The Venus flytrap, \textit{Dionaea muscipula}, with its carnivorous life-style and its highly specialized snap-traps has fascinated biologist since the days of Charles Darwin. The goal of the \textit{D. muscipula} genome project is to gain comprehensive insights into the genomic landscape of this remarkable plant. The genome of the diploid Venus flytrap with an estimated size between 2.6 Gbp to 3.0 Gbp is comparatively large and comprises more than 70 % of repetitive regions. Sequencing and assembly of genomes of this scale are even with state-of-the-art technology and software challenging. Initial sequencing and assembly of the genome was performed by the BGI (Beijing Genomics Institute) in 2011 resulting in a 3.7 Gbp draft assembly. I started my work with thorough assessment of the delivered assembly and data. My analysis showed that the BGI assembly is highly fragmented and at the same time artificially inflated due to overassembly of repetitive sequences. Furthermore, it only comprises about on third of the expected genes in full-length, rendering it inadequate for downstream analysis. In the following I sought to optimize the sequencing and assembly strategy to obtain an assembly of higher completeness and contiguity by improving data quality and assembly procedure and by developing tailored bioinformatics tools. Issues with technical biases and high levels of heterogeneity in the original data set were solved by sequencing additional short read libraries from high quality non-polymorphic DNA samples. To address contiguity and heterozygosity I examined numerous alternative assembly software packages and strategies and eventually identified ALLPATHS-LG as the most suited program for assembling the data at hand. Moreover, by utilizing digital normalization to reduce repetitive reads, I was able to substantially reduce computational demands while at the same time significantly increasing contiguity of the assembly. To improve repeat resolution and scaffolding, I started to explore the novel PacBio long read sequencing technology. Raw PacBio reads exhibit high error rates of 15 % impeding their use for assembly. To overcome this issue, I developed the PacBio hybrid correction pipeline proovread (Hackl et al., 2014). proovread uses high coverage Illumina read data in an iterative mapping-based consensus procedure to identify and remove errors present in raw PacBio reads. In terms of sensitivity and accuracy, proovread outperforms existing software. In contrast to other correction programs, which are incapable of handling data sets of the size of D. muscipula project, proovread’s flexible design allows for the efficient distribution of work load on high-performance computing clusters, thus enabling the correction of the Venus flytrap PacBio data set. Next to the assembly process itself, also the assessment of the large de novo draft assemblies, particularly with respect to coverage by available sequencing data, is difficult. While typical evaluation procedures rely on computationally extensive mapping approaches, I developed and implemented a set of tools that utilize k-mer coverage and derived values to efficiently compute coverage landscapes of large-scale assemblies and in addition allow for automated visualization of the of the obtained information in comprehensive plots. Using the developed tools to analyze preliminary assemblies and by combining my findings regarding optimizations of the assembly process, I was ultimately able to generate a high quality draft assembly for D. muscipula. I further refined the assembly by removal of redundant contigs resulting from separate assembly of heterozygous regions and additional scaffolding and gapclosing using corrected PacBio data. The final draft assembly comprises 86 × 10 3 scaffolds and has a total size of 1.45 Gbp. The difference to the estimated genomes size is well explained by collapsed repeats. At the same time, the assembly exhibits high fractions full-length gene models, corroborating the interpretation that the obtained draft assembly provides a complete and comprehensive reference for further exploration of the fascinating biology of the Venus flytrap. / Die Venus Fliegenfalle, D. muscipula fasziniert aufgrund ihres karnivoren Lebensstil und ihrer hochspezialisierten Fallen Biologen schon seit der Zeit von Charles Darwins. Das Ziel des D. muscipula Genomprojekts ist es, neue Einblicke in den genomischen Grundlagen dieser besonderen Pflanze zu gewinnen. Die diploide Venus Fliegenfalle verfügt mit eine geschätzten Größe von 2.6 bp bis 3Gbp über ein vergleichsweise großes Genom, das zudem zu über 70% aus repetitiven Regionen besteht. Sequenzierung und Assembly von Genomen dieser Größenordnung stellen selbst mit neusten technischen und informatischen Methoden eine große Herausforderung dar. Zum ersten mal sequenziert und assembliert wurde das Genom 2011 durch das BGI (Beijing Genomics Institute). Meine Arbeit am Genom der Fliegenfalle begann mit der Analyse des 3.7Gbp großen Assemblies, welches wir vom BGI erhalten haben. Mit meinen Untersuchungen könnte ich zeigen, dass das Assembly stark fragmentiert und gleichzeitig durch überrepräsentierte repetitive Sequenzen stark aufgebläht ist. Darüberhinaus beinhaltet es gerade ein mal eine drittel der erwarteten Gene in Volllänge, wodurch es für die weiter Analyse ungeeignet ist. In meiner weiteren Arbeit habe ich mich daher darauf konzentriert, unsere Sequenzierungsund Assemblierungsstrategie zu verfeinern um ein stärker zusammenhängendes und vollständigeres Assembly zu erhalten. Dafür war es notwendig die Qualität der Sequenzierdaten so wie den Assemblierungsprozess selbst zu optimieren, und Programme zu entwickeln, die eine Verbesserung der Daten und eine Analyse der Zwischenergebnisse ermöglichen. So wurden etwa zur neue Bibliotheken von nicht-polymorphen DNA-Proben sequenziert um die Heterogenität im Datensatz zu verringern. Um die Kontinuität der Assemblies zu verbessern und Probleme mit der Heterozygosität der Daten zu lösen habe ich eine Reihe verschiedener Assemblierungsprogramme getestet. Dabei zeigte sich, dass das Programm ALLPATHS-LG am besten geeignet ist für die Assemblierung von D. muscipula Daten. Durch den Einsatz von digitaler Normalisierung konnte ich den Bedarf an Computerressourcen für einzelne Assemblierungen deutlich reduzieren und gleichzeitig die Kontinuität der Assemblies deutlich erhöhen. Zur besseren Auflösung repetitiver Strukturen im Genom, habe ich auf eine neu entwickelte Sequenziertechnologie von PacBio zurückgegriffen, die deutlich länger Sequenzen erzeugt. Um die neuen Daten trotz ihrer hohen Fehlerrate von 15% für Assemblierungen nutzen zu können, entwickelte ich das Korrekturprogramm proovread (Hackl et al., 2014). proovread nutzt kurze Illumina Sequenzen mit hoher Sequenziertiefe um innerhalb eines iterativen Prozess Fehler in PacBio Daten ausfindig zu machen und zu korrigieren. Das Programm erreicht dabei eine bessere Genauigkeit und eine höhere Sensitivität als vergleichbare Software. Darüber hinaus erlaubt sein flexibles Design auch Datensätze in der Größenordung des Fliegenfallengenoms effizient auf großen Rechenclustern zu bearbeiten. Neben dem Assemblierungsprozess an sich, stellt auch die Analyse von Assemblies großer Genome eine Herausforderung dar. Klassische Methoden basieren oft auf der rechenintensiven Berechnung von Alignments zwischen Sequenzierdaten und Assembly. Um vergleichbare Analysen deutlich schneller generieren zu können, habe ich Programme entwickelt die auf der Auswertung von k-mer Häufigkeiten beruhen, und die gewonnenen Ergebnisse in übersichtlichen Graphiken darstellen. Durch Kombination der so gewonnenen Einblicke und der verschiedenen Erkenntnisse bezüglich der Optimierung es Assemblierungsprozesses, war es mir am Ende möglich, ein Assembly von hoher Qualität für das Genom der Venus Fliegenfalle zu rekonstruieren. Dieses habe ich weiter verfeinert, unter anderem durch das Entfernen heterozygoter Sequenzen und durch das Flicken von Lücken mit Hilfe von PacBio Daten. Das so erstelle Assembly besteht aus 86 × 103 Sequenzen und hat eine Gesamtgröße von 1.45Gbp. Der Unterschied zur erwarteten Genomgröße lässt sich dabei gut durch kollabierte repetitive Regionen erklären. Gleichzeitig untermauert ein hoher Anteil an Volllängengenen im Assembly die Interpretation, dass das vorliegende Assembly eine vollständiges und umfassendes Abbild der D. muscipula Genom zeigt, und dass es sich damit als gute Grundlage für weitere Untersuchungen zur Biologie dieser faszinierenden Pflanze eignet.

