590 Tiere (Zoologie)
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In drei verschiedenen Teilanalysen wurden Erkenntnisse über die Wirksamkeit von Interventionsmaßnahmen gegen das Vorkommen und die Verbreitung von ESBL/AmpC-bildenden E. coli in der Hühnermast gewonnen. Literaturdaten und praktische Laborergebnisse, die teilweise selbst erhoben wurden, flossen in ein mathematisches Modell ein, um die Auswirkungen von Haltungsparametern und konkreten Interventionsmaßnahmen prädiktiv berechnen zu können. Die zusammengefassten Ergebnisse zeigen einen Einfluss der Maßnahmen „Competitive Exclusion“, „Reinigung und Desinfektion“ sowie den Haltungsparametern „Rasse“, „geringe Besatzdichte“ und „erhöhte Einstreumenge“ auf das Vorkommen von bestimmten ESBL/AmpC-bildenden E. coli. Zusätzlich zu den Einzelmaßnahmen wurden im Modell mehrere Kombinationen getestet, wobei zwei unterschiedlichen Szenarien verwendet wurden, entweder der Stall oder die Eintagsküken waren zu Beginn der Mastperiode positiv. Diese Kombinationen ergaben eine deutliche Reduktion der resistenten E. coli in den infizierten Tieren, in deren Ausscheidungen und in der Einstreu. In diesem Zusammenhang wären Daten aus tierexperimentellen Studien zu kombinierten Maßnahmen interessant. Weitere wissenschaftliche Ergebnisse könnten zu einem optimierten Modell beitragen, damit es die realen Bedingungen besser widerspiegelt. Zu einer weiteren Präzisierung könnte zum Beispiel die dezidierte mathematische Berechnung des Wachstums von resistenten E. coli in den unterschiedlichen Teilen des Gastrointestinaltrakts des Huhns und in der Einstreu führen, unter Berücksichtigung von pH-Wert und Temperatur. Ungeachtet dessen bietet die vorliegende Version des Modells eine nützliche Unterstützung bei der Vorhersage der Auswirkung unterschiedlicher Maßnahmen auf das Auftreten und die Verbreitung von ESBL/AmpC-bildenden E. coli in Masthuhnbetrieben. Diese Ergebnisse können zu einer umfassenden Quantitativen mikrobiologischen Risikobewertung (QMRA) beitragen, mittels derer die Effizienz von Risikominderungsmaßnahmen in der gesamten Broilerproduktionskette, von der Brüterei und Aufzucht über die Mast, Schlachtung, Verarbeitung und den Einzelhandel bis hin zum Verzehr - from farm to fork, bestimmt werden kann.
Das Gram-positive Bakterium Staphylococcus aureus besiedelt die menschliche Haut und die oberen Atemwege, z.B. die Nase. Aus noch unbekannten Gründen können die Bakterien gelegentlich einen pathogenen Charakter entwickeln und Krankheiten wie Furunkulose, Pneumonien oder Sepsis verursachen. Dieses pathogene Potenzial in Verbindung mit dem Auftreten von zahlreichen Antibiotika-Resistenzen in vielen klinisch relevanten S. aureus-Stämmen stellt ein Risiko für die menschliche Gesundheit dar. Deshalb ist es notwendig, potenzielle Effekte der bakteriellen Produkte, die die eukaryotischen Wirtszellen relevanter Organsysteme beeinflussen könnten, zu erforschen. Ziel dieser Arbeit war es deshalb, spezifische Elemente der frühen Signaltransduktion, der Genregulation und der physiologischen Antworten von humanen immortalisierten Atemwegsepithelzellen (S9) auf Kontakt mit Staphylococcus aureus-Zellkulturüberständen sowie rekombinant hergestellten individuellen Virulenzfaktoren (Hämolysin A (Hla, ein porenformendes Toxin) und Hämolysin B (Hlb, ein Enzym mit Sphingomyelinase-Aktivität)) zu untersuchen. Diese Ansätze dienen dazu, Hinweise auf die Identität sezernierter Stoffwechselprodukte von S. aureus zu erhalten, die in den eukaryotischen Wirtszellen zu direkten Abwehr- oder Vermeidungsreaktionen (angeborene Immunität) oder zu Bakterien-induziertem „Fehlverhalten“ führen, das möglicherweise (Mit-)Ursache der Pathogenität einiger Stämme des Bakteriums ist. Quantitative Western-Blot-Analysen mit löslichen Proteinextrakten von S9-Zellen offenbarten dabei eine Aktivierung der Erk-Typ-MAPK, der p38 MAPK und der Akt1/3, aber keine Aktivierung