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Natural variation of flowering time due to cis-regulatory evolution of FLOWERING LOCUS T and its orthologs and paralogs in Brassica napus

In many plant species, FLOWERING LOCUS T and related proteins are the mobile signal that communicates information on photoperiod from the leaves to the shoots, where the transition to flowering is realized. FT expression is tightly controlled at the transcriptional level so that it is restricted to leaves, occurs only in appropriate photoperiods, and integrates ambient temperature and developmental cues, as well as information on biotic and abiotic stress. We previously established that FT transcription in the model plant Arabidopsis thaliana requires proximal promoter cis-elements and a distal enhancer, both evolutionary conserved among Brassicacea species. In addition, FT transcription is blocked prior vernalization in biannual accessions and vernalization-dependency of FT is controlled through a CArG-box located in the first intron that binds the transcriptional repressor FLOWERING LOCUS C (FLC). Chromatin-mediated repression by the Polycomb Group (PcG) pathway is required for photoperiod-dependent FT regulation and participates in FT expression level modulation in response to other cues.In this project, I propose to explore the available sequence data from the 1001 genome project in Arabidopsis to evaluate how often changes in regulatory cis-elements at FT have occurred and how these translate into an adaptive value. Allele-specific FT expression pattern will be measured in F1 hybrids of different accessions in response to varying environmental conditions. FT alleles that show cis-regulatory variation will be further analyzed to pinpoint the causal regulatory changes and study their effect in more detail. The allotetrapolyploid species Brassica napus is a hybrid of two Brassiceae species belonging to the A- and C-type genome, which are in turn mesopolyploid due to a genome triplication that occurred ca. 10x106 years ago. We will determine allele-specific expression of FT paralogs from both genomes of a collection of B. napus accessions. The plants will be grown in the field in changing environmental conditions to maximize the chance to detect expression variation of the paralogs. We will compare the contribution of the founder genomes to the regulation of flowering time and asses variation in this contribution. A particular focus will be to study the impact of chromatin-mediated repression on allele selection in B. napus.

Auswirkungen von variabler solarer Aktivität auf die neutrale exosphärische Wasserstoffdichte der Erde auf Zeitskalen von halben Stunden bis zum solaren Zyklus

Basierend auf 10 Jahren globaler Lyman-a Beobachtungen von TWINS wird vorgeschlagen, in 3D die Variation der neutralen Exosphäre der Erde verursacht von Variabilität der solaren Aktivität (nur Sonnenwind oder UV und beide gemeinsam) auf Zeitskalen von Jahren (solarer Zyklus) über Tage (27 Tage solare Rotation) bis zu Stunden (geomagnetische Stürme) zu untersuchen.Die Exosphäre ist die äußerste Region der Atmosphäre und besteht vor allem aus neutralem Wasserstoff (H). Als Übergang in den interplanetaren Raum spielt sie eine wichtige Rolle für die gesamte Entwicklung der Erdatmosphäre von der urzeitlichen Vergangenheit bis in die Zukunft, z.B. durch Verlust von H aus Oberflächenwasser in den Weltraum. Da unmittelbar der UV-Strahlung und solaren Aktivität ausgesetzt können Space Weather-Ereignisse (wie geomagnetische Stürme) signifikante Effekte auf die neutrale Exosphäre haben. Über die quantitativen Einflüsse und die relevanten physikalischen Prozesse ist bislang nur wenig bekannt.Exosphärische H-Atome streuen resonant solare Lyman-a Strahlung zurück. Die gestreute Intensität ist proportional zur lokalen H-Dichte im optisch dünnen Bereich oberhalb von 3 Re (Erdradien). Die TWINS Daten enthalten einzigartige kontinuierliche exosphärische Lyman-a Messungen in 3D aus 10 Jahren und sind erst teilweise analysiert.Es wird vorgeschlagen, mittels tomographischer und kinetischer Modelle in 3D die dynamische H-Dichtevariationen verursacht durch variierendes Space Weather auf verschiedenen Zeitskalen bei 3-8 Re zu untersuchen.Erstens soll die Entwicklung der H-Dichteverteilung über den solaren Zyklus 2008-2018 in 3D charakterisiert werden, insbesondere wie totale H-Dichte, radiale Profile und regionale Asymmetrien rund um die Erde (polar/äquatorial, Tag/Nacht usw.) an den solaren Zyklus gekoppelt sind.Zweitens soll die hoch dynamische Reaktion auf geomagnetische Stürme erstmals in 3D mit Zeitauflösung von Stunden bis ~30 min auf Basis der einzigartig großen Menge an Stürmen in den TWINS-Daten analysiert werden. Durch Monte Carlo Simulationen sollen beitragende physikalische Mechanismen bestimmt und quantifiziert werden.Drittens wird vorgeschlagen, den alleinigen Einfluss von solaren UV-Variationen bei relativ konstantem Sonnenwind zu untersuchen anhand der solaren 27 Tage UV-Variation sowie eruptiver solare UV-Ausbrüche. Im Fokus stehen hier die Effekte durch periodische und eruptive Variationen des Strahlungsdrucks bzw. der Photoionisation, insbesondere auf orbitierende H-Atome in größeren Distanzen.Die Verfügbarkeit eines 3D H-Dichtemodells mit Berücksichtigung dynamischer Variationen durch veränderliches Space Weather wäre ein großer Fortschritt im Verständnis der neutralen Exosphäre. Es besitzt auch eine große Bedeutung für kommende Missionen zur Erforschung der Magnetosphäre (wie SMILE, LEXI oder STORM) auf Basis von ENA- bzw. Soft Röntgen-Messungen, die zur Invertierung korrekte lokale exosphärische H-Dichten zu einer beliebigen Zeit benötigen.

