Multitrophic interactions in oak

Several studies, including the present dissertation, have illustrated the ecological importance of trophic interactions between species. Centred on a plants point of view, this includes defense responses, nutrient supply supported by symbionts and decomposers, as well as interacting effects linking different kinds of interaction. Due to the complexity of natural habitats, a suitable way for studying trophic interactions in a multi-factorial way was of urgent need. The second chapter is devoted to the construction of a reliable reference data base for large scale gene expression analysis. The OakContigDF159.1 provides a reliable reference to study gene expression patterns, e.g. triggered by different trophic or multitrophic interactions. In order to provide a reliable reference which covers the largest possible number of gene transcripts, we treated micropropagated cuttings of the pedunculate oak (Quercus robur) with seven different interacting species plus control treatment. These microcuttings had to cope with an ectomycorrhizal fungus (Piloderma croceum), a leaf herbivore (Lymantria dispar), a Collembolan species (Protaphorura armata), a leaf pathogen (Microsphaera alphitoides), a root feeding nematode (Pratylenchus penetrans), a root pathogen (Phytophthora quercina) and a mycorrhiza helper bacterium (Streptomyces AcH 505) in experiments under controlled laboratory conditions. After an initial normalisation of RNA templates, sequencing using the two architectures, 454 pyrosequencing and Illumina sequencing took place. Further, we used the Mimicking Intelligent Read Assembly (MIRA) and the Trinity assembler, to construct the OakContigDF159.1 hybrid assembly, containing 65,712 contigs with a mean length of 1003 bp. Illumina constructed cDNA libraries were used to examine gene expression induced by mycorrhiza formation. After aligning the cDNA libraries of fine roots against the reference, reads were quantified by RSEM, differences in gene expression was measured in R, revealing 3018 differentially expressed contigs, of which 1399 were up-regulated and 1619 down-regulated in oak EMs with P .croceum. Our data support and confirm the view that gene families are precisely regulated to adjust the plants metabolism to mycorrhizal symbiosis, rather than by expression of symbiosis-specific genes. Furthermore, our findings of e.g. down-regulated chitinases confirmes that defense-related genes are attenuated in mature mycorrizal symbiosis. taking account to the mycorrhizal symbiosis, the expression of a SWEET1 glucose transporter could indicate a direct export of hexose into the plant apoplast to support the fungus and may suggest the existence of a complementary sugar exchange mechanism in mycorrhizal symbiosis in oak. As mycorrhizal fungi and herbivores interactively influence the growth, resource utilization, and defense of plants, the third chapter shall provide a deeper insight in actual gene expression changes and metabolic adjustments of oak facing herbivory in a system including mycorrhizal fungi. Again, microcuttings of the Quercus robur clone DF159 served as a experimental platform for a full factorial experiment. In order to examine the separate and combined effects of a mycorrhizal fungus and a leaf chewing caterpillar on oak, I analysed changes in gene expression and nutrient allocation patterns on a total of 71 13C and 15N labelled microcuttings, of which 35 were in root flush and 36 in shoot flush. First, I extracted total RNA templates of pooled samples which were further used to produce 100-bp paired-end libraries and sequenced using an Illumina HiSeq 2000. After alignment against the reference transcriptome OakContigDF159.1, significance of differences in gene expression was measured via pairwise comparisons between contigs of control vs. herbivory, control vs. inoculation with P. croceum, control vs. inoculation/herbivory, separately for plants in root flush and for plants in shoot flush. Furthermore, I analysed changes in nutrient incorporation using calculated differences of 13C and 15N excess over unlabelled control plants. Significance of effects was tested using a three-way ANOVA. I found an increased expression of genes related to compensatory growth and direct defense in oaks in root flush, an effect that was attenuated in presence of P. croceum. Further was the expression of genes related to the production of VOC increased in oak inoculated with P. croceum and exposed to L. dispar. I found diverse effects of the growth stage, inoculation and herbivory on the incorporation of nutrients. Additionally I found, on the one hand an increased incorporation of 13C and 15N in sink leaves of oaks exposed to herbivory, on the other hand the incorporation of 13C decreased in source leaves of oaks in shoot flush and exposed to herbivory. In stems, the incorporation of both, 13C and 15N was decreased in oak exposed to herbivory, an effect that was reversed in inoculated oak exposed to herbivory. Taken together, these findings indicate that oaks may switches from direct herbivore defense mechanism, including compensatory growth, during root flush to the indirect defense mechanism of producing chemicals attractive to natural enemies of herbivores when the plant benefits from pre-mycorrhizal effects. The experiment described in the fourth chapter was designed to investigate above-ground and below-ground interaction of herbivory, collembola and mycorrhization. I used a four-factorial system comprising seedlings of Quercus robur, Lymantria dispar, Protaphorura armata and Piloderma croceum. Under controlled laboratory conditions I applied a 13C and 15N labelling prior to the feeding experiment with