Chemische Pflanzenschutzmittel (PSM) bekämpfen nicht nur Schadorganismen, sondern haben aufgrund ihrer hohen Toxizität auch negative Auswirkungen auf Nicht-Ziel-Organismen. Die Fragestellung der Arbeit war es, ob mit reduzierten Anwendungen von PSM ihr Gefährdungspotenzial für Prädatoren von Schädlingen verringert und dadurch das Potenzial der natürlichen Schädlingsregulation erhöht wird. In dreijährigen Freilanduntersuchungen wurden die Effekte einer dauerhaft reduzierten Dosis von chemischen PSM auf die ökologische Situation im Ackerbau anhand von drei Fallbeispielen in einem konventionell bewirtschafteten Betrieb in der Magdeburger Börde untersucht. Drei über 15 ha große Felder wurden dauerhaft in zwei Teilflächen geteilt, wobei eine Teilfläche mit der vom Landwirt gewünschten Dosis (100 %-Variante) und die andere mit jeweils genau der halben Dosis (50 %-Variante) behandelt wurde. Mittels dieser Halbfelder-Vergleiche wurden die ökologischen Situationen bezüglich des Auftretens von Blattläusen und ihren Prädatoren sowie Unkräutern vor und nach der jeweiligen PSM-Behandlung aufgenommen und ökonomische Parameter ermittelt. Ergänzend wurden im Labor Modellgefäßversuche mit abgestuften Dosierungen von Insektiziden und Herbiziden durchgeführt. Die Insektizidbehandlung übte einen großen Einfluss auf die Blattläuse und ihre Prädatoren aus, während alle vorherigen Herbizid- und Fungizidbehandlungen zu keinen Unterschieden in der Abundanz der Blattläuse und ihrer Prädatoren zwischen beiden Varianten hervorriefen. Die reduzierte Insektiziddosis führte zu keiner guten Blattlauskontrolle, während die Abundanz der blattlausspezifischen Prädatoren positiv beeinflusst wurde. Die Araneae reagierten auf die reduzierte Dosis mit einer teilweise erhöhten Aktivitätsdichte und Artendiversität. Dagegen waren diesbezüglich keine eindeutigen Effekte auf die Carabidae festzustellen. Es traten keine strukturellen Veränderungen in Form einer erhöhten Unkrautdichte durch die reduzierte Herbiziddosis auf. Erste Hinweise auf mögliche langfristige Auswirkungen einer dauerhaft reduzierten PSM-Anwendung konnten nur bei der Verunkrautung und der Aktivitätsdichte der Araneae beobachtet werden. Blattläuse profitierten demnach mehr von der reduzierten Anwendung der PSM als ihre Prädatoren, so dass zwar das Potenzial der natürlichen Blattlausregulation erhöht, die Selbstregulation aber nicht verbessert wurde. Die geschonten Prädatoren schafften es nicht, die vorhandene Restpopulation der Blattläuse zu reduzieren. Dagegen konnte in den Laborversuchen gezeigt werden, das schon bei deutlich reduzierten Insektiziddosen eine ausreichende Blattlausbekämpfung möglich ist und eine weitere Einsparung durch Ausnutzung der natürlichen Regulation durch Prädatoren erreicht werden kann. Allerdings ist eine Übertragung der Ergebnisse von Laboruntersuchungen auf Freilandbedingungen schwierig. Es kann zu einer Überschätzung der Prädatorleistung führen. / Pesticide application in order to control pest populations can also affects non-target organisms such as beneficials. Thus, effects of low-input pesticide use on the tritrophic system crop – aphid – predator were investigated in field and laboratory studies. The hypothesis was: 50% doses of pesticides, particularly insecticides, permanently conserves beneficials, improves natural control and enhances biodiversity in fields. The field study was carried out in a conventional farm in an intensive cropping region of Central Germany (Magdeburger Boerde) from 2004-2006 using half-field comparisons. Three fields (≥15 ha) were divided into two halves during the whole period of investigation representing low- and high-input variants. One half was treated by permanently 50% reduced pesticide doses, whereas the other one was characterised by good plant protection practise (100%). To determine ecological effects of a low-input plant protection strategy, abundances of aphids and their predators as well as of weeds were investigated before and after pesticide applications.In adddition, economic parameters were determined. Insecticide treatment caused greatest effect on aphids and their predators, whereas fungicide and herbicide applications did not affect their abundances. The reduced insecticide dose did not lead to a good aphid control, but the abundance of aphid specific predators was positive affected and Araneae showed enhanced activity density and diversity by the low-input insecticide use. No clear effect of reduced insecticides use on abundance, structure of dominance, and diversity of carabids could be observed. No structural changes in terms of an increased density of weeds were found. Accumulative effects of reduced pesticide use could only be observed concerning weed density and activity density of Araneae after three years. It is concluded, that aphids profit more from reduced pesticide dose than their predators. The increased predator potential did not lead to a better natural control because of higher relative survival rate of aphids in the 50%-variant. In contrast to the field study, in laboratory aphids could be sufficiently reduced by low-input insecticide doses. In some cases the dose of insecticide could be reduced even more by utilisation of the predator potential to receive a good pest control. But it is difficult to transfer the results of laboratory studies to field conditions. It could result in an overestimation of the potential of natural regulation by a predator.

