Ants belong to the most successful insects living on our planet earth. One criterion of their tremendous success is the division of labor among workers that can be related to age (age¬– or temporal polyethism) and/ or body size (size–related polymorphism). Young ants care for the queen and brood in the nest interior and switch to foraging tasks in the outside environment with ongoing age. This highly flexible interior–exterior transition probably allows the ant workers to properly match the colony needs and is one of the most impressive behaviors a single worker undergoes during its life. As environmental stimuli are changing with this transition, workers are required to perform a new behavioral repertoire. This requires significant adaptions in sensory and higher¬–order integration centers in the brain, like the mushroom bodies. Furthermore, foragers need proper time measuring mechanisms to cope with daily environmental changes and to adapt their own mode of life. Therefore, they possess a functional endogenous clock that generates rhythms with a period length of approximately 24 hours. The species–rich genus of Camponotus ants constitute a rewarding model to study how behavioral duties of division of labor were performed and modulated within the colony and how synaptic plasticity in the brain is processed, as they can divide their labor to both, age and body size, simultaneously. In my PhD thesis, I started to investigate the behavioral repertoire (like foraging and locomotor activity) of two sympatric Camponotus species, C. mus and C. rufipes workers under natural and under controlled conditions. Furthermore, I focused on the division of labor in C. rufipes workers and started to examine structural and ultrastructural changes of neuronal architectures in the brain that are accompanied by the interior–exterior transition of C. rufipes ants. In the first part of my thesis, I started to analyze the temporal organization of task allocation throughout the life of single C. rufipes workers. Constant video–tracking of individually labeled workers for up to 11 weeks, revealed an age–related division of labor of interior and exterior workers. After emergence, young individuals are tended to by older ones within the first 48 hours of their lives before they themselves start nurturing larvae and pupae. Around 52% switch to foraging duties at an age of 14–20 days. The workers that switched to foraging tasks are mainly media–sized workers and seem to be more specialized than nurses. Variations in proportion and the age of switching workers between and within different subcolonies indicate how highly flexible and plastic the age–related division of labor occurs in this ant species. Most of the observed workers were engaged in foraging tasks exclusively during nighttime. As the experiments were conducted in the laboratory, they are completely lacking environmental stimuli of the ants´ natural habitat. I therefore asked in a second study, how workers of the two closely related Camponotus species, C. rufipes and C. mus, adapt their daily activity patterns (foraging and locomotor activity) under natural (in Uruguay, South America) and controlled (in the laboratory) conditions to changing thermal conditions. Monitoring the foraging activity of both Camponotus species in a field experiment revealed, that C. mus workers are exclusively diurnal, whereas C. