The Loci of Evolution: How Predictable is Genetic Evolution?

Is genetic evolution predictable? Evolutionary developmental biologists have argued that, at least for morphological traits, the answer is a resounding yes. Most mutations causing morphological variation are expected to reside in the cis-regulatory, rather than the coding, regions of developmental genes. This “cis-regulatory hypothesis” has recently come under attack. In this review, we first describe and critique the arguments that have been proposed in support of the cis-regulatory hypothesis. We then test the empirical support for the cis-regulatory hypothesis with a comprehensive survey of mutations responsible for phenotypic evolution in multicellular organisms. Cis-regulatory mutations currently represent approximately 22% of 331 identified genetic changes although the number of cis-regulatory changes published annually is rapidly increasing. Above the species level, cis-regulatory mutations altering morphology are more common than coding changes. Also, above the species level cis-regulatory mutations predominate for genes not involved in terminal differentiation. These patterns imply that the simple question “Do coding or cis-regulatory mutations cause more phenotypic evolution?” hides more interesting phenomena. Evolution in different kinds of populations and over different durations may result in selection of different kinds of mutations. Predicting the genetic basis of evolution requires a comprehensive synthesis of molecular developmental biology and population genetics

Effects of supplemental sodium bicarbonate on high-yielding dairy cows in early-lactation fed grass silage-based mixed rations

