Zugl.: Leipzig, University, Diss., 2000.

Techn. Universiẗat, Diss., 2001--Braunschweig.

Techn. Hochsch., Diss., 2002--Aachen.

Universiẗat, Diss., 2003--Bonn.

Techn. Univ., Diss., 2005--Darmstadt

The behavior of honeybees and bumblebees relies on a constant sensory integration of abiotic or biotic stimuli. As eusocial insects, a sophisticated intraspecific communication as well as the processing of multisensory cues during foraging is of utter importance. To tackle the arising challenges, both honeybees and bumblebees have evolved a sophisticated olfactory and visual processing system. In both organisms, olfactory reception starts at the antennae, where olfactory sensilla cover the antennal surface in a sex-specific manner. These sensilla house olfactory receptor neurons (ORN) that express olfactory receptors. ORNs send their axons via four tracts to the antennal lobe (AL), the prime olfactory processing center in the bee brain. Here, ORNs specifically innervate spheroidal structures, so-called glomeruli, in which they form synapses with local interneurons and projection neurons (PN). PNs subsequently project the olfactory information via two distinct tracts, the medial and the lateral antennal-lobe tract, to the mushroom body (MB), the main center of sensory integration and memory formation. In the honeybee calyx, the sensory input region of the MB, PNs synapse on Kenyon cells (KC), the principal neuron type of the MB. Olfactory PNs mainly innervate the lip and basal ring layer of the calyx. In addition, the basal ring receives input from visual PNs, making it the first site of integration of visual and olfactory information. Visual PNs, carrying sensory information from the optic lobes, send their terminals not only to the to the basal ring compartment but also to the collar of the calyx. Receiving olfactory or visual input, KCs send their axons along the MB peduncle and terminate in the main output regions of the MB, the medial and the vertical lobe (VL) in a layer-specific manner. In the MB lobes, KCs synapse onto mushroom body output neurons (MBON). In so far barely understood processes, multimodal information is integrated by the MBONs and then relayed further into the protocerebral lobes, the contralateral brain hemisphere, or the central brain among others. This dissertation comprises a dichotomous structure that (i) aims to gain more insight into the olfactory processing in bumblebees and (ii) sets out to broaden our understanding of visual processing in honeybee MBONs. The first manuscript examines the olfactory processing of Bombus terrestris and specifically investigates sex-specific differences. We used behavioral (absolute conditioning) and electrophysiological approaches to elaborate the processing of ecologically relevant odors (components of plant odors and pheromones) at three distinct levels, in the periphery, in the AL and during olfactory conditioning. We found both sexes to form robust memories after absolute conditioning and to generalize towards the carbon chain length of the presented odors. On the contrary, electroantennographic (EAG) activity showed distinct stimulus and sex-specific activity, e.g. reduced activity towards citronellol in drones. Interestingly, extracellular multi-unit recordings in the AL confirmed stimulus and sex-specific differences in olfactory processing, but did not reflect the differences previously found in the EAG. Here, farnesol and 2,3-dihydrofarnesol, components of sex-specific pheromones, show a distinct representation, especially in workers, corroborating the results of a previous study. This explicitly different representation suggests that the peripheral stimulus representation is an imperfect indication for neuronal representation in high-order neuropils and ecological importance of a specific odor. The second manuscript investigates MBONs in honeybees to gain more insights into visual processing in the VL. Honeybee MBONs can be categorized into visually responsive, olfactory responsive and multimodal. To clarify which visual features are represented at this high-order integration center, we used extracellular multi-unit recordings in combination with visual and olfactory stimulation. We show for the first time that information about brightness and wavelength is preserved in the VL. Furthermore, we defined three specific classes of visual MBONs that distinctly encode the intensity, identity or simply the onset of a stimulus. The identity-subgroup exhibits a specific tuning towards UV light. These results support the view of the MB as the center of multimodal integration that categorizes sensory input and subsequently channels this information into specific MBON populations. Finally, I discuss differences between the peripheral representations of stimuli and their distinct processing in high-order neuropils. The unique activity of farnesol in manuscript 1 or the representation of UV light in manuscript 2 suggest that the peripheral representation of a stimulus is insufficient as a sole indicator for its neural activity in subsequent neuropils or its putative behavioral importance. In addition, I discuss the influence of hard-wired concepts or plasticity induced changes in the sensory pathways on the processing of such key stimuli in the peripheral reception as well as in high-order centers like the AL or the MB. The MB as the center of multisensory integration has been broadly examined for its olfactory processing capabilities and receives increasing interest about its visual coding properties. To further unravel its role of sensory integration and to include neglected modalities, future studies need to combine additional approaches and gain more insights on the multimodal aspects in both the input and output region. / Honigbienen und Hummeln sind aufgrund ihrer Lebensweise auf die ständige Verarbeitung sensorischer Eindrücke abiotischen und biotischen Ursprungs angewiesen. Als eusoziale Insekten ist hierbei für beide Arten die Wahrnehmung innerartlicher Kommunikation wie auch die Verarbeitung multisensorischer Einflüsse während der Nahrungssuche von essenzieller Bedeutung. Um die daraus resultierenden vielfältigen Herausforderungen erfolgreich bewältigen zu können, verfügen Honigbienen und Hummeln über eine fortschrittliche Verarbeitung olfaktorischer und visueller Reize. In beiden Arten beginnt die Geruchsrezeption an den Antennen, welche geschlechtsspezifisch von zahlreichen olfaktorischen Sensillen besetzt sind. Diese beinhalten olfaktorische Rezeptorneurone (ORN), in welchen die Expression der Geruchsrezeptoren stattfindet. Axone der ORNs laufen dabei gebündelt über vier verschiedene Trakte in den Antennallobus (AL), das erste olfaktorische Verarbeitungszentrum im Bienengehirn. Im AL verschalten ORNs mit lokalen Interneuronen und Projektionsneuronen (PN) in kugelförmigen Strukturen, den sogenannten Glomeruli. PNs leiten die olfaktorische Information daraufhin über zwei charakteristische Trakte, den medialen und lateralen Antennallobustrakt, in den Pilzkörper (MB), das Verarbeitungszentrum für die Integration sensorischer Eindrücke und Gedächtnisbildung. Im Calyx der Honigbiene, der sensorischen Eingangsregion des MB, bilden die Endköpfchen der PNs synaptische Verbindungen mit Kenyonzellen (KC), den primären Nervenzellen im MB. Die Innervation des Calyx durch die PNs ist dabei spezifisch in drei verschiedenen Zonen organisiert, nämlich in Lippe, Hals und basalen Ring. Während die Lippe vornehmlich olfaktorische Information von PNs aus dem AL erhält, wird der basale Ring zusätzlich auch von visuellen PNs, welche Informationen aus dem optischen Lobus einbringen, angesteuert. Der basale Ring der Honigbiene wird dabei Ort der ersten räumlichen Integration visuellen und olfaktorischen Eingangs. Wiederum ähnlich zum unimodalen Eingang der Lippe, bezieht auch der Hals des Calyx grundsätzlich nur sensorischen Eingang einer Modalität, nämlich visuelle Information von PNs aus dem optischen Lobus. KCs verschalten im weiteren Verlauf die olfaktorischen und visuellen Informationen an Pilzkörperausgangsneurone (MBON). In einem bisher kaum erforschten Vorgang wird diese multimodale Information dabei verarbeitet und dann mithilfe der MBONs in verschiedene Bereiche des Gehirns geleitet, z.B. in die protocerebralen Loben, die kontralaterale Gehirnhemisphäre oder das Zentralgehirn. Diese Dissertation ist zweigeteilt und behandelt zuerst (i) die geschlechtsspezifische Verarbeitung olfaktorischer Reize in Hummeln und bespricht im zweiten Teil (ii) neue Einblicke in die neuronale Weiterverarbeitung visueller Reize durch MBONs in der Honigbiene. Manuskript 1 untersucht die Abläufe der Geruchsverarbeitung von Bombus terrestris und beschreibt geschlechtsspezifische Unterschiede. Hierbei wurden sowohl verhaltensbasierte als auch elektrophysiologische Methoden genutzt um die Wahrnehmung ökologisch relevanter Duftstoffe (Komponenten unterschiedlicher Pflanzendüfte oder Pheromone) auf drei verschiedene Weisen zu untersuchen, nämlich in der Peripherie, im AL und mittels olfaktorischer Konditionierung. Wir fanden in beiden Geschlechtern eine robuste Gedächtnisbildung nach absoluter Konditionierung und eine ausgeprägte Generalisierung anhand der Kohlenstoffkettenlänge der präsentierten Duftstoffe. Anders stellten sich die Ergebnisse der elektroantennographischen (EAG) Untersuchungen dar. Hier zeigten sowohl Drohnen als auch Arbeiterinnen neuronale Aktivität mit spezifischen Unterschieden zwischen den Stimuli, aber auch zwischen den Geschlechtern auf, z.B. löste die Applikation von Citronellol eine deutliche verringerte Reaktion in der EAG Aktivität der Drohnen aus. Interessanterweise zeigten auch extrazelluläre Ableitungen im AL stimulus- und geschlechtsspezifische Unterschiede, jedoch in unterschiedlicher Konstellation als in den EAG-Experimenten. Besonders Farnesol und 2,3-Dihydrofarnesol wiesen vor allem bei Arbeiterinnen eine deutliche Repräsentation in der neuronalen Aktivität auf; ein Alleinstellungsmerkmal welches für Farnesol bereits in einer früheren Studie beschrieben wurde. Diese explizit unterschiedliche neuronale Darstellung von Farnesol und 2,3-Dihydrofarnesol in der Peripherie und im AL führt zu der Annahme, dass die rezeptive Darstellung eines Stimulus in der Peripherie keine zuverlässigen Rückschlüsse über die neuronale Repräsentation in höheren Zentren oder die ökologische Relevanz zulässt. Im zweiten Manuskript stehen MBONs der Honigbiene im Fokus, um mehr Einblicke in die visuelle Verarbeitung im VL zu erlangen. Bisher können MBONs in folgende Klassen unterteilt werden: Visuelle, olfaktorische und multimodale MBONs, welche sensitiv für beide Modalitäten sind. Kern dieser Arbeit ist, mittels extrazellulärer Ableitungen festzustellen, welche zusätzlichen Aspekte eines visuellen Stimulus in diesem zentralen Verarbeitungszentrum repräsentiert sind. Dabei konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass Informationen über die Wellenlänge und die Intensität des Lichtstimulus im VL erhalten sind. Im weiteren Verlauf konnte eine Spezifizierung der bisherigen Kategorisierung visueller und multimodaler MBONs in drei weitere Untergruppen vollzogen werden: MBONs die spezifisch die Intensität, die Identität und dein Eingang eines Stimulus kodieren. Des Weiteren zeigte vor allem die Gruppe der Identitäts-MBONs eine bemerkenswerte Kategorisierung von UV-Licht. Diese neuen Erkenntnisse bestätigen die Ansicht, dass der MB, als Zentrum für sensorische Integration, eine Kategorisierung der verarbeiteten Eindrücke vornimmt und diese daraufhin auf die MBONs verschalten wird. Abschließend diskutiere ich Unterschiede in der peripheren Repräsentation von Stimuli und ihrer späteren neuronalen Verarbeitung. Hier zeige ich, die Aktivität von Farnesol in MS1 und UV-Licht MS2 als Beispiel nehmend, dass die periphere Repräsentation eines Stimulus keine sicheren Schlussfolgerungen über die nachfolgend induzierte neurale Aktivität oder die verhaltensrelevante Bedeutung zulässt. Im weiteren Verlauf werden dabei die Einflüsse konservierter Strukturen und plastischer Änderungen auf die Abläufe der sensorischen Peripherie oder der höheren Verarbeitungszentren, wie dem AL oder dem MB gezeigt. Obwohl der MB, das Zentrum für multimodale Integration und Gedächtnis, hinsichtlich seiner Rolle in der Geruchswahrnehmung ausgiebig erforscht ist, gibt es bezüglich der visuellen Verarbeitung oder dem Einfluss anderer Modalitäten noch ungeklärte Abläufe und Fragen. Wenngleich auch hier die Kenntnis speziell über die visuelle Verarbeitung im MB stetig zunimmt, sollten zukünftige Arbeiten mithilfe weiterer Methoden den MB Eingang und Ausgang explizit auf den Einfluss weiterer Modalitäten untersuchen, um so ein umfassenderes Bild über die Abläufe multimodaler Integration zu erhalten.