der c-Jun N-terminalen Kinase (JNK) oder Akt2 infolge der Behandlung mit steril-filtrierten S. aureus-Überständen aus der exponentiellen Wachstumsphase (OD540nm = 1), der stationären Wachstumsphase (OD540nm = 10) bzw. nach der Behandlung mit rekombinant hergestellten S. aureus Hämolysinen (rHla, rHlb). Analysen der Produkte sogenannter „früher Gene“ zeigten eine moderate Erhöhung der Expression von c-Jun und Egr-1, und eine stärkere Erhöhung der Expression von c-Fos nach der Behandlung der S9-Zellen mit den bakteriellen Überständen oder rekombinanten Toxinen (rHla, rHlb). Da Atemwegsepithelzellen bei Kontakt mit potenziell pathogenen Bakterien bzw. sekretorischen Faktoren dieser Bakterien Chemokine zur Rekrutierung von Neutrophilen sekretieren, (speziell IL-8), wurde ein Multiplex-Assay-System eingesetzt, mit dem es möglich war, 11 verschiedene Zytokine im Kulturüberstand der S9-Zellen nach Behandlung der Zellen mit den bakteriellen OD10-Überständen bzw. rekombinanten Hla oder Hlb zu analysieren. Die S9-Zellen reagierten dabei auf die Behandlung mit dem Überstand, Hla oder Hlb mit der Sekretion der pro-inflammatorischen Zytokine IL-8, IFN-γ und IL-6, und diese Zytokin-Expression wurde teilweise vermittelt über die Signalwege der Erk-Typ-MAPK und der p38 MAPK. Weiter konnte gezeigt werden, dass Atemwegsepithelzellen infolge der Behandlung mit bakteriellem Überstand bzw. Hla Zellformveränderungen unterliegen und ihre Integrität verlieren. Dieses könnte parazelluläre Wege im Epithel öffnen, und so den Bakterien ermöglichen, ins Innere des Wirtskörpers vorzudringen.
Die Fähigkeit Temperaturstress zu wiederstehen gilt als äßerst wichtig für die Fitness eines Individuums oder das Überleben von Arten. Lebewesen müssen daher effektive Mechanismen entwickeln, um unter belastenden Temperaturbedingungen überleben zu können. Reaktionen auf sich ändernde Umweltbedingungen könnnen schnell durch phänotypische Plastizität oder langsame durch genetische Adaptation erfolgen. Neben Temperaturstress haben möglicherweise auch andere Umweltfaktoren einen Effekt auf die Temperaturstressresistenz. Wir erforschten zunächst phänotypische Anpassungen der Temperaturstressresistenz, ausgelöst durch unterschiedliche Manipulationen der Umwelt, bei dem Augenfalter Bicyclus anynana. Temperaturinduzierte Plastizität bewirkte eine schnelle und deutliche Änderung in der Temperaturstressresistenz, dieser Effekt ist reversibel. Kurzzeitige Abhärtung ergab komplexere Muster, so war die Kältestressresistenz beispielsweise am höchsten bei intermediären Temperaturen. Die Temperaturstressresistenz konnte auch durch Futtererhältlichkeit, Alter und Lichtzyklus beeinflußt werden. Des weiteren wurde der Einfluß der Photoperiode auf die Temperaturstressresistenz an der Fliege Protophormia terranovae erforscht. Variationen der Temperaturstressresistenz konnten durch Änderungen in der Photoperiode hervorgerufen werden, so bewirkten kürzere Tageslängen kälteresistentere und längere Tage hitzeresistentere Phänotypen. Wir schlagen vor, dass es sich hierbei um adaptive saisonale Plastizität handelt. Neben Temperaturstress hat möglicherweise auch Inzucht einen negativen Einfluss auf die Fähigkeit, mit sich ändernden Umweltbedingungen zurechtzukommen. Das könnte das Aussterberisiko kleiner Populationen erhöhen, insbesondere wenn Häufigkeit und Intensität extremer Wetterereignisse in Zukunft zunehmen sollen. Wir untersuchten den Einfluss von Inzucht auf den Schlupferfolg, die Entwicklung und die Temperaturstresstoleranz bei dem tropischen Augenfalter Bicyclus anynana indem wir drei verschiedene Inzuchtniveaus bildeten( Ausgekreuzt, nach 1 und nach 2 Geschwisterverpaarungen). Bereits diese vergleichsweise niedrigen Inzuchtniveaus hatten einen negativen Einfluss auf die Reproduktion und Entwicklung bei günstigen Umweltbedingungen. Inzucht reduzierte auch die Kältetoleranz bei adulten Schmetterlingen, während es keinen Einluss