Transcriptional analysis to identify the iron uptake systems of Mannheimia haemolytica

Mannheimia haemolytica und Pasteurella multocida gehören zu den Verursachern der unter Rindern weltweit verbreiteten Enzootischen Bronchopneumonie. Derzeitige Impfstoffe und Antibiotika gegen diese Bakterien können die Verbreitung der Krankheit nicht maßgeblich einschränken, weshalb Bedarf an neuen Medikamenten besteht. Bei der Besiedelung der Lunge treffen M. haemolytica und P. multocida auf Eisenmangel. Die Aufnahme von Eisen ist ein wesentlicher Faktor bei der Kolonisierung und Persistenz pathogener Bakterien im Wirt, da Eisen essentiell ist. Medikamente, die an Proteinen der Eisenversorgung angreifen, können deshalb zur Eindämmung der Bronchopneumonie beitragen. Um einen Überblick über die Gene von M. haemolytica und P. multocida zu erhalten, die bei der Adaptation an Eisenmangel beteiligt sind, wurden die Bakterien in der vorliegenden Arbeit in vitro unter Eisenmangel kultiviert, denn die meisten bakteriellen Gene, die an der Eisenaufnahme beteiligt sind, werden erst bei Eisenmangel transkribiert. Mittels Mikroarray-Analyse der Transkriptome wurden erstmals die in vitro eisenregulierten Gene von M. haemolytica und erstmals auch die eisenregulierten Gene eines Rinder-Isolats von P. multocida identifiziert. Der in dieser Arbeit verwendete Mikroarray war ein Multigenom-Mikroarray und stellt die offenen Leserahmen beider Bakterien dar. Mit der Mikroarray-Analyse wurden 129 Gene von M. haemolytica identifiziert, die bei Wachstum unter Eisenmangel eine veränderte Transkription aufwiesen. Die größte Gruppe der Gene mit verstärkter Transkription bildeten die Gene, die für Rezeptoren und Transporter kodieren. Von diesen kodieren etwa drei Viertel für Proteine, die an der Aufnahme von Eisen aus verschiedenen Quellen beteiligt sind. Die größte Gruppe der Gene mit verminderter Transkription wurde von Genen gebildet, die für Proteine des Energie-Stoffwechsels kodieren. Damit wurde auch für M. haemolytica das Prinzip bestätigt, dass Bakterien bei Eisenmangel verstärkt Gene transkribieren, deren Proteine an der Eisenaufnahme beteiligt sind, während Gene für eisenhaltige Proteine des Energie-Stoffwechsels vermindert transkribiert werden. Bei der Analyse des Transkriptoms von P. multocida wurden 173 Gene mit veränderter Transkription identifiziert. Auch bei P. multocida konnte mit der funktionellen Klassifizierung der kodierten Proteine die größte Gruppe an Genen mit verstärkter Transkription den Transport- und Bindungsproteinen zugeordnet werden. Die größte Gruppe an Genen mit verminderter Transkription wurde auch bei P. multocida von Genen gebildet, die für Proteine des Energie-Stoffwechsels kodieren. Beim Vergleich des Transkriptoms von M. haemolytica mit dem von P. multocida wurden mehr Unterschiede als Gemeinsamkeiten festgestellt. Nur 40 der 1424 homologen Gene zeigten die gleiche Richtung in der Änderung in der Transkription. Unter den 15 homologen Genen mit verstärkter Transkription waren die Gene, die für einen Hämoglobin-Rezeptor, die ABC-Transportsysteme FbpABC und YfeABCD sowie das Energie liefernde System TonB-ExbBD kodieren. In den 25 homologen Genen mit verminderter Transkription waren 15 Gene enthalten, deren kodierte Proteine am Energie-Stoffwechsel beteiligt sind. Dies waren die Proteine NapABCDFGH des Nitrat-Reduktase-Komplexes, die Proteine NrfABCD des Nitrit-Reduktase-Komplexes und die Proteine FrdABCD des Komplexes der Fumarat-Reduktase. Ein auffälliger Unterscheid war, dass bei M. haemolytica die gesamten Gene verstärkt transkribiert wurden, deren Proteine an der Aufnahme von Eisen aus Transferrin beteiligt sind. Bei P. multocida dagegen konnte das Gen für den Transferrin-Rezeptor nicht nachgewiesen werden. Somit gehört das in dieser Arbeit verwendete Isolat von P. multocida vermutlich zu den 30% der Rinder-Isolate von P. multocida, die