucleotide-binding and oligomerization domain (NOD) -like Rezeptoren (NLRs), einer Familie zytosolischer Mustererkennungsrezeptoren, mit der mit Adipositas einhergehenden niedriggradigen Entzündungsreaktion assoziiert, die zu den mit Adipositas assoziierten Morbiditäten beiträgt. NLRC5 ist ein NLR Protein, das als Haupt-Transkriptionsregulator von Genen des Haupthistokompatibilitätskomplexes der Klasse I fungiert, welche für Antigenpräsentation verantwortlich sind. Neue Beobachtungen deuten darauf hin, dass NLRC5 eine bisher unbekannte Rolle im Stoffwechsel spielt, aber bisher gibt es keine Bestätigung dieser vereinzelten Beobachtungen, und die zugrundeliegenden Mechanismen sind noch unklar. Ziel dieser Arbeit war es, die Rolle des NLR Proteins NLRC5 bei Adipositas zu charakterisieren. Zu diesem Zweck wurden zwei Nlrc5 defiziente Mauslinien (Nlrc5 deltaExon4-7 und Nlrc5 deltaExon4) mit einer fettreichen Diät gefüttert und phänotypische, morphologische und biochemische Analysen durchgeführt. Weibliche Nlrc5 deltaExon4-7 Mäuse wiesen im Vergleich zu Wildtyp (WT) Tieren eine höhere Gewichtszunahme des Körpers und des Fettgewebes sowie größere Adipozyten auf. Dieser Phänotyp konnte jedoch in der Nlrc5 deltaExon4 Mauslinie nicht rekapituliert werden. Mikrobiomanalysen zeigten leichte Veränderungen des fäkalen Mikrobioms durch Wechselwirkungen zwischen Ernährung und Genotyp. Um die Auswirkungen des Fehlens von NLRC5 auf die Adipozytendifferenzierung näher zu charakterisieren, wurde das CRISPR/Cas9-Gen-Editing-System zur Modifikation der Nlrc5 Expression in der 3T3-L1 Präadipozytenzelllinie angewendet. Unter Verwendung induzierbarer HeLa Zelllinien mit stabiler GFP-NLRC5 Expression konnten wir zeigen, dass NLRC5 mit dem Hauptregulator der Adipogenese peroxisome proliferator-activated receptor y (PPARy) interagiert und die Expression von PPARy Zielgenen verstärkt. Darüber hinaus wurde ein Beitrag von NLRC5 zu der entzündungshemmenden Wirkung von PPARy mit Hilfe von NLRC5 defizienten Makrophagen-ähnlichen THP-1 Zellen und Makrophagen aus dem Knochenmark von Nlrc5 deltaExon4-7 Mäusen nachgewiesen. Um den Mechanismus hinter der Synergie zwischen NLRC5 und PPARy aufzuklären, wurden Reportergen- und Chromatin-Immunopräzipitationsversuche (ChIP) durchgeführt. Zuletzt wurde die Expression mehrerer Mitglieder der NLR Familie mit dem Body Mass Index (BMI) adipöser menschlichen Patienten korreliert und im Fettgewebe und in der Leber von mit fettreicher Diät gefütterten Mäusen untersucht, wobei sich bei Letzterem herausstellte, dass Nlrp10 durch die Fütterung mit fettreicher Diät stark hochreguliert wird. Zusammenfassend bietet diese Arbeit eine umfassende Charakterisierung des Einflusses einer fettreichen Diät auf Nlrc5 defiziente Mäuse und zeigt eine Funktion von NLRC5 als transkriptionellem Co-Regulator von PPARy Zielgenen und seinen entzündungshemmenden Eigenschaften. Darüber hinaus liefert diese Arbeit erste Einblicke in den möglichen Mechanismus hinter der synergistischen Transkriptionsregulation durch NLRC5 und PPARy und erweitert das Wissen über die Regulation der NLR Expression durch fettreiche Ernährung

Physiological mechanisms and growth responses of sweet potato subjected to salinity

For the development of salt-tolerant sweet potato varieties, either through breeding or biotechnology, an appropriate salinity screening tool is necessary for the identification of tolerant or sensitive genotype. Our overall objectives for this study were to develop a suitable, reliable and rapid salinity screening tool in view of salt tolerance mechanism in sweet potato under salinity. To better understand the tolerance mechanisms; leaf level ion uptake and distribution patterns by transpirational water loss and leaf level ROS scavenging antioxidant enzyme activities were evaluated under salinity. Additionally, different ion extraction methods were tested which will contribute to the development of reliable salinity screening tool in sweet