auf die Hitzetoleranz gab. Wir schließen daraus das Stresstoleranz nicht zwangsläufig durch Inzucht negativ beeinflusst wird. Verringerte genetische Diversität als Konsequenz von Inzucht oder Drift verringert möglicherweise auch das evolutionäre Potential einer Population. Wir erforschten die Auswirkungen von Inzucht auf das evolutionäre Potential (die Fähigkeit, Kältetoleranz zu erhöhen) mit Hilfe künstlicher Selektion beginnend von drei Inzuchtniveaus (ausgekreuzt, eine und zwei Geschwisterverpaarungen.) Obwohl ein negativer Einfluss genetischer Erosion (z.B. durch Inzucht) auf das evolutionäre Potential theoretisch vorhergesagt wird, sind empirische Nachweise bisher kaum vorhanden. Unsere Studie zeigt eine deutliche Raktion auf die Selektion, deren Effekt in den ingezüchteten Populationen kleiner war als in den ausgekreuzten Populationen. Korrelierte Reaktionen auf die Selektion untersucht in 10 verschiedenen Merkmalen der Lebensgeschichte konnten nicht gefunden werden. Eine Inzuchtdepression ließ sich in einigen untersuchten Merkmalen nach wie vor nachweisen. Merkmale, die bedeutender für die Fitness sind, zeigten dagegen eine deutliche Erholung von der Inzuchtdepression. Wir konnten mit diese Studie experimentell zeigen, das erhöhte Inzuchtniveaus das evolutionäre Potential reduzieren und damit auch die Fähigkeit, sich an ändernde Umweltbedingungen anzupassen. Zuletzt untersuchten wir, ob die durch Selektion erhöhte Kältetoleranz für alle Entwicklungsstadien gilt. Es gab eine positive signifikante Reaktion auf die Selektion bei Imagines, die ein Tag alt waren (das Alter, in dem die Selektion stattgefunden hatte). Ältere Individuen zeigten eine ähnliche, jedoch schwächere Reaktion. Die erhöhte Kälteresistenz ließ sich jedoch nicht bei Eiern, Raupen oder Puppen nachweisen und war sogar geringer in den Selektionslinien im Vergleich zu den Kontrollinien bei Eiern und jungen Raupen. Diese Ergebnisse deuten auf Kosten erhöhter Kältetoleranz im adulten Stadium hin, so dass vermutlich weniger Ressourcen für den Nachwuchs in frühen Stadien der Ontogenie bleiben. Diese Dissertation verdeutlicht, wie wichtig es ist, sowohl genetische als auch Umwelteffekt zusammen zu betrachten, da beide interaktiv die Fähigkeit eines Organismus herausfordern sich an ändernde Bedingungen anzupassen. In Zeiten von durch den Menschen verursachten Verlust und/oder der Verkleinerung von Habitaten, die die Populationsgrößen verkleinern und damit auch die genetische Diversität, sowie erhöhtem Temperaturstress aufgrund des Klimawandels, wird das langfristige Überleben von Arten von dieser Fähigkeit abhängen.
Staphylococcus aureus, einer der häufigsten Erreger von Pneumonien, Endokardien und Sepsen (Frank et al. 2010), gehört bei nahezu einem Drittel der Bevölkerung zur normalen Nasenschleimhautflora (van Belkum et al. 2009) und kann unter bestimmten Risikobedingungen, vor allem in nosokomialer Umgebung, weiter in die unteren Atemwege vordringen und sich dort vermehren (van Belkum et al. 2009, Ahmed et al. 2015). Da das respiratorische Epithel von einer dicken, viskösen Mukusschicht bedeckt ist (Knowles & Boucher 2002), die Bakterien aufgrund ihrer Größe kaum durchdringen können, liegt die Hypothese nahe, dass es die sehr viel kleineren, löslichen Virulenzfaktoren der Bakterien sind, die den Mukus überqueren und einen ersten Pathogen-Wirt-Kontakt herstellen können. Das lösliche, porenbildende α-Hämolysin (Hämolysin a, Hla) ist einer der Haupt-Virulenzfaktor von S. aureus (Spaulding 2012). Studien hatten gezeigt, dass Hla auch in sublytischer Konzentration zu einer Auflösung der Zell-Zell- (Inoshima et al 2012) und Zell-Matrix-Kontakte (Hermann et al. 2015) humaner Atemwegsepithelzellen führte und so eine Lückenbildung im Zellverband induzierte. In vivo könnten solche Hla-vermittelten Prozesse dazu beitragen, dass eine erste Schädigung des Epithels erfolgt und die Überwindung der epithelialen Barriere