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Whether mice are an appropriate model for S. aureus infection and vaccination studies is a matter of debate, because they are not considered as natural hosts of S. aureus. We previously identified a mouse-adapted S. aureus strain, which caused infections in laboratory mice. This raised the question whether laboratory mice are commonly colonized with S. aureus and whether this might impact on infection experiments. Publicly available health reports from commercial vendors revealed that S. aureus colonization is rather frequent, with rates as high as 21% among specific-pathogen-free mice. In animal facilities, S. aureus was readily transmitted from parents to offspring, which became persistently colonized. Among 99 murine S. aureus isolates from Charles River Laboratories half belonged to the lineage CC88 (54.5%), followed by CC15, CC5, CC188, and CC8. A comparison of human and murine S. aureus isolates revealed features of host adaptation. In detail, murine strains lacked hlb-converting phages and superantigen-encoding mobile genetic elements, and were frequently ampicillin-sensitive. Moreover, murine CC88 isolates coagulated mouse plasma faster than human CC88 isolates. Importantly, S. aureus colonization clearly primed the murine immune system, inducing a systemic IgG response specific for numerous S. aureus proteins, including several vaccine candidates. Phospholipase C emerged as a promising test antigen for monitoring S. aureus colonization in laboratory mice. In conclusion, laboratory mice are natural hosts of S. aureus and therefore, could provide better infection models than previously assumed. Pre-exposure to the bacteria is a possible confounder in S. aureus infection and vaccination studies and should be monitored.
Water Consumption of Agriculture and Natural Ecosystems along the Ili River in China and Kazakhstan
(2017)
Die mitteleuropäischen Flachbärlappe (Gattung Diphasiastrum) sind in Deutschland alle hochgradig gefährdet und können ohne geeignete Artenhilfsmaßnahmen hier nicht dauerhaft überleben. In der vorliegenden Arbeit werden die Grundlagen für ein Artenhilfsprogramm geschaffen, indem die Reproduktionsbiologie untersucht worden ist und die ökologischen Ansprüche und Gefährdungsursachen ermittelt wurden, um entsprechende Hilfsmaßnahmen für die Arten zu entwickeln.
Um Rückschlüsse auf das Reproduktionssystem der Eltern- und Hybridarten zu erhalten, wurde die genetische Diversität ermittelt. Dabei kam das fingerprinting-Verfahren AFLP zum Einsatz, womit Arten und genetisch verschiedene Individuen voneinander abgegrenzt werden können. Verwendet wurden die beiden Primer-Kombinationen EcoRI-AAG / VspI-CT und EcoRI-ACT / VspI-CAG. Die größte genetische Diversität der Elternarten weist D. complanatum auf, die überwiegend durch echte Fremdbefruchtung (outcrossing) entsteht, während die genetische Diversität der beiden anderen Elternarten D. alpinum und D. tristachyum gering ist und nur knapp oberhalb einer definierten Fehlerrate liegt. Die Proben der Hybridarten unterscheiden sich so stark voneinander, dass davon ausgegangen werden muss, dass dies immer wieder neu entstehende F1-Hybriden sind, wenngleich die Unterschiede bei D. oellgaardii vergleichsweise gering aufgrund der geringen genetischen Diversität der Elternarten D. alpinum und D. tristachyum ist.
Die Sporenproduktion in den Sporenständen wurde unter anderem direkt durch Zählung von Sporen in den Sporangien unterm Stereomikroskop und Zählung der Sporangien in den Sporenständen ermittelt. Sporangien von L. clavatum enthalten demnach 27735 (± 7492) Sporen pro Sporangium, 105,2 (± 3,7) Sporangien pro Sporenstand und hochgerechnet etwa 2,1 bis 3,8 Millionen Sporen pro Sporenstand.
Die terminale Fallgeschwindigkeit liegt für L. clavatum bei 2,16 (± 0,11) cm*s-1 und für D. complanatum bei 2,25 (± 0,10) cm*s-1. Die Sporen haben einen Durchmesser von 29,5 (± 2,0) μm bzw. 32,3 (± 2,5) μm. Die gemessene Geschwindigkeit liegt deutlich unter der theoretischen und lässt sich damit erklären, da Sporen keine perfekten Kugeln sind und aufgrund ihrer stark reliefierten Oberfläche Turbulenzen erzeugt werden, die den Fall verlangsamen.