Plants are able to sense mechanical forces in order to defend themselves against predators, for instance by synthesizing repellent compounds. Very few plants evolved extremely sensitive tactile abilities that allow them to perceive, interpret and respond by rapid movement in the milliseconds range. One such rarity is the charismatic Venus flytrap (Dionaea muscipula) - a carnivorous plant which relies on its spectacular active trapping strategy to catch its prey. The snapping traps are equipped with touch-specialised trigger hairs, that upon bending elicit an action potential (AP). This electrical signal originates within the trigger hairs’ mechanosensory cells and further propagates throughout the whole trap, alerting the plant of potential prey. Two APs triggered within thirty seconds will set off the trap and more than five APs will initiate the green stomach formation for prey decomposition and nutrient uptake. Neither the molecular components of the plant’s AP nor the Venus flytrap’s fast closure mechanism have been fully elucidated yet. Therefore, the general objective of this study is to expound on the molecular basis of touch perception: from AP initiation to trap closure and finally to stomach formation. The typical electrical signal in plants lasts for minutes and its shape is determined by the intensity of the mechanical force applied. In contrast, the Venus flytrap’s one-second AP is of all-or-nothing type, similar in shape to the animal AP. In order to gain more insight into the molecular components that give rise to the Venus flytrap’s emblematic AP, the transcriptomic landscape of its unique mechanotransducer - the trigger hair – was compared to the rest of the non-specialised tissues and organs. Additionally, the transcriptome of the electrically excitable fully-developed adult trap was compared to non-excitable juvenile traps that are unable to produce sharp APs. Together, the two strategies helped with the identification of electrogenic channels and pumps for each step of the AP as follows: (1) the most specific to the trigger hair was the mechanosensitive channel DmMSL10, making up the best candidate for the initial AP depolarization phase, (2) the K+ outward rectifier DmSKOR could be responsible for repolarisation, (3) further, the proton pump DmAHA4, might kick in during repolarisation and go on with hyperpolarisation and (4) the hyperpolarization- and acid-activated K+ inward rectifier KDM1 might contribute to the re-establishment of electrochemical gradient and the resting potential. Responsible for the AP-associated Ca2+ wave and electrical signal propagation, the glutamate-like receptor DmGLR3.6 was also enriched in the trigger hairs. Together, these findings suggest that the reuse of genes involved in electrical signalling in ordinary plants can give rise to the Venus flytrap’s trademark AP. The Venus flytrap has been cultivated ever since its discovery, generating more than one hundred cultivars over the years. Among them, indistinguishable from a normal Venus flytrap at first sight, the ’ERROR’ cultivar exhibits a peculiar behaviour: it is unable to snap its traps upon two APs. Nevertheless, it is still able to elicit normal APs. To get a better understanding of the key molecular mechanisms and pathways that are essential for a successful trap closure, the ’ERROR’ mutant was compared to the functional wild type. Timelapse photography led to the observation that the ’ERROR’ mutants were able to leisurely half close their traps when repeated mechanostimulation was applied (10 minutes after 20 APs, 0.03 Hz). As a result of touch or wounding in non-carnivorous plants, jasmonic acid (JA) is synthesized, alerting the plants of potential predators. Curiously, the JA levels were reduced upon mechanostimulation and completely impaired upon wounding in the ’ERROR’ mutant. In search of genes accountable for the ’ERROR’ mutant’s defects, the transcriptomes of the two phenotypes were compared before and after mechanostimulation (1h after 10 APs, 0.01 Hz). The overall dampened response of the mutant compared to the wild type, was reflected at transcriptomic level as well. Only about 50% of wild type’s upregulated genes after touch stimulation were differentially expressed in ’ERROR’ and they manifested only half of the wild type’s expression amplitude. Among unresponsive functional categories of genes in ’ERROR’ phenotype, there were: cell wall integrity surveilling system, auxin biosynthesis and stress-related transcription factors from the ethylene-responsive AP2/ERF and C2H2-ZF families. Deregulated Ca2+-decoding as well as redox-related elements together with JA-pathway components might also contribute to the malfunctioning of the ’ERROR’ mutant. As the mutant does not undergo full stomach formation after mechanical treatment, these missing processes represent key milestones that might mediate growth-defence trade-offs under JA signalling. This confirms the idea that carnivory has evolved by recycling the already available molecular machineries of the ubiquitous plant immune system. To better understand the mutant’s defect in the trap snapping mechanism, the ground states (unstimulated traps) of the two phenotypes were compared. In this case, many cell wall-related genes (e.g. expansins) were downregulated in the ’ERROR’ mutant. For the first time, these data point to the importance of a special cell wall architecture of the trap, that might confer the mechanical properties needed for a functional buckling system - which amplifies the speed of the trap closure. This study provides candidate channels for each of the AP phases that give rise to and shape the sharp Venus flytrap-specific AP. It further underlines the possible contribution of the cell wall architecture to the metastable ready-to-snap configuration of the trap before stimulation - which might be crucial for the buckling-dependent snapping. And finally, it highlights molecular milestones linked to defence responses that ensure trap morphing into a green stomach after mechanostimulation. Altogether, these processes prove to be interdependent and essential for a successful carnivorous lifestyle. / Pflanzen sind in der Lage, mechanische Einflüsse zu spüren, um sich gegen Fressfeinde zu verteidigen, indem sie zum Beispiel abweisende Verbindungen synthetisieren. Nur sehr wenige Pflanzen haben extrem sensible taktile Fähigkeiten entwickelt, die es ihnen ermöglichen, schnelle Bewegungen im Millisekundenbereich wahrzunehmen, zu interpretieren und darauf zu reagieren. Eine solche Rarität ist die charismatische Venusfliegenfalle (Dionaea