keinen Transferrin-Rezeptor besitzen, aber die Rinderlunge besiedeln können (Ewers et al., 2006). Im Vergleich zu M. haemolytica fielen bei P. multocida die vielen verstärkt transkribierten Gene auf, die an der Aufnahme von Eisen aus dem Blut beteiligt sind. Die Transkription dieser verschiedenen Transporter deutet auf eine gute Adaptation von P. multocida für die Verwendung von Eisen aus dem Blut des Wirts hin, die bei M. haemolytica in diesem Maß nicht gegeben scheint. Für M. haemolytica wurde die in vivo-Relevanz einiger eisenregulierter Gene überprüft, die in der Mikroarray-Analyse eine erhöhte Transkription zeigten. Dazu wurde die RNA untersucht, die aus dem Lungengewebe von infizierten Rindern isoliert worden war. In diesem Gewebe wurde die Transkription von 11 Genen mittels RT-PCR nachgewiesen. Für die Gene, die für die Hämoglobin-Rezeptoren von M. haemolytica kodieren, wurde mittels quantitativer real time PCR auch eine Verstärkung der Transkription im Lungengewebe nachgewiesen. Die Verstärkung der Transkription in vivo war der transkriptionellen Verstärkung in vitro vergleichbar, was auf eine Funktion der Hämoglobin-Rezeptoren bei der Infektion in vivo hindeutet. Zur Untersuchung der Regulation des Eisenhaushalts von M. haemolytica wurde versucht, das Gen fur zu deletieren, das für den Hauptregulator des Eisenhaushalts kodiert, was jedoch nicht gelungen ist. In einem antisense-Ansatz konnte jedoch gezeigt werden, dass der Stamm mit dem fur-antisense-Plasmid ein signifikant verzögertes Wachstum hatte, was auf die essentielle Funktion des Gens fur in M. haemolytica hinweist. Ein antisense-Ansatz ist noch kein Beweis für die essentielle Funktion eines Gens. Doch die mit Gioia et al. (2007) übereinstimmenden Schwierigkeiten bei der Herstellung einer ∆-fur-Mutante von M. haemolytica sowie das verringerte Wachstum in Gegenwart der fur-antisense-mRNA deuten stark auf eine essentielle Funktion dieses Gens hin.Mannheimia haemolytica and Pasteurella multocida belong to the causative agents of bovine respiratory disease complex. This severe pneumonia is the most important respiratory disease in cattle and causes enormous financial losses in the cattle industry. As the vaccines and antibiotics to treat bovine pneumonia are not very efficient in reducing the prevalence of the disease, new pharmaceuticals are needed. A prerequisite of successfully colonising the host is the ability of pathogenic bacteria to adapt to the paucity of iron. Because of the necessity to acquire host-derived iron, pharmaceuticals that intervene in the uptake of iron or its regulation could help reducing pneumonic pasteurellosis. In order to understand how M. haemolytica and P. multocida adapt to the paucity of iron microarray technology was used to analyse the response to iron deficiency in a genome wide manner for both pathogens. Growth under iron limitation was chosen since most bacterial genes involved in iron uptake are only transcribed under iron limitation. In this work the in vitro iron regulated genes from M. haemolytica were identified for the first time and also the iron regulated genes of a bovine isolate of P. multocida. The transcriptional profile of a bovine isolate of P. multocida was produced to compare two closely related bacteria that colonize the same habitat, the bovine lung. The microarray was a multi-genome microarray and contains the open reading frames of both M. haemolytica and P. multocida. The microarray analysis of M. haemolytica grown under iron limitation revealed a total of 129 genes with altered transcription. The largest group of genes with induced transcription contained genes encoding several receptors and transporters. Three quarters of them code for proteins involved in iron uptake from different sources. The largest group of genes with reduced transcription was build by genes encoding iron containing proteins involved in