Frankfurt (Main), University, Diss., 2007.

University, Diss., 2003--Osnabrück.

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Konstanz, Univ., Diss., 2005.

Being living systems unable to adjust their location to changing environmental conditions, plants display homeostatic networks that have evolved to maintain transition metal levels in a very narrow concentration range in order to avoid either deficiency or toxicity. Hence, plants possess a broad repertoire of mechanisms for the cellular uptake, compartmentation and efflux, as well as for the chelation of transition metal ions. A small number of plants are hypertolerant to one or a few specific transition metals. Some metal tolerant plants are also able to hyperaccumulate metal ions. The Brassicaceae family member Arabidopis halleri ssp. halleri (L.) O´KANE and AL´SHEHBAZ is a hyperaccumulator of zinc (Zn), and it is closely related to the non-hypertolerant and non-hyperaccumulating model plant Arabidopsis thaliana (L.) HEYNHOLD. The close relationship renders A. halleri a promising emerging model plant for the comparative investigation of the molecular mechanisms behind hypertolerance and hyperaccumulation. Among several potential candidate genes that are probably involved in mediating the zinc-hypertolerant and zinc-hyperaccumulating trait is AhHMA3. The AhHMA3 gene is highly similar to AtHMA3 (AGI number: At4g30120) in A. thaliana, and its encoded protein belongs to the P-type IB ATPase family of integral membrane transporter proteins that transport transition metals. In contrast to the low AtHMA3 transcript levels in A. thaliana, the gene was found to be constitutively highly expressed across different Zn treatments in A. halleri, especially in shoots. In this study, the cloning and characterisation of the HMA3 gene and its promoter from Arabidopsis halleri (L.) O´KANE and AL´SHEHBAZ and Arabidopsis thaliana (L.) HEYNHOLD is described. Heterologously expressed AhHMA3 mediated enhanced tolerance to Zn and to a much lesser degree to cadmium (Cd) but not to cobalt (Co) in metal-sensitive mutant strains of budding yeast. It is demonstrated that the genome of A. halleri contains at least four copies of AhHMA3, AhHMA3-1 to AhHMA3-4. A copy-specific real-time RT-PCR indicated that an AhHMA3-1 related gene copy is the source of the constitutively high transcript level in A. halleri and not a gene copy similar to AhHMA3-2 or AhHMA3-4. In accordance with the enhanced AtHMA3mRNA transcript level in A. thaliana roots, an AtHMA3 promoter-GUS gene construct mediated GUS activity predominantly in the vascular tissues of roots and not in shoots. However, the observed AhHMA3-1 and AhHMA3-2 promoter-mediated GUS activity in A. thaliana or A. halleri plants did not reflect the constitutively high expression of AhHMA3 in shoots of A. halleri. It is suggested that other factors e. g. characteristic sequence inserts within the first intron of AhHMA3-1 might enable a constitutively high expression. Moreover, the unknown promoter of the AhHMA3-3 gene copy could be the source of the constitutively high AhHMA3 transcript levels in A. halleri. In that case, the AhHMA3-3 sequence is predicted to be highly homologous to AhHMA3-1. The lack of solid localisation data for the AhHMA3 protein prevents a clear functional assignment. The provided data suggest several possible functions of the AhHMA3 protein: Like AtHMA2 and AtHMA4 it might be localised to the plasma membrane and could contribute to the efficient translocation of Zn from root to shoot and/or to the cell-to-cell distribution of Zn in the shoot. If localised to the vacuolar membrane, then a role in maintaining a low cytoplasmic zinc concentration by vacuolar zinc sequestration is possible. In addition, AhHMA3 might be involved in the delivery of zinc ions to trichomes and mesophyll leaf cells that are major zinc storage sites in A. halleri. / Pflanzen sind lebende Systeme, die nicht in der Lage sind ihren Standort sich ändernden Umweltbedingungen anzupassen. Infolgedessen weisen Pflanzen