für S. aures erleichtert wird. Die vorliegende Arbeit konnte in einem ersten Teil zeigen, dass diese Unfähigkeit von humanen Atemwegsepithelzellen (16HBE14o- und S9), nach Inkubation mit rHla den epithelialen Zusammenhalt aufrecht zu erhalten und entstandene parazelluläre Lücken durch aktive Migration zu schließen, auf eine rHla-induzierte Hyperphosphorylierung des fokalen Kontaktproteins Paxillin an Tyrosin 118 (und damit erhöhten Turnover der fokalen Kontakte) und Hypophosphorylierung des Actin-depolymerisierenden Faktors Cofilin an Serin 3 (und damit verstärkten Abbau von Stressfasern) zurückzuführen war. Der Hla-Effekt konnte so in fünf Prüfgrößen quantifizierbar erfasst werden: (1) Verlust des epithelialen Zusammenhalts, (2) Reorganisation des Actinzytoskeletts, (3) Auflösung fokaler Kontakte, (4) Hyperphosphorylierung von Paxillin und (5) Hypophosphorylierung von Cofilin. Im zweiten Teil der Arbeit wurden diese Prüfgrößen herangezogen, um den Mechanismus der Hla-Wirkung genauer aufzuklären. Durch Einsatz einer nichtporenbildenden Mutante rHla-H35L und dem Porenblocker IB201 konnte zunächst gezeigt werden, dass für die schädigenden Effekte auf den epithelialen Zusammenhalt der Zellen Ausbildung einer funktionellen Hla-Pore notwendig war und nicht Bindungsereignisse der Monomere, der Vorpore oder der Pore allein den Hla-Effekt auslösen konnten. Um die porenabhängigen Ereignisse zu untersuchen, wurden Ionenströme durch die Hla-Pore identifiziert und mit Ionomycin (erzeugt einen Calciumeinstrom) und Gramicidin (erzeugt einen Natriumeinstrom und Membrandepolarisierung) nachgebildet. Beide Ionenströme zusammen konnten den Hla-Effekt nahezu vollständig erzeugen. Die Ergebnisse wiesen darüber hinaus darauf hin, dass die Hla-erzeugten ionalen Veränderungen an der Membran unterschiedliche Signalveränderungen in der Zelle vermittelten: Calciumaktivierte Signalwege schienen vor allem für die beobachtete Paxillin-Phosphorylierung verantwortlich zu sein, während ein Natriumeinstrom zu einer Cofilin-Dephosphorylierung führte. Die genaue Signaltransduktion zwischen Einstrom der Ionen und (De-)Phosphorylierungsereignissen erfordert jedoch noch eine genauere Aufklärung. Des Weiteren konnte die Modellierung der Ionenströme den Hla-Effekt nicht komplett nachbilden, sodass wahrscheinlich zusätzliche porenabhängige Signalwege nach Hla-Behandlung (z.B. Verlust von ATP, Baaske & Richter et al. 2016) aktiviert werden.
Die Ergebnisse dieser Arbeit sollen dazu dienen, das Tragen eines Maulkorbs bei Diensthunden als möglichen Stressor zu analysieren und das Verhalten von Passanten auf Maulkorb tragende Hunde weiter zu erforschen.
123 Diensthunde wurden dafür in drei verschiedenen Situationen (Ablage (N=103), Stadtspaziergang (N=51) und Schutzdienst (N=35)) untersucht. Hierzu wurden das Ausdrucksverhalten und die Cortisolwerte videografiert und gemessen. Die Situatio-nen wurden jeweils einmal ohne und einmal mit Maulkorb durchgeführt, um gegebenenfalls eine Veränderung im Verhalten oder in den Cortisolwerten der Hunde durch den Maulkorb zu erkennen. Die Cortisolproben wurden vor der Situation im oder am Auto von den Diensthunden von den jeweiligen Hundeführern entnommen. 10-15 Minuten nach der Situation wurde die zweite Speichelprobe entnommen. Die Speichel-Cortisolwerte vorher und nachher dienten dem Vergleich und der Beurteilung, ob der Maulkorb einen Einfluss auf die Cortisolwerte hatte. Ausgewertet wurden die Proben mit Hilfe eines Enzymimmunoassays in Wien.
Während des Stadtspaziergangs wurde das Verhalten der Passanten auf die Hunde videografiert und ausgewertet. Auch hierbei wurde der Vergleich im Verhalten der Menschen auf die Diensthunde „ohne Maulkorb“ (N=1010) und „mit Maulkorb“ (N=1011) angestellt.
Die Fragestellungen dieser Arbeit waren:
• Zeigt der Diensthund in drei unterschiedlichen Übungssituationen durch das Tragen des Maulkorbes andere Verhaltensweisen als ohne Maulkorb?