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war, bei hochleistenden Milchkühen (Deutsche Holstein) über den Zeitraum der ersten 15 Wochen der Laktation die Effekte einer Zulage von 240 g/d Natriumhydrogenkarbonat (NaHCO3) zu einer Ration zu prüfen, die vorwiegend auf Grassilage und Getreide basierte. Hierzu wurden 40 Kühe und Färsen in zwei Gruppen aufgeteilt und mit einer Mischration zur freien Aufnahme gefüttert, deren Grobfutteranteil auf Basis der Trockenmasse (TM) zu ca. 70 % aus Grassilage und zu 30 % aus Maissilage bestand und zur freien Aufnahme vorgelegt wurde. Leistungsabhängige Kraftfutterzuteilungen erfolgten während des Melkens inder automatischen Einzelmelkanlage. Der Pufferzusatz für die Versuchsgruppe wurde über das Kraftfutter verabreicht. Die TM-Aufnahmen aus Grob- und Kraftfutter, sowie die Milchleistungen wurden täglich von jedem Tier ermittelt. Im Rahmen der Milchleistungsprüfungen wurden die Inhaltsstoffe analysiert. Im Laufe des Beobachtungszeitraumes wurde von jedem Tier viermal eine Probe von Pansensaft, Harn und Kot gewonnen, sowie die Lebendmassen ermittelt. Von allen Proben wurden die pH-Werte bestimmt. Der Pansensaft wurde zudem gaschromatographisch auf sein Fettsäuremuster analysiert, der Harn einer fraktionierten Analyse der Netto-Säuren-Basen- Ausscheidung (fNSBA) unterzogen. Nach Bestimmung des Rohprotein-(XP)- und Rohasche-(XA)-Gehaltes der Kotproben wurde über die Kot-Stickstoffmethode die Verdaulichkeit der organischen Masse der verfütterten Ration geschätzt. Am Ende des Versuches wurden die Fruchtbarkeitsdaten ermittelt. Folgende Ergebnisse bezogen auf den NaHCO3-Einsatz wurden festgestellt: 1\. TM- Aufnahmen und Milchleistungen blieben durch NaHCO3 unbeeinflusst. 2\. Energiebilanzen blieben über den gesamten Beobachtungszeitraum negativ. 3\. Lebendmassen und Rückenfettdicken nahmen unter NaHCO3 in geringerem Umfang ab. 4\. Signifikant höhere Azetat-Konzentration im Pansensaft, signifikant differentes ruminales Azetat-Propionat-Verhältnis bei übereinstimmendem pH- Wert. 5\. Signifikant differente fNSBA und Basen-Säuren-Quotient (BSQ) im Harn bei übereinstimmendem pH-Wert. 6\. NaHCO3 hatte keinen Einfluss auf den Kot-pH und die Verdaulichkeit der organischen Masse, die insgesamt auf einem hohen Niveau lag. 7\. Rastzeit, Zwischentragezeit und Zwischenkalbezeit waren indifferent, während der Besamungsindex um 0,6 Punkte geringer und der Erstbesamungserfolg um 30 Prozentpunkte höher war. Vorangegangene Untersuchungen konnten zeigen, dass der Einsatz von NaHCO3 in Rationen mit hohen Maissilageanteilen deutliche Effekte hatte. Der vorliegende Versuch mit einer Ration, deren Grobfutteranteil vorwiegend aus Grassilage bestand, untermauert demgegenüber die Aussage, dass der NaHCO3-Zusatz bei Nicht- Maissilage-Fütterung weitgehend effektfrei bleibt. Dennoch konnten durch den vorliegenden Versuch signifikante Unterschiede in den Ergebnissen der Harn- und Pansensaftuntersuchungen zwischen NaHCO3-supplementierten Kühen und nichtsupplementierten Tieren festgestellt werden. Diese Unterschiede werden aber trotz statistisch gesicherter Differenzen nicht als biologisch bedeutsam eingeschätzt. Die vorliegende Untersuchung läßt eine vorteilhafte Einflussnahme auf Fertilitätsdaten unter NaHCO3-Supplementierung vermuten. In Folgeuntersuchungen sollten mit größerem Stichprobenumfang und/oder längeren Beobachtungszeiträumen derartige Langzeiteffekte geprüft werden.The objective of the present study was to determine effects of the supplementation of 240 g sodium bicarbonate (NaHCO3) as dietary buffer to a mixed diet high in grass silage on early lactating German Holstein cows. The trial covered the first 15 weeks of lactation. Forty cows and heifers were divided equally into two groups and fed a basal ration whose forage portion consisted of 70 % grass silage and 30 % maize silage (dry matter basis). Additional concentrates (without or with NaHCO3) were given in dependence on milk yield during milking in the automatic single-milk-box. Dry matter intake from the basal ration and concentrates as well as milk yield were recorded daily. Based on regular milk tests milk composition was analyzed. Four times during the trial period samples of ruminal fluid, urine and faeces were taken from each animal and the body weights were documented. The pH-value of each sample was determined. Moreover, ruminal fluid was analyzed by gas chromatography on content and composition of fatty acids, urine was tested on net acid-base excretion (NABE). The crude protein (CP) and ash contents of the faeces were determined to estimate diet organic matter digestibility from faecal CP. In addition, dry matter and proximate constituent contents of concentrates and the basal ration were estimated. Finally, the fertility status of each animal was determined at the end of the trial. The following results concerning NaHCO3-supplementation were obtained: 1\. There was no effect on dry matter intake and milk -performance. 2\. Energy balances developed earlier towards positive ranges, but were negative throughout the whole trial period. 3\. Postpartum changes in body weight and back fat thickness were less pronounced. 4\. The concentration of acetate in the ruminal fluid was higher, likewise the acetate-propionate-ratio, whereas ruminal pH was not affected. 5\. Significantly different NABE in urine at similar pH values. 6\. No influence on fecal pH or diet organic matter digestibility, which showed high values for both diets. 7\. Resting times, empty days and calving intervals were not different, whereas insemination index was lower by 0,6 points and first services were higher by 30 percentage units when NaHCO3 was supplemented. The results of the present study support conclusions of previous research, that additional dietary NaHCO3 in non-maize- silage based rations shows basically no effects. Nevertheless, metabolites of ruminal fluid and urine indicated NaHCO3 supplementation effects. However, the magnitude of the differences was such that it can be concluded that they were of minor biological significance. Although the present study indicated benefits for dairy cows with additional buffer concerning long-term effects like reproductive performance these differences were not statistically different. Subsequent studies on larger herds and (or) covering more than one lactation should be conducted to investigate effects of additional NaHCO3 on fertility traits

Migration aus den MOE-Ländern nach Deutschland im Zuge der EU-Osterweiterung - Ökonomische Analyse der Auswirkungen der Gewährung der Arbeitnehmenfreizügigkeit

