Heterologe Expression pflanzlicher Katalasen unterschiedlicher Lichtempfindlichkeit und Vergleich ihrer funktionellen und strukturellen Eigenschaften

Das peroxsimale Enzym Katalase wird durch Blaulichtabsorption der prosthetischen Häm- Gruppe im sichtbaren Licht und in Anwesenheit von Sauerstoff in vitro und in vivo inaktiviert. Unter physiologischen Bedingungen wird das inaktivierte Enzym in vivo durch Neusynthese ersetzt. Ist der Proteinbiosyntheseapparat jedoch durch zusätzliche Stressoren wie z. B. Kälte gehemmt, kommt es zu einem Verlust von Katalaseaktivität im Blatt. Alpenpflanzen sind an ihrem natürlichen Standort sowohl hohen Lichtintensitäten, als auch niedrigen Temperaturen ausgesetzt. Streb et al. (1997) identifizierten in Blättern der Alpenpflanze Homogyne alpina eine lichtstabile Katalase. Nach Isolierung von Katalase-cDNAs der Alpenpflanzen Soldanella alpina und Homogyne alpina, sowie der Flachlandpflanze Secale cereale (durchgeführt und zu Verfügung gestellt von M. Schmidt, Universität Frankfurt) sollten diese heterolog exprimiert und auf Lichtstabilität untersucht werden. In Hefen gelang es jedoch nicht, pflanzliche Katalasen funktionell zu exprimieren. Daher wurde die heterologe Katalase-Expression im Baculovirussystem durchgeführt. Nach Infektion von Spodoptera frugiperda Insektenzellen mit rekombinantem Baculovirus, der die jeweilige Katalase-cDNA-Sequenz enthielt, gelang es, aktive pflanzliche Katalasen zu extrahieren. Die rekombinanten Katalasen von Soldanella alpina und Secale cereale waren, ebenso wie die aus Blättern gereinigten Enzyme, lichtsensibel. Die rekombinante Katalase der Alpenpflanze Homogyne alpina war dagegen lichtstabil. Die Ermittlung der Michaelis- Menten-Kinetiken, der peroxidatischen Aktivitäten und der Empfindlichkeit gegen Inhibitoren der lichtsensiblen und lichtstabilen Katalasen ergaben, dass sich die Katalasen in ihren katalytischen Eigenschaften nicht wesentlich voneinander unterschieden. Lediglich die spezifische Aktivität der rekombinanten lichtstabilen Katalase von Homogyne alpina war signifikant herabgesetzt. Ein Vergleich der abgeleiteten Aminosäuresequenz der Katalase von Homogyne alpina mit Katalasesequenzen anderer mono- und dikotyler Pflanzen und Rinderleberkatalase zeigte sechs auffällige Aminosäuresubstitutionen in stark konservierten Bereichen: Val124Thr, Leu135Ile, Leu189Trp, Gly206Ser, His225Thr und Lys291Met. An einer computergestützten Darstellung des Modells einer 3dimensionalen Katalaseuntereinheit der lichtstabilen Katalaseuntereinheit von Homogyne alpina ist zu sehen, dass die auffälligen Aminosäuresubstitutionen in einer Region am Eingang eines seitlichen Kanals, der zum Reaktionszentrum führt, lokalisiert sind. Diese Region repräsentiert bei tierischen Katalasen eine NADPH-Bindungsstelle. NADPH schützt Rinderleberkatalase, im Gegensatz zu den rekombinanten pflanzlichen Katalasen von Secale cereale und Homogyne alpina, komplett vor der Inaktivierung durch Superoxid und partiell vor Starklichtinaktivierung. Der NADPH-vermittelte Schutz der Rinderleberkatalase ist auf eine spezifische NADPH-Bindung zurückzuführen. Die in dieser Arbeit untersuchten Katalasen von Secale cereale und Homogyne alpina binden NADPH nicht. Die aus Blättern isolierte lichtsensible Katalase von Secale cereale wird durch Superoxid nicht inaktiviert, die rekombinante lichtstabile Katalase von Homogyne alpina dagegen schon. Daher liegt der oxidativen Photoinaktivierung ein anderer Mechanismus zu Grunde, als der Superoxid-vermittelten Katalaseinaktivierung. Die Aminosäuresequenz von CATA3 von Helianthus annuus zeigte die gleichen auffälligen Aminosäuresubstitutionen wie CAT-1 von Homogyne alpina. Heterologe Expression von CATA3 mit anschließender Lichtinkubation ergab, dass CATA3, ebenso wie CAT-1 von Homogyne alpina, lichtstabil ist. In Blättern von Helianthus annuus sind Katalasen mit erhöhter Lichtstabilität als semikristalline Einschlüsse, sogenannten Cores, organisiert. Transmissionselektronenmikroskopische Aufnahmen zeigten, dass in den Peroxisomen von Homogyne alpina-Blättern ebenfalls Cores vorhanden sind. Während der Lichtinaktivierung von Katalasen soll die Oxidation von Histidinresten ausgelöst werden. Daher ist die bei den lichtstabilen Katalasen vorkommende Aminosäuresubstitution von His zu Thr (Pos. 225) in einer bei eukaryotischen Katalasen konservierten Region besonders auffällig. Deshalb wurde bei der lichtsensiblen Katalase von Soldanella alpina durch in vitro Mutagenese das His225 durch ein Thr ersetzt. Die mutagenisierte Katalase von Soldanella alpina war noch lichtempfindlicher, als das nichtmutagenisierte rekombinante Emzym. Dieses Ergebnis zeigt, dass die Region um das His225 eine wichtige Rolle für die Lichtstabilität bzw. –empfindlichkeit von pflanzlichen Katalasen einzunehmen scheint; die His225Thr Substitution ist allerdings nicht alleine für die Lichtstabilität ausreichend

