Phytoplankter sind die bedeutendsten Primärproduzenten in aquatischen Ökosystemen und leisten ca. 45 % der globalen Primärproduktion. Sie weisen eine hohe taxonomische Diversität mit vielfältigen morphologischen und physiologischen Eigenschaften auf. Funktionelle Eigenschaften, die das licht-, temperatur- und nährstoffabhängige Wachstum sowie Verlustgrößen (Fraß, Sedimentation) beschreiben, sind eine Möglichkeit Phytoplankter zu klassifizieren. Diese Einteilung gewinnt für das Verständnis und die Modellierung der Phytoplanktonsukzession (z.B. in Wassergütemodellen) immer mehr an Bedeutung, da nicht taxonomische, sondern funktionelle Eigenschaften das Vorkommen der Phytoplankter im Gewässer bestimmen. Das Wassergütemodell SALMO ist ein mechanistisches, dynamisches, vertikales 1D-Modell, welches Nährstoffe, Sauerstoff, Detritus, 4 funktionelle Phytoplanktontypen und eine Zooplanktonmischgruppe simuliert. Bei der Modellanwendung wurde ersichtlich, dass die vorhandenen funktionellen Typgruppen teilweise nicht ausreichen, um die funktionelle Diversität der realen Phytoplanktongemeinschaften adäquat widerzuspiegeln. Deshalb wird eine Erweiterung der funktionellen Typgruppen in SALMO angestrebt. Eine empirische Freilanddatenanalyse an zwei morphologisch und trophisch verschiedenen Talsperren ergab insgesamt 10 funktionelle Phytoplanktontypen (Typgruppen 1, 2 und 4 bereits in SALMO vorhanden). Die bestehenden funktionellen Eigenschaften wurden erweitert und teilweise verändert (insgesamt 10 funktionelle Eigenschaften). Die neue funktionelle Typgruppe 6 (unbewegliche, koloniale, gelatinöse Chlorophyceen) wurde in lichtabhängigen Wachstumsversuchen und Fraßversuchen mit Daphnia galeata × hyalina genauer untersucht. Als stellvertretende Art für diese Typgruppe wurde Sphaerocystis schroeteri gewählt. Die Wachstumsversuche bei 20 °C kennzeichneten Sphaerocystis als Starklichtart mit einer relativ hohen Wachstumsrate (Iopt = 250 µmol m-2 s-1; µmax = 0.96 d-1; 12:12 h Hell-Dunkelzyklus). Eigene Nährmediumsversuche wiesen auf eine Abhängigkeit von freiem CO2 hin. Dies bietet eine Erklärung für ihr häufiges Auftreten in oligo- bis mesotrophen Gewässern. Bei Anwesenheit von Daphnia konnte nach 96 h Versuchsdauer eine signifikante Erhöhung der Koloniegröße (Anteil nicht fressbarer Kolonien 3-74 %), im Vergleich zur Kontrolle (Anteil nicht fressbarer Kolonien 0-5 %), festgestellt werden. Dies stellt einen effektiven Fraßschutz gegen größenselektiv filtrierendes Zooplankton wie z.B. Daphnia dar und kann bei hohem Fraßdruck zur Dominanz der Typgruppe führen (z.B. Klarwasserphase in eutrophen Gewässern). Der Effekt war nicht durch Infochemikalien induzierbar. Aus Literaturdaten wurde eine relativ hohes Topt von 27 °C, eine nur mäßige Konkurrentstärke um Phosphor (mittlerer KP-Wert) sowie eine Brutto-Sinkgeschwindigkeit von 1.5 m d-1 entnommen werden. / Phytoplankter are the most important primary producer in aquatic ecosystems and contribute about 45 % to global primary production. Phytoplankton communities usually show an enormous taxonomical diversity. However, besides taxonomical diversity, a phytoplankton can also be characterised by its functional diversity by means of functional traits like resource-dependent growth characteristics (e.g. KI-, KP-, KN-values) or sensitivity to zooplankton grazing and sedimentation. Since functional, and not taxonomic, traits drive the phytoplankton succession, a functional classification of phytoplankton is recognised to be increasingly important for the ecological understanding and modelling of plankton succession (e.g. in water quality models). The mechanistic, dynamic, vertical 1D water quality model SALMO simulates the dynamics of nutrient concentrations (P, N), oxygen, detritus, 4 functional phytoplankton types and 1 mixed zooplankton group. Different model applications showed that the number of phytoplankton types in SALMO was sometimes not sufficient for accounting for the observed functional