the leaf chewing caterpillars. I found strong pre-mycorrhizal effects, reflecting an increased root and shoot biomass but also an increased incorporation of currently assimilated carbon into the root system. The results showed further, that oaks indeed respond sensitively to the studied biological interactions, including changes in morphology, C and N concentrations and nutrient and carbon allocation to different plant fractions. I didn’t found evidence for hyphal consumtion of P. aramta and no negative effects of collembola presence on performance of oak inoculated with a mycorrhizal fungus. Furthermore, I found none of the expected interactive effects of above-ground herbivory and below-ground collembolan activity. However, this study suggests a strong compensatory growth reaction of oak seedlings after exposure to leaf chewing caterpillars with a soothing effect of P. croceum on this reaction.Mit der vorliegenden Dissertation konnte ich die Bedeutung von trophischen Interaktion, als Wechselwirkung zwischen Arten darstellen. Betrachtet man dies von der Seite der Pflanzen aus, zeigen sich sowohl Effekte wie Verteidigungsreaktionen, Änderungen in der Nährstoffverteilung innerhalb der Pflanze als auch interagierende Effekte. Die Komplexität natürlicher Habitate hat es bisher sehr schwierig gemacht solche Interaktionen zu untersuchen. Die Möglichkeit ein komplexes System ins Labor zu bringen und Untersuchungen unter kontrollierten Bedingungen mit mehreren Faktoren durchführen zu können, stellt einen großen Vorteil dar und soll im Folgenden näher beleuchtet werden. Das erste Kapitel dieser Dissertation ist einer allgemeinen Einleitung in das Thema gewidmet. Im zweiten Kapitel stelle ich das experimentelle System näher vor. Des Weiteren beschreibe ich die Konstruktion der verlässlichen Referenzdatenbank OakContigDF159.1, welche das Studium von Genexpression auf Gesamttranskriptom-Ebene ermöglicht. Damit das Referenztranskriptom eine möglichst hohe Anzahl an Transkripten aus dem Genom der Stieleiche (Quercus robur) beinhaltet, behandelten wir microcuttings der Stieleiche mit insgesamt sieben Arten, welche jeweils eine andere Form der trophischen Interaktion mit der Eiche eingehen. Zusätzlich einer Kontrolle wurden die microcuttings Piloderma croceum, Lymantria dispar, Protaphorura armata, Microsphaera alphitoides, Pratylenchus penetrans, Phytophthora quercina and Streptomyces AcH 505 ausgesetzt. Normalisierung und anschließende Sequenzierung mittels Illumina und 454 Pyro-Sequenzierung resultierten, nach Nachbereitung mit MIRA und Trinity assembler, in der OakContigDF159.1 Datenbank. Im dritten Kapitel untersuche ich mit Hilfe der Referenzdatenbank OakContigDF159.1 differenzielle Genexpression, sowie Änderungen in der Nährstoffverteilung. Hierzu habe ich ein multifaktorielles Experiment mit Piloderma croceum und Lymantria dispar durchgeführt. Die Versuchspflanzen wurden im Vorfeld mit den stabilen Isotopen 13C und 15N markiert, um nach der Ernte den Isotopen-Überschuss mit einer unmarkierten Kontrolle zu vergleichen und mittels einer 3-faktoriellen ANOVA zu analysieren. Zusätzlich wurde die Gesamt-RNA extrahiert und mittels Illumina sequenziert. Die enhaltenen cDNA-Bibliotheken habe ich an die Referenzdatenbank angepasst und erhielt so 35 Transcriptome welche ich weiterhin zur paarweisen Berechnung von differentieller Genexpression verwendete. Pflanzen die mit dem Mykorrhizapilz Piloderma croceum inokuliert waren, zeigten starke prämykorrhizale Effekte, welche sich z.B. in einer Erhöhung der Biomasse zeigten. Herbivorie verursachte von Genen die mit kompensatorischem Wachstum in Verbindung stehen, sowie eine verstärkte Expression von Primär-Verteidigungs Genen. Dieser Effekt wurde durch inokulierung mit P. croceum abgeschwächt. Die Expressionsdaten ließen zudem bei inokulierten und befressenen Eichen auf eine erhöhte produktion von volativen organischen Substanzen schließen, die der Attraktion von Fraßfeinden der Herbivoren dienen. Zusätzlich zeigte sich bei Pflanzen mit Herbivorenfraß eine erhöhte Aufnahme von 13C and 15N in junge Blätter, wohingegen sich die Aufnahme von 13C in reife Blätter durch Herbivory verringert zeigte. Auf diesen Ergebnissen folgerte ich, dass eine Interaktion mit einem Ekto-Mykorrhiza Pilz, selbst in einem frühen Stadium der Symbiose, deutliche Effekte auf das Abwehrverhalten einer Pflanze haben kann. Hier wurde die heftige Abwehrreaktion, inkl. kompensatorischen Wachstums, durch den Pilz abgeschwächt und sogar verlagert auf Mechanismen der sekundären Abwehr. Die Gegenwart des Pilzes scheint eine “beruhigende“ Wirkung auf die Pflanze auszuüben. Das vierte Kapitel ist der genaueren Untersuchung der ober- und unterirdischen Wechselwirkungen der verschieden trophischen Partner gewidmet. Hierzu führte ich ein multifaktorielles Experiment mit den trophischen Partnern Piloderma croceum, Lymantria dispar und Protaphorura armata durch. Auch hier fand ich starke prä-mykorrhizale Effekte, sich die in einer Erhöhung der Biomasse, analog zu einer erhöhten Einlagerung von 13C and 15N in P. croceum inokulierten Eichen zeigten. Weiterhin zeigte sich eine Erhöhung der Biomasse bei Eichen die L. dispar ausgesetzt waren. Obwohl ich keine Anzeichen für eine Interaktion der ober- und unterirdischen Interaktoren der Eiche fand, hatten alle Faktoren einzeln betrachtet deutlichen Einfluss auf die Nährstoffverteilung. Ich konnte keine Hinweise von Hyphenfraß durch Collembolen finden, ebenso konnte ich keine negativen Effekte der Collembolenpopulation auf inokulierte Eichen feststellen. Im Gegenteil zeigte sich eine erhöhte Nährstoffaufnahme, was ich als Hinweis auf gesteigerte Nährstoffmineralisierung durch die Collembolen deutete