homöostatischeNetzwerke auf, welche die Mengen an intrazellulären Übergangsmetallen in einem sehr engen Konzentrationsbereich kontrollieren um somit Vergiftungs- oder Mangelerscheinungen zu vermeiden. Eine kleine Anzahl von Pflanzen ist hypertolerant gegenüber einem oder mehreren Übergangsmetallen. Einige wenige dieser metalltoleranten Pflanzen sind fähig Übergangsmetalle in beträchtlichen Mengen zu speichern, sprich zu hyperakkumulieren, ohne Vergiftungserscheinungen zu zeigen. Die Haller’sche Schaumkresse (Arabidopis halleri ssp. halleri (L.) O´KANE und AL´SHEHBAZ) aus der Familie der Kreuzblütler (Brassicaceae) ist ein solcher Hyperakkumulator für Zink (Zn). Sie ist nah verwandt mit der Modellpflanze Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana (L.) HEYNHOLD), die jedoch nicht-hypertolerant und nicht-hyperakkumulierend für Übergangsmetalle ist. Diese nahe Verwandtschaft erlaubt vergleichende Studien der molekularen Mechanismen, die Hypertoleranz und Hyperakkumulation zu Grunde liegen. Zu der Gruppe von Kandidatengenen, die möglicherweise von Bedeutung für die Zink-hypertoleranten und -hyperakkumulierenden Eigenschaften von A. halleri sind, gehört AhHMA3, ein Gen mit großer Ähnlichkeit zu AtHMA3 (AGI Nummer: At4g30120) aus A. thaliana. Es kodiert ein Protein aus der Familie transmembraner Übergangsmetall-Transportproteine, den P-typ IB ATPasen. Im Gegensatz zu den niedrigen AtHMA3 Transkriptmengen in A. thaliana wird das AhHMA3 Gen in A. halleri in Gegenwart verschiedener Zn Konzentrationen konstitutiv hoch exprimiert, insbesondere im Spross der Pflanze. Diese Arbeit beschreibt die Klonierung und Charakterisierung des HMA3 Gens und seines Promoters aus A. halleri und A. thaliana. Es wurde gezeigt, dass heterolog exprimiertes AhHMA3 Protein in metallsensitiven Hefestämmen eine erhöhte Toleranz gegenüber Zink und zu einem geringen Grad gegenüber Kadmium (Cd) jedoch nicht gegenüber Kobalt (Co) vermittelt.Weiterhin wurden im Genom von A. halleri mindestens vier AhHMA3 Genkopien, AhHMA3-1 bis AhHMA3-4, nachgewiesen. Eine Genkopie-spezifische Echtzeit-RT-PCR (real-time RT-PCR) deutete darauf hin, dass eine zu AhHMA3-1 und nicht zu AhHMA3-2 oder AhHMA3-4 ähnliche Genkopie die Quelle der konstitutiv hohen Transkriptmengen in A. halleri ist. In Übereinstimmung mit erhöhten mRNS Transkriptmengen inWurzeln von A. thaliana, vermittelte ein AtHMA3 Promoter-GUS (ß-Glucuronidase) Genkonstrukt GUS-Aktivität hauptsächlich in den Leitgeweben der Wurzeln jedoch nicht des Sprosses. Die vermittelte GUS-Aktivität durch Promoterfragmente von AhHMA3-1 und AhHMA3-2 in A. thaliana oder A. halleri Pflanzen spiegelte jedoch nicht die konstitutiv hohe AhHMA3 Expression im Spross von A. halleri wieder. Es wird vermutet, dass andere Faktoren die konstitutiv hohe Expression ermöglichen wie zum Beispiel die gefundenen kopiespezifischen Sequenzinsertionen innerhalb des ersten AhHMA3-1 Introns. Weiterhin ist es denkbar, dass der unbekannte Promoter der AhHMA3-3 Genkopie die Quelle der konstitutiv hohen AhHMA3 Transkriptmengen ist. In diesem Fall wird eine sehr hohe Ähnlichkeit zwischen den Sequenzen von AhHMA3-3 und der AhHMA3-1 vorhergesagt. Es konnten keine deutlichen Ergebnisse zur intrazellulären Lokalisierung gemacht werden, die eine exakte Einordnung der Funktion des AhHMA3 Proteins erlauben würden. Die bisher ermittelten Ergebnisse schlagen jedoch mehrere mögliche Funktionen für AhHMA3 vor: Ähnlich den AhHMA3 homologen Proteinen, AtHMA2 und AtHMA4, könnte AhHMA3 in der Plasmamembran der Zelle sitzen und dort zur effizienten Translokation von Zink aus der Wurzel in den Spross und/oder zur Zell-zu-Zell Verteilung von Zn im Spross beitragen. Falls AhHMA3 in der Membran der Vakuole sitzt, könnte es eine Rolle bei der Aufrechterhaltung niedriger zytoplasmatischer Zinkkonzentrationen durch vakuoläre Zinksequestrierung spielen. Zusätzlich ist es denkbar, dass AhHMA3 an der Abgabe von Zinkionen an Trichome und Blattmesophyllzellen beteiligt ist, die die Haupteinlagerungsorte für Zink in A. halleri darstellen.