diversity in phytoplankton communities. Therefore, the aim of this thesis is to extend the functional diversity of phytoplankton types in SALMO. After careful evaluation of empirical data from two reservoirs with different morphology and trophic state 10 functional phytoplankton types are proposed (types 1, 2 and 4 remained unchanged). Existing functional traits in SALMO were extended and partly changed (in total 10 functional traits). For the new functional phytoplankton type 6 (non motile, colonial gelatinous green algae) light-dependent growth rates were measured and grazing experiments with Daphnia galeata × hyalina were carried out in the laboratory. For these experiments, Sphaerocystis schroeteri was chosen as representative species for this group. It is characterised by high light demand and relative high growth rates at 20 °C (µmax = 0.96 d-1, Iopt = 250 µmol m-2 s-1, 12:12 h light-dark cycle). Their growth depends on the availability of free CO2. This explains the common occurrence in oligo-mesotrophic water bodies. The range of the colony sizes of Sphaerocystis increased in the presence of Daphnia significantly (portion of inedible colonies 3-74 %) in contrast to the control (portion of inedible colonies 0-5 %). This was induced by direct size-selective grazing and not by infochemicals. Thus, Sphaerocystis has evolved an effective defence mechanism against size-selective filter-feeding zooplankton and is competitive superior at high zooplankton grazing pressure (e.g. clear water stage in eutrophic waters). The lack of experimentally derived parameters for temperature- and phosphorus-depending growth (Tmin, Topt, KP-value) as well as gross sinking velocity was complemented with literature data. The alga is only moderately competitive for phosphorus and exhibits relatively high minimal and optimal growth temperatures (Tmin = 7 °C, Topt = 27 °C). Since type 6 consists of large, non motile species, gross sinking velocity was estimated to be about 1.5 m d-1.

Phytoplankter sind die bedeutendsten Primärproduzenten in aquatischen Ökosystemen und leisten ca. 45 % der globalen Primärproduktion. Sie weisen eine hohe taxonomische Diversität mit vielfältigen morphologischen und physiologischen Eigenschaften auf. Funktionelle Eigenschaften, die das licht-, temperatur- und nährstoffabhängige Wachstum sowie Verlustgrößen (Fraß, Sedimentation) beschreiben, sind eine Möglichkeit Phytoplankter zu klassifizieren. Diese Einteilung gewinnt für das Verständnis und die Modellierung der Phytoplanktonsukzession (z.B. in Wassergütemodellen) immer mehr an Bedeutung, da nicht taxonomische, sondern funktionelle Eigenschaften das Vorkommen der Phytoplankter im Gewässer bestimmen. Das Wassergütemodell SALMO ist ein mechanistisches, dynamisches, vertikales 1D-Modell, welches Nährstoffe, Sauerstoff, Detritus, 4 funktionelle Phytoplanktontypen und eine Zooplanktonmischgruppe simuliert. Bei der Modellanwendung wurde ersichtlich, dass die vorhandenen funktionellen Typgruppen teilweise nicht ausreichen, um die funktionelle Diversität der realen Phytoplanktongemeinschaften adäquat widerzuspiegeln. Deshalb wird eine Erweiterung der funktionellen Typgruppen in SALMO angestrebt. Eine empirische Freilanddatenanalyse an zwei morphologisch und trophisch verschiedenen Talsperren ergab insgesamt 10 funktionelle Phytoplanktontypen (Typgruppen 1, 2 und 4 bereits in SALMO vorhanden). Die bestehenden funktionellen Eigenschaften wurden erweitert und teilweise verändert (insgesamt 10 funktionelle Eigenschaften). Die neue funktionelle Typgruppe 6 (unbewegliche, koloniale, gelatinöse Chlorophyceen) wurde in lichtabhängigen Wachstumsversuchen und Fraßversuchen mit Daphnia galeata × hyalina genauer untersucht. Als stellvertretende Art für diese Typgruppe wurde Sphaerocystis schroeteri gewählt. Die Wachstumsversuche bei 20 °C kennzeichneten Sphaerocystis als Starklichtart mit einer relativ hohen Wachstumsrate (Iopt = 250 µmol m-2 s-1; µmax = 0.96 d-1; 12:12 h