Die Anzahl der in Entfernungen bis 200 m zu einer sporenbildenden Population fliegenden Sporen wurde mithilfe von vertikalen klebenden Sporenfallen bei D. complanatum, D. tristachyum und L. clavatum bestimmt. Nur für die Population von L. clavatum mit 11358 reifen Sporenständen auf kleiner Fläche wurden weitere Berechnungen durchgeführt. Folgende Funktion beschreibt die Anzahl der durch die Luft fliegenden Sporen in einer Höhe von etwa 40 cm über dem Boden in Abhängigkeit zur Entfernung x: f(x) = 45878*x-2,302 (R² = 0,9979). Es konnten selbst in 200 m Entfernung noch einzelne Sporen an den Sporenfallen nachgewiesen werden. Da die maximale theoretische Ausbreitungsdistanz bei nur knapp 130 m liegt, selbst wenn ein konstant horizontal wehender Wind von 100 km/h angenommen wird, müssen aufwärtsgerichtete Luftströmungen eine entscheidende Rolle bei der Fernausbreitung spielen.
Die Ansiedlungsversuche wurden im Thüringer Schiefergebirge am Grünen Band bei Brennersgrün (D. alpinum und D. tristachyum) und im Pöllwitzer Wald (D. complanatum) durchgeführt. Als Vergleichsart wurde wieder L. clavatum verwendet. Die Sprossverpflanzungen verliefen insgesamt erfolgreich mit einer Überlebensrate von 8% für D. alpinum, 17% für D. complanatum, 8% für D. tristachyum und 22% für L. clavatum. Der jährliche Rhizomzuwachs liegt bei 0,5 cm, 13,3 (± 1,8) cm, 7,5 cm bzw. 9,1 (± 4,0) cm für die entsprechenden Arten.
Die Vegetationsbedeckung vorher abgeplaggter Flächen liegt zwischen 39 und 53% nach zwei Jahren, jedoch mit großen Unterschieden selbst zwischen benachbarten Flächen und wird hauptsächlich durch ein schnelles Mooswachstum bestimmt.
Nach etwa fünf Monaten sind keine Sporen auf sterilem Nährstoffmedium gekeimt, obwohl diese unterschiedlich behandelt wurden, zum Beispiel mit Rauchgas, Hitze, konzentrierter Schwefelsäure oder durch Mörsern. Auch die Keimungsversuche an den Wuchsorten waren nach 2,5 Jahren erfolglos. Eine Erklärung kann ein Dormanzstadium unbekannter Dauer vor der Keimung sein.
Der Anzahl der jährlich gebildeten vertikalen Sprossbüschel wurde indirekt für je eine Population für D. zeilleri (2,5/Jahr) und D. issleri (2,0/Jahr) bestimmt, indem der Quotient aus der Anzahl der Sprossbüschel an der längsten Rhizomverbindung und dem bekannten Alter des Standorts ermittelt worden ist. Die Zugehörigkeit von Rhizomstücken zu einem Klon wurde mit der AFLP-Methode abgesichert. Die meisten Populationen in Deutschland werden demnach mehrere Jahrzehnte alt, jedoch ohne beobachtete Verjüngung über Prothallien. Eine Erklärung könnten die immer noch sehr geringen pH-Werte in den Unterböden von 3,6 (± 0,24) sein, die giftige Al3+-Ionen pflanzenverfügbar machen.
The “East German National Park Programme” of 1989/1990 was considered a coup de main, resulting in the immediate protection of 4.5% of the GDR’s territory. The authors of this programme later described the approach and its success as “using a window of opportunity during the transition phase of state and nation.” This leads to the question whether a state’s transformation period constitutes a preferred time frame and momentum for spatial conservation success.
Conservation efforts in Azerbaijan showed a similar success as the East German National Park Programme. In a country with the highest biodiversity in Europe, increasing the share of protected land from 5.0 % in 2001 to 10.3% in 2015 constitutes a remarkable achievement. Thus, the country became an interesting case study regarding the question whether “hot moments for conservation” exist in times of political and governmental changes, and if spatial success in nature conservation can be linked to political transformation. This thesis attempts to identify how the protected area (PA) network in Azerbaijan could be expanded by 100%, what achievements were made, and what conditions still need to be met for the quantitative and qualitative improvement of the PA network. To this end, I consider this increase under landscape-ecological, historical and institutional aspects. The local culture and political pre-sets in the country present additional issues for analysing the past 25 years of nature conservation in Azerbaijan.