potato genotypes. All the experiments were conducted in the greenhouse and VPD (vapor pressure deficit) chambers of the Hans-Rutenberg Institute of Tropical Agricultural Sciences, University of Hohenheim, Germany, in a hydroponic system. Twelve genotypes of sweet potato were collected from Bangladesh Agricultural Research Institute (BARI) and used to evaluate salt thresholds with salt tolerance mechanisms for a wide range of salinity levels (0, 50, 100, and 150 mM NaCl). First, genotypic thresholds were determined for 12 sweet potato genotypes exposed to salinity, whereupon it was found that 75 mM root zone salinity (NaCl) was the threshold for sweet potato. The genotypic threshold was estimated from the dry matter accumulation that began to decrease under the influence of salinity. It was found that genotypic thresholds were negatively linearly correlated with the difference between tissue K content at 75 mM NaCl and tissue K content at controlled salinity in the root zone. This information is very important for identifying the salt tolerant and sensitive genotype of sweet potato. Second, the uptake and distribution of Na, K, and Cl ions by transpiration, across different-aged leaves, were studied to better understand the mechanisms of salt tolerance in sweet potato. Two different sweet potato genotypes were subjected to salt stress of 0 and 50 mM NaCl in artificially dry (VPD 2.27 kPa) and humid (VPD 0.76 kPa) chambers. We found that cumulative water loss per unit leaf area was twice as high at a VPD of 2.27 kPa, but Na uptake remained the same. No relationship was observed between water loss from individual leaves and Na or Cl uptake. About 30% more Na was distributed in the petioles of salt tolerant genotype compared to leaf blades, while the opposite was observed in salt sensitive sweet potato genotype and VPD had no effect on Na distribution. Third, the activities of ROS scavenging antioxidant enzymes were evaluated with respect to different leaf age, in two different genotypes of sweet potato under 100 mM salinity. In general, antioxidant enzymes in sweet potato do not respond to salt stress but are altered by the effects of leaf position, leaf age, duration of stress, and genotype. No effect of Na on antioxidant enzyme activities was found under salt stress in sweet potato leaves. However, the significant positive correlation between K concentration and the level of SOD (super oxide dismutase) in older leaves suggests that SOD contributes to the maintenance of a high K concentration to protect photosynthetic activity. In summary, this study shows that sweet potato responds differently to salinity depending on the genotype, and that the threshold beyond which yield decreases is 75 mM NaCl. Genotypic threshold strongly linked to high tissue K content under increasing salinity that suggests a salt tolerance mechanisms in sweet potato. Salt-tolerant sweet potatoes distribute significant amounts of Na and K in their petioles. Young leaves of the tolerant genotype contain more K under salt stress. GR and positive relationship between K concentration and SOD in salt tolerant genotypes indicate some tolerance mechanisms. So, a screening tool is proposed for sweet potato based on the genotypic ability to maintain high tissue K levels under increasing salinity level.Für die Entwicklung salztoleranter Süßkartoffelsorten, sei es durch Züchtung oder Biotechnologie, ist ein geeignetes Salzgehalt-Screening-Instrument erforderlich, um tolerante oder empfindliche Genotypen zu identifizieren. Unsere übergeordneten Ziele für diese Studie waren die Entwicklung eines geeigneten, zuverlässigen und schnellen Screening-Tools für die Salztoleranz von Süßkartoffeln unter Salinität. Um die Toleranzmechanismen besser zu verstehen, wurden die Ionenaufnahme und die Verteilungsmuster auf Blattebene durch den transpiratorischen Wasserverlust sowie die Aktivitäten der antioxidativen ROS-Fängerenzyme auf Blattebene unter Salzbelastung