• Steigt der Pegel des Stresshormons Cortisol beim Diensthund durch das Tragen des Maulkorbes in drei unterschiedlichen Übungssituationen im Vergleich zu den gleichen Situationen ohne Maulkorb an?
• Sind die Reaktionen von Passanten auf einen maulkorbtragenden Hund anders, als auf einen Hund ohne Maulkorb?
In dieser Studie konnte in keiner der drei Situationen ein Anstieg der Cortisolwerte bei den Hunden durch das Tragen des Maulkorbes festgestellt werden. Bei den Ver-haltensbeobachtungen konnten hingegen Unterschiede erkannt werden. Die Ohr- und Rutenhaltung wurden während des Stadtspaziergangs mit Maulkorb häufiger in einer defensiveren und submissiveren Stimmungslage getragen. Zusätzlich wurde ohne Maulkorb mehr gewedelt und geschnüffelt.
Der Einsatz des Maulkorbes bei der Polizei erzeugt nach dieser Studie bei Dienst-hunden keinen zusätzlichen Stress und stellt vielfach ein unersetzliches Hilfsmittel dar. Auch bei der Verwendung im Privathundebereich ist der Maulkorb deshalb mit hoher Wahrscheinlichkeit ein gutes Hilfsmittel, das der Hund, bei guter Gewöhnung und für einen begrenzten Zeitraum, ohne gesundheitliche Bedenken tragen kann.
Das Verhalten der Passanten auf die Hunde unterschied sich nur in dem Verhalten „keine Reaktion“. Auf Hunde ohne Maulkorb wurde häufiger nicht reagiert. Ein Anzeichen für erhöhte Furcht oder Wachsamkeit bei einem potentiell gefährlichen Hund mit Maulkorb, wie es in der Studie von Racca & Baudoin (2009) festgestellt wurde, konnte nicht beobachtet werden.
Der Vergleich von den in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnissen mit anderen Studien, ist fast nur in dem Bereich der Stressforschung beim Hund möglich. Arbeiten über die Auswirkungen des Maulkorbes auf das Verhalten von Hunden oder Passanten sind bisher kaum durchgeführt worden. Diese Arbeit bietet in diesem Bereich einen bisher einzigartigen Ansatz und konnte darüber hinaus mit einer großen Anzahl von Hunden durchgeführt werden.
Die vorgelegte Studie wurde auch im Hinblick auf Tierschutzaspekte durchgeführt und diskutiert. Es ist zu berücksichtigen, dass für die hier getesteten Situationen nur ein kurzes Tragen des Maulkorbes vom Hund notwendig war. Die Vielfältigkeit der unterschiedlichen Ausbildungsmethoden in den Polizeidienststellen und auch die vielfältigen Persönlichkeiten von Hunden und Hundeführern machen die Arbeit so anwendungsrelevant. Gerade auch die unterschiedliche Gewöhnung und Gewöhnungszeit an den Maulkorb, spiegelt die Realität im Umgang mit diesem Hilfsmittel wider und bietet, durch die große Zahl an teilgenommenen Hunden, trotzdem aussagekräftige Ergebnisse.
In einer parallel durchgeführten Studie von I. Spitzley werden das Verhalten und die Cortisolwerte von Haushunden während eines 45 minütigen Freilaufs, jeweils Hunde mit und ohne Maulkorb, ausgewertet und analysiert.
For decades, evolutionary biologists have sought to understand the evolution of individual behaviour, physiology and ecology allowing organisms to cope to environmental change. One of the main challenges of current climate change is the unprecedent rate of temperature increase, as well as the increased occurence of extreme heat events. Interindividual response variability opens a whole new area of opportunities to understand how individual phenotypic traits are linked to individual response differences. In colour polymorphic species, colour honestly reflects an individual’s life-history strategy, and each morph may, therefore, represent an alternative life-history strategy. As such, colour polymorphic species, such as the Gouldian finch (Erythrura gouldiae), may be good models to assess how different strategies between morphs are linked to their espective responses to environmental variations. However, polymorphic species have mainly been disregarded for that purpose. In this context, the main aim of this thesis was to understand how the two morphs of the Gouldian finch respond through phenotypic plasticity to simulated heatwaves reaching thermocritical temperatures, and whether such differential responses may help to identify a ‘winner’ and a ‘loser’ morph in the light of climate change. To address these issues, we used an integrative approach including measurements of behavioural (Study 1), physiological (Study 2), and reproductive (Study 3) parameters. The novelty of our approach was to assess the immediate behavioural and physiological response variation of individuals of the two morphs longitudinally across different thermal conditions, as well as the postponed effects of this thermocritical heatwave exposure on their reproductive performance. In this study, although the behavioural responses generally did not differ between morphs or according to temperature intensity, the physiological and reproductive parameters differed in response to morph and temperature intensity. Blackheaded females, in particular, seem highly sensitive to thermocritical heatwaves, as they exhibited decreased body mass and increased oxidative damage during the thermocritical heatwaves, and advanced breeding initiation after these conditions, whereas these variables remained mostly unaffected in black-headed males and red-headed individuals. However, despite some response differences between morphs, both invested similarly in reproduction following intense heatwaves, and the offspring of both morphs were similarly affected. Based on these results, no morph therefore seems to appear more disadvantaged than the other following an intense heatwave, and red- and black-headed Gouldian finches may both be considered as climate stress ‘losers’.