Na+,K+-ATPase (NKA) is a membrane protein which assists in maintaining the electrochemical potential across the cell membrane. It has been suggested that the oligomerization of NKA may play a role in intracellular regulation of NKA activity. Monte Carlo simulations of NKA on a picket-fence membrane model were performed to examine if clustering has an effect on NKA efficiency. The results show that for a simple model of NKA interaction, oligomerization may drastically reduce the efficiency as measured in ATP turnover rate. Introducing a rate limit shows a clear separation between monomers and higher levels of oligomerization. / Na+,K+-ATPase (NKA) is a membrane protein which assists in maintaining the electrochemical potential across the cell membrane. It has been suggested that the oligomerization of NKA may play a role in intracellular regulation of NKA activity. Monte Carlo simulations of NKA on a picket-fence membrane model were performed to examine if clustering has an effect on NKA efficiency. The results show that for a simple model of NKA interaction, oligomerization may drastically reduce the efficiency as measured in ATP turnover rate. Introducing a rate limit shows a clear separation between monomers and higher levels of oligomerization.

In großen Teilen der Welt verursachen intrazelluläre Parasiten der Spezies Leishmania schwerwiegende Infektionen beim Menschen. Die Exposition eines Phospholipids (Phosphatidylserin, PS) steht unter Verdacht Fresszellen zur Aufnahme der Parasiten zu stimulieren. Bisher ist die Regulation der Phospholipidverteilung in der Plasmamembran dieser Parasiten kaum erforscht. In der vorliegenden Arbeit wurde ein lipidtransportierender Proteinkomplex identifiziert, der einen wesentlichen Beitrag zur asymmetrischen Lipidverteilung in der Plasmamembran von Leishmania donovani leistet. Die Zerstörung des Komplexes führte zum Verlust des einwärts gerichteten Lipidtransports und zur Anreicherung von Phosphatidylethanolamin (PE) auf der Zelloberfläche des Parasiten. Diese veränderte Lipidasymmetrie hatte jedoch keinen Einfluss auf die Phagozytose durch Makrophagen. Darüber hinaus brachte die Untersuchung des Insektenstadiums (Promastigote) verschiedener Leishmania Spezies zu Tage, dass die Menge an PS unterhalb des Detektionslimits modernster Nachweisverfahren liegt. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass der Parasit über einen Scramblase-Mechanismus verfügt, der durch intrazelluläres Kalzium stimulierbar ist. Die Scramblase-Aktivität ist, im Gegensatz zu dem zuvor beschriebenen einwärts gerichteten Lipidtransport, energieunabhängig und ermöglicht die bidirektionale Translokation von fluoreszenzmarkiertem Phosphatidylcholin (PC), PE, PS und Sphingomyelin (SM). Dementsprechend konnte nach Kalziumstimulierung endogenes PE auch in der äußeren Lipidschicht der Plasmamembran detektiert werden, wobei deren Barrierefunktion nicht beeinträchtigt wurde. Diese Ergebnisse geben neue Einblicke in die dynamische Regulation der Lipidverteilung über die Plasmamembran des Parasiten und verdeutlichen, dass die Exposition von PS und PE nicht essentiell für das Eindringen der Leishmanien in die Wirtszellen ist. / The protozoan parasite Leishmania causes severe infections in humans throughout the world. Following the transmission via sand flies to its mammalian host the extracellular parasite has to gain entry into phagocytic cells to initiate a successful infection. Specific surface exposed phospholipids have been implicated in Leishmania macrophage-interaction, but the mecha-nisms controlling and regulating the plasma membrane lipid