Das PERG gilt als Standardmethode, um den Funktionszustand der retinalen Ganglienzellen zu testen. Jedoch tragen im PERG neben diesen Ganglienzellen, welche zu den Komponenten lateraler Interaktion in der Retina zählen, auch lokale Mechanismen zur Entstehung der Reizantwort bei.Im Gegensatz zum PERG werden beim liERG unterschiedliche Frequenzen für die Reizdarbietung verwendet. Die Retina wird gezielt nach Reizantworten untersucht, welche durch laterale Interaktion der retinalen Zellen entstehen. In der vorliegenden Arbeit wurden mit Hilfe des liERGs die lokalen und lateralen Anteile des PERG getrennt, um sie untersuchen zu können und dadurch mehr Aufschluss über die Zusammensetzung und Entstehung des PERGs zu gewinnen. Letztendlich wurde anhand der erhobenen Daten und Erkenntnisse eine rechnerische Synthese des PERGs aus seinen Komponenten durchgeführt. / The pattern electroretinography (PERG) is considered as standard technique for testing ganglion cell function. In addition to the signals from the ganglion cells, it reflects also local luminance mechanisms. Unlike the PERG, the liERG uses two different frequencies for the pattern stimulus. It allows a direct investigation of the retina for lateral interaction components. Via liERG, local luminance and lateral interaction components of the PERG have been isolated and investigated. After that, a PERG has been constructed mathematically by synthesis of its components.

In this thesis, synaptic transmission was studied electrophysiologically at an invertebrate model synapse, the neuromuscular junction of the Drosophila 3rd instar wandering larvae. In the first part, synaptic function is characterized at the neuromuscular junction in fly lines which are null mutants for the synaptic proteins “the synapse associated protein of 47 kDa” (Sap-47156), Synapsin (Syn97), the corresponding double mutant (Sap-47156, Syn97), a null mutant for an as yet uncharacterized Drosophila SR protein kinase, the Serine-Arginine protein kinase 3 (SRPK3), and the Löchrig (Loe) mutant which shows a strong neurodegenerative phenotype. Intracellular voltage recordings from larval body wall muscles 6 and 7 were performed to measure amplitude and frequency of spontaneous single vesicle fusion events (miniature excitatory junction potentials or mEJPs). Evoked excitatory junction potentials (eEJPs) at different frequencies and calcium concentrations were also measured to see if synaptic transmission was altered in mutants which lacked these synaptic proteins. In addition, structure and morphology of presynaptic boutons at the larval neuromuscular junction were examined immunohistochemically using monoclonal antibodies against different synaptic vesicle proteins (SAP-47, CSP, and Synapsin) as well as the active zone protein Bruchpilot. Synaptic physiology and morphology was found to be similar in all null mutant lines. However, Löchrig mutants displayed an elongated bouton morphology, a significant shift towards larger events in mEJP amplitude frequency histograms, and increased synaptic facilitation during a 10 Hz tetanus. These deficits suggest that Loe mutants may have a defect in some aspect of synaptic vesicle recycling. The second part of this thesis involved the electrophysiological characterization of heterologously expressed light activated proteins at the Drosophila neuromuscular junction. Channelrhodopsin-2 (ChR2), a light gated ion channel, and a photoactivated adenylate cyclase (PAC) were expressed in larval motor neurons using the UAS-Gal4 system. Single EJPs could be recorded from muscles 15, 16, and 17 when larva expressing ChR2 were illuminated with short (100 ms) light pulses, whereas long light pulses (10 seconds) resulted in trains of EJPs with a frequency of around 25 Hz. Larva expressing PAC in preparations where motor neurons were cut from the ventral ganglion displayed a significant increase in mEJP frequency after a 1 minute exposure to blue light. Evoked responses in low (.2 mM) calcium were also significantly increased when PAC was stimulated with blue light. When motor nerves were left intact, PAC stimulation resulted in light evoked EJPs in muscles 6 and 7 in a manner consistent with RP3 motor neuron activity. ChR2 and PAC are therefore useful and reliable tools for manipulating neuronal activity in vivo. / Thema dieser Arbeit war die elektrophysiologische Untersuchung synaptischer Transmission, untersucht an einer Modellsynapse in Invertebraten, der neuromuskulären Synapse von Drosophila- Larven des dritten Larvalstadiums. Im ersten Teil dieser Arbeit, wurde die synaptische Funktion an der neuromuskulären Synapse von Nullmutanten für verschiedene synaptische Proteine charakterisiert (das synapse associated protein of 47 kDa (Sap-47156), Synapsin (Syn97), eine bis dahin uncharakterisierte Drosophila SR-Proteinkinase (SRPK3), und eine Mutante mit einem starken neurodegenerativen Phänotyp (Loe)). Intrazelluläre Ableitungen wurden von Muskel 6 und 7 des Hautmuskelschlauches durchgeführt, um die Amplitude und Frequenz der spontanen Freisetzung von Neurotransmitter aus einzelnen synaptischen Vesikeln (miniature excitatory junction potentials oder mEJPs) zu messen. Außerdem wurden Evoked excitatory junction potentials (eEJPs) bei verschiedenen Frequenzen und verschiedenen Kalziumkonzentrationen gemessen, um zu erforschen, ob die synaptische Transmission in den genannten Mutanten verändert ist. Zusätzlich wurde die Struktur und die Morphology der präsynaptischen Boutons immunhistochemisch untersucht. Dabei wurden monoklonal Antikörper gegen verschiedene Proteine der synaptischen Vesikel (SAP-47, CSP und Synapsin) und gegen das Aktive Zone Protein Bruchpilot benutzt. Die synaptische Physiologie war in den genannten Nullmutanten für synaptische Proteine nicht verändert, im Vergleich zu den wildtypischen Kontrollen, während Löchrig-Mutanten Defekte der synaptischen Übertragung zeigten, die im Einklang standen mit einem Defekt des Recyclings synaptischer Vesikel. Der zweite Teil dieser Arbeit beinhaltet die elektrophysiologische Charakterisierung von heterolog exprimierten Licht-aktivierbaren Proteinen an der neuromuskulären Synapse von Drosophila. Channelrhodopsin-2 (ChR2), ein Licht gesteuerter Ionenkanal und eine Licht-aktivierbare Adenylatcyclase (PAC) wurden mit Hilfe des UAS-Gal4-Systems an der larvalen, neuromuskulären Synapse exprimiert. Wenn ChR2-exprimierende Larven mit kurzen (100ms) Lichtpulsen beleuchtet wurden, konnten einzelne EJPs von den Muskeln 15, 16 und 17 abgeleitet werden. Längere Lichtpulse (10 Sekunden) führten zu einer Serie von EJPs mit einer Frequenz von ca. 25 Hz. Larven, die PAC exprimierten zeigten, in Präparationen in denen die Motoneurone vom Ventralganglion gelöst wurden, nach einminütiger Belichtung mit Blaulicht einen signifikanten Anstieg der mEJP-Frequenz. Auch die EJPs waren in einer Umgebung mit geringer Kalziumkonzentration (0,2 mM) signifikant erhöht, wenn PAC durch Blaulicht stimuliert wurde. Wurden die Motoneurone intakt gelassen, führte die Stimulation der PAC durch Blaulicht zu EJPs in den Muskeln 6 und 7, die im Einklang standen mit RP3 Motoneuronaktivität. Beide Proteine (ChR2 und PAC) erwiesen sich daher als nützliche, zuverlässige Werkzeuge, um die neurale Aktivität in vivo zu manipulieren.