muscipula) - eine fleischfressende Pflanze, die sich auf ihre spektakuläre aktive Fallenstrategie verlässt, um ihre Beute zu fangen. Die Schnappfallen sind mit berührungssensitiven Auslösehaaren ausgestattet, die beim Biegen ein Aktionspotenzial (AP) auslösen. Dieses elektrische Signal entsteht in den mechanosensorischen Zellen der Auslösehaare und breitet sich in der gesamten Falle aus, wodurch die Pflanze auf potenzielle Beute aufmerksam gemacht wird. Zwei APs, die innerhalb von dreißig Sekunden ausgelöst werden, lösen die Falle aus, und mehr als fünf APs leiten die Bildung des grünen Magens ein, der die Beute zersetzt und die Nährstoffe aufnimmt. Weder die molekularen Komponenten des AP der Pflanze noch der Schnellverschlussmechanismus der Venusfliegenfalle sind bisher vollständig geklärt. Daher besteht das allgemeine Ziel dieser Studie darin, die molekularen Grundlagen der Berührungswahrnehmung zu erforschen: von der Initiierung des AP bis zum Schließen der Falle und schließlich zur Magenbildung. Das typische elektrische Signal in Pflanzen dauert Minuten und seine Form wird durch die Intensität der angewandten mechanischen Kraft bestimmt. Im Gegensatz dazu ist das einsekündige AP der Venusfliegenfalle vom Alles-oder-Nichts-Typ und ähnelt in seiner Form dem tierischen AP. Um mehr Einblick in die molekularen Komponenten zu erhalten, die das emblematische AP der Venusfliegenfalle hervorbringen, wurde das Transkriptom ihres einzigartigen Mechanosensors - des Triggerhaars - mit den übrigen nicht spezialisierten Geweben und Organen verglichen. Darüber hinaus wurde das Transkriptom der elektrisch erregbaren, voll entwickelten adulten Falle mit nicht erregbaren juvenilen Fallen verglichen, die keine scharfen APs erzeugen können. Beide Strategien zusammen halfen bei der Identifizierung von elektrogenen Kanälen und Pumpen für jeden Schritt des AP: (1) Am spezifischsten für die Triggerhaare war der mechanosensitive Kanal DmMSL10, der der beste Kandidat für die anfängliche AP-Depolarisationsphase war, (2) der K+-Auswärtsgleichrichter DmSKOR könnte für die Repolarisation verantwortlich sein, (3) ferner, die H+-Pumpe DmAHA4, könnte während der Repolarisation einsetzen und mit der Hyperpolarisation fortfahren und (4) der durch Hyperpolarisation und Säure aktivierte K+-Einwärtsgleichrichter KDM1 könnte zur Wiederherstellung des elektrochemischen Gradienten und des Ruhepotentials beitragen. Der möglicherweise für die AP-assoziierte Ca2+-Welle und die elektrische Signalausbreitung verantwortliche Glutamatrezeptor DmGLR3.6 war ebenfalls in den Triggerhaaren angereichert. Zusammengenommen deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass die Wiederverwendung von Genen, die an der elektrischen Signalübertragung in gewöhnlichen Pflanzen beteiligt sind, zu dem für die Venusfliegenfalle typischen AP führen kann. Die Venusfliegenfalle wird seit ihrer Entdeckung kultiviert und hat im Laufe der Jahre mehr als hundert Kultivare hervorgebracht. Die Sorte "ERROR", die auf den ersten Blick nicht von einer normalen Venusfliegenfalle zu unterscheiden ist, weist ein besonderes Verhalten auf: Sie ist nicht in der Lage, ihre Fallen nach dem Auslösen von 2 APs zu schließen. Dennoch ist sie in der Lage, normale APs auszulösen. Um ein besseres Verständnis der molekularen Schlüsselmechanismen und -wege zu erhalten, die für ein erfolgreiches Schließen der Fallen notwendig sind, wurde die "ERROR"-Mutante mit dem funktionalen Wildtyp verglichen. Zeitrafferaufnahmen führten zu der Beobachtung, dass die ’ERROR’-Mutanten in der Lage waren, ihre Fallen bei wiederholter mechanischer Stimulation (10 Minuten nach 20 APs, 0,03 Hz) sehr langsam etwa zur Hälfte zu schließen. Bei nicht karnivoren Pflanzen wird infolge von Berührungen oder Verletzungen Jasmonsäure (JA) synthetisiert, die die Pflanzen vor potenziellen Fressfeinden warnt. Merkwürdigerweise waren die JA-Spiegel bei mechanischer Stimulation reduziert und bei Verwundung in der "ERROR"-Mutante im Gegensatz zum WT überhaupt nicht erhöht. Auf der Suche nach Genen, die für die Defekte der "ERROR"-Mutante verantwortlich sind, wurden die Transkriptome der beiden Phänotypen vor und nach der Mechanostimulation (1 Stunde nach 10 APs, 0,01 Hz) verglichen. Die insgesamt gedämpfte Reaktion der Mutante im Vergleich zum Wildtyp spiegelte sich auch auf transkriptomischer Ebene wider. Nur etwa 50 % der nach Berührungsstimulation hochregulierten Gene des Wildtyps wurden in "ERROR" unterschiedlich exprimiert, und sie wiesen nur die Hälfte der Expressionsamplitude des Wildtyps auf. Zu den nicht reagierenden funktionellen Genkategorien gehörten: das System zur Überwachung der Zellwandintegrität, die Auxin-Biosynthese und stressbezogene Transkriptionsfaktoren aus den auf Ethylen reagierenden AP2/ERF- und C2H2-ZF-Familien. Deregulierte Ca2+-decodierende sowie redoxbezogene Elemente könnten zusammen mit Komponenten des JA-Signalwegs ebenfalls zur Fehlfunktion der "ERROR"-Mutante beitragen. Da die Mutante nach mechanischer Behandlung keine vollständige Magenbildung durchläuft, stellen diese fehlenden Prozesse wichtige Meilensteine dar, die bei der JA-Signalübertragung einen Kompromiss zwischen Wachstum und Verteidigung vermitteln könnten. Dies bestätigt die Idee, dass sich Karnivorie durch die Wiederverwertung bereits vorhandener Signalwege und -komponenten entwickelt hat. Um den Defekt der Mutante im Fallenschnappmechanismus besser zu verstehen, wurden die Grundzustände (unstimulierte Fallen) der beiden Phänotypen verglichen. In diesem Fall waren viele zellwandbezogene Gene (z. B. Expansine) in der "ERROR"-Mutante herunterreguliert. Diese Daten weisen zum ersten Mal auf die Bedeutung einer speziellen Zellwandarchitektur der Falle hin, die möglicherweise die mechanischen Eigenschaften für ein Umklappen der Fallenhälften verleiht, was wiederum die Geschwindigkeit des Fallenschlusses erhöht. Diese Studie liefert Kandidatenkanäle für jede der AP-Phasen, die das scharfe Venusfliegenfallen-spezifische AP hervorbringen und formen. Sie unterstreicht außerdem den möglichen Beitrag der Zellwandarchitektur zur metastabilen, schnappbereiten Konfiguration der Falle vor der Stimulation - die für das durch das Umklappen der Fallenhälften bedingte Zuschnappen der Falle entscheidend sein könnte. Und schließlich werden molekulare Meilensteine hervorgehoben, die mit Abwehrreaktionen verbunden sind und dafür sorgen, dass sich die Falle nach mechanischer Stimulation in einen grünen Magen verwandelt. Insgesamt erweisen sich diese Prozesse als voneinander abhängig und wesentlich für eine erfolgreiche fleischfressende Lebens-weise.