Molekulare Phylogeographie zentralafrikanischer Aplocheiliden (Teleostei, Cyprinodontiformes) als ein Spielgel der Regenwaldgeschichte West- und Zentralafrikas

Gegenstand des Forschungsprojektes ist eine Untersuchung der Phylogeographie ausgewählter Taxa eierlegender Zahnkarpfen (Cyprinodontiformes, Aplocheilidae) mit molekulargenetischen Methoden. Es soll die Hypothese getestet werden, ob Evolution und Radiation in dieser Fischgruppe entscheidend durch die historische und rezente Entwicklung des zentralafrikanischen Regenwaldes beeinflußt wurde. Aufgrund der engen Habitatbindung der untersuchten Artgruppen an den Regenwald wird diese Hypothese von den bisherigen Bearbeitern favorisiert. Für die betrachteten Taxa soll das Ausmaß der genetischen Unterschiede zwischen den Arten und den verschiedenen Populationen ermittelt werden, um Rückschlüsse auf Biogeographie, Phylogenie, Artbildungsprozesse und Evolutionsverlauf ziehen zu können. die biogeographischen und phylogenetischen Ergebnisse sollen dann mit den vorliegenden Daten zur Geologie und zur Regenwaldgenese verglichen werden, um festzustellen, ob hier eine Korrelation vorliegt und sich dadurch weitere Details zur bisher nur in groben Zügen bekannten Genese west- und zentralafrikanischer Regenwaldgebiete gewinnen lassen. Die betrachteten Verbreitungsgebiete umfassen dabei mehrere der angenommenen Regenwaldrefugien im Bereich Nigeria, Kamerun, Äquatorial Guinea und Gabun.

Sonderforschungsbereich (SFB) 1211: Evolution der Erde und des Lebens unter extremer Trockenheit, Teilprojekt B03: Evolution von Protisten in extrem wasserlimitierten Gebieten

Einzellige Eukaryonten sind ideale Modellorganismen, die mit evolutionären Prozessen assoziierter Organismengruppen über unterschiedliche Zeitskalen, sogar über geologischer Zeiträume hinweg, kombiniert werden können. Mittels moderner molekularer und bioinformatischer Methoden sowie Kultivierungs- und Isolationstechniken sollen evolutionäre, insbesondere co-evolutionäre Prozesse von Populationen/Arten im ariden Lebensraum untersucht werden. Primäres Ziel ist es, populationsgenetische Diversitätsmuster symbiontischer Protisten, welche im Darm endemischer Insektenpopulationen vorkommen und zum Großteil genetisch separiert sind, im Zusammenhang mit den Wirtspopulationen zu untersuchen (B02). Darüber hinaus gilt es die genetische Struktur der Protistenpopulationen, welche mit einem bestimmten Microbiom (z. B. Rhizosphäre/Phyllosphäre; B04) assoziiert sind, im Zusammenhang mit dem Boden (B05) und der 'Wirts'-Pflanze (B01) zu analysieren, wobei die fragmentierten Salare in der Atacama von gesondertem Interesse sind.