Hell-Dunkelzyklus). Eigene Nährmediumsversuche wiesen auf eine Abhängigkeit von freiem CO2 hin. Dies bietet eine Erklärung für ihr häufiges Auftreten in oligo- bis mesotrophen Gewässern. Bei Anwesenheit von Daphnia konnte nach 96 h Versuchsdauer eine signifikante Erhöhung der Koloniegröße (Anteil nicht fressbarer Kolonien 3-74 %), im Vergleich zur Kontrolle (Anteil nicht fressbarer Kolonien 0-5 %), festgestellt werden. Dies stellt einen effektiven Fraßschutz gegen größenselektiv filtrierendes Zooplankton wie z.B. Daphnia dar und kann bei hohem Fraßdruck zur Dominanz der Typgruppe führen (z.B. Klarwasserphase in eutrophen Gewässern). Der Effekt war nicht durch Infochemikalien induzierbar. Aus Literaturdaten wurde eine relativ hohes Topt von 27 °C, eine nur mäßige Konkurrentstärke um Phosphor (mittlerer KP-Wert) sowie eine Brutto-Sinkgeschwindigkeit von 1.5 m d-1 entnommen werden. / Phytoplankter are the most important primary producer in aquatic ecosystems and contribute about 45 % to global primary production. Phytoplankton communities usually show an enormous taxonomical diversity. However, besides taxonomical diversity, a phytoplankton can also be characterised by its functional diversity by means of functional traits like resource-dependent growth characteristics (e.g. KI-, KP-, KN-values) or sensitivity to zooplankton grazing and sedimentation. Since functional, and not taxonomic, traits drive the phytoplankton succession, a functional classification of phytoplankton is recognised to be increasingly important for the ecological understanding and modelling of plankton succession (e.g. in water quality models). The mechanistic, dynamic, vertical 1D water quality model SALMO simulates the dynamics of nutrient concentrations (P, N), oxygen, detritus, 4 functional phytoplankton types and 1 mixed zooplankton group. Different model applications showed that the number of phytoplankton types in SALMO was sometimes not sufficient for accounting for the observed functional diversity in phytoplankton communities. Therefore, the aim of this thesis is to extend the functional diversity of phytoplankton types in SALMO. After careful evaluation of empirical data from two reservoirs with different morphology and trophic state 10 functional phytoplankton types are proposed (types 1, 2 and 4 remained unchanged). Existing functional traits in SALMO were extended and partly changed (in total 10 functional traits). For the new functional phytoplankton type 6 (non motile, colonial gelatinous green algae) light-dependent growth rates were measured and grazing experiments with Daphnia galeata × hyalina were carried out in the laboratory. For these experiments, Sphaerocystis schroeteri was chosen as representative species for this group. It is characterised by high light demand and relative high growth rates at 20 °C (µmax = 0.96 d-1, Iopt = 250 µmol m-2 s-1, 12:12 h light-dark cycle). Their growth depends on the availability of free CO2. This explains the common occurrence in oligo-mesotrophic water bodies. The range of the colony sizes of Sphaerocystis increased in the presence of Daphnia significantly (portion of inedible colonies 3-74 %) in contrast to the control (portion of inedible colonies 0-5 %). This was induced by direct size-selective grazing and not by infochemicals. Thus, Sphaerocystis has evolved an effective defence mechanism against size-selective filter-feeding zooplankton and is competitive superior at high zooplankton grazing pressure (e.g. clear water stage in eutrophic waters). The lack of experimentally derived parameters for temperature- and phosphorus-depending growth (Tmin, Topt, KP-value) as well as gross sinking velocity was complemented with literature data. The alga is only moderately competitive for phosphorus and exhibits relatively high minimal and optimal growth temperatures (Tmin = 7 °C, Topt = 27 °C). Since type 6 consists of large, non motile species, gross sinking velocity was estimated to be about 1.5 m d-1.