Die Venusfliegenfalle, Dionaea muscipula, weckte aufgrund ihrer karnivoren Lebensweise schon sehr früh das Interesse vieler Wissenschaftler. Für karnivore Pflanzen, die auf Nährstoff-armen Böden wachsen, spielen Insekten als Beute und somit als Nährstofflieferant eine entscheidende Rolle. So können die Pflanzen durch die Verdauung der Beute mit wichtigen Makro- und Mikronährstoffen, wie Stickstoff, Phosphat, Kalium oder Natrium versorgt werden. Aus diesem Grund sollte im Rahmen meiner Arbeit ein besonderes Augenmerk auf die molekularen Mechanismen der Kationenaufnahme während der Nährstoffresorption gerichtet werden. Insbesondere die aus dem Insekt stammenden Nährstoffe Kalium und Natrium waren dabei von großem Interesse. Im Allgemeinen sind Kaliumionen für Pflanzen eine essentielle anorganische Substanz und von großer physiologischer Bedeutung für die Entwicklung, den Metabolismus, die Osmoregulation, das Membranpotential und viele zelluläre Prozesse. Analysen der Kaliumaufnahme an Wurzeln von Modellpflanzen wie Arabidopsis thaliana und Reis zeigten, dass die Aufnahme von K+ ein Zusammenspiel von hoch-affinen K+-Transportern der HAK5-Familie und nieder-affinen Kaliumkanälen (AKT1/AtKC1) erfordert, die in ein komplexes (De-)Phosphorylierungsnetzwerk eingebunden sind. In der vorliegenden Arbeit war es mir möglich das Netzwerk zur Kaliumaufnahme in den Drüsen der Venusfliegenfalle zu entschlüsseln. Es konnten Orthologe zum Kaliumtransporter HAK5 aus Arabidopsis (DmHAK5) und zum Kaliumkanal AKT1 (DmKT1) identifiziert und im heterologen Expressionssystem der Xenopus laevis Oozyten elektrophysiologisch charakterisiert werden. Dabei zeigte sich, das DmKT1 durch einen Ca2+-Sensor/Kinase-Komplex aus der CBL/CIPK-Familie phosphoryliert und somit aktiviert wird. Phylogenetische Analysen von DmKT1 bestätigten die Eingruppierung dieses Kaliumkanals in die Gruppe der pflanzlichen Shaker-Kaliumkanäle des AKT1-Typs. Die Transporteigenschaften zeigten zudem, dass DmKT1 bei hyperpolarisierenden Membranpotentialen aktiviert wird und einen K+-selektiven Einwärtsstrom vermittelt. In Oozyten konnte eine Kaliumaufnahme bis zu einer externen Konzentration von ≥1 mM beobachtet werden. DmKT1 repräsentiert also einen Kaliumkanal mit einer hohen Transportkapazität, der die nieder-affine Kaliumaufnahme in die Drüsenzellen der Venusfliegenfalle vermitteln kann. Unterhalb einer externen Kaliumkonzentration von 1 mM würde der anliegende elektrochemische Kaliumgradient einen Kaliumausstrom und somit einen Verlust von Kalium favorisieren. Hoch-affine K+/H+-Symporter können durch die Ausnutzung des Protonengradienten eine Kaliumaufnahme im mikromolaren Bereich gewährleisten. In Wurzelhaaren von Arabidopsis vermittelt der Transporter AtHAK5 die Kaliumaufnahme unter Kaliummangelbedingungen. DmHAK5, ein Ortholog zu AtHAK5, ist in Dionaea Drüsen exprimiert und konnte zum ersten Mal im heterologen Expressionssystem der Xenopus Oozyten im Detail charakterisiert werden. Interessanterweise zeigte sich, dass DmHAK5 wie der K+-Kanal DmKT1 durch denselben CBL/CIPK-Komplex posttranslational reguliert und aktiviert wird. Die Transporteigenschaften von DmHAK5 wiesen auf einen Transporter mit einer breiten Substratspezifität hin, sodass sich DmHAK5 neben Kalium auch für Ammonium permeabel zeigte. Affinitätsuntersuchungen von DmHAK5 zu seinem Substrat Kalium klassifizierten das Protein als einen hoch-affinen Kaliumtransporter, der im Symport mit Protonen die Kaliumaufnahme im mikromolaren Konzentrationsbereich vermitteln kann. Das Kaliumtransportmodul besteht also aus dem K+-selektiven Kanal DmKT1 und dem K+/H+-Symporter DmHAK5, die die hoch- und nieder-affine Kaliumaufnahme in den Drüsenzellen während der Beuteverdauung in Dionaea muscipula Fallen ermöglichen. Beide Transportmodule werden Kalzium-abhängig durch die Kinase CIPK23 und den Ca2+-Sensor CBL9 auf posttranslationaler Ebene reguliert. Zusammenfassend gelang es in dieser Arbeit Einblicke in die Kationenaufnahme während der Nährstoffresorptionsphase der Venusfliegenfalle, Dionaea muscipula, zu gewinnen. Dabei wurde klar, dass Dionaea muscipula im Laufe ihrer Evolution zu einer karnivoren Pflanze, nicht neue Transportmodule zur Nährstoffresorption aus der Beute entwickelte, sondern bekannte aus Wurzeln stammende Transportmodule umfunktionierte. Auf molekularer Ebene konnten die biophysikalischen Charakteristika der K+- und Na+-Transportproteine, sowie ihre Regulation entschlüsselt werden. Diese Erkenntnisse wurden schließlich in den Kontext des Beutefangs der Venusfliegenfalle gebracht und diskutiert. / The Venus flytrap, Dionaea muscipula, is one of the most exciting carnivorous plants. Since the time of Charles Darwin, scientists are interested in the highly specialized mechanisms, which enable Dionaea plants to grow on nutrient-poor habitats. These Dionaea plants have the possibility to catch insects and to purchase the necessary nutrients from their prey. For catching the prey, the Venus flytrap evolved morphological adaptions in form of bilobed leaf traps. Trigger hairs are arranged inside the traps and by touching these mechano-sensory organs an electrical signal spreading over the lobes leads to the fast trap-closure. By continual mechanical stimulation of the trigger hairs by the caught insect, the edges of the lobes are sealed hermetically and an “external stomach” is formed. The prey digestion starts with the secretion of lytic enzymes from the glands. These glands, which are covering the inner surface of the trap-lobes, are also responsible for the nutrient-uptake. Insects represent an important nutrient-provider for carnivorous plants. The capture of prey mainly contributes to the nutrient-supply like nitrogen, phosphorous, potassium and sodium. Within the scope of this work, my focus was on the molecular uptake mechanism of prey-derived cations, such as potassium and sodium. Potassium is an essential macronutrient for plants in general. Studies on the K+ uptake systems in roots revealed a complex potassium uptake network consisting of high-affinity uptake carriers such as HAK5 and low-affinity potassium channels such as the AKT1/AtKC1 module. In glands of Dionaea muscipula a HAK5-like potassium transporter (DmHAK5) and an orthologue of AKT1 (DmKT1) were identified within the framework of my Ph.D.-thesis. Following the heterologous expression in Xenopus laevis oocytes, electrophysiological measurements revealed that DmKT1 is activated by phosphorylation through a Ca2+-sensor-protein kinase complex of the CBL/CIPK family. Its transport properties and structural homology to the Arabidopsis AKT1 K+ channel classified DmKT1 as a member of the hyperpolarisation-activated, inwardly rectifying plant Shaker potassium channel family. Due to the electrochemical gradient for K+ ions across the gland plasma membrane, the K+ selective channel DmKT1 can acquire external K+ down to concentrations of 1 mM. Thus, the peculiar electrophysiological properties assigned the low-affinity high-capacity potassium uptake system in Dionaea gland to DmKT1. Below 1 mM, K+ fluxes reverse their direction and the plant would lose the essential macronutrient. In root hairs of Arabidopsis high-affinity transporters (HAK5) are expressed which are believed to facilitate K+ accumulation from potassium depleted soils. Interestingly an orthologue of HAK5 was shown to be expressed also in the trap lobes of Dionaea. Thus, DmHAK5 was cloned and for the first time a HAK5-like protein could be analysed in Xenopus oocytes. Interestingly, DmHAK5 K+/H+-co-transporter was post translationally activated by the same CBL/CIPK complex just like the DmKT1 Shaker channel. Compared to DmKT1, DmHAK5 is of low selectivity and against all assumptions, the transporter is permeable for and not inhibited by NH4+. A Km value of 127 μM, describes DmHAK5 as a high-affinity transporter that is apparently the only system capable of operating at micromolar K+ concentrations. To overcome the outward-directed chemical gradient at low external K+ concentrations, DmHAK5 utilises the electrochemical gradient of protons and acts as a K+/H+-co-transporter. The reported findings demonstrate the contribution of DmKT1 and DmHAK5 in the highly regulated potassium uptake network utilizing K+ from captured insects. The high-capacity of DmKT1 and the high-affinity of DmHAK5 enable Dionaea glands to acquire potassium from high to very low levels during the digestion and resorption process. Taken together, these studies elucidated the molecular origin and regulation of cation uptake during prey digestion and nutrient resorption of the Venus flytrap. For efficient potassium and sodium uptake into gland cells Dionaea muscipula co-opted root-derived transport modules and the associated regulatory components rather than inventing new uptake systems during its evolution to a carnivorous plant.