Die Stomata in der Epidermis von Pflanzen sind Poren, die den Gasaustausch mit der Atmosphäre regulieren. Die Öffnungsweite der Stomata kann verändert werden, was eine Optimierung der CO2 Aufnahme für die Photosynthese ermöglicht und gleichzeitig den Wasserverlust durch Transpiration minimiert. Um diese Funktion zu erfüllen, können Stomata verschiedene Stimuli wie Wasserstress (durch Abscisinsäure), Licht und CO2 wahrnehmen. Die oben genannten Reize führen dann zu einer Aufnahme oder Abgabe von osmotisch aktiven Substanzen in zwei Schließzellen, welche die Stomaöffnung kontrollieren. Die Rezeptoren zur Wahrnehmung dieser Stimuli, die intrazellulären Signalwege und die beteiligten Ionentransportproteine in den Schließzellen sind nur lückenhaft bekannt. In dieser Arbeit lag ein Hauptaugenmerk auf der Rolle von Anionenkanälen der Plasmamembran bei Stomabewegungen, sowie auf den Signalwegen welche diese Kanäle steuern. Die Aktivität der Anionenkanäle wurde mit der DEVC (Double Electrode Voltage Clamp) Einstich-Methode in Schließzellen in der intakten Pflanze gemessen, kombiniert mit Calcium Imaging durch den Ca2+ Indikator Farbstoff FURA2. Stomaschlussreaktionen werden durch Abscisinsäure (ABA), CO2 und Dunkelheit induziert und bei allen drei Stimuli konnten wir in Nicotiana tabacum eine Aktivierung von Anionenkanälen beobachten. Das führt zu Anionenefflux aus den Schließzellen und einer Depolarisation der Plasmamembran, was wiederum Kalium-Efflux-Kanäle spannungsabhängig aktiviert. Der resultierende Verlust osmotisch aktiver Teilchen führt dann zu Turgorabnahme der Schließzellen und Stomaschluss. Das zeitliche Muster der Anionenkanalaktivität bei dem Stomaschluss, ausgelöst durch CO2, Dunkelheit und ABA war bei allen Reizen ähnlich. Es zeigte sich eine charakteristische transiente starke und darauf folgende schwächere Anionenkanalaktivität. Dieses konservierte Muster lässt Überschneidungen bei der Signaltransduktion der verschiedenen Stimuli vermuten. Die gesteigerte Aktivität der Anionenkanäle während der Reaktion auf ABA und Dunkelheit wurde in ungefähr der Hälfte der Antworten von einem Anstieg der zytosolischen Ca2+ Konzentration begleitet. Bei beiden Stimuli scheinen somit Ca2+ abhängig und unabhängig Signale intrazellulär weitergeleitet zu werden. Allerdings war der Effekt der Ca2+ Signale auf die Aktivität der Anionenkanäle bei den beiden Stimuli unterschiedlich. Eine zytosolisch erhöhte Ca2+ Konzentration konnte bei Antworten auf ABA nicht mit einer erhöhten Anionenkanalaktivität in Verbindung gebracht werden, bei Dunkelheit hingegen wurde die Aktivität der Anionenkanäle in Anwesenheit von Ca2+ gesteigert. Die wichtige Rolle von Anionenkanälen beim Stomaschluss lässt vermuten, dass ihre Deaktivierung eine Vorraussetzung für eine Stomaöffnung ist. Blaulicht führt bei niedrigen Photonen-Fluss Raten zu Stomaöffnung und sollte daher Anionenkanäle inhibieren. Übereinstimmend damit konnten wir tatsächlich zeigen, dass Blaulicht in Schließzellen von Vicia faba und Arabidopsis thaliana Anionenkanäle deaktiviert. Diese Deaktivierung ist von den Phototropin-Blaulichtrezeptoren abhängig, da die Deaktivierung der Anionenkanäle in Arabidopsis thaliana phot1/phot2 Doppelmutanten nicht beobachtet werden konnte. Neben einer Blaulicht spezifischen Antwort öffnen Stomata auch in Antwort auf photosynthetisch aktive Strahlung (PAR). Die PAR Wahrnehmung scheint zu einem wesentlichen Teil über Veränderungen der interzellulären CO2 Konzentration, ausgelöst durch die Photosyntheseaktivität des Mesophylls, stattzufinden (Roelfsema et al., 2002). In Übereinstimmung mit dieser Hypothese konnten wir in Schließzellen in Albino Blattarealen von Chlorophytum comosum und gebleichten Vicia faba keine Reaktion auf PAR beobachten, obwohl Schließzellen von Chlorophytum comosum in Albino Bereichen funktionierende Chloroplasten besitzen. Die Rolle von CO2 bei der PAR Antwort haben wir des Weiteren in NtMPK4 antisense Pflanzen untersucht. Stomata von NtMPK4 antisense Pflanzen haben nicht auf Änderungen in der atmosphärischen CO2 Konzentration reagiert und zeigten eine stark reduzierte Antwort auf PAR. Diese Ergebnisse