Histidinkinase-Rhodopsine (HKRs) können als besondere Gruppe der Hybrid-Histidinkinasen beschrieben werden, deren N-terminale sensorische Domäne ein mikrobielles Rhodopsin ist. HKR-codierende Sequenzen konnten in den Genomen verschiedener Algen, Pilze und Amoeben gefunden werden doch ihre Aufgaben und Wirkungsweisen sind bisher ungeklärt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die rekombinanten Rhodopsin-Domänen von zwei HKRs mit verschiedenen spektroskopischen Techniken charakterisiert. Sie zeigten mehrere Besonderheiten. Das Rhodopsin-Fragment von Cr-HKR1 aus Chlamydomonas reinhardtii kann durch alternierende kurzwellige und langwellige Belichtung zwischen zwei stabilen Absorptionsformen konvertiert werden: einer Blaulicht-absorbierenden (Rh-Bl) und einer UVA-Licht-absorbierenden Form (Rh-UV). Dies resultiert aus der ungewöhnlichen thermischen Stabilität des Zustandes mit deprotonierter Schiff’scher Base. Das zweite charakterisierte HKR, die Os-HKR-Rhodopsin-Domäne aus der marinen Picoalge Ostreococcus tauri, zeigt eine Dunkelabsorption von 505 nm. Auch Os-HKR ist photochrom und die deprotonierte Spezies kann effizient akkumuliert werden. Diese P400-Absorptionsform ist jedoch nicht völlig stabil sondern es kommt nach Belichtungsende zur langsamen Dunkelzustands-Regeneration. Überraschenderweise konnte die Bindung sowie die transiente Abgabe eines Anions während des Os-HKR-Photozyklus festgestellt werden. Somit beeinflusst nicht nur das Licht, sondern auch das Salz in der Umgebung die Os-HKR-Reaktionen. Aufgrund ihrer photochromen Eigenschaften werden die HKRs als wirksame lichtinduzierte Schalter für die C-terminalen Signaltransduktionsdomänen postuliert. Schwingungsspektroskopische Analysen deckten eine Heterogenität hinsichtlich der im Protein gebundenen Retinal‐Konfiguration sowie die Existenz von zwei parallelen Photozyklen auf. Jeder dieser Photozyklen geht aus einer der beiden Retinal-Isomere hervor. / Histidine kinase rhodopsins (HKRs) can be described as hybrid histidine kinases with a microbial rhodopsin as N-terminal sensory domain. HKR-encoding sequences were found in the genomes of various unicellular organisms such as algae, fungi and amoeba but their mechanistic and physiologic function is unknown. During this work the absorptive properties of the recombinant rhodopsin domains of two HKRs were studied by the usage of different spectroscopic techniques. Both HKRs showed unusual characteristics. The rhodopsin fragment of Cr‐HKR1 from Chlamydomonas reinhardtii can be interconverted between two stable absorbance forms by the alternate application of short‐ and long‐wavelength light: a blue light-absorbing dark form (Rh-Bl) and a UVA light-absorbing form (Rh-UV). This unusual photocycle results from the uncommon thermal stability of the absorbance state with a deprotonated retinal Schiff base. The second studied HKR, the Os‐HKR rhodopsin domain from the marine picoalga Ostreococcus tauri, shows an absorbance maximum at 505 nm in darkness. Likewise Cr‐HKR1 the Os‐HKR is photochromic and the deprotonated form P400 can be efficiently accumulated. But the Os-HKR P400-form is not completely stable. A slow dark state recovery occurs. Surprisingly the dark state absorbance of Os‐HKR was found to be dependent on anion binding in the protein. Furthermore during the photocycle the transient anion release occurs and therefore not only light but also salt impacts the Os-HKR-reactions. Due to their pronounced photochromic properties, the HKRs are postulated to act as effective molecular switches for the C-terminal signal transduction domains in response to the light conditions. Vibrational spectroscopy revealed the heterogeneity with regard to the retinal configuration bound in the HKRs suggesting the existence of two parallel photocycles. Either of these photocycles originates from one of the two retinal isoforms.

Die Modifikation von Genen ist in den molekularen Biowissenschaften ein fundamentales Werkzeug, um die Funktion von Genen zu studieren (Reverse Genetik). Diese Arbeit hat erfolgreich Zinkfinger- und CRISPR/Cas9-Nukleasen für die Verwendung in C. reinhardtii etabliert, um Gene im Kerngenom gezielt auszuschalten und präzise zu verändern. Basierend auf vorausgegangener Arbeit mit Zinkfingernukleasen (ZFN) konnte die Transformationseffizienz um das 300-fache verbessert werden, was die Inaktivierung von Genen auch in motilen Wildtyp-Zellen ermöglichte. Damit war es möglich, die Gene für das Kanalrhodopsin-1 (ChR1), Kanalrhodopsin-2 (ChR2) und das Chlamyopsin-1/2-Gen (COP1/2) einzeln und gemeinsam auszuschalten. Eine Analyse der Phototaxis in diesen Stämmen ergab, dass die Phototaxis durch Inaktivierung von ChR1 stärker beeinträchtigt ist als durch Inaktivierung von ChR2. Um das CRISPR/Cas9-System zu verwenden, wurden die Transformationsbedingungen so angepasst und optimiert, dass der Cas9-gRNA-Komplex als in vitro hergestelltes Ribonukleoprotein in die Zellen transformiert wurde. Um die Bedingungen für präzise Genmodifikationen zu messen und zu verbessern, wurde das SNRK2.2-Gen als Reportergen für eine „Blau-Grün Test“ etabliert. Kleine Insertionen von bis zu 30 bp konnten mit kurzen Oligonukleotiden eingefügt werden, während größere Reportergene (mVenus, SNAP-Tag) mithilfe eines Donor-Plasmids generiert wurden. In dieser Arbeit konnten mehr als 20 nicht-selektierbare Gene – darunter 10 der 15 potenziellen Photorezeptorgene – mit einer durchschnittlichen Mutationsrate von 12,1 % inaktiviert werden. Insgesamt zeigt diese Arbeit in umfassender Weise, wie Gen-Inaktivierungen und Modifikationen mithilfe von ZFNs und des CRISPR/Cas9-Systems in der Grünalge C. reinhardtii durchgeführt werden können. Außerdem bietet die Sammlung der zehn Photorezeptor-Knockouts eine aussichtsreiche Grundlage, um die Vielfalt der Photorezeptoren in C. reinhardtii zu erforschen. / Gene editing is a fundamental tool in molecular biosciences in order to study the function of genes (reverse genetics). This study established zinc-finger and CRISPR/Cas9 nucleases for gene editing to target and inactivate the photoreceptor genes in C. reinhardtii. In continuation of previous work with designer zinc-finger nucleases (ZFN), the transformation efficiency could be improved 300-fold, which enabled the inactivation of genes in motile wild type cells. This made it possible to disrupt the Channelrhodopsin-1 (ChR1), Channelrhodopsin-2 (ChR2) and Chlamyopsin-1/2 (COP1/2) genes individually and in parallel. Phototaxis experiments in these strains revealed that the inactivation of ChR1 had a greater effect on phototaxis than the inactivation of ChR2. To apply the CRISPR/Cas9 system, the transformation conditions were adapted and optimized so that the Cas9-gRNA complex was successfully electroporated into the cells as an in vitro synthesized ribonucleoprotein. This approach enabled gene inactivations with CRISPR/Cas9 in C. reinhardtii. In order to measure and improve the conditions for precise gene modifications, the SNRK2.2 gene was established as a reporter gene for a ‘Blue-Green test’. Small insertions of up to 30 bp were inserted using short oligonucleotides, while larger reporter genes (mVenus, SNAP-tag) were integrated using donor plasmids. Throughout this study, more than 20 non-selectable genes were disrupted, including 10 of the photoreceptor genes, with an average mutation rate of 12,1 %. Overall, this work shows in a comprehensive way how gene inactivations and modifications can be performed in green alga C. reinhardtii using ZFNs or CRISPR/Cas9. In addition, the collection of the ten photoreceptor knockouts provides a promising source to investigate the diversity of photoreceptor genes in C. reinhardtii.