The impact of inbreeding under different environmental conditions and of artificial selection on cold tolerance was investigated in laboratory populations of the tropical butterfly Bicyclus anynana. The investigation focused on (1) the effects of inbreeding on several fitness-related traits and whether inbred individuals are more susceptible to stress, (2) interactions between inbreeding, genetic adaptation to cold stress and environmental conditions, (3) the effects of artificial selection and inbreeding in the adult stage in other developmental stages, and (4) the effect of inbreeding depression on the heat shock response. Environmental conditions are not constant over time; consequently organisms have to deal with environmental changes. Besides naturally fluctuating conditions, human-induced climate change may increase temperature changes as well as the severity of heat or cold waves. Temperature-stress resistance describes an organism’s ability to cope with stressful temperatures. Enhanced resistance to temperature stress can be reached by phenotypic plasticity or genetic adaptation. Plastic organisms are able to react fast to changing environmental conditions, whereas genetic adaptation is more important for long-term adaptation. Natural habitats may also be affected by human impact, causing habitat loss or fragmentation and changes in population structure. A decrease in the population size may result in inbreeding and inbreeding depression (ID). Consequences of inbreeding are well documented, and inbred individuals are predicted to be more sensitive to environmental stress than outbred individuals. The long term persistence of species and populations depends on their ability to adapt to novel conditions which in turn depends on genetic diversity. Therefore, studies of temperature resistance and its evolution in relation to inbreeding are very important. First a higher susceptibility of inbred individuals to environmental stress was determined in different populations of B. anynana. Inbreeding depression was revealed for several fitness-related traits, but not for immunity traits or heat tolerance. Temperature affected most traits, revealing the importance of temperature on ectotherms; just two hours of thermal stress affected important reproductive, life-history and immunity traits already. Importantly though, no evidence were found that inbred individuals are more susceptible to stressful temperatures than outbred individuals. Genetic adaptation and phenotypic plasticity can interact with one another, resulting in genotype-environmental interactions (G x E). The hypotheses tested here were that some genotypes are more plastic than others and that lines with increased cold stress resistance are less plastic with regard to cold resistance than control lines. To induce plastic responses the exposed lines differed in cold tolerance and inbreeding to different temperatures as well as different feeding regimes and measured fitness-related traits. Several interactions were detected in which a selection regime was involved, but these interactions did not show a clear overall pattern. In summary though, findings were that marginal impacts of directional selection and inbreeding on plastic responses and suggest that, at least for my study organism, the genetic architecture of fitness-related traits is not connected with the architecture of plastic responses. The next investigation concerned with the manifestation of genetic adaptation to produce one specific phenotype across development stages and possible trade-offs. The assumption tested was that there is a genetic link between different developmental stages to produce one definite phenotype by imposing selection in the adult stage only. Lines selected for increased cold resistance in the adult stage were used and increased cold resistance throughout all developmental stages was expected. However, higher cold resistance was found only in the adult stage and not in developmental stages. This could be either the result of a resource allocation trade-off between different stages or that there is no cold resistance phenotype. Thus, if selection takes place in the adult stage it does not affect the others. In the last experiment investigation was directed to determine whether there are negative inbreeding effects on the heat shock protein (HSP) response. Under stressful conditions, organisms produce the HSPs and they act as chaperons required for refolding and repairing of stress degraded proteins. Testing was oriented to find if inbreeding as a genetic stressor´ provokes a higher HSP expression and if there is evidence for higher temperature stress susceptibility on inbred individuals. Findings indeed showed a stronger HSP up-regulation in control compared to inbred lines with a negative inbreeding impact occurrence, which may causally underlie inbreeding depression.