Am 1. Mai 2004 werden die ersten zehn der neuen Beitrittsstaaten aus Mittel- und Osteuropa der EU beitreten. Es handelt sich dabei um: Estland, Lettland, Litauen, Malta, Polen, Slowenien, Slowakei, Tschechien, Ungarn und Zypern. Für Bulgarien und Rumänien ist der Beitrittstermin für das Jahr 2007 vorgesehen. Die Türkei steht zur Zeit nicht in Beitrittsverhandlungen mit der EU. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf alle neuen Beitrittsstaaten (mit Ausnahme der Türkei ) und bezeichnet diese als MOE-Länder oder kurz als MOEL. Die einzige wesentliche Änderung, die durch den formalen EU-Beitritt der MOE-Länder entsteht, ist das Recht auf Arbeitnehmerfreizügigkeit für die MOE-Länder. Die Menschen in den bisherigen EU-Mitgliedsstaaten, besonders in Deutschland, befürchten eine massive Migration aus den MOE-Ländern, wenn diesen nach ihrem EU-Beitritt sofort die Arbeitnehmerfreizügigkeit gewährt werden würde. Sie erwarten, dass durch die vermehrte Migration negative Arbeitsmarkteffekte, wie Lohnreduzierungen und Verdrängungseffekte entstehen könnten. Die EU hat deswegen eine Übergangsfrist von bis zu sieben Jahren für die Gewährung der Arbeitnehmerfreizügigkeit eingeführt. Innerhalb dieses Zeitraumes können die bisherigen EU-Mitgliedsstaaten eigenverantwortlich entscheiden, ob bzw. wann sie den MOE-Ländern die Arbeitnehmerfreizügigkeit gewähren. Es deutet alles darauf hin, dass Deutschland die gesamten sieben Jahre der Übergangsfrist nutzen wird. Aus der oben geschilderten Problematik ergeben sich für die vorliegende Arbeit folgende Fragen: Welche Auswirkungen hätte die Gewährung der Arbeitnehmerfreizügigkeit für die MOE-Länder auf die zukünftige Migration aus den MOE-Ländern nach Deutschland? Wie sind diese Auswirkungen im Hinblick auf die Folgen für den deutschen Arbeitsmarkt und die deutsche Demographie zu bewerten? Wie groß wäre das zu erwartende Wanderungsvolumen aus den MOE-Ländern nach Deutschland, wenn Deutschland den MOE-Ländern die Arbeitnehmerfreizügigkeit sofort nach dem EU-Beitritt gewähren würde? Steht Deutschland eine massive Migration aus den MOE-Ländern bevor? Im Hauptteil dieser Arbeit wird zunächst versucht, sich der Beantwortung dieser Fragen anzunähern. Auf Grundlage der dadurch gewonnen Erkenntnisse soll dann im Fazit die Entscheidung der deutschen Politik im Hinblick auf die verzögerte Gewährung der Arbeitnehmerfreizügigkeit für die MOE-Länder erörtert werden.1Im zweiten Kapitel wird auf die EU-Osterweiterung als fünfte Erweiterung der EU und als fortschreitender Prozess eingegangen. Das dritte Kapitel behandelt den formalen EU-Beitritt der MOE-Länder, die Arbeitnehmerfreizügigkeit der EU und die Problematik, die mit der Gewährung der Arbeitnehmerfreizügigkeit für die MOE-Länder verbunden wird. Im vierten Kapitel wird die bisherige Migration aus den MOEL nach Deutschland ohne Arbeitnehmerfreizügigkeit deskriptiv statistisch untersucht. Dies soll Aufschluss über die bisherige Migrationssituation zwischen den MOE-Ländern und Deutschland geben. Im fünften Kapitel wird eine qualitative Prognose zur zukünftigen Migration aus den MOE-Ländern nach Deutschland mit Arbeitnehmerfreizügigkeit aufgestellt. Als Grundlage dafür dienen die Erkenntnisse der bisherigen Migration aus den MOE-Ländern nach Deutschland ohne Arbeitnehmerfreizügigkeit. Die Ergebnisse der Prognose werden im Hinblick auf die Folgen für den deutschen Arbeitsmarkt und die deutsche Demographie untersucht. Das sechste Kapitel behandelt die ökonomische Migrationstheorie. Im siebten Kapitel wird versucht, das zu erwartende Wanderungsvolumen aus den MOE-Ländern nach Deutschland einzuschätzen, wenn Deutschland den MOE-Ländern die Arbeitnehmerfreizügigkeit sofort nach dem EU-Beitritt gewähren würde. Das Fazit befindet sich in Kapitel acht.