energy metabolism. This result shows that under iron limitation M. haemolytica intensifies the transcription of genes encoding proteins for iron uptake, while the transcription of genes coding for iron containing proteins involved in energy metabolism is repressed. This strategy is also observed in other bacteria. Analysis of the transcriptome of the bovine isolate of P. multocida grown under iron limitation revealed 173 genes with altered transcription. The functional classification revealed that the largest group of genes with intensified transcription belonged to a group of genes coding for proteins involved in transport and binding. Two thirds of these encode proteins with functions in iron uptake. The largest group of genes with down regulated transcription was also found to be involved in energy metabolism. Comparing the transcriptomes of M. haemolytica and P. multocida more different than common strategies were shown. Only 40 of 1424 homologous genes had the same direction of transcriptional change. Homologous genes with increased transcription (15) coded for a haemoglobin receptor of the outer membrane, the ABC-transport systems FbpABC and YfeABCD and the genes coding for the TonB-ExbBD energy transmitting system. Homologous genes with decreased transcription (25) coded for iron containing proteins mostly involved in energy metabolism under anaerobic conditions. They included the genes coding for the nitrate reductase complex NapABCDFGH, the nitrite reductase complex NrfABCD, and the fumarate reductase complex FrdABCD. An obvious difference between the two bacteria was that in M. haemolytica genes coding for the entire transport chain of iron derived from transferrin were induced under iron limitation. In contrast, the genes encoding the transferrin receptor were not detected in the genome of the bovine isolate of P. multocida. This bovine isolate of P. multocida seems to belong to the 30 % of bovine isolates that possess no transferrin receptor but nevertheless colonise the bovine lung (Ewers et al., 2006). A second obvious finding was that in P. multocida the induced transcription of several genes encoding proteins for the uptake of iron from serum sources like haem, haemoglobin and haemoglobin-haptoglobin. M. haemolytica on the other hand has fewer genes coding for proteins involved in the utilisation of iron from haem or haemoglobin. Possibly, the many possibilities to use haem as an iron source in P. multocida compensates for the deficiency in using transferrin as an iron source. For some genes of M. haemolytica with induced transcription in vitro the in vivo transcription was tested. Transcription of 11 genes induced under in vitro iron depletion was detected using RT-PCR in the RNA derived from M. haemolytica-infected lung tissue. For the two haemoglobin receptors HmbR1 and HmbR2 a transcriptional increase as compared to the hmbR1 and hmbR2 mRNA levels in the inoculum was detected by quantitative real time PCR. The level of induction was comparable to the transcriptional change under iron paucity in vitro demonstrating that the iron depleted in vitro culture conditions mimicked the situation in the bovine lung. In order to examine the regulation of iron uptake in M. haemolytica several attempts were made to produce a mutant lacking the fur gene encoding the main regulator for iron uptake. The attempts were not successful, indicating that fur may be essential in M. haemolytica. A putative function of fur for M. haemolytica viability was demonstrated by an antisense approach. M. haemolytica carrying a fur-antisense-plasmid transcribing fur in antisense direction grew significantly slower than the control. This hints at an essential necessity of the gene fur in M. haemolytica. Further evidence for this notion was produced by Gioia et al. (2007), who were also unsuccessful in producing a ∆-fur-mutant in M. haemolytica