Prognosis of future groundwater recharge in the Federal State of Lower Saxony (Germany) under changed climate conditions

KEY WORDS groundwater recharge, climate changeABSTRACTAccording to current climate projections, the Federal State of Lower Saxony, Germany is at risk for changes in the hydrological budget. These changes are expected to have direct impacts on the long-term water availability for e.g. agricultural productivity and drinking water supply. In the southeastern part for instance agricultural production is only possible by means of field irrigation using groundwater, especially during dry summers. It can be foreseen that the future management of water resources has to consider appropriate adaptation measures in order to feed the water demand of the different sectors. The main target of a research project carried out jointly with LBEG is the prognosis of the possible impact of climate change on groundwater availability and irrigation needs in Lower Saxony. For this purpose, the water balance model GROWA has been enhanced to the mGROWA-model (Herrmann et al., 2013) which is able to simulate runoff components (e.g. groundwater recharge) in daily time-steps and with high spatial resolution (100 m grid). The mGROWA-model will be briefly introduced and its application to Lower Saxony will be presented. The first simulation performed based on climate data from the past (1971-2000). Special attention will be paid to the simulated temporal variable water content in the root zone and thus to percolation water fluxes and irrigation needs. Finally, the future groundwater recharge (until 2100) is forecasted using climate data of the RCM WETTREG (2010). References:Herrmann, F., Chen, S., Heidt, S., Elbracht, J., Engel, N., Kunkel, R., Müller, U., Röhm, H., Wendland, F. (2013): Zeitlich und räumlich hochaufgelöste flächendifferenzierte Simulation des Landschaftswasserhaushalts in Niedersachsen mit dem Model mGROWA. Hydrologie und Wasserbewirtschaftung (submitted for publication)

Neuropsychological functioning in inpatients with major depression or schizophrenia