The Novel Drosophila tim(blind) Mutation Affects Behavioral Rhythms but Not Periodic Eclosion

Circadian clock function depends on the tightly regulated exclusion or presence of clock proteins within the nucleus. A newly induced long-period timeless mutant, tim(blind), encodes a constitutively hypophosphorylated TIM protein. The mutant protein is not properly degraded by light, and tim(blind) flies show abnormal behavioral responses to light pulses. This is probably caused by impaired nuclear accumulation of TIM(BLIND) protein, which we observed in brain pacemaker neurons and photoreceptor cells of the compound eye. tim(blind) encodes two closely spaced amino acid changes compared to the wild-type TIM protein; one of them is within a putative nuclear export signal of TIM. Under constant conditions, tim(blind) flies exhibit 26-hr free-running locomotor rhythms, which are not correlated with a period lengthening of eclosion rhythms and period-luciferase reporter-gene oscillations. Therefore it seems possible that TIM—in addition to its well-established role as core clock factor—functions as a clock output factor, involved in determining the period length of adult locomotor rhythms

The MAP Kinase p38 Is Part of Drosophila melanogaster's Circadian Clock

All organisms have to adapt to acute as well as to regularly occurring changes in the environment. To deal with these major challenges organisms evolved two fundamental mechanisms: the p38 mitogen-activated protein kinase (MAPK) pathway, a major stress pathway for signaling stressful events, and circadian clocks to prepare for the daily environmental changes. Both systems respond sensitively to light. Recent studies in vertebrates and fungi indicate that p38 is involved in light-signaling to the circadian clock providing an interesting link between stress-induced and regularly rhythmic adaptations of animals to the environment, but the molecular and cellular mechanisms remained largely unknown. Here, we demonstrate by immunocytochemical means that p38 is expressed in Drosophila melanogaster's clock neurons and that it is activated in a clock-dependent manner. Surprisingly, we found that p38 is most active under darkness and, besides its circadian activation, additionally gets inactivated by light. Moreover, locomotor activity recordings revealed that p38 is essential for a wild-type timing of evening activity and for maintaining ∼ 24 h behavioral rhythms under constant darkness: flies with reduced p38 activity in clock neurons, delayed evening activity and lengthened the period of their free-running rhythms. Furthermore, nuclear translocation of the clock protein Period was significantly delayed on the expression of a dominant-negative form of p38b in Drosophila's most important clock neurons. Western Blots revealed that p38 affects the phosphorylation degree of Period, what is likely the reason for its effects on nuclear entry of Period. In vitro kinase assays confirmed our Western Blot results and point to p38 as a potential "clock kinase" phosphorylating Period. Taken together, our findings indicate that the p38 MAP Kinase is an integral component of the core circadian clock of Drosophila in addition to playing a role in stress-input pathways

Daily p38 mRNA (A) and protein expression (B–D) in <i>Canton S</i> wildtype.

<p>A: Quantitative real-time PCR on head extracts revealed constant mRNA expression throughout the day with allover higher levels of <i>p38b</i> compared to <i>p38a</i> (p<0.001). B: Antibody staining with anti-p-p38 on adult brains displayed rhythmic phosphorylation of p38 in DN_1as in LD with significant higher p-p38 levels occurring during the night than in the day (p<0.05). C: A highly significant reduction of active p38 in DN_1as at CT6 compared to CT18 in DD indicates a clock-controlled activation of p38 (p<0.001) D: Only a 15 minute light pulse (LP) during subjective night (CT18) and not during the subjective day (CT6) leads to a reduction in active p38 in DN_1as, suggesting a clock-dependent photic reduction of active p38. The “C” in D indicates control brains without 15 minute light pulse (LP). Error bars show SEM. Significant differences (p<0.05) are indicated by *, highly significant differences (p<0.001) by **.</p