Existence analysis for a simplified transient energy-transport model for semiconductors

A simplified transient energy-transport system for semiconductors subject to mixed Dirichlet-Neumann boundary conditions is analyzed. The model is formally derived from the non-isothermal hydrodynamic equations in a particular vanishing momentum relaxation limit. It consists of a drift-diffusion-type equation for the electron density, involving temperature gradients, a nonlinear heat equation for the electron temperature, and the Poisson equation for the electric potential. The global-in-time existence of bounded weak solutions is proved. The proof is based on the Stampacchia truncation method and a careful use of the temperature equation. Under some regularity assumptions on the gradients of the variables, the uniqueness of solutions is shown. Finally, numerical simulations for a ballistic diode in one space dimension illustrate the behavior of the solutions

Koordination von Maßnahmen zum Wissenstransfer zwischen Forschung und Ökologischer Lebensmittelwirtschaft unter besonderer Berücksichtigung der Ergebnisse des Bundesprogramms Ökologischer Landbau

Mit dem Projekt wurden vielfältige und unter hohem Aufwand erarbeitete Ergebnisse aus der Forschung zum Öko-Landbau einem großen Kreis von Unternehmern und Landwirten der ökologischen Lebensmittelwirtschaft vermittelt. Besondere Berücksichtigung fanden dabei die Forschungsergebnisse des Bundesprogramms ökologischer Landbau. Dazu wurde das Netzwerk der Verbände der ökologischen Lebensmittelwirtschaft mit seinen regionalen Vereinigungen und Beratern genutzt. Diese kennen die Bedürfnisse der Zielgruppen bestens und haben die Forschungsergebnisse entsprechend ausgewählt, aufbereitet und vermittelt. Mit den durchgeführten 244 Veranstaltungen zum Wissenstransfer binnen eines Jahres konnten 4100 Praktiker und Unternehmer in allen Regionen Deutschlands, mit Schwerpunkt in Bayern, erreicht werden. Der Großteil der Veranstaltungen wurde für Erzeuger konzipiert, ein kleinerer Teil für Händler und Verarbeiter. Das Projekt fand in enger Abstimmung zwischen - der BLE, die die wissenstransferrelevanten Forschungsprojekte aus dem Bundesprogramm ökologischer Landbau zusammenstellte, - den Verbänden, mit ihrer über Jahrzehnte gewachsenen Beratungs- und Seminarkompetenzen im Bereich der ökologischen Lebensmittelwirtschaft, die die Veranstaltungen vor Ort durchführten und - dem BÖLW, der das Vorhaben bundesweit koordinierte und die Veranstalter bei der Antragstellung und Evaluation unterstützte, statt. Diese Zusammenarbeit und Arbeitsteilung im Rahmen des Projektes hat sich bewährt. Verschlankungen bei Antragstellung und Abwicklung können die Effizienz weiter erhöhen. Damit könnten auch weitere Akteure motiviert werden, sich für den Wissenstransfer zu engagieren, insbesondere in Regionen, in denen 2005 nur wenige Veranstaltungen zum Wissenstransfer stattfanden. Mit dem Projekt konnten in den Regionen qualitativ hochwertige Veranstaltungen zum Wissenstransfer realisiert werden. Im Rahmen der Projektevaluation wurden die Veranstaltungen durch die Teilnehmer mit gut bis sehr gut bewertet

Von der Ökolandbau-Forschung in die Praxis: Veranstaltungen zum Wissenstransfer für Landwirte, Verarbeiter und Händler 2006

Mit dem Projekt wurden vielfältige und unter hohem Aufwand erarbeitete Ergebnisse aus der Forschung zum Öko-Landbau einem großen Kreis von Unternehmern und Landwirten der ökologischen Lebensmittelwirtschaft vermittelt. Besondere Berücksichtigung fanden dabei die Forschungsergebnisse des Bundesprogramms Ökologischer Landbau. Dazu wurde das Netzwerk der Verbände der ökologischen Lebensmittelwirtschaft mit seinen regionalen Vereinigungen und Beratern genutzt. Diese kennen die Bedürfnisse der Zielgruppen bestens und haben die Forschungsergebnisse entsprechend ausgewählt, aufbereitet und vermittelt. Mit den durchgeführten 111 Veranstaltungen zum Wissenstransfer binnen drei Monaten konnten 2100 Praktiker und Unternehmer in allen Regionen Deutschlands erreicht werden. Der Großteil der Veranstaltungen wurde für Erzeuger konzipiert, ein kleinerer Teil für Händler und Verarbeiter. Träger der Veranstaltungen vor Ort waren Bioland, Demeter-Bund, Naturland, GÄA und der BNN Herstellung und Handel. Der Bund Ökologische Lebensmittelwirtschaft koordinierte die Veranstaltungen und wertete die Evaluation aus. Er beriet die Veranstalter vor Ort bei der Antragstellung und Durchführung des Programms. Mit dem Projekt konnten in den Regionen qualitativ hochwertige Veranstaltungen zum Wissenstransfer realisiert werden. Im Rahmen der Projektevaluation wurden die Veranstaltungen durch die Teilnehmer mit gut bis sehr gut bewertet