Maßgeschneiderte Inhaltsstoffe 2.2: ForceYield2.2 Zukunftsweisende mikrobielle Plattform zur Hochertragsproduktion von Biochemikalien aus landwirtschaftlichen Nebenströmen, Teilprojekt D

Präferenzielle Strömung im weak inertia Regime, visualisiert durch Mikro-PIV und Magnetresonanz-Geschwindigkeits-Bildgebung

Unser grundlegendes Verständnis über die Entwicklung physikalischer Prozesse, die während der ein- und mehrphasigen Strömung in zerklüfteten porösen Medien ablaufen, ist für die Wissenschaft von großer Bedeutung. Im Hinblick auf die praktischen Auswirkungen bedeutet es verbesserte Anwendungen in den Bereichen unterirdischer Hydrologie, Geophysik, Reservoir Engineering und Biomechanik. Während niedrige Geschwindigkeiten im Bereich von Kriechströmungen am besten durch die Darcy-Gleichung beschrieben werden, muss man für deutlich höhere Geschwindigkeiten Terme höherer Ordnung zusätzlich berücksichtigen, wie von Forchheimer vorgeschlagen. Es gibt eine große Anzahl von Arbeiten über das reine Kriechströmungs- und das rein turbulente Strömungsregime, aber nicht für den Bereich dazwischen, d.h. für das „weak-inertia“ Regime. In Anbetracht dieses Mangels an experimentellen Beweisen wollen wir genau für diesen Bereich Fließfelder in Systemen zunehmender Komplexität von 2D bis 3D räumlich hochaufgelöst abbilden. Zunächst untersuchen wir 2D-Micromodelle mit einem einzelnen Kanal, einer sich wiederholenden Kanal-Poren-Einheit und einem 2D-Riß mit rauen Porenoberflächen. Diese Micromodelle erlauben die Kombination der 2D Mikro-Partikel-Imaging-Velocimetry (micro-PIV) mit 3D flusssensitiver Magnetresonanztomographie (MRT). Um die Auflösungen beider Methoden anzupassen, werden mit der MRT auch ortsaufgelöste Propagatoren bestimmt, die eine Auflösung der Geschwindigkeitsfelder innerhalb eines Voxels erlauben. Sie dienen dann als Proxys für Geschwindigkeitsfelder und können auf 3D- und undurchsichtige Systeme angewendet werden. In einem zweiten Schritt untersuchen wir das erste 3D-System, einen homogenen porösen Glaszylinder. Bei kleinen Geschwindigkeiten erwartet man „bulk“-Effekte durch alle Poren im Sinne der Darcy-Beziehung. Steigen die Reynoldszahlen an, bilden sich immer größere Strömungsschatten kombiniert mit gestreckten Fließpfaden aus. Die bisher gewonnenen Erkenntnisse werden nun im 2. Hauptteil des Projekts für die Untersuchung von Bohrkernen mit Rissen genutzt. Um die Strömung zu untersuchen, wird ein natürlicher Gesteinskern vertikal gefrackt, eine Technik, die an der Universität Stuttgart nun zur Verfügung steht. In Bezug auf die MRT wird die Verwendung einer multi-slice Pulssequenz mit bipolaren Gradientenpaaren notwendig. Der Unterschied zu den bisher untersuchten Modellsystemen besteht darin, dass die Strömung durch Wasseraustausch zwischen Porensystem und Riß kontrolliert wird. Es ist daher zu erwarten, daß sich beim Übergang vom Darcy- zum „weak-inertia“ Regime präferentielle Fließmuster neben stationären Bereichen entwickeln. Diese experimentell gewonnenen 3D-Fließfelder stehen dann zur Verfügung, um theoretische Ansätze wie die Forchheimer-Relation auf ihre Gültigkeit und ihre Grenzen zu prüfen und weiter zu entwickeln.