Variationen in der Genexpression spielen eine zentrale Rolle bei der evolutionären Divergenz, die zur Speziation führt. Dies wird durch Veränderungen sowohl in nicht-kodierenden cis-wirkenden regulatorischen Elementen (CREs) wie Promotoren und Enhancern als auch in trans-wirkenden regulatorischen Elementen bestimmt. Veränderungen in den regulatorischen Sequenzen können Entwicklungsmuster verändern und wirken als eine der treibenden Kräfte der Evolution der Genexpression. Hier untersuche ich die Anwendung der Einzelzell-Multiomik in der evolutionären vergleichenden Genomik, wobei der Schwerpunkt auf den funktionellen Auswirkungen der Divergenz bei cis-regulatorischen Elementen liegt. Unter Verwendung von Hybrid-Embryonen von Drosophila melanogaster und sechellia generiere ich ein diploides Referenzgenom und führe allelspezifische Einzelzellanalysen von scRNA-seq und scATAC-seq durch. Zusammen können diese beiden komplimentären Ansätze einen integrativen Überblick über die Transkription und die Zugänglichkeit des Chromatins liefern, wodurch CREs identifiziert und mit allelspezifischen Veränderungen in den Genen, die sie regulieren, in Verbindung gebracht werden können. Die computergestützte Rekonstruktion verschiedener Zellidentitäten durch Clustering einzelner Zellen ermöglicht es uns auch zu untersuchen, wie sich das Allel-Ungleichgewicht während der Zelltyp-Spezifikation räumlich verändern kann. Im Gegensatz zu früheren Forschungsarbeiten stelle ich fest, dass Gene, die an der Entwicklung und Musterbildung beteiligt sind, ein unterschiedliches allelisches Ungleichgewicht in der Expression und Zugänglichkeit über die Zelltypen hinweg aufweisen. Diese Arbeit zeigt das Potenzial der Kombination von Einzelzell-Multiomik und artübergreifenden Vergleichen in der vergleichenden Genomik und wirft ein neues Licht auf die Rolle von cis-regulatorischen Elementen in der adaptiven Evolution. / Variation in gene expression plays a pivotal role in the evolutionary divergence that leads to speciation. This is determined by changes in both non-coding cis-acting regulatory elements (CREs) like promoters and enhancers, as well as trans-acting regulatory elements. Changes in regulatory sequences can alter developmental patterns, acting as one of the driving forces behind gene expression evolution. However, poor sequence conservation of CREs makes it challenging to identify them and link changes in regulatory sequences to new phenotypes. Here, I explore the application of single cell multiomics in evolutionary comparative genomics, with a focus on functional effects of divergence in cis-regulatory elements. Using hybrid embryos of Drosophila melanogaster and Drosophila sechellia, I generate a diploid reference genome and conduct single cell allele-specific analysis of scRNA-seq and scATAC-seq data. Together, these two assays can provide an integrative read-out of transcription and chromatin accessibility, allowing CREs to be identified and linked to allele-specific changes (allelic imbalance) in the genes they regulate. The computational reconstruction of different cell identities via single cell clustering also allows us to investigate how allelic imbalance may vary spatially during cell-type specification. In contrast to previous research, I find that genes involved in development and patterning display differential allelic imbalance in expression and accessibility across cell types. In addition, I investigate the role of neurodevelopmental allelic imbalance in the sechellia lineage and identify candidate genes for sechellia-specific adaptations. While highlighting current computational limitations, this thesis demonstrates the potential of combining single cell multiomics and cross-species comparisons in comparative genomics and shedding new light on the role of cis-regulatory elements and mechanisms of adaptive evolution.