The need for the diversification of utilised species has emerged in the present aquaculture
production environment. Shifts in consumer interest, climate change-induced temperature
increases, and major fish disease outbreaks have put a strain on this industry. In this context,
the pikeperch (Sander lucioperca) has become a new target species for aquaculture in Central
Europe. This new aquaculture focus species exhibits high numbers of offspring, fast growth,
and high consumer acceptance. It can also effectively deal with higher temperatures and turbid
water. However, the rate of successful rearing is still low, as various developmental
transformations and environmental effects commonly lead to high mortality rates during the
early ontogenetic stages. The aim of this doctoral project was thus to obtain insight into
embryonic to larval developmental changes during pikeperch ontogeny. Specifically, the times
of change that influence survival were of focus. Based on the available literature, particular
attention was paid to general growth patterns and the connected developmental changes, the
determination of myogenesis gene marker expression changes, and the support of animal
welfare efforts for pikeperch rearing procedures. To achieve the aims of the study, a methodical
setup consisting of morphometric and developmental observations was combined with
transcriptome gene marker analysis for the different ontogenetic stages.
Three developmental phases were differentiated during the embryo-larval transition. Each of
these possessed distinct growth patterns with different growth rates. The intermediate
threshold phase showed internal organ development that focused on digestive, neuronal, and
heart tissues. Three activity phases of myogenesis were determined: during early embryonic
development, before hatching, and after hatching during the larval stages. Therefore, muscle
development seemed to be regulated to balance energy expenditures. Additionally, two
coinciding skeletogenic phases were found. Furthermore, a cell line from whole embryos was
developed to support the replacement of animals in future experimental setups. A software
system for video analyses was developed to support rearing procedures in aquaculture
facilities. This prototype can be used to automate the counting of specimens and thus allows
for faster responses to increasing mortalities. Based on the results of this thesis project, further
insights into the early development of pikeperches were obtained. This will facilitate the design
and adaptation of raising and husbandry protocols, which can help to further establish
pikeperch as an aquaculture species and support its application in modern recirculatory
systems.
Die „protein misfolding cyclic amplification“ (PMCA) ist eine Methode zur Amplifikation des pathologischen Prion-Proteins in vitro und ermöglicht so den hochsensitiven Nachweis von PrPSc-Molekülen. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, diese neue Untersuchungsmethode zum Nachweis des BSE-Erregers zu adaptieren, verschiedene Erregerstämme zu charakterisieren und unterschiedliche Gewebeproben aus der Pathogenese-Studie des FLI (HOFFMANN et al. 2007) auf ihren Priongehalt zu testen. Durch Festlegung von Standardwerten für die Ultraschallbehandlungen im Hinblick auf Zyklenzahl, Schallstärke, Inkubationstemperatur und Zyklusdauer sowie Verwendung definierter negativer als auch positiver Kontrollen, konnte die PMCA erfolgreich angepasst werden. Verwendet wurde als Substrat Hirnhomogenat transgener Mäuse, die das bovine PrPC überexpremieren (Tgbov XV). Bei Untersuchungen von Gewebeproben von insgesamt 4 Rindern aus der Pathogenesestudie konnte PrPSc in folgenden Gewebetypen nachgewiesen werden: dem dorsalen Root-Ganglion, dem Ganglion coeliacum, dem Ganglion stellatum, dem Ganglion trigeminale, der caudalen Medulla, den jejunalen und ilealen Peyer´schen Platten, dem Kolon, dem ilealen und jejunalen mesenterialen Lymphknoten, dem Nervus opticus, den Nebennieren, dem Rectum und dem Rückenmark und erstmals auch im Labmagen, dem Oesophagus und dem Pansen. Die PMCA wurde ebenso für die Untersuchung zur Speziesbarriere eingesetzt. Dazu wurden verschiedene TSE-Stämme (klassische BSE, atypische BSE, klassische Scrapie, ovine und caprine BSE sowie CWD) in unterschiedlichen Substraten mit bovinem und ovinem PrPC amplifiziert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Speziesbarriere eine verringerte Amplifikationseffizienz in vitro verursachte und teilweise die Amplifikation vollständig inhibierte. Zusätzlich wurde beobachtet, dass die Amplifikationseffizienz nicht nur von der Sequenzhomologie bestimmt wird, sondern auch von der Konformation der eingesetzten Isolate. Dies korreliert mit der erleichterten Infizierbarkeit von Individuen gleicher Art im Gegensatz zu der verringerten Übertragbarkeit zwischen artfremden Spezies (Speziesbarriere). Die mangelnde Umfaltungs-Effizienz ist eine Folge von Spezies-spezifischen Sequenzunterschieden im Prion-Protein und daraus resultierender Strukturunterschiede. Einen Hinweis auf ein verändertes Verhalten der Seeds in vivo und in vitro wurde bereits in der Literatur beschrieben. Intrazerebral infizierte Hamster, die mit einem in der PMCA amplifizierten Seed inokuliert wurden bewiesen, dass das neu gebildete PrPres infektiös war, da sich bei den Tieren nach etwa 165 Tagen, post infektionem, klinische Symptome für eine Scrapieerkrankung zeigten (CASTILLA et al. 2005). Wurden die Hamster aber direkt mit einem Hamster-Scrapie-Stamm der Variante 263K inokuliert, erkrankten diese schon nach 60 Tagen (KIMBERLIN et al. 1977), was auf eine Veränderung der PrPres-Fragmente während der PMCA-Reaktion hindeutet. Eine vergleichbare Studie zeigte, dass sich diese Ergebnisse bei intrazerebraler Inokulation in Mäusen reproduzieren lassen (WEBER et al. 2007). In der PMCA konnten also PrPres-Amplifikate mit veränderten biochemischen Eigenschaften generiert werden. Zukünftige Arbeiten müssen zeigen, inwieweit die PMCA andere diagnostische Nachweisverfahren (Mausbioassay, Immunhistochemie) für den BSE-Erreger ergänzen oder gar ersetzen kann. Um die PMCA als ein sicheres Diagnoseverfahren zu verwenden, sind jedoch weitere Untersuchungen insbesondere hinsichtlich der Spezifität der Methode nötig.