Palaeo-Evo-Devo of Malacostraca - a key to the evolutionary history of 'higher' crustaceans

In my project I aim at a better understanding of the evolution of malacostracan crustaceans, which includes very different groups such as mantis shrimps, krill and lobsters. Previous studies on Malacostraca, on extant as well as on fossil representatives, focussed on adult morphology.In contrast to such approaches, I will apply a Palaeo-Evo-Devo approach to shed new light on the evolution of Malacostraca. Palaeo-Evo-Devo uses data of different developmental stages of fossil malacostracan crustaceans, such as larval and juvenile stages. With this approach I aim at bridging morphological gaps between the different diverse lineages of modern malacostracans by providing new insights into the character evolution in these lineages.An extensive number of larval and juvenile malacostracans is present in the fossil record, but which have only scarcely been studied. The backbone of this project will be on malacostracans from the Solnhofen Lithographic Limestones (ca. 150 million years old), which are especially well preserved and exhibit minute details. During previous studies, I developed new documentation methods for tiny fossils from these deposits, e.g., fluorescence composite microscopy, and also discovered the first fossil mantis shrimp larvae. For malcostracan groups that do not occur in Solnhofen, I will investigate fossils from other lagerstätten, e.g., Mazon Creek and Bear Gulch (USA), or Montceaules- Mines and La-Voulte-sur-Rhône (France). The main groups in focus are mantis shrimps and certain other shrimps (e.g., mysids, caridoids), as well as the bottom-living ten-footed crustaceans (reptantians). Examples for studied structures are leg details, including the feeding apparatus, but also eyes. The results will contribute to the reconstruction of 3D computer models.The data collected in this project will be used for evaluating the relationships within Malacostraca, but mainly for providing plausible evolutionary scenarios, how the modern malacostracan diversity evolved. With the Palaeo-Evo-Devo approach, I am also able to detect shifts in developmental timing, called heterochrony, which is interpreted as one of the major driving forces of evolution. Finally, the reconstructed evolutionary patterns can be compared between the different lineages for convergencies. These comparisons might help to explain the convergent adaptation to similar ecological niches in different malacostracan groups, e.g., life in the deep sea, life on the sea bottom, evolution of metamorphosis or of predatory larvae.As the project requires the investigation of a large number of specimens in different groups, I will assign distinct sub-projects to three doctoral researchers. The results of this project will not only be published in peer-reviewed journals, but will also be presented to the non-scientific public, e.g., during fossil fairs or museum exhibitions with 3D models engraved in glass blocks.

Schwerpunktprogramm (SPP) 527: Bereich Infrastruktur - International Ocean Discovery Program, Teilprojekt: Die Beziehung von Makrobenthos-Diversität in der Tiefsee und globalem Wandel - bathyale Atelostomata als Modell-Organismen