bewertet. Darüber hinaus wurden verschiedene Methoden zur Ionenextraktion getestet, die zur Entwicklung eines zuverlässigen Screening-Tools für den Salzgehalt von Süßkartoffel-Genotypen beitragen werden. Alle Versuche wurden im Gewächshaus und in VPD-Kammern (Vapor Pressure Deficit) des Hans-Rutenberg-Instituts für Tropische Agrarwissenschaften der Universität Hohenheim in einem Hydrokultursystem durchgeführt. Zwölf Genotypen von Süßkartoffeln wurden vom Bangladesh Agricultural Research Institute (BARI) gesammelt und zur Bewertung von Salzschwellenwerten mit Salztoleranzmechanismen für eine breite Palette von Salzgehalten (0, 50, 100 und 150 mM NaCl) verwendet. Zunächst wurden die genotypischen Schwellenwerte für 12 Süßkartoffelgenotypen bestimmt, die dem Salzgehalt ausgesetzt waren, wobei sich herausstellte, dass 75 mM Wurzelzonensalzgehalt (NaCl) der Schwellenwert für Süßkartoffeln war. Der genotypische Schwellenwert wurde anhand der Trockenmasseakkumulation geschätzt, die unter dem Einfluss der Versalzung zu sinken begann. Es wurde festgestellt, dass die genotypischen Schwellenwerte negativ linear mit der Differenz zwischen dem Gewebe-K-Gehalt bei 75 mM NaCl und dem Gewebe-K-Gehalt bei kontrolliertem Salzgehalt in der Wurzelzone korreliert waren. Diese Information ist sehr wichtig für die Identifizierung des salztoleranten und -empfindlichen Genotyps der Süßkartoffel. Zweitens wurde die Aufnahme und Verteilung von Na-, K- und Cl-Ionen durch Transpiration über Blätter unterschiedlichen Alters untersucht, um die Mechanismen der Salztoleranz bei Süßkartoffeln besser zu verstehen. Zwei verschiedene Süßkartoffel-Genotypen wurden in künstlich trockenen (VPD 2,27 kPa) und feuchten (VPD 0,76 kPa) Kammern einer Salzbelastung von 0 und 50 mM NaCl ausgesetzt. Wir stellten fest, dass der kumulative Wasserverlust pro Blattflächeneinheit bei einem VPD von 2,27 kPa doppelt so hoch war, die Na-Aufnahme jedoch gleich blieb. Es wurde kein Zusammenhang zwischen dem Wasserverlust einzelner Blätter und der Na- oder Cl-Aufnahme festgestellt. Etwa 30 % mehr Na wurde in den Blattstielen des salztoleranten Genotyps im Vergleich zu den Blattspreiten verteilt, während beim salzempfindlichen Süßkartoffel-Genotyp das Gegenteil beobachtet wurde und die VPD keinen Einfluss auf die Na-Verteilung hatte. Drittens wurden die Aktivitäten der ROS-fangenden antioxidativen Enzyme bei zwei verschiedenen Genotypen von Süßkartoffeln unter 100 mM Salzgehalt in Abhängigkeit vom Blattalter bewertet. Im Allgemeinen reagieren die antioxidativen Enzyme der Süßkartoffel nicht auf Salzstress, sondern werden durch die Auswirkungen der Blattposition, des Blattalters, der Dauer des Stresses und des Genotyps verändert. Bei Süßkartoffelblättern wurde unter Salzstress keine Auswirkung von Na auf die Aktivitäten antioxidativer Enzyme festgestellt. Die signifikante positive Korrelation zwischen der K-Konzentration und dem Gehalt an SOD (Superoxiddismutase) in älteren Blättern deutet jedoch darauf hin, dass SOD zur Aufrechterhaltung einer hohen K-Konzentration zum Schutz der photosynthetischen Aktivität beiträgt. Zusammenfassend zeigt diese Studie, dass die Süßkartoffel je nach Genotyp unterschiedlich auf den Salzgehalt reagiert und dass der Schwellenwert, ab dem der Ertrag sinkt, bei 75 mM NaCl liegt. Der genotypische Schwellenwert steht in engem Zusammenhang mit einem hohen K-Gehalt im Gewebe bei zunehmendem Salzgehalt, was auf einen Salztoleranzmechanismus bei Süßkartoffeln schließen lässt. Salztolerante Süßkartoffeln verteilen erhebliche Mengen an Na und K in ihren Blattstielen. Junge Blätter des toleranten Genotyps enthalten unter Salzstress mehr K. GR und die positive Beziehung zwischen der K-Konzentration und der SOD in salztoleranten Genotypen deuten auf einige Toleranzmechanismen hin. Es wird also ein Screening-Instrument für Süßkartoffeln vorgeschlagen, das auf der Fähigkeit des Genotyps beruht, einen hohen K-Gehalt im Gewebe bei steigendem Salzgehalt aufrechtzuerhalten