A part of the plant kingdom consists of a variety of carnivorous plants. Some trap their prey using sticky leaves, others have pitfall traps where prey cannot escape once it has fallen inside. A rare trap type is the snap-trap: it appears only twice in the plant kingdom, in the genera Aldrovanda and Dionaea. Even Charles Darwin himself described Dionaea muscipula, the Venus flytrap, with the following words “This plant, commonly called Venus' fly-trap, from the rapidity and force of its movements, is one of the most wonderful in the world”. For a long time now, the mechanisms of Dionaea’s prey recognition, capture and utilization are of interest for scientists and have been studied intensively. Dionaea presents itself with traps wide-open, ready to catch insects upon contact. For this, the insect has to touch the trigger hairs of the opened trap twice within about 20-30 seconds. Once the prey is trapped, the trap lobes close tight, forming a hermetically sealed “green stomach”. Until lately, there was only limited knowledge about the molecular and hormonal mechanisms which lead to prey capture and excretion of digestive fluids. It is known that the digestion process is very water-consuming; therefore, the interplay of digestion-inducing and digestion inhibiting substances was to be analyzed in this work, to elucidate the fine-tuning of the digestive pathway. Special attention was given to the impact of phytohormones on mRNA transcript levels of digestion-related proteins after various stimuli as well as their effect on Dionaea’s physiological responses. Jasmonic acid (JA) and its isoleucine-conjugated form, JA-Ile, are an important signal in the jasmonate pathway. In the majority of non-carnivorous plants, jasmonates are critical for the defense against herbivory and pathogens. In Dionaea, this defense mechanism has been restructured towards offensive prey catching. One question in this work was how the frequency of trigger hair bendings is related to the formation of jasmonates and the induction of the digestion process. Upon contact of a prey with the trigger hairs in the inside of the trap, the trap closes and jasmonates are produced biosynthetically. JA-Ile interacts with the COI1- receptor, thereby activating the digestion pathway which leads to the secretion of digestive fluid and production of transporters needed to take up prey-derived nutrients. In this work it could be shown that the number of trigger hair bendings is positively correlated with the level and duration of transcriptional induction of several digestive enzymes/hydrolases. Abscisic acid (ABA) acts, along with many other functions, as the plant “drought stress hormone”. It is synthesized either by roots as the primary sensor for water shortage or by guard cells in the leaves. ABA affects a network of several thousand genes whose regulation prepares the plant for drought and initiates protective measurements. It was known from previous work that the application of ABA for 48 hours increased the required amount of trigger hair bendings to achieve trap closure. As the digestion process is very water-intensive, the question arose how exactly the interplay between the jasmonate- and the ABA-pathway is organized, and if ABA could stop the running digestion process once it had been activated. In the present work it could be shown that the application of ABA on intact traps prior to mechanically stimulating the trigger hairs (mechanostimulation) already significantly reduced the transcription of digestive enzymes for an incubation time as short as 4 h, showing that already short-term exposure to ABA counteracts the effects of jasmonates when it comes to initiating the digestion process, but does not inhibit trap closure. Incubation for 24 and 48 hours with 100 μM active ABA had no effect on trap reopening, only very high levels of 200 μM of active ABA inhibited trap reopening but also led to tissue necrosis. As the application of ABA could reduce the transcription of digestive hydrolases, it is likely that Dionaea can stop the digestion process, if corresponding external stimuli are received. Another factor, which only emerged later, was the effect of the wounding-induced systemic jasmonate burst. As efficient as ABA was in inhibiting marker hydrolase expression after mechanostimulation in intact plants, the application of ABA on truncated traps was not able to inhibit mechanostimulation-induced marker hydrolase expression. One reason might be that the ABA-signal is perceived in the roots, and therefore truncated traps were not able to react to it. Another reason might be that the wounding desensitized the tissue for the ABAsignal. Further research is required at this point. Inhibitors of the jasmonate pathway were also used to assess their effect on the regulation of Dionaea´s hunting cycle. Coronatine-O-methyloxime proved to be a potent inhibitor of mechanostimulation-induced expression of digestive enzymes, thus confirming the key regulatory role of jasmonates for Dionaea´s prey consumption mechanism. In a parallel project, the generation of in vitro cultures from sterilized seeds and single plant parts proved successful, which may be important for stock-keeping of future transgenic lines. Protoplasts were generated from leaf blade tissue and transiently transformed, expressing the reporter protein YFP after 24 h of incubation. In the future this might be the starting point for the generation of transgenic lines or the functional testing of DNA constructs. / Ein Teil des Pflanzenreiches besteht aus einer Vielfalt fleischfressender Pflanzen. Einige fangen ihre Beute mit klebrigen Blättern, andere haben Grubenfallen, aus denen die Beute nicht mehr entkommen kann, wenn sie erst einmal hineingefallen ist. Ein seltener Fallentyp ist die Klappfalle: Sie kommt im Pflanzenreich nur zweimal vor, in den Gattungen Aldrovanda und Dionaea. Charles Darwin selbst beschrieb Dionaea muscipula, die Venusfliegenfalle, als "eine der schönsten Pflanzen der Welt". Die Mechanismen der Erkennung, des Fangs und der Nutzbarmachung von Beutetieren durch Dionaea sind seit langem von Interesse für die Wissenschaft und wurden intensiv untersucht. Dionaea hat weit geöffnete Fallen, die bei Kontakt Insekten fangen können. Dazu muss das Insekt innerhalb von ca. 20-30 Sekunden zweimal die Triggerhaare der geöffneten Falle berühren. Sobald die Beute gefangen ist, schließen sich die Fallenhälften fest und bilden einen hermetisch verschlossenen sogenannten „grünen Magen“. Bis vor einigen Jahren gab es nur wenige Informationen über die molekularen und hormonellen Mechanismen, die zu Beutefang und Sekretion von Verdauungsflüssigkeiten führen. Es ist bekannt, dass der Verdauungsprozess sehr viel Wasser verbraucht; daher sollte in dieser Arbeit das Zusammenspiel von verdauungsauslösenden und verdauungshemmenden Substanzen untersucht werden, um die Feinabstimmung des Verdauungsweges aufzuklären. Ein besonderes Augenmerk wurde auf den Einfluss von Phytohormonen auf die mRNATranskriptzahlen von Verdauungsproteinen nach verschiedenen Stimuli sowie auf deren Auswirkungen auf die physiologischen Reaktionen von Dionaea gelegt. Jasmonsäure (JA) und ihre mit Isoleucin konjugierte Form, JA-Ile, sind ein wichtiges Signal in pflanzlichen Signaltransduktionsprozessen. In der Mehrzahl der nicht-karnivoren Pflanzen sind Jasmonate entscheidend für die Abwehr von Herbivoren und Pathogenen. In Dionaea wurde dieser Abwehrmechanismus für den offensiven Beutefang umstrukturiert. Eine Frage in dieser Arbeit war also, wie die Häufigkeit der Triggerhaarberührungen mit der Bildung von Jasmonaten und dem Verdauungsvorgang miteinander in Verbindung steht. Beim Kontakt von Beute mit den Triggerhaaren im Inneren der Falle schließt sich diese, und es werden durch Biosynthese Jasmonate gebildet. JA-Ile interagiert mit dem COI1-Rezeptor und aktiviert so den Verdauungsweg, der zur Sekretion von Verdauungsflüssigkeit und zur Produktion von Transportern führt, welche zur Aufnahme von aus Beute gewonnenen Nährstoffen benötigt werden. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Anzahl der Triggerhaarberührungen positiv mit der Höhe und der Dauer der Transkriptionsinduktion mehrerer Verdauungsenzyme bzw. Verdauungshydrolasen korreliert. Abscisinsäure (ABA) fungiert neben vielen anderen Funktionen als pflanzliches „Trockenstresshormon“. Es wird entweder von Wurzeln als primärem Sensor für Wassermangel oder von Schließzellen in den Blättern synthetisiert. ABA beeinflusst ein Netzwerk von mehreren tausend Genen, deren Regulation die Pflanze auf Dürre vorbereitet und entsprechende Schutzmaßnahmen einleitet. Aus früheren Arbeiten war bekannt, dass die 48-stündige Inkubation einer Dionaea-Falle mit ABA die erforderliche Anzahl an Triggerhaarberührungen erhöhte, die für einen Fallenschluss notwendig sind. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass das Aufbringen von ABA auf intakte Fallen vor der mechanischen Stimulierung der Triggerhaare (Mechanostimulation) die Expression von Verdauungsenzymen bereits bei einer Inkubationszeit von nur 4 Stunden signifikant reduzierte. Das zeigte eindeutig, dass die kurzzeitige Einwirkung von ABA bereits die Effekte von Jasmonaten blockiert, wenn es um den Beginn des Verdauungsprozesses geht, aber keinen Einfluss auf den Fallenschluss hat. Eine Inkubation für 24 und 48 Stunden mit 100 μM aktiver ABA hatte keine Auswirkung auf das Wiederöffnen der Falle, nur sehr hohe Konzentrationen von 200 μM aktiver ABA hemmten das Wiederöffnen der Falle, führten aber auch zu Gewebenekrose. Da ABA die Transkription der Verdauungsenzyme reduzieren konnte, ist es wahrscheinlich, dass Dionaea den Verdauungsvorgang stoppen kann, wenn entsprechende externe Signale empfangen werden. Ein weiterer Einflussfaktor, welcher erst später erkannt wurde, war die Auswirkung des verwundungsbedingten, sprunghaften systemischen Anstiegs der Jasmonatkonzentration auf die Wirkung von extern aufgegebenen Phytohormonen. So wirksam ABA bei der Hemmung der Markerhydrolasen-Expression nach Mechanostimulation in intakten Pflanzen war, so konnte diese Inhibition nach Anwendung von ABA auf abgeschnittenen Fallen nicht mehr beobachtet werden. Ein Grund könnte sein, dass das ABA-Signal in den Wurzeln wahrgenommen wird und daher abgeschnittene Fallen nicht darauf reagieren konnten. Ein anderer Grund könnte sein, dass die Verwundung das Gewebe für das ABA-Signal desensibilisiert hat. An dieser Stelle besteht weiterer Forschungsbedarf. Ebenfalls wurden Inhibitoren des Jasmonat-Weges verwendet, um ihre Wirkung auf die Regulation des Beutefangzyklus von Dionaea zu untersuchen. Coronatine-O-methyloxim erwies sich als wirksamer Inhibitor der durch Mechanostimulation induzierten Expression von Verdauungsenzymen und bestätigte damit die zentrale regulatorische Rolle von Jasmonaten für den Beutefangmechanismus von Dionaea. Ein parallel laufendes Projekt war die Erzeugung von in vitro-Kulturen aus sterilisiertem Saatgut und einzelnen Pflanzenteilen, das sich als sehr erfolgreich erwies, was für die Erzeugung zukünftiger transgener Linien wichtig sein kann. Ebenfalls wurden Protoplasten aus Blattgewebe erzeugt, diese wurden transient transformiert und exprimierten YFP nach einer Inkubationszeit von 24 Stunden. In Zukunft könnte dies der Ausgangspunkt für die Generierung transgener Linien sein und der Funktionsüberprüfung von DNA-Konstrukten sein.

All living organisms leverage mechanisms and response systems to optimize reproduction, defense, survival, and competitiveness within their natural habitat. Evolutionary theories such as the universal adaptive strategy theory (UAST) developed by John Philip Grime (1979) attempt to describe how these systems are limited by the trade-off between growth, maintenance and regeneration; known as the universal three-way trade-off. Grime introduced three adaptive strategies that enable organisms to coop with either high or low intensities of stress (e.g., nutrient deficiency) and environmental disturbance (e.g., seasons). The competitor is able to outcompete other organisms by efficiently tapping available resources in environments of low intensity stress and disturbance (e.g., rapid growers). A ruderal specism is able to rapidly complete the life cycle especially during high intensity disturbance and low intensity stress (e.g., annual colonizers). The stress tolerator is able to respond to high intensity stress with physiological variability but is limited to low intensity disturbance environments. Carnivorous plants like D. muscipula and tardigrades like M. tardigradum are two extreme examples for such stress tolerators. D. muscipula traps insects in its native habitat (green swamps in North and South Carolina) with specialized leaves and thereby is able to tolerate nutrient deficient soils. M. tardigradum on the other side, is able to escape desiccation of its terrestrial habitat like mosses and lichens which are usually covered by a water film but regularly fall completely dry. The stress tolerance of the two species is the central study object of this thesis. In both cases, high througput sequencing data and methods were used to test for transcriptomic (D. muscipula) or genomic adaptations (M. tardigradum) which underly the stress tolerance. A new hardware resource including computing cluster and high availability storage system was implemented in the first months of the thesis work to effectively analyze the vast amounts of data generated for both projects. Side-by-side, the data management resource TBro [14] was established together with students to intuitively approach complex biological questions and enhance collaboration between researchers of several different disciplines. Thereafter, the unique trapping abilities of D. muscipula were studied using a whole transcriptome approach. Prey-dependent changes of the transcriptional landscape as well as individual tissue-specific aspects of the whole plant were studied. The analysis revealed that non-stimulated traps of D. muscipula exhibit the expected hallmarks of any typical leaf but operates evolutionary conserved stress-related pathways including defense-associated responses when digesting prey. An integrative approach, combining proteome and transcriptome data further enabled the detailed description of the digestive cocktail and the potential nutrient uptake machinery of the plant. The published work [25] as well as a accompanying video material (https://www.eurekalert.org/pub_releases/ 2016-05/cshl-fgr042816.php; Video credit: Sönke Scherzer) gained global press coverage and successfully underlined the advantages of D. muscipula as experimental system to understand the carnivorous syndrome. The analysis of the peculiar stress tolerance of M. tardigradum during cryptobiosis was carried out using a genomic approach. First, the genome size of M. tardigradum was estimated, the genome sequenced, assembled and annotated. The first draft of M. tardigradum and the workflow used to established its genome draft helped scrutinizing the first ever released tardigrade genome (Hypsibius dujardini) and demonstrated