Die vorliegende Arbeit beinhaltet verschiedene Aspekte der Embryogenese des Pfeilschwanzkrebses Limulus polyphemus (Chelicerata, Xiphosura), darunter die frühe Neurogenese, die Axogenese, eine Analyse der "Kopf"segmentierung bei Cheliceraten und anderen Arthropoden, sowie das Expressionsmuster des Homöoboxgens Distal-less insbesondere in neuronalen Zusammenhängen. Darüber hinaus wurde eine neue Embryonalstadieneinteilung geleistet. Markierungen mit Phalloidin sowie weiterer neurospezifischer Marker ergaben, daß die frühe Neurogenese bei Limulus polyphemus durch die Immigration von Zellclustern erfolgt. Die Zellen nehmen eine flaschenförmige Gestalt annehmen, bevor sie sich aus dem ventralen Neuroektoderm lösen. Die Anzahl der Zellen pro Zellcluster steigt mit fortschreitender Entwicklung. Die Zellcluster konzentrieren sich in in Zentrum jedes Hemisegmentes, und in ihrem dorsalen Bereich beginnt die rasch voranschreitende Axogenese. Die Untersuchung der "Kopf"segmentierung mittels alpha-Tubulin-Markierungen bei Limulus polyphemus, Triops cancriformis (Crustacea) und Lepisma saccharina (Hexapoda) ergab sowohl bei der Entwicklung des circumoesophagealen Neuropilringes und der Innervierung der dazugehörigen Anhangspaare als auch hinsichtlich des Verlaufs des Stomatogastrischen Nervensystems beachtliche Übereinstimmungen, die entgegen der klassischen Auffassung den Schluß zulassen, daß das Deutocerebrum der Cheliceraten keineswegs reduziert wurde oder mit dem Tritocerebrum verschmolzen ist, sondern die Chelicere innerviert. Somit wäre das Chelicerenneuromer homolog zum Deutocerebrum der Crustacea und Hexapoda (1. Antenne). Der Vergleich des Expressionsmuster des Homöoboxgens Distal-less bei Limulus und Lepisma saccharina ergab neben den typischen Expressionen in auswachsenden Extremitäten- und andern Anhangsknospen bei beiden Vertretern Expressionen in neuronalen Zusammenhängen (im Lobus opticus, Ganglien bei Limulus oder in das ZNS umgebende Zellen bei Lepisma), an den verschiedensten Positionen späterer Sinnesorgane wie Mechano- oder Chemorezeptoren. Doppelmarkierungen mit Synorf-1 deuten darauf hin, daß es sich bei den Dll-positiven Zellen zum größten Anteil um Glia-Zellen handelt. / The following study contains different aspects of the embryology of the horseshoe crab Limulus polyphemus (Chelicerata, Xiphosura) with the main focus on early neurogenesis, axogenesis and the "head"segmentation in chelicerates and other arthropods. The expression pattern of the homeobox gene Distal-less was examined with main focus on neuronal correlations. In addition, a new staging was provided. Phalloidin stainings and other markers showed that the early neurogenesis in Limulus polyphemus happens via immigration of cell clusters. Cellclusters in the prosoma contain cells that become bottle shaped before they immigrate from the ventral neuroectoderm. The number of these cells increases during further development, and the cells concentrate in the middle of each hemisegment. Axogenesis starts at the dorsal edge of these concentrated cellclusters and progresses quite fast building the typical ladder like CNS of arthropods. The investigation of the "head"segmentation using alpha-tubulin stainings in Limulus polyphemus, Triops cancriformis (Crustacea), and Lepisma saccharina (Hexapoda) showed remarkable similarities in the development of the circumesophageal neuropil ring, the related appendages, and the course of the stomatogastric nerves. These results lead to the thesis that the deutocerebrum of chelicerates is neither completely reduced nor totally merged into the tritocerebrum but innervates the chelicerae which contradicts the classical view. According to these results the neuromer of the chelicerae would be homologous to the deutocerebrum of Crustaceans and Hexapods (first antennae). The expression pattern of the homeobox gene Distal-less was examined and compared in Limulus polyphemus and Lepisma saccharina. Beside the typical expression pattern in the developing appendages a participation of the gene in development of the nervous system was observed. Dll positve cells were found in or at least in direct contact with the CNS (optical lobe, ganglia in Limulus or surrounding the entire CNS including the brain of Lepisma), at different positions of later mechano- and chemoreceptors (lateral spines, bristles, flabellum, Johnstons organ etc.). Double stainings using Dll and Synorf-1 showed that at least most of these Dll-postive cells are most likely glia cells.