Was die Praxis von der Forschung will: Ausgewählte Ergebnisse aus 600 Wissenstransferveranstaltungen für Öko- Praktiker in Deutschland

From September 2006 to April 2008 associations of organic food producers and traders in Germany organised 600 events for 13.000 farmers and entrepreneurs to improve the transfer of knowledge between science and practice. Besides communicating current research results, the project aimed at capturing the need for further scientific studies. Producers, processors and traders have a very high interest in further and profound research into the organic food business. Core questions are not only on soil fertility or the quality of food but also on specific aspects of plant protection, market development and welfare oriented animal husbandry

Deformed Fomin-Kirillov Algebras and Applications

We consider a deformed version of Fomin-Kirillov algebras and investigate their relation to regular Fomin-Kirillov algebras. We observe that certain subalgebras of a deformed Fomin-Kirillov algebra closely resemble "smaller" Fomin-Kirillov algebras. This observation is used to calculate the vector space dimension of Fomin-Kirillov algebras in many examples, in particular for the complete graph on 5 vertices. Furthermore, we study groups attached to Fomin-Kirillov algebras. The attached groups turn out to posses striking structures in examples

Elliptic and Siegel Theta Series for Indefinite Quadratic Forms

In this thesis, we embed four research articles on elliptic and Siegel theta series for indefinite quadratic forms. In the first two articles, we generalize results on elliptic theta series to Siegel theta series, i.e. theta series for arbitrary genus $n\in \N$. In the third and fourth article we consider elliptic theta series for quadratic forms of signature (m-1,1) in order to construct holomorphic and almost holomorphic modular forms. A useful tool in the theory of elliptic theta series is Vignéras' modularity criterion: considering functions with a certain growth condition, which satisfy a particular second order differential equation, one can construct modular theta series for indefinite quadratic forms. Furthermore, this result can be applied to check whether a given theta series transforms as a modular form. We show that for Siegel theta series we can define an analogous system of partial differential equations and thus obtain a straightforward generalization. If one does not consider positive definite quadratic forms but indefinite ones, the explicit construction of theta series that are holomorphic and modular, poses some difficulties. For elliptic theta series, there exist various approaches in which a modular (non-holomorphic) theta series is defined on the one hand and a holomorphic (but not modular) version on the other hand. We examine Zwegers' construction for quadratic forms of signature (m-1,1) and show that in a similar way non-holomorphic modular Siegel theta series for quadratic forms of this particular signature can be constructed. Moreover, we describe the holomorphic part of these Siegel theta series. In the last two articles, we generalize Zwegers' construction in a different direction by including homogeneous as well as spherical polynomials in the definition of the theta functions. The definition depends on two vectors c_1 and c_2, which are located in a special cone C_Q. In the first article on this matter, we consider the case that c_1 and c_2 are located in the inner part of C_Q and give a general construction of a holomorphic, an almost holomorphic, and a modular theta series. We state under which condition these versions agree and thus obtain almost holomorphic and holomorphic modular forms. This turns out to be a rich source of explicit examples, which we can often identify as eta products or eta quotients. In a sequel to this project, we also allow c_1 or c_2 to be located on the boundary of C_Q. This extension provides examples of a slightly different flavor. In particular, we can recover the modular transformation behavior of the Eisenstein series, of certain modular forms on $\Gamma_0(4)$ that appear during the investigation of sums of powers of quadratic polynomials of a fixed discriminant and of a Maass form of weight 3/2, whose holomorphic part is determined by the generating function of the Hurwitz class numbers H(8n+7)

Agroforestry and Ecosystem Services: Value Capture in Silvopastoral Food Production Systems in Italy

