Universität zu Köln

Daphnien sind in nahezu jedem stehenden limnischen Ökosystem abundant und besitzen als häufig dominierende herbivore Zooplankter eine Schlüsselrolle im Nahrungsnetz eines Gewässers. Daphnien dienen als Modellorganismen für Verteidigungsmechanismen, die durch räuberbürtige chemische Signalstoffe, sogenannte Kairomone, induzierbar sind. Als Hauptnahrungsquelle für invertebrate und vertebrate Räuber wie planktivore Fische haben Daphnien eine Vielzahl von induzierbaren Verteidigungsmechanismen evolviert, um die räuberbedingte Mortalität zu senken. Zu diesen Verteidigungsmechanismen gehören Veränderungen des Lebenszyklus (Veränderungen der Life-History: LHC), morphologische Strukturen und Anpassungen des Verhaltens (Tagesperiodische Vertikalwanderung: DVM). Induzierbare Verteidigungen wie LHC und DVM gegen planktivore Fische sind mit erheblichen Kosten für Daphnien verbunden und es gibt Hinweise auf eine mögliche Koadaptation dieser beiden Verteidigungsmechanismen in Daphnien, die auf eine plastische Kopplung von LHC und DVM hindeuten. Basierend auf den substanziellen energetischen und demographischen Kosten dieser induzierbaren Verteidigungen wurde außerdem die Hypothese aufgestellt, dass es für Daphnien nicht adaptiv wäre, alle dem Individuum möglichen Verteidigungen zur selben Zeit auszuprägen, sofern eine oder die effizienteste Verteidigung gegen den Räuber ausreichen würde. Sollte also eine plastische Kopplung dieser beiden durch fischbürtige Kairomone induzierbaren Verteidigungsmechanismen (LHC und DVM) in Daphnien vorliegen, so muss es einen zusätzlichen Faktor neben den Kairomonen geben, der diese Kopplung kontrolliert. Des Weiteren ist die molekulare Ebene dieser Verteidigungsmechanismen wenig untersucht, obwohl das Daphnien Genom entschlüsselt worden ist und die dazu notwendigen Methoden der Molekularbiologie verfügbar sind. Die vorliegende Arbeit zeigt neuartige und umfassende Einblicke in die Mechanismen einer bekannten induzierbaren Verteidigung von Daphnien gegen planktivore Fische: Neben klassischen ökologischen Experimenten wurden qPCR Analysen, LC-MS Analysen und eine umfassende Proteomanalyse (basierend auf LC-MS/MS) durchgeführt. Ich konnte zum ersten Mal zeigen, dass die Anwesenheit von Licht ausschlaggebend für die Induktion von LHC in Daphnien in Anwesenheit von fischbürtigen Kairomonen ist. Den gleichen Effekt konnte ich für die relative Expression von Zielgenen für fischbürtige Kairomone nachweisen. Diese Ergebnisse deuteten auf eine Kopplung der Verteidigungsmechanismen (LHC und DVM) hin, die über den abiotischen Faktor Licht reguliert wird. Unter natürlichen Bedingungen sind Daphnien allerdings einer Lichtperiode und unterschiedlichen Lichtintensitäten ausgesetzt. Demzufolge habe ich die Rolle von unterschiedlichen Lichtintensitäten bei der Induktion von LHC in Daphnien weiter untersucht. Die Daphnien wurden einem Lichtintensitätsgradienten ausgesetzt, welcher auf Lichtintensitäten basiert, die in der Wassersäule eines natürlichen Sees vorkommen. Ich konnte zeigen, dass die LHC in Daphnien gegensätzlich an die umgebende Lichtintensität gekoppelt sind und dass ein Schwellenwert für eine Lichtintensität zur Induktion von LHC existiert. Eine gleiche Abhängigkeit von der Lichtintensität konnte ich für die Expression eines Zielgens für fischbürtige Kairomone in Daphnien nachweisen. Basierend auf diesen Beobachtungen lautet meine Hypothese, dass die Amplitude der tagesperiodischen Vertikalwanderung (DVM) Einfluss auf die Lichtintensität nimmt die ein Individuum umgibt und somit, den Grad der Ausprägung der Veränderungen in der Life-History bestimmt (LHC). Meine Ergebnisse deuten auf eine plastische Kopplung von LHC und DVM in Daphnien hin, die über die Lichtintensität der Umgebung reguliert wird. Solch eine Kopplung würde eine variable Anpassung an sich verändernde Umweltbedingungen ermöglichen und gleichzeitig die assoziierten Kosten senken, die mit dem gleichzeitigen Einsetzen von beiden Verteidigungsmechanismen verbunden sind. Diese plastische Kopplung wäre vor allem in solchen Habitaten für Daphnien adaptiv, die eine Vertikalwanderung nur zu bestimmten Zeiten in der Saison (z.B. dem Frühling) ermöglichen. Wenn im späteren Jahresverlauf das Hypolimnion eines Sees für Daphnien bedingt durch Anoxia nicht mehr verfügbar ist, würden eine alternative Verteidigung wie die LHC notwendig werden. Dieser Sachverhalt, dass LHC als alternative Verteidigungsmechanismen zu DVM in Daphnien auftreten können, konnte in Studien schon beobachtet werden. Der letzte Abschnitt meiner Dissertation beschreibt erstmalig eine Proteomanalyse (basierend LC-MS/MS) mit dem Ziel funktionelle Proteine zu identifizieren, die in den von fischbürtigen Kairomonen induzierten LHC von Daphnien involviert sind, um die phänotypischen Veränderungen auf Proteinebene zu erklären. In Übereinstimmung mit den oben beschrieben Ergebnissen konnte ich wiederum zeigen, dass die Daphnien nur in Anwesenheit von Licht mit LHC auf die Anwesenheit von fischbürtigen Kairomonen reagieren. Zusätzlich konnte ich den Extrakt, der die fischbürtigen Kairomone enthält und für die Experimente in Kapitel 1 und 2 dieser Arbeit benutzt wurde, in einer langen Serie von Experimenten (z.B. Fraktionierung mittels LC-MS) weiter aufreinigen und anreichern. Die biologische Aktivität konnte einer spezischen und hochaufgereinigten Fraktion zugeordnet werden, welche für Life-History Experimente der Proteomanalyse benutzt wurde. Es wurden ausschließlich Daphnien für die Proteomanalysen verwendet, die die erwarteten LHC aufzeigten. Die Proteomanalysen führten zu der Identifizierung von funktionellen Proteinen, die von fischbürtigen Kairomonen und Lichtintensität beeinflusst werden. Die Analyse dieser Daten führte zu einem Stoffwechselweg, der erstmalig eine mechanistische Erklärung für die beobachteten phänotypischen Veranderungen von Daphnien in Anwesenheit von fischbürtigen Kairomonen liefert.

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