bestätigen die wichtige Rolle der intrazellulären CO2 Konzentration bei der PAR Antwort, sie zeigen aber auch, dass es anscheinend zusätzlich zu CO2 noch ein weiteres PAR abhängiges Signal für Stomaöffnung gibt. / Stomata in the epidermis of plants are pores, which regulate the gas exchange with the atmosphere. The aperture of these stomata can be altered and thus enable the plant to optimize the uptake of CO2 for photosynthesis, while minimizing loss of water via transpiration. To fulfil this function, stomata are able to sense several stimuli like water stress (through abscisic acid), light and CO2. The mentioned stimuli can induce accumulation in or release of osmotically active substances from two guard cells that control the stomatal aperture. The receptors for perception of these stimuli, the intracellular signal transduction pathways and the involved ion transporters of the guard cells are only partially resolved. This work focuses on the role of plasma membrane anion channels during stomatal movements and the signal transduction pathways that controls these channels. The activity of the anion channels was studied with the DEVC (double electrode voltage clamp) impalement method, in combination with FURA2 based calcium imaging in guard cells located in intact plants. Closure of stomata is induced by abscisic acid (ABA), CO2 and darkness and all these stimuli were found to activate anion channels in Nicotiana tabacum. This response not only leads to an anion efflux from the guard cells, but also causes depolarization of the plasma membrane, which in turn activates voltage dependent potassium efflux channels. As a result, osmotically active particles are lost, causing a decrease of the guard cell turgor and stomatal closure. The timing of anion channel activation in response to CO2, darkness and ABA displayed a similar pattern for all three stimuli. It was characterized by a transient strong-, followed by a steady low activity of anion channels. This conserved pattern suggests conserved steps in the signal transduction pathways of these stimuli. The activation of anion channels in response to ABA and darkness was in approximately half of the responses accompanied by an increase in the cytosolic Ca2+ concentration. This suggests that ABA and darkness are transmitted through Ca2+-dependent as well as Ca2+-independent signalling pathways. However, the effect of Ca2+ signals on the degree on anion channel activity differed for both stimuli. During ABA responses, an increase in the cytosolic Ca2+ concentration could not be linked to enhanced anion channel activity, but Ca2+ signals were related to large anion currents in responses to darkness. The important role of anion channels for inducing stomatal closure suggests that their deactivation is a prerequisite for stomatal opening. Blue light provokes stomatal opening, at low photon flux densities, and thus should inhibit anion channels in guard cells. We were able to show that blue light indeed deactivates anion channels in Vicia faba and Arabidopsis thaliana. This response depends on phototropin blue light receptors, because it was not observed in Arabidopsis thaliana phot1/phot2 double mutants. In addition to a blue light-specific response, stomata open in response to photosynthetically active radiation (PAR). The perception of PAR seems to depend mainly on a decrease of the intercellular CO2 concentration, which is caused by photosynthetic activity of the mesophyll (Roelfsema et al., 2002). In agree with this proposed mechanism, we observed no response to PAR in guard cells located in albino leaf areas of Chlorophytum comosum and bleached Vicia faba, even though guard cells of Chlorophytum comosum in albino areas contain functional chloroplasts. We further studied the role of CO2 in the PAR response with NtMPK4 antisense plants. Stomata of NtMPK4 silenced plants did not respond to changes in the atmospheric CO2 concentration and showed a strongly reduced response to PAR. These data thus confirms the important role of intracellular CO2 in the PAR response, but also point to an additional PAR dependent signal for stomatal opening.