Horizontaltragfähigkeit von Wänden aus Leichtbeton-Schalungssteinen - Experimente und numerische Modellierung

Eigene experimentellen Untersuchungen wurden auf Basis eines Schalungssteins aus haufwerksporigem Leichtbeton durchgefüht. Die experimentellen Ergebnisse wurden in einem numerischen Modell weitergehend untersucht. Die experimentellen und numerischen Untersuchungen führten schließlich zur Entwicklung eines praxistauglichen Bemessungskonzeptes für Aussteifungswände aus Schalungssteinen

Horizontaltragfähigkeit von Wänden aus Leichtbeton-Schalungssteinen - Experimente und numerische Modellierung

Diese Arbeit befasst sich mit der experimentellen, statisch-zyklischen Untersuchung von Großversuchen an Wänden aus Schalungssteinen in Scheibenrichtung. Darauf aufbauend werden nichtlineare Finite Elemente Modelle entwickelt und mithilfe der umfangreichen Versuchsdaten verifiziert, wodurch abschließend durch eine Parameterstudie ein semi-empirisches Bemessungskonzept für Schalungssteinwände entwickelt werden konnte

Influence Of HF2V Damping Devices On The Performance Of The SAC3 Building Subjected To The SAC Ground Motion Suites

Recent advances in energy dissipation for structural systems can create structural connections that undergo zero sacrificial energy absorbing damage, even at extreme story drifts. However, questions exist around the ability of such structures to re-center after a major event. In this paper, the seismic performance of the as-designed SAC LA3 seismic frame with rigid moment connections at the beam ends is compared with the same frame using semi-rigid connections with high force-to-volume (HF2V) lead dissipators. Non-linear dynamic analysis is preformed using Abaqus™. With respect to re-centering, the presence of the gravity frames in the model is also considered. It was found that the placement of dissipators, ignoring the effect of gravity frames, caused a 12% increase in period due to the decreased stiffness of the connections. During design level ground shaking the semi-rigid connections with HF2V dissipators have slightly lower accelerations, up to an 80% increase in peak drift, and a 200% increase in the permanent displacement compared to the as-designed case, but no structural damage is expected. When gravity frames are considered, the floor accelerations decrease further, the peak displacements do not significantly change, but the residual storey drift ratios reduce to approximately 0.17%. This result is less than one half that of the as-designed frame, where typically gravity frame effects are not considered. The addition of braces with a stiffness 20% of the pushover stiffness ensures that the structures can re-center after any given event to within construction error. The realistic non-linear dynamic analyses combining HF2V lead dissipators with gravity frames and well-designed non-structural elements creates a system with almost no structural damage and low residual displacements

Horizontaltragfähigkeit von Wänden aus Leichtbeton-Schalungssteinen - Experimente und numerische Modellierung

This work deals with the experimental , static - cyclic testing of large-scale tests on walls made from hollow blocks. Based on this non-linear finite element models are developed and verified using the extensive experimental data ,whereby a semi - empirical design concept could finally be derived for hollow concrete masonry walls by a parametric study