distribution remains to be eluci-dated. In the present work a lipid transporting protein complex was identified in Leishmania dono-vani which plays an essential role in maintaining an asymmetric lipid distribution across the plasma membrane. Loss of the protein complex abolishes the inward-directed lipid transport and thus e.g. to an increased cell surface exposure of phosphatidylethanolamine (PE). In spite of this altered lipid asymmetry the uptake by macrophages is unaffected. Moreover, Leishma-nia promastigotes of different species lack detectable amounts of phosphatidylserine (PS) although being infective. Furthermore, a scramblase activity following a cytosolic calcium signal was demonstrated. This scramblase mechanism facilitated, in contrast to the previous described inward directed lipid transport, the bidirectional movement of fluorescent lipid analogues of PC, PE, PS and SM in an energy-independent manner. In accordance with these findings endogenous PE was exposed to the outer plasma membrane leaflet following the Ca2+-signal, while the plasma membrane itself remained intact. These results provide novel insight into the dynamic regulation of the transbilayer lipid distri-bution across the parasite plasma membrane and reveal that exposure of PS and PE is not cru-cial for invasion of the host cell by Leishmania donovani promastigotes.

The growth of ZnO single crystals and ZnO thin films on Si substrates by an open-system vapor phase method was studied in this thesis. The as-grown ZnO single crystals were investigated by means of photoluminescence (PL). Two unique emissions were observed in virgin and hydrogenated crystals. The up-to-now attempts for the p-type doping of ZnO were summarized and our doping studies were performed using nitrogen and antimony. The seed-free and open-system vapor phase method is a simple and low cost approach to grow good quality ZnO single crystals. The growth parameters, including flow rates of N2, H2, O2, and growth temperatures, have various influences on the crystal growth, and also on the optical properties of the as grown crystals. The as-grown crystals are c-axis oriented needle crystals, and the crystals typically have a maximum length of 40 mm and a maximum diameter of 1 mm. The needle-shaped crystals are n-type with main donors due to Al, Ga, and In impurities, as determined from the PL spectra. Two unidentified PL emission lines (P1 at 3.3643 eV and P2 at 3.3462 eV) are observed in our vapor phase grown ZnO single crystals. P1 is attributed to the recombination of an exciton bound to a shallow donor，which has a binding energy of 42.2 meV. Hydrogenation of the as-grown ZnO single crystal leads to the appearance of the P2 line and a great reduction of the P1 line. Subsequent isochronal annealing in the ambient atmosphere leads to gradual reduction of P2 and the reappearance of P1. The PL measurements indicate that hydrogen is involved in the defect origins of the P2 line. ZnO thin films were deposited on Si substrates by the vapor phase method. Three different types of configurations with alternative source materials and oxidizers were employed and compared. It is demonstrated that, methods with lower growth temperatures are easier to deposit homogenous ZnO films on Si substrate. Donor-acceptor-pair (DAP) transition at 3.245 eV and its phonon replicas were observed in the PL spectra of the thin films, which are grown by the hydrogen-free vapor phase method. The appearance of DAP transition indicates the presence of acceptor in the films. The long-standing challenge of p-type doping in ZnO is mainly attributed to the low