The goal of this thesis was to study the systematic relationships within the superfamily Sylvioidea (Aves: Passeriformes) in general and within the closely related families Acrocephalidae and Locustellidae in particular, by means of DNA sequences. Sylvioidea itself and families therein were the focus of many studies based as well on morphological characters as on DNA. Due to their morphological similarity and their presumably rapid radiation most studies failed to solve relationships between sylvioidean families and also demarcations of single families and relations within are still in progress. In this study, an enlargement of previous datasets, both taxa and number of DNA sequences, and more sophisticated analysis methods were used to improve the resolution in Sylvioidea, Acrocephalidae and Locustellidae. In addition, the applicability of barcoding in Acrocephalidae was tested. The monophyly of Sylvioidea could be supported and the families Paridae and Remizidae, which were sometimes still included, clustered among the outgroup taxa. Four families, Nicatoridae, Panuridae, Alaudidae, and Macrosphenidae constitute basal splits within Sylvioidea. The division of the former sylviid/timaliid clade in five families, Sylviidae, Leiothrichidae, Pellorneidae, Timaliidae, and Zosteropidae was supported. Scotocerca, Erythrocercus, and Hylia, previously supposed to be members of Cettiidae, were shown not to belong to this family. As the three genera are also morphologically and ecologically different, they were here proposed to be elevated to family rank, Scotocercidae, Erythrocercidae and Hyliidae, respectively. The family Acrocephalidae consisted of the four genera, Nesillas, Acrocephalus, Hippolais, and Chloropeta. In the analysis for this thesis, the latter three appeared to be non-monophyletic. One Acrocephalus species, A. aedon was sister to a clade containing four species of Hippolais as well as two out of three Chloropeta species. They were all merged in the genus Iduna, based on the DNA evidence and shared morphological and ecological characters. Iduna had priority over Hippolais or Chloropeta according to the International Code of Zoological Nomenclature. The one remaining Chloropeta species (C. gracilirostris) had to be renamed to Calamonastides as Chloropeta was no longer available for this taxon. Seven genera were included in the re-analysis of the family Locustellidae: Locustella, Bradypterus, Megalurus, Dromaeocercus, Schoenicola, Cincloramphus, and Eremiornis. Apart from the monotypic genera Dromaeocercus and Eremiornis and Schoenicola, of which only one species was included, the remaining genera were found to be non-monophyletic. One clade contained all Locustella species, Megalurus pryeri and all Asian/Oriental Bradypterus species. All species in this clade were synonymized with Locustella, as the type species of Locustella was included, whereas the type species of Bradypterus fell in a different clade. Therefore, the remaining African Bradypterus species retained their genus name, and Dromaeocercus was renamed to Bradypterus as it clustered within Bradypterus. Cincloramphus, intermingling with the remaining Megalurus species, was synonymized with the latter. Barcoding, growing in popularity for delimiting species, was tested in its applicability for Acrocephalidae. Fourteen taxa currently recognized as full species would fall under the 2% threshold of sequence divergence proposed for delimiting species using the mitochondrial cytochrome b gene. It was also shown that it is important to clarify which part of a DNA sequence is used, as different parts can give different results regarding the 2% threshold. In addition, the choice of “complete deletion” or “pairwise deletion” in calculating genetic distances is important, if incomplete are sequences used.