Background: Studies that compare neuropsychological functioning in inpatients with mood disorder or schizophrenia come to heterogeneous results. This study aims at investigating the question whether there are different neuropsychological test profiles in stabilised post-acute inpatients with affective disorders or schizophrenia. Method: We were interested in evaluating impairment in specific areas of cognitive functioning in patients with schizophrenia or depression. In clinical reality, patients with depression and schizophrenia are often treated together with little attention to their specific needs. 74 patients with major depression and 38 patients with schizophrenia were assessed in a comprehensive neuropsychological battery. All patients were in a post-acute stage of their illness, i.e. remission of acute symptoms. Results: In spite of a comparable mean score of psychopathological symptoms in the Brief Psychiatric Rating Scale-Expanded (BPRS-E) as well as in the Global Assessment Functioning Scale (GAF), patients with depressive disorder showed significantly better results in verbal and visual short-term memory, verbal fluency, visual-motor coordination, information processing in visual-verbal functioning and selective attention compared to patients with schizophrenia. No significant differences between both samples were found in practical reasoning, general verbal abstraction, spatial-figural functioning, speed of cognitive processing. Conclusions: These results show that there are differences in scores in psychopathology (BPRS-E, GAF) in patients with affective disorders or schizophrenia and different neuropsychological test profiles in the post-acute stage of their illness

Bodenwissen im Handumdrehen – Spielerisch zum Bodenbewusstsein

Das Wissen und die Wahrnehmung auf funktionsfähige Böden existentiell an-gewiesen zu sein, sind in der Öffentlichkeit und der Politik nach wie vor sehr gering ausgeprägt. Nur wenn es uns zu- künftig besser gelingt, den Wert des Bodens als schützenswertes und gemeinschaftliches Gut überzeugend und anschaulich zu vermitteln, werden wir eine Änderung im positiven Sinne bewirken können. Ein Weg um das Bewusstsein für die wertvolle Ressource Boden in der Öffentlichkeit zu verbessern, ist die Bildungsarbeit im KITA- und Vorschulbereich. Hier setzt das Memory-Spiel „Bodenwissen im Handumdrehen“ an. Es vermittelt auf spielerische Weise Wissenswertes, Spannendes und Interessantes über die Gefährdungen, die Entstehung und die Schönheit von Böden. Darüber hinaus schafft es Anreize, sich stärker für den Boden zu interessieren und weckt Neugier für das Thema. In dem achtseitigen Begleitheft werden in prägnanten und leicht verständlichen Sätzen die Inhalte und Kernbotschaften zu den Abbildungen sowie zur Bedeutung von Böden beschrieben. Zielgruppe sind insbesondere Kinder im Vorschul- und Grund-schulalter. Der Beitrag beschreibt die Konzeption und Umsetzung des Spiels und legt den Fokus auf die Beantwortung folgender Fragen: Wie ist das Spiel ein Jahr nach seiner Veröffentlichung aufgenommen worden? Hat es die Zielgruppen erreicht? Welche wichtigen Erfahrungen und Anregungen können für weitere Arbeiten zur Vermittlung des Bodenbewusstseins gegeben werden

Schutzwürdige Böden in Niedersachsen – Die neue landesweite Gebietskulisse

Der Schutz des Bodens insbesondere der Schutz seiner Funktionen ist gesetzlich festgeschrieben. Alle unversiegelten Böden erfüllen Funktionen und sind demnach gemäß BBodSchG schützenswert. In Pla-nungs- und Bauvorhaben ist dieser Ansatz nicht zielführend, da hier Bautätigkeiten nur allgemein negativ bewertet werden, ohne die Bodendiversität zu berücksichtigen. Um eine Grundlage für die Planung zu schaffen wurde daher eine Kulisse mit den beson-ders schutzwürdigen Böden erarbeitet. Da-bei werden die natürlichen Bodenfunktio-nen und die Funktion als Archiv der Natur- und Kulturgeschichte gemäß § 2 Abs. 2 Nr. 1 und 2 BBodSchG als besonders wichtig eingestuft. Die Kulisse für Niedersachsen umfasst: • Böden mit hoher Lebensraumfunk-tion • Böden mit besonderen Standortbe-dingungen • Böden mit besonders ausgeprägter Archivfunktion: o Böden mit hoher naturgeschicht-licher Bedeutung o Böden mit hoher kulturgeschicht-licher Bedeutung • seltene Böden • repräsentative Böden Im Rahmen von Planungs- und Zulas-sungsverfahren der Raumordnung und Bauleitplanung sollen die räumlich ausge-wiesenen besonders schutzwürdigen Bö-den regelmäßig im Abwägungsprozess be-rücksichtigt werden