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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.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der genetischen Grundlage der essentiellen Hypertonie. Viele Experimente konnten Genorte finden, die an der Blutdruckregulation beteiligt sind und bei Mutation zu Anstiegen des Blutdruckes führen. Bisher wurden jedoch keine Gene gefunden, die eine essentielle Hypertonie verursachen. Mittels der phänotypischen Selektion auf Bluthochdruck wurden Rückkreuzungshybriden aus normotensiven BB/OK Ratten und spontanhypertensiven SHR/Mol Ratten gezüchtet und im Anschluss mit Mikrosatellitenmarkern auf Veränderungen im Genom untersucht. Der Tierexperimentelle Teil dieser Arbeit und eine erste Untersuchung des Genoms mit 259 Mikrosatellitenmarkern wurde bereits 1997 durchgeführt [Klöting I. et al. 1997]. Die genaue Beschreibung des Rattengenoms und daraus resultierend die Vervielfachung der Mikrosatellitenmarker zur Analyse des Genoms machten eine Weiterführung der Arbeit sinnvoll. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Genom der Rückkreuzungshybriden mithilfe von weiteren 509 Mikrosatellitenmarkern auf Unterschiede im Vergleich zu normotensiven BB/OK Ratten untersucht. Wie bereits 1998 konnten auf Chromosom 14 Genorte ausgemacht werden, die nicht ausschließlich BB/OK zuzuordnen waren, sondern stattdessen Eigenschaften der spontanhypertensiven SHR-Mol Rattenlinie zeigten. Mithilfe der DNA-Sequenzierung konnten auf Chromosom 3 Mutationen entdeckt werden, die im kodierenden Bereich für das Gen Rnd3 liegen. Dieses Gen spielt eine Rolle bei der Hemmung der Ausbildung von Stressfasern. Diese Proteine verankern Zellen über Fokalkontakte an der Plasmamembran und sind unter anderem in den großen Gefäßen und dem Myokard zu finden. Hieraus lässt sich eine Relevanz für die Ausprägung von Hypertonie ableiten. Weitere Veränderungen im Genom der Rückkreuzungstiere konnten nicht gefunden werden. Hieraus kann man schlussfolgern, dass bei guter Abdeckung des Genoms der Ratten nur wenige bestimmende Gene eine Rolle bei der Ausprägung der Hypertonie spielen. Die Annahme, dass die essentielle Hypertonie über eine Vielzahl von Genen vererbt wird, erscheint anhand der gefundenen Ergebnisse unwahrscheinlich und bestätigt Ergebnisse der Entwicklung einer hypertonen Wistarratte von Okamato et al. 1966 [Udenfriend S. Et al. 1976]. Ob es sich bei den Veränderungen, die entdeckt wurden, um hauptursächliche Gene der essentiellen Hypertonie handelt, kann mit dieser Arbeit nicht geklärt werden. Klöting I. et al 1997: Klöting I, Kovacs P, Kuttler B, Phenotypic consequences after restoration of lymphopenia in the diabetes-prone BB/OK rat, Biochem Biophys Res Commun, 1997, Vol. 239 No. 1, 106-110 Udenfriend S. et al 1976: Udenfriend S., Bumpus F.M., Foster H.L., Freis E.D., Hansen C.T., Lovenberg W.M., Yamori Y., Spontaneously hypertensive (SHR) rats: Guidelines for breeding, care, and Use, ILAR
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.
Hintergrund: Die Körperlänge wird maßgeblich vom Wachstum der Wirbelsäule bestimmt. Bei Untersuchungen an der Wirbelsäule von BB.4Sd1- und BB.4Sd2- Ratten wurden Körperlängenunterschiede festgestellt, obwohl phänotypische Differenzen der Stämme nicht zu erwarten sind, da beide Rattenstämme kongen sind. Hypothese: Es sind Größendifferenzen der Wirbelparameter zwischen den Stämmen BB.4Sd1 und BB.4Sd2 vorhanden, die durch das Knochenwachstum beeinflusst werden. Methoden und Material: Es wurden 28 Tiere untersucht: 10 Tiere des Stammes BB.4Sd1 (D1) (5f/5m), 7 Tiere des Stammes BB.4Sd2 (D2) (3f/4m) sowie 11 Tiere des Stammes BB/OK (6f/5m) als Kontrollgruppe. Die Tiere wurden am Ende ihrer 32. Lebenswoche nach Bestimmung metabolischer Blutparameter (Insulin, Leptin, Triglyzeride, Gesamtcholesterin) getötet. Nach dem Wiegen erfolgte die Entnahme der Wirbelsäulen in toto und nach der Mazeration die Messung von je 12 Parametern an 6 Lendenwirbeln jedes Tieres. Ergebnisse: Die Lendenwirbel L1-L6 zeigten innerhalb des Stammes und des Geschlechts ähnliche Größenverhältnisse zueinander. Zwischen den Stämmen wurden signifikante Größenunterschiede (p < 0,05) ermittelt. Für die Mittelwerte aller Parameter gilt mit Ausnahme der Spinalkanalmaße (keine signifikanten Unterschiede zwischen den Stämmen) BB.4Sd2 > BB.4Sd1 > BB/OK. Diskussion: Für die festgestellten phänotypischen Unterschiede können genetische Varianten oder Mutationen in dem Genabschnitt verantwortlich sein, der beide Stämme vom Ursprungsstamm BB/OK unterscheidet. In der Arbeit wird der Einfluss der in diesem Abschnitt vorhandenen Gene Crhr2 und Ghrhr und der das Körperfett beeinflussenden Gene Npy oder Repin1 auf das Wachstum, insbesondere vermittelt durch das Wachstumshormon GH, diskutiert. Fazit: Die Hypothese eines Wirbelgrößenunterschieds zwischen den kongenen Rattenstämmen BB.4Sd1 und BB.4Sd2 wurde bestätigt. Da genetische Ursachen wahrscheinlich sind, ist eine Sequenzierung und Expressionsanalyse der Gene des übertragenen Abschnittes beider Stämme im nächsten Schritt notwendig. Die Analyse der Mechanismen hat wegen der Analogie der Wachstumssteuerung bei Mensch und Ratte klinische Bedeutung.