Since the second world war, agriculture in Europe has been subject to changing and increasingly conflicting pressures. Until the 1980s, European but also national agricultural policies followed a productivist approach focusing mainly on the increase of productivity. For the farming sector this has been a time of strong modernisation, which was especially characterised by intensification, specialisation and concentration within agriculture, food industries and retail. Farms were put under increasing pressures to adapt, and became more dependent on both suppliers (e.g. production inputs, capital) and buyers of the food industry and retail sectors. Since the 1980s, the negative consequences of intensive farming practices have been increasingly recognised, which led to reforms of the Common Agricultural policy of the EU. But even if it could be recognised that farms became more extensive and diverse in some regions, a complete reversal of productivist structures did not take place. The necessity to sustainably transform farming systems is a result of the many challenges still facing not only agriculture today, such as climate change mitigation and adaptation, biodiversity decline and environmental pollution. To motivate farmers to change towards environmentally friendly alternatives to the dominant farming regime, such as agroforestry, requires overcoming of ideological and practical challenges. Research on the attitudes of farmers and other interest groups shows a dichotomy between the perceptions of environmental benefits of agroforestry systems and economic concerns of increased management efforts. Better comprehension of marketing possibilities of products from agroforestry systems and related issues is considered one option for making a transition more attractive. For this reason, this dissertation explores the strategies of Italian farmers in silvopastoral agroforestry systems for marketing their products and related ecosystem services, firstly focusing on the creation, enhancement and capture of values. One difficulty with the analysis of ecological production systems lies in the immateriality of many benefits, which hinders economic valuation. At the same time, economically valuing ecosystem services can be considered an incentive for farmers to change to sustainable farming practices. In the light of increased consumer awareness and interest in regional and environmentally friendly alternatives to conventional food production, the second focus of this dissertation is on the marketing of products in alternative food systems and the benefits and challenges this entails. Furthermore, the role of agroforestry systems for a sustainable transition of the food system is analysed. This is a cumulative dissertation consisting of three research papers, which are grounded in qualitative data that was collected in the Italian regions Umbria and Lazio in 2018. The first paper “Capturing the value of ecosystem services: perceptions from selected Italian farms” deals with the formation and definition of value from silvopastoral systems by farmers of the studied cases. As a first step, this paper assesses whether farmers do perceive their systems to produce additional ecological values or ecosystem services. Grounded on the analytical categories of GPN theory, it is subsequently analysed how and under which circumstances these perceived values are captured by the studied farmers when selling their products. Results are further discussed with regard to different possibilities of valuing ecosystem services. Extending the scale of analysis from the first paper, the second paper “Silvopastoral production as part of alternative food networks: Agroforestry systems in Umbria and Lazio, Italy” focusses on the regional, national and international distribution of products from the studied systems. Embedded in the contexts of alternative food networks and a growing demand for environmentally produced food, this paper assesses how farmers of silvopastoral agroforestry systems distribute their products, whether they can be considered part of alternative food networks and which consequences this entails. The third paper “Niche formation in agroforestry: considerations from silvopastoral systems in central Italy” extends the analytical scope once more by exploring options for the studied systems to influence a wider food regime with regards to enhancing its overall sustainability. Based on the concepts of sustainability transitions and multi-level perspective, this paper assessed the positioning of the studied farmers with regards to niche formation and proliferation, identifying barriers and possible solutions. The results of this dissertation can be summarised as follows: (1) The perception of ecological benefits of agroforestry systems differed among the interviewed farmers and only a few seemed to recognise the positive effects of agroforestry practices. This indicates a so far untapped potential in relation to value enhancement through including ecosystem services into the value of products. (2) Nevertheless, the processes within the agroforestry systems have an impact on the value or the profitability of products, either by reducing the need for costly external inputs or, in some cases, improving product quality (e.g. better nutritional composition, environmentally friendly production). (3) Distribution channels are crucial for marketing of specific quality attributes. All farms sell some or all of their products through direct, alternative channels. Additionally, products are also sold in national or international contexts. (4) The lack of an agroforestry label was understood as a barrier for marketing the environmental benefits of products from these systems over larger distances. (5) The occurrence of mixed forms of conventional and alternative modes of supply and distribution indicates a limitation of regionalised food systems with regard to the number of consumers as well as the availability of suitable inputs. The alternative food system is still strongly impacted by the conventional food regime. (6) Even if farmers are practising a form of agriculture that diverges significantly from the industrial farming regime, this is not enough to talk about an established agroforestry niche. Instead these systems are rather positioned at the edge of the existing food and farming regime. The contribution to a sustainable transition of the farming regime is thus limited. Better cooperation between actors from the agroforestry sector could be a first step to focalise learning processes and raise awareness on a regime level