Die Popeye domain containing (Popdc)-Gene bilden eine evolutionär stark konservierte Genfamilie mit präferenzieller Expression im Herzen und in der Skelettmuskulatur. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass Popdc1 in kardialen Myozyten in Glanzstreifen, lateralen Membranen und im T-Tubuli-System exprimiert wird und mit Ionenkanälen und anderen myozytären Membranproteinen wie Cav1.2, Caveolin 3 und NCX1 kolokalisiert ist. Im ventrikulären Reizleitungssystem ist die Expression von Popdc1 gegenüber dem ventrikulären Arbeitsmyokard erhöht, während Atrium und Sinusknoten nahezu äquivalente Expressionsdomänen aufweisen. Mithilfe von elektrophysiologischen Untersuchungen konnte bei den Popdc1-Nullmutanten eine stressinduzierte Sinusbradykardie festgestellt werden, die altersabhängig auftritt und auf Sinuspausen zurückzuführen ist. Histologische Untersuchungen, unter Zuhilfenahme des Sinusknotenmarkers HCN4, zeigten einen Zellverlust im inferioren Teil des Sinusknotens. Popdc1 ist ein Transmembranprotein, das eine 150 Aminosäure umfassende, stark konservierte Popeye-Domäne aufweist. Für diese Domäne konnte auf struktureller Ebene eine Homologie zu zyklischen Nukleotid-Bindungsdomänen vorhergesagt und eine Bindung an cAMP und cGMP experimentell demonstriert werden. Es handelt sich bei den Popdc-Proteinen um einen neuen Zweig der Bindungsproteine für zyklische Nukleotidmonophosphate (cNMP). Die Bindungssequenz weist signifikante Unterschiede zu anderen bereits identifizierten cNMP-Bindungsproteinen auf. Weiterhin wurde die Interaktion von Popdc1 mit TREK1, einem Mitglied der Tandemporenkanäle untersucht. Es zeigte sich, dass Popdc1 nach Koexpression in Froschoozyten, den TREK1-Strom erhöht und dass die β-adrenerge Inhibition des TREK1 Kanals durch Popdc1 verstärkt wird. Im Arbeitsmyokard, im kardialen Reizleitungssystem und in kotransfizierten Cos7-Zellen werden beide Proteine überlappend exprimiert. Diese Daten zeigen, dass Popdc1 eine wichtige Funktion bei der Regulation der Schrittmacheraktivität, der Aufrechterhaltung der Sinusknotenmorphologie und der Modulation von Ionenkanälen aufweist. Interessanterweise wurden von unserer Arbeitsgruppe bereits die gleichen Phänotypen für die Popdc2 Maus beschrieben, sodass die Popdc Genfamilie überlappende und redundante Funktionen aufweist. / The Popeye domain containing (Popdc) family is a highly evolutionary conserved gene family, which shows no homology to other genes. This family shows a preferential expression in the heart and skeletal muscle. In the present study it is shown that Popdc1 protein in the heart was predominantly localized to the intercalated disc, lateral membranes and T-tubularsystem, where it was co-localized with other cardiac membrane proteins such as Cav1.2, Caveolin 3 and NCX1. The expression of Popdc1-LacZ transgene as well as Popdc1 protein was elevated in the ventricular conduction system compared to the ventricular working myocardium. In contrast, expression in atrial tissue was equivalent to the expression in the sinus node. Electrophysiological measurements in Popdc1 null mutants revealed a stressinduced and age-dependent sinus bradycardia, which was due to an increase in sinus pauses and independent of the nature of stress. Histological examinations with the help of the sinus node marker HCN4 revealed structural alterations in the inferior part of the sinus node in 8 months old Popdc1-mice. Biochemical examinations of Popdc1 showed that Popdc1 is a transmembrane protein. The N-terminus is extracellular and glycosylated, while the Cterminus is intracellular and harbours a highly conserved 150 amino acid-long Popeye domain. For this domain, a predicted homology to cyclic nucleotide binding domains was observed. Binding of cAMP and cGMP was experimentally demonstrated and thus, the Popdc proteins constitute a novel branch of the cyclic nucleotide binding protein family. Furthermore interaction of Popdc1 with the tandem pore channel TREK1 was examined. After co-injection of Popdc1 the TREK1 current was increased in Xenopus oocytes. Furthermore, β-adrenergic inhibition of TREK1 current was enhanced in the presence of Popdc1. In working myocardium, conduction tissue as well as in co-transfected Cos7 cells the two proteins showed a similar distribution. In conclusion, Popdc1 is involved in cardiac pacemaker activity, maintaining sinus node morphology and modulating ion channels that contribute to the setting of the membrane potential in cardiac myocytes. Interestingly, a highly similar phenotype was observed for the Popdc2 mouse mutant and therefore the Popdc gene family displays overlapping and redundant functions.