Die Tiefsee ist das größte Ökosystem auf der Erde, das uns aufgrund der Unerreichbarkeit und immensen Ausdehnung in weiten Teilen noch fremd ist. Wegen der geringen Verbreitung von Tiefsee-Sedimenten auf dem Festland und dem Mangel einer kontinuierlichen Fossil-Überlieferung ist unsere Kenntnis über Tiefseepaläobiogeographie und Tiefsee-Evolution ebenfalls recht limitiert. Eine Sichtung unterkretazischer bis obermiozäner Sedimente in ODP/DSDP/IODP-Bohrkernen (Paläoablagerungstiefe: tiefes Bathyal über 2000 m) erbrachte überraschende Ergebnisse: Sklerite von Echinodermata (Holothurien, Ophiuren, Asteroideen, Crinoiden), die heute einen wichtigen Anteil der Tiefseefaunafauna stellen, fehlen nahezu völlig. Dafür sind Stacheln von irregulären Echiniden (Holasteroida, Spatangoida: Atelostomata) häufig. Da die Stacheln morphologisch sehr variabel sind, bergen Klassifizierung der morphologischen Bandbreite ('Morphospace'), der Morphospace-Veränderung in der Zeit und die berechnete Stachel-Akkumulationsrate das Potential, Diversitäts- und Abundanz-Veränderungen in Bezug zu globalem Klimawandel zu kartieren. Da die derzeitige globale Erwärmung besonders in offenen Ozeanen zu geringerer Produktivität und verringertem Export von Organik in die Tiefsee führt, eignet sich der östliche tropische Pazifik als Modell-Region um zwei Arbeitshypothesen zu testen. i) Die Stachel-Diversität der Atelostomata korreliert invers mit känozoischen Warmzeiten, was die 'Productivity-Diversity Relation' stützt; und ii) Die Abundanz von Atelostomata-Stacheln als Ausdruck von Biomasse und Export-Productivity ist geringer in warmen Perioden als in kühlen. Für das Projekt wurde exemplarisch känozoisches Material aus einer sich rapide ändernden Welt berücksichtigt (Abkühlung Mittel-Miozän, mittelmiozänes Klimaoptimum, Abkühlung oberstes Oligozän, Warmphase Ober-Oligozän, oligozäne Oi-2 Eiszeiten & Nachspiel). Klassifizierbare Merkmale der Stacheln (z.B. Morphologie des Schaftes, Anwesenheit, Verteilung, Häufigkeit von Stacheln und Dornen, Form/Anzahl von Poren, Form der Stachelspitze u.a.) werden in eine Datenmatrix eingepflegt und statistisch ausgewertet. Variationen der Stachel-Diversität (Shannon-Wiener-Index) sind Ausdruck sich verändernder Biodiversität, und eine Abnahme der Diversität sowie der Stachel-Akkumulationsrate werden in Kontext mit Warmphasen vermutet. Eine 'Principal Component Analysis' von Stachel-Vergesellschaftungen einzelner Zeitintervalle ermöglicht es, die Disparität des Morphospace der berücksichtigten Intervalle zu erarbeiten. Hieraus lassen sich darüber hinaus Aussagen über graduelle (Evolution?) oder abrupte (Aussterben und Speziation/Immigration) Faunenveränderungen in der Tiefsee treffen, die in Beziehung zu schwankender Primärproduktivität durch globale Temperaturschwankungen gesetzt werden können (Hypothese 2).

Modellierung der Ressourcennutzung in terrestrischen Habitaten. Rekonstruktion des Nahrungsspektrums neogener und pleistozäner Huftiergesellschaften

Die Kenntnis rezenter Lebensräume wird genutzt, um Modelle zur Rekonstruktion neogener und pleistozäner Habitate zu entwickeln. Es wird erwartet, dass die Nahrungsspezifität von Huftieren wichtige Hinweise liefert auf die Habitate der untersuchten Faunen. Evolutionstrends lassen sich dann mit Veränderungen im Habitat korrelieren.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1006: Bereich Infrastruktur - Internationales Kontinentales Bohrprogramm, Sub project: Bündel-Antrag Ohrid-See: Evolutionary, geological, and environmental history of Lake Ohrid (EGEL)

Lake Ohrid is a large (360 km2) and deep (289 m) lake of tectonic origin and is shared between the Republics of Macedonia and Albania. Biological and biogeographical studies of the lake revealed an outstanding degree of endemism and suggest a Pliocene origin of Lake Ohrid, making the lake the oldest one in Europe. The high age and the high degree of endemism make Lake Ohrid a first class site to investigate the link between geological and biological evolution in ancient lakes. Given its importance as refugium and spreading centre, the lake was declared a UNESCO world heritage site in 1979, and included as a target site of the International Continental Scientific Drilling Program (ICDP) already in 1993. The political situation in the Balkan in the mid 1990ies, however, hampered further establishment of Lake Ohrid as potential ICDP site. This proposal bundle seeks funds for the detection of the timing of major evolutionary events, the investigation of the origin, the sedimentological inventory, neotectonic movements, and the paleoecology and paleolimnology of Lake Ohrid in order to develop a full ICDP proposal for deep drilling. Within the scope of this cover proposal funds for the coordination of the single proposals, for scientific exchange between the single bundle proponents, and for the data management are applied for.

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