Leaf-inhabiting fungi are a hyperdiverse group of microbiota found in all terrestrial habitats. Comparative studies targeting the drivers of endophytic fungal biodiversity are rare and identified multiple effectors, such as plant chemistry, climate and seasonal attributes. Our project aimed to study the pattern of the leaf-associated mycobiome of European beech (Fagus sylvatica) at altitudinally distinct sites to reveal diversity, composition and seasonal dynamics of fungal endophytes by a combination of metabarcoding, cultivation and subsequent ecological analyses. This thesis also intended to study the fungal relationship with biotic and abiotic factors: elevation, local site conditions, leaf biochemistry and leaf status. Metabarcoding and cultivation were applied for same leaf samples to trace both environmental drivers and method-dependent signals of the detected fungi. An experimental field site consisting of 100 (2-years old beech) trees was established called ‘beech phytometer’ system at two altitudes (517 and 975 m a.s.l.) in a German mountain forest. Beech trees were randomly selected from both sites as well as from neighboring beech trees. Ten trees from each site were chosen and 10 leaves per tree were sampled. Climatic and leaf biochemistry (Chlorophyll, flavonoid and nitrogen) data were seasonally (Autumn, Spring and Summer) investigated for two continuous years (Oct 2013 to Oct 2015) at these two elevations. In the first year (autumn, 2013) of the project (chapter 3.1), the leaf-inhabiting fungi of natural beech trees were investigated by using high-throughput sequencing (metabarcoding) at three altitudinally distinct sites (with timberline at 1381 m a.s.l.) in the German Alps. This paper focuses on a detailed description and evaluation of metabarcoding amplicon library preparation and a subsequent analytical workflow. Fungal diversity and community composition were compared as a function of different elevated sites and leaf status (i.e., vital or senescent). However, three investigation sites resulted in 969 OTUs (operational taxonomic units) from 820441 sequences. Taxonomic compositions (order) of beech fungi differed strongly among the three sites but were less distinct between the vital and the senescence leaves. Fungal community composition at valley site clearly differed from those of mountain and timberline where differences between mountain and timberline were less prominent. Vital and senescence leaf differed in fungal community structures indicating a strong dynamics of leaf fungi in autumn. Elevation and leaf status were found to be the main explaining factors, which affected the fungal richness and compositions. Another survey (Chapter 3.2) was conducted just after the establishment of the ‘beech phytometer’ trees in the same period (autumn 2013) where leaf mycobiome of the phytometer trees (trees originally came from Northern Germany and grown in nursery) were compared with the fungi of surrounding natural beech habitat at valley (517 m a.s.l.) and mountain site (975 m a.s.l.) in the same location “Untersberg”. Fungal diversity was lowest in the managed habitat in the nursery and was highest in natural habitat. Fungal diversity and compositions significantly associated the origin of the trees. Under natural conditions, the fungi were more diverse at lower altitudes than at higher altitudes. Additionally, leaf chlorophyll and flavonoid contents showed negative correlations with fungal richness in natural stands. In the second year (autumn 2014), another survey (chapter 3.3) was conducted on leaf endophytes of phytometer trees with metabarcoding and cultivation approaches to trace the environmental drivers and method-dependent indications. Metabarcoding resulted in 597 OTUs from 170480 curated ITS1 reads and cultivation revealed 70 OTUs from 438 culture-based Sanger sequences. Both approaches resulted in non-overlapping community compositions and pronounced differences in taxonomic classification and trophic stages. However, both methods revealed similar correlations of the fungal communities with local environmental conditions. Our results indicate undisputable advantages of metabarcoding over cultivation in terms of representation of the major functional guilds, rare taxa and diversity signals of leaf-inhabiting fungi. This stressed out the importance of cultivation for complementing sequence databases with good quality reference data and encouraged the use of both approaches in future microbial biodiversity assessment studies. Phytometer and natural trees were intensively investigated in this study (chapter 3.4) to assess the influence of site characteristics (altitudes, local microclimate), seasonality, leaf biochemistry and leaf age on fungal diversity and composition. In total, our analytical Illumina workflow resulted in 15703599 demultiplexed and ITS1 reads from 165 samples. Clustering at 97% similarity resulted in 1199 OTUs. Climatic parameters were significantly differed between valley and mountain on daily basis but were insignificantly differed on monthly basis. The compositional difference between phytometer and natural mycobiome was significant for combined data as well as for the seasonal data (Oct 2013-Oct 2014). We observed a strong seasonal turnover in phyllosphere fungi in both habitats over the two years of investigation, suggesting that the plant-fungal system not only responds to cyclic climatic conditions but depends as well on various parameters, e.g., geographic position, substrates age and surrounding vegetation. A side (chapter 3.5) study was done to see the connection between the foliar endophytes and foliar phenolic compounds of European aspen (Populus tremula) in the presence and absence of specialist beetles (Chrysomela tremula). A distinct pattern of the leaf endophytes was found to be associated with aspen genotype and chemotype, but this specificity disappeared in the presence of herbivorous beetles. This suggested that leaf endophytes responded to the herbivory in aspen. In general, the altitudinal difference is the most important explaining factor for fungal community differences, which shapes many dependent abiotic and biotic habitat factors. Regarding cost and time per sequence, metabarcoding is superior to cultivation approaches and offers surprisingly profound insights by yielding much more data, allowing to test at once multiple hypotheses in fungal ecology.