how (bacterial) contamination can influence whole genome analysis efforts [27]. Finally, the M. tardigradum genome was compared to two other tardigrades and all species present in the current release of the Ensembl Metazoa database. The analysis revealed that tardigrade genomes are not that different from those of other Ecdysozoa. The availability of the three genomes allowed the delineation of their phylogenetic position within the Ecdysozoa and placed them as sister taxa to the nematodes. Thereby, the comparative analysis helped to identify evolutionary trends within this metazoan lineage. Surprisingly, the analysis did not reveal general mechanisms (shared by all available tardigrade genomes) behind the arguably most peculiar feature of tardigrades; their enormous stress tolerance. The lack of molecular evidence for individual tardigrade species (e.g., gene expression data for M. tardigradum) and the non-existence of a universal experimental framework which enables hypothesis testing withing the whole phylum Tardigrada, made it nearly impossible to link footprints of genomic adaptations to the unusual physiological capabilities. Nevertheless, the (comparative) genomic framework established during this project will help to understand how evolution tinkered, rewired and modified existing molecular systems to shape the remarkable phenotypic features of tardigrades. / Alle lebenden Organismen verwenden Mechanismen und Rückkopplungssysteme um Reproduktion, Überlebenswahrscheinlichkeit, Abwehreffizienz und Konkurrenzfähigkeit in ihrem natürlichen Habitat zu optimieren. Evolutionäre Theorien, wie die von John Philip Grime (1979) entwickelte „universal adaptive strategy theory“ (UAST), versuchen zu beschreiben wie diese Systeme durch eine Balance zwischen Wachstum, Erhaltung und Regeneration, auch gemeinhin bekannt als universeller Dreiwege-Ausgleich, des jeweiligen Organismus limitiert sind. Grime führte dazu drei adaptive Strategien ein, die es Organismen ermöglicht sich an hohe oder niedrige Stress-Intensitäten (z.B. Nahrungsknappheit) oder umweltbedingte Beeinträchtigung (z.B. Jahreszeiten) anzupassen. Der Wettkämpfer ist in der Lage seine Konkurrenz durch eine effiziente Ressourcengewinnung zu überflügeln und ist vor allem bei niedrigem Stresslevel und minimalen umweltbedingten Beeinträchtigungen effizient (z. B. schnelles Wachstum). Ruderale Organismen hingegen durchlaufen den Leben- szyklus in kurzer Zeit und sind damit perfekt an starke umweltbedingte Beeinträchtigungen, wie zum Beispiel Jahreszeiten, angepasst. Allerdings können auch sie nur bei niedrigen Stresslevel effizient wachsen. Die letzte Gruppe von Organismen, die Stresstoleranten sind in der Lage sich an hohen Stressintensitäten mithilfe extremer physiologischer Variabilität anzupassen, können das allerdings nur in Umgebungen mit niedrigen umweltbedingten Beeinträchtigungen. Fleischfressende Pflanzen wie die Venusfliegenfalle (D. muscipula) oder Bärtierchen (M. tardigradum) sind zwei herausragende Beispiele für stresstolerante Organismen. Die Venusfliegenfalle ist in der Lage Insekten mit spezialisierten Blätter, welche eine einzigartige Falle bilden, zu fangen. Die Pflanze kompensiert so die stark verminderte Mengen an wichtigen Makronährstoffen (z.B. Stickstoff) in den Sümpfen von Nord- und Süd-Carolina. Bärtierchen dagegen sind in der Lage in schnell austrocknenden Habitaten wie Moosen oder Flechten, die normalerweise mit einem Wasserfilm überzogen sind, durch eine gesteuerte Entwässerung ihres Körpers zu überleben. Die Stresstoleranz beider Spezies ist zentraler Forschungsschwerpunkt dieser Dissertation. In beiden Fällen wer- den Hochdurchsatz-Methoden zur Sequenzierung verwendet um genomische (Bärtierchen) sowie transkriptomische (Venusfliegenfalle) Anpassungen zu identifizieren, die der enorem Stresstoleranz zugrunde liegen. Um den erhöhten technischen Anforderungen der Datenanal- ysen beider Projekte Rechnung zu tragen wurde in den ersten Monaten der Dissertation eine neue zentrale Rechenumgebung und ein dazugehöriges Speichersystem etabliert. Parallel wurde die Datenmanagementplattform TBro [14] zusammen mit Studenten aufgesetzt, um komplexe biologische Fragestellung mit einem fachübergreifendem Kollegium zu bearbeiten. Danach wurden die einzigartigen Fangfähigkeiten der Venusfliegenfalle mittels einem tran- skriptomischen Ansatz untersucht. Vor allem wurden transkriptionelle Änderungen infolge eines Beutefangs sowie gewebespezifische Aspekte der ruhenden Pflanzen untersucht. Die Analyse zeigte deutlich, dass die Fallen der fleischfressenden Pflanze immer noch Merkmale von typischen „grünen“ Blättern aufweisen. Während des Beutefangs und -verdauens jedoch wird eine Vielzahl an evolutionär konservierten Systemen aktiviert, die bisher nur mit Stres- santworten und zellulärer Verteidigung in Verbindung gebracht worden sind. Die Integration von proteomischen und transkriptomischen Hochdurchsatzdaten ermöglichte es zudem den Verdauungssaft der Venusfliegenfalle genaustens zu beschreiben und wichtige Komponenten der Aufnahmemaschinerie zu identifizieren. Die wissenschaftliche Arbeit [25] und das beglei- tende Videomaterial (https://www.eurekalert.org/pub_releases/2016-05/cshl-fgr042816.php; Video credit: Sönke Scherzer) erfreute sich einer breiten Berichterstattung in den Medien und unterstreicht die Vorteile der Venusfliegenfalle als experimentelles System um fleis- chfressende Pflanzen besser zu verstehen. Die genomische Analyse des Bärtierchen (M. tardigradum) zielte auf die außerordentliche Stresstoleranz, vor allem auf die Kryptobiose, einen Zustand in dem Stoffwechselvorgänge extrem reduziert sind, ab. Dazu wurden das komplette genetische Erbgut (Genom) entschlüsselt. Die Größe des Genomes wurde bes- timmt und das Erbgut mittels Sequenzierung entschlüsselt. Die gewonnenen Daten wurden zu einer kontinuierlichen Sequenz zusammengesetzt und Gene identifiziert. Der dabei etablierte Arbeitsablauf wurde verwendet um ein weiteres Bärtierchengenom genau zu überprüfen. Im Rahmen dieser Analyse stellte sich heraus, dass eine große Anzahl an Kontaminationen im Genom von H. dujardini vorhanden sind [27]. Das neu etablierte Genom von M. tardigradum wurde im folgenden verwendet um einen speziesübergreifenden Vergleich dreier Bärtierchen und aller Spezies aus der Metazoadatenbank von Ensembl durchzuführen. Die Analyse zeigte, dass Bärtierchengenome sehr viel Ähnlichkeit zu den bereits veröffentlichten Genomen aus dem Überstamm der Urmünder (Protostomia) aufweisen. Die erstmalige Verfügbarkeit aller Bärtierchengenome ermöglichte es zudem, das Phylum der Bärtierchen als Schwester der Nematoden mittels einer phylogenomische Analyse zu platzieren. Die vergleichende Anal- yse identifizierte außerdem zentrale evolutionäre Trends, vor allem einen enormen Verlust an Genen in dieser Linie der Metazoa. Die Analyse ermöglichte es aber nicht, generelle Mechanismen, die zur enormen Stresstoleranz in Bärtierchen führen, artübergreifend zu identifizieren. Vor allem das Fehlen von weiteren molekularen Daten für einzelne Bärtierchen- spezies (z.B. transkriptionelle Daten für M. tardigradum) machten es unmöglich die wenigen genomische Adaptionen mit den physiologischen Besonderheiten der Bärtierchen in Deckung zu bringen. Nichtsdestotrotz konnten die vergleichenden Analysen zeigen, dass Evolution auch innerhalb der Bärtierchen verschiedenste Systeme neu zusammensetzt, neue Funktionen erschafft oder bestehenden Systeme modifiziert und damit die außerordentliche phänotypis- che Variabilität ermöglicht.