valence band maximum (VBM) at the absolute energy scale, the spontaneous formation of compensating defects and the lack of appropriate acceptors with small ionization energy. Two attempts for the p-type doping of ZnO were performed by nitrogen diffusion into ZnO single crystals from plasma after the growth or by in-situ doping antimony during the growth of ZnO films. No hole conductivity could however be achieved in our doped samples. / In dieser Arbeit wurde das Wachstum von ZnO-Einkristallen und Dünnfilmschichten auf Si durch chemische Gasphasenabscheidung in einem offenen System untersucht. Die hergestellten ZnO-Einkristalle wurden mit Photolumineszenzmessungen (PL) untersucht. Es konnten sowohl in unbehandelten als auch in mit Wasserstoff behandelten Proben zwei charakteristische Linien beobachtet werden. Sowohl die bisherigen Versuche zur p-Typ Dotierung von ZnO als auch die in dieser Arbeit durchgeführten Versuche mit Stickstoff und Antimon werden zusammengefasst und präsentiert. Die Keimkristall-freie Gasphasenabscheidung (CVD) in offenen Systemen ist eine einfache und kostengünstige Methode zur Herstellung von qualitativ hochwertigen ZnO-Einkristallen. Die Wachstumsparameter, einschließlich der Flussraten von N2, H2 und O2 sowie der Wachstumstemperatur beeinflussen das Kristallwachstum sowie die optischen Eigenschaften der hergestellten Kristalle. Die hergestellten Kristalle wachsen typischerweise als entlang der c-Achse orientierte Nadeln mit Längen von bis zu 40 mm und Durchmessern von bis zu 1 mm. Die nadelförmigen Kristalle besitzen eine n-Typ Dotierung, welche hauptsächlich durch Verunreinigung mit Al, Ga und In verursacht wird. Zwei bisher nicht identifizierte PL-Linien (P1 bei 3,3643 eV und P2 bei 3,3462 eV) wurden in den hergestellten Kristallen beobachtet. P1 wird der Rekombination von Exzitonen an flachen Donatoren mit einer Bindungsenergie von 42,2 meV zugeordnet. Eine Wasserstoffbehandlung der hergestellten Kristalle führt zum Erscheinen der P2-Linie und einer starken Unterdrückung der P1-Linie. Anschließende isochronische Temperung in Luft führt zu einer schrittweisen Reduzierung der Intensität der P2-Linie und zu einer Verstärkung der P1-Linie. Photolumineszenzmessungen weisen auf eine Korrelation von P2 mit Wasserstoff hin. Zusätzlich wurden mit der CVD-Methode dünne ZnO-Schichten auf Si-Substraten abgeschieden. Drei unterschiedliche Konfigurationen mit verschiedenen Ausgangsmaterialien (ZnO-Pulver bw. Zn-Pulver) und verschiedenen Oxidationsmitteln (O2 bzw. Wasser) wurden untersucht und verglichen. Es wird gezeigt, dass mit den Konfigurationen mit geringerer Wachstumstemperatur am einfachsten homogene ZnO-Schichten auf Si abgeschieden werden können. Ein Donator-Akzeptor-Paar-Übergang (DAP) bei 3,245 eV und die dazugehörigen Phononenrepliken wurden in den Schichten beobachtet, welche in einer Wasserstoff-freien Konfiguration abgeschieden wurden. Diese DAP-Übergänge sind ein Hinweis auf die Anwesenheit von Akzeptoren. Die seit langem bestehende Herausforderung der p-Typ-Dotierung von ZnO hat ihre Wurzeln hauptsächlich in dem niedrig liegenden Valenzbandmaximum (VBM) auf der absoluten Energieskala, der spontanen Bildung von kompensierenden Defekten sowie dem Mangel an geeigneten Akzeptoren mit geringer Ionisierungsenergie. Zwei Versuche zur p-Typ-Dotierung von ZnO durch Behandlung der Kristalle mit N-Plasma bzw. durch in-situ Dotierung mit Sb während des Kristallwachstums wurden durchgeführt. Allerdings konnte damit keine nachweisbare Löcherleitung in den behandelten Proben erreicht werden.

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