Stoffflüsse in Makrophytensystemen: Ein Vergleich zwischen Küstenlagunen der südlichen Ostsee
(2017)
In früheren Jahrzehnten verschlechterte sich der ökologischen Zustand von zahlreichen inneren Küstengewässern der Ostsee durch die Eutrophierung, was z. B. zu intensiven Algenblüten führte. Submerse Makrophyten können den ökologischen Zustand von Süßgewässern verbessern, denn sie unterstützen z. B. die Sedimentation von suspendiertem Material und verringern die Resuspension. Zudem reduzieren sie indirekt das Phytoplankton, weil sie Zooplankton einen Prädationsschutz bieten und somit die Beweidung des Phytoplanktons durch das Zooplankton fördern. Es ist möglich, dass diese Rückkopplungsmechanismen in Brackgewässern weniger effektiv sind. Das Zooplankton ist anders zusammengesetzt und beweidet dadurch weniger effektiv das Phytoplankton. Außerdem wird es selbst, innerhalb der Makrophyten, durch bestimmte Fische und Invertebraten gefressen. In der vorliegenden Arbeit, wurden die Interaktionen zwischen submersen Makrophyten und ihrer abiotischen und biotischen Umgebung in zwei verschiedenen Küstengewässern der südlichen Ostsee untersucht: Vitter Bodden (mesotroph, Makrophyten-dominiert) und Darß-Zingster Boddenkette (DZBK, eutroph bis stark eutroph, Phytoplankton-dominiert). Die folgenden Parameter wurden von Juni bis September 2013 (Vitter Bodden) und von März bis November 2014 (DZBK) gemessen: Lichtattenuation, Konzentration von Gesamt-suspendiertem Material (TSM), von Chlorophyll a (Chl a), von Gesamt-Phosphor (TP) und von Gesamt-Stickstoff (TN). Zudem wurden die Verhältnisse TP zu TN und Chl a zu TP bestimmt. Der Beweidungsdruck des Zooplanktons auf das Phytoplankton wurde sowohl für den Tag als auch für die Nacht berechnet, in dem das jeweilige Zooplankton ausgezählt, die Biomasse und die Beweidungsrate berechnet wurde. Im Vitter Bodden wurde die Zusammensetzung der Makrophyten bestimmt, sowie ihr Bedeckungsgrad und ihr Anteil an der Wassersäule (PVI) in einer Wassertiefe <1 m geschätzt. In der DZBK wurde die Biomasse der Makrophyten bis in eine Wassertiefe von 1,9 m bestimmt. Die Tiefenverbreitung der Makrophyten war im Vitter Bodden nicht Licht-limitiert, aber in der DZBK, da sich dort der Hauptanteil der Makrophytenbiomasse nur bis in eine Wassertiefe von 1 m befand. In der DZBK hatte das Phytoplankton einen großen Anteil an der Lichtattenuation und limitierte dadurch vermutlich die Lichtverfügbarkeit nicht nur für die Makrophyten sondern auch für sich selbst. Aufgrund der TN zu TP Verhältnisse war das Phytoplankton in der DZBK P-limitiert, während es im Vitter Bodden durch beide Nährstoffe gleichzeitig limitiert war. Die Beweidung durch das Zooplankton konnte zeitweise vermutlich das Phytoplankton im Vitter Bodden reduzieren, aber nicht in der DZBK. Der Bedeckungsgrad der Makrophyten war hoch, aber sie hatten eine flache Wachstumsform und daher nur einen geringen PVI. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass der vermutlich hohe Wasseraustausch mit der Ostsee und der fehlende Eintrag aus Fließgewässern verantwortlich für die hohe Lichtverfügbarkeit im Vitter Bodden sind. Ein möglicher Einfluss der Makrophyten auf Wassertrübung, Nährstoffe, Phytoplankton und Zooplankton wurde vermutlich durch diesen Wasseraustausch maskiert. Im Gegensatz dazu gab es keine Effekte der Makrophyten auf Nährstoffe in der Wassersäule, sowie auf Phytoplankton und Zooplankton in der DZBK, da die Makrophyten nur auf die Randbereiche der Bodden beschränkt sind. Da Sedimentation und Resuspension hauptsächlich die Wassertrübung beeinflussen, wurde in einem weiteren Teil der vorliegenden Arbeit ermittelt, in wie weit Wind-induzierte Wellen die Sedimentationsraten beeinflussen, wenn sie unmittelbar sedimentiertes Material wieder resuspendieren. Zu diesem Zweck wurden zwei verschiedene Sedimentationsfallen verwendet: Zylinderfallen (ZF) und Tellerfallen (TF). Die TF wurden in dieser Studie das erste Mal an einem Wellen-exponiertem Standort verwendet. Sie erlaubten, dass unmittelbar sedimentiertes Material wieder resuspendiert werden konnte, was die ZF nicht konnten. Sedimentationsraten wurden mit beiden Fallentypen in einer Wassertiefe zwischen 0,9 m und 1,6 m bestimmt. Die Wellenexposition wurde berechnet, indem die halbe Oberflächenwellenlänge (λ/2) durch die Wassersäule oberhalb der Fallen (dF) dividiert wurde. Eine hohe Wellenexposition war definiert als (λ/2) / dF >1. Die Sedimentationsraten in beiden Fallentypen waren von der Wellenexposition beeinflusst. Jedoch in gegensätzlicher Weise. Bei hoher Wellenexposition sedimentierte ein geringerer Anteil des TSM pro Stunde auf den TF als bei geringer Wellenexposition, während in den ZF ein größerer Anteil sedimentierte. Daher wurde die Sedimentationsrate bei hoher Wellenexposition mit den ZF überbestimmt. Die verwendeten TF sind ein viel versprechendes Mittel um Sedimentationsraten in flachen, Wellen-exponierten Orten abzuschätzen, denn sie reflektieren den unmittelbaren Einfluss von Wellenbewegungen auf die Sedimentation von suspendiertem Material.