Pflanzen regulieren ihren Gasaustausch mit der Atmosphäre, indem sie die Öffnungsweite von Poren in der Epidermis von Blättern, sog. Stomata, verändern. Bei Wassermangel werden die stomatären Poren geschlossen, um den Verlust von Wasser zu minimieren. Dieser Vorgang wird durch das Phytohormon ABA ausgelöst, welches eine Aktivierung von Anionenkanälen in der Plasmamembran der Schließzellen induziert. Obwohl die Aktivierung der Anionenkanäle ein zentrales Element in der ABA-Antwort darstellt, ist der Signalweg, der zu der Aktivierung der Anionenkanäle führt, nur lückenhaft verstanden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Rolle von Signalintermediaten wie Proteinkinasen, -phosphatasen, Lipid-abgeleiteten Botenstoffen und Ca2+ bei der Aktivierung der Anionenkanäle untersucht. Hinsichtlich Ca2+ lag ein spezieller Fokus auf der Generierung von Ca2+-Signalen und auf der Frage, inwieweit ein Anstieg in der cytosolischen freien Ca2+-Konzentration für eine Aktivierung der Anionenkanäle ausreicht. Für diese Studien wurde hauptsächlich die Zwei-Elektroden-Spannungsklemm- (DEVC) Technik in Kombination mit Ca2+-Konzentrationsmessungen durch den Ca2+-sensitiven Farbstoff FURA-2 angewendet. Die Möglichkeit Anionenkanäle durch Ca2+ zu aktivieren wurde getestet, indem Ca2+-Signale in intakten Schließzellen von Nicotiana tabacum durch hyper- und depolarisierte Spannungen ausgelöst wurden und gleichzeitig die Ströme, die über die Plasmamembran flossen, gemessen wurden. Dabei führte eine Hyperpolarisation zu einer transienten Erhöhung der cytosolischen freien Ca2+-Konzentration während des Spannungssprunges, wohingegen eine Depolarisation zunächst eine Erniedrigung der cytosolischen freien Ca2+-Konzentration auslöste und das Ca2+-Signal bei Repolarisation der Plasmamembran auftrat. Dies weist darauf hin, dass in beiden Fällen hyperpolarisations-aktivierte Ca2+-Kanäle beteiligt sind, wobei das Schwellenpotential der Schließzellen, bei dem ein Ca2+-Signal ausgelöst wird, nach einer langen Depolarisation zu positiveren Spannungen verschoben ist. Die Modulation der Spannungssensitivität der Schließzellen während einer langen Depolarisation findet möglicherweise durch eine Aktivierung der Ca2+-Kanäle und/oder eine Inhibierung verschiedener Ca2+-Transportproteine durch eine niedrige cytosolische freie Ca2+-Konzentration statt. Der durch Hyperpolarisation bzw. durch lange Depolarisation induzierte transiente Anstieg in der cytosolischen freien Ca2+-Konzentration korrelierte mit einer transienten Aktivierung von S-Typ Anionenkanälen. Die Analyse der Ca2+-Konzentrations- und Zeitabhängigkeit ergab, dass die S-Typ Anionenkanäle durch Ca2+ in einem schnellen Signalweg mit einer halbmaximalen cytosolischen freien Ca2+-Konzentration von 515 nM (SE=235, n=33) aktiviert werden. Der durchschnittliche maximale S-Typ Anionenstrom lag bei -349 pA (SE=107, n=33) bei einer Spannung von -100 mV. Die Wirkung von Ca2+ auf Transportvorgänge über die Plasmamembran wurde auch in Drüsenzellen von Dionaea muscipula untersucht. In diesem Zelltyp induzierte eine mechanische Stimulierung der Triggerhaare ein Ca2+-Signal, wobei mehr als zwei Aktionspotentiale nötig waren, um einen transienten Ca2+-Anstieg auszulösen. Diese Daten zeigen, dass die Depolarisationsphase des Aktionspotentials in den Drüsen nicht direkt mit Ca2+-Flüssen assoziiert ist. Anstelle einer Ca2+-abhängigen Aktivierung scheinen Anionenkanäle in Drüsen von Dionaea muscipula also in einem Ca2+-unabhängigen Signalweg aktiviert zu werden. Diesen Aktivierungsmechanismus gibt es auch im ABA-Signalweg in Schließzellen. Dort findet eine Ca2+-unabhängige Aktivierung der S-Typ Anionenkanäle durch Proteinkinasen wie OST1 und CPK23 statt, wobei die Proteinphosphatase ABI1 als negativer Regulator diskutiert wird. In dieser Arbeit konnte die Redundanz von OST1 und CPK23 sowie Komponenten des Ca2+-abhängigen Weges in DEVC-Experimenten mit ost1-2- und cpk23-Mutanten von Arabidopsis thaliana beobachtet werden, die beide S-Typ Anionenkanalaktivität zeigten. Die Aktivität von S-Typ Anionenkanälen in Arabidopsis thaliana Mutanten, denen der S-Typ Anionenkanal SLAC1 fehlt, deutet außerdem an, dass redundante S-Typ Anionenkanäle vorhanden sind, die auch durch andere Proteinkinasen aktiviert werden könnten. ABA-induzierte S-Typ Anionenströme waren auch in abi1-Transformanten von Nicotiana tabacum messbar, wobei eine geringere Sensitivität gegenüber ABA als im Wildtyp auftrat, was auf eine unvollständige Inhibierung des ABA-Signalweges hindeutet. Die Redundanz der Intermediate im ABA-Signalweg war auch in Studien mit dem Lipid-abgeleiteten Botenstoff Phosphatidsäure sichtbar, der nur einen langsamen und unvollständigen Stomaschluss induzierte, was allerdings auch auf eine untergeordnete Rolle von Phosphatidsäure im ABA-Signalweg hinweisen könnte. / Plants regulate gas exchange with the atmosphere by changing the aperture of pores in the epidermis of leaves, which are called stomata. Upon water deficiency, stomatal pores close to minimize water loss. This process is initiated by the phytohormone ABA, which induces activation of anion channels in the plasma membrane of guard cells. Even though activation of anion channels is a central element in the response to ABA, the signalling pathway, leading to the activation of anion channels, is still not understood. This work focuses on the role of signalling intermediates like protein kinases, protein phosphatases, lipid-based messengers and Ca2+ in the activation of anion channels. With regard to Ca2+, the generation of Ca2+-signals and the extent to which a rise in the cytosolic free Ca2+-concentration is sufficient for the activation of anion channels was studied. For this purpose, especially the double electrode voltage clamp (DEVC) technique was used in combination with FURA-2 based Ca2+-imaging. The ability of Ca2+ to activate anion channels was tested by evoking Ca2+-signals in guard cells of intact Nicotiana tabacum plants by either clamping the plasma membrane to hyperpolarized or depolarized voltages and simultaneously measuring plasma membrane currents. Thereby a transient elevation of the cytosolic free Ca2+-concentration directly followed the hyperpolarization, whereas depolarization initially induced lowering of the cytosolic free Ca2+-concentration, followed by a transient Ca2+-increase after returning to the holding potential. This suggests that hyperpolarization-activated Ca2+-channels are involved in both Ca2+-responses and that the threshold potential of the guard cell at which a Ca2+-signal is generated shifts to more positive values after a prolonged depolarization. Modulation of the voltage sensitivity of the guard cell during a prolonged depolarization might be due to activation of Ca2+-channels and/or inhibition of Ca2+-transport proteins by a low cytosolic free Ca2+-concentration. The transient elevation of the cytosolic free Ca2+-concentration, induced by hyperpolarization or prolonged depolarization, correlated with a transient activation of S-type anion channels. Analysis of the Ca2+-concentration and time dependence showed that S-type anion channels are activated by Ca2+ in a fast signalling pathway with a half maximal cytosolic free Ca2+-concentration of 515 nM (SE=235, n=33). The mean saturated S-type anion current was -349 pA (SE=107, n=33) at -100 mV. The effect of Ca2+ on plasma membrane transport processes was also studied in gland cells of Dionaea muscipula. In this cell type, a mechanical stimulation of trigger hairs induced a Ca2+-signal, whereby more than two action potentials were needed for a transient increase in the cytosolic free Ca2+-concentration. This data indicates that that the depolarization-phase of the action potential is not directly coupled to Ca2+-fluxes. Instead of a Ca2+-dependent activation, anion channels in glands of Dionaea muscipula thus seem to be activated by a Ca2+-independent signalling pathway. This type of activation mechanism can also be found in ABA-signalling in guard cells. There, a Ca2+-independent activation of S-type anion channels involves protein kinases like OST1 and CPK23, a process that is negatively regulated by the protein phosphatase ABI1. In this work, the redundancy between OST1 and CPK23 as well as components of the Ca2+-dependent signalling pathway could be shown in DEVC experiments with ost1-2 and cpk23-mutants of Arabidopsis thaliana, which still showed S-type anion channel activity. Furthermore, the activity of S-type anion channels in Arabidopsis thaliana mutants lacking the S-type anion channel SLAC1 indicates that redundant S-type anion channels exist, which might be activated by other protein kinases as well. ABA-induced S-type anion currents could also be measured in abi1-transformed Nicotiana tabacum plants, although these plants showed a reduced sensitivity to ABA compared to wildtype plants, suggesting an incomplete inhibition of the ABA-signalling pathway. The redundancy of intermediates in the ABA-signalling pathway could also be seen in studies with the lipid-based messenger phosphatidic acid, which only induced a slow and incomplete stomatal closure. However, this could point at a minor role for phosphatidic acid in the ABA-signalling pathway, as well.