Forests are and have been of major importance to cover a variety of societal needs. Today the demands on forests are ever increasing with sequestering carbon and balancing the climate, to name only a few. To cover those requirements forests need vital, productive, and sustainable. A difficult concept as such as the understanding of a healthy forest varies greatly. Nevertheless, forests still have to produce a sufficient amount of yield while threatened by changing climate conditions. These are predicted to bring extended and more intense drought periods as well as a higher frequency of storms and the promotion of secondary disturbances like insects calamities to also rise. In this complex situation of high and versatile demand the focus is on the allocation of the “right” forest. Forest management is requested to balance the needs of humans against those of wildlife against those of the trees themselves. To gain the respective knowledge on species responses and provenance growth, now and in the future research gaps need to be closed. All factors influencing tree growth and therefore ultimately yield need to be understood and special focus needs to be on the interactions within the forest ecosystem. One of the parameters in understanding aggregated tree growth is the dynamic of growth. This can be visualised by dendroecological methods, providing a picture of growth within the individual years. Growth dynamics are dependent on multiple factors, some, like soil being preconditioning and other like climate causing short-term responses. In this thesis I focus on the influence of climate on annual tree growth using a new approach of daily climate data to calculate climate-growth correlations. This method has the advantage of representing tree processes better than the former approach of using monthly means. Furthermore the program enables the user to feed climate scenarios and therefore estimate future growth. To gather information on species as well as provenance differences to provide advice to foresters I used different trials in Britain and Germany. On the British site different oak species were planted while the German sites are stocked with various spruce provenances. For the latter we additionally used stable carbon isotope analysis to calculate intrinsic water use efficiency. The climate-growth correlations revealed differences between the oak species with a generally higher linkage to precipitation than temperature. While the differences are clear, the question of thresholds and the role of extreme events became apparent in this work. VII Abstract Assessing the impact of extreme events using dendrometer data revealed little differences in the response to short term events of the three investigated species, oak, beech, and pine. We were able to pick up stimulus-response-relationships and as a novel result no species-specific responses were found when focusing on such a small time frame. The provenance trials offered the opportunity to investigate the potential of the use of daily climate data more closely. The two contrasting sites planted with six spruce provenances each gave an insight on the adaptive potential of provenances as well as an indication on the response times. Depending on the proceeding environmental and the local climate conditions decisions have to be made on the species or provenance selection. This thesis provides a method as well as insight on the behaviour of the important European species beech, oak, pine, and spruce. It, however, highlights the limitations such methods have for large scale estimates. While general trends on the response to specific soil factors can be used, the climatic responses, be it thresholds or climate-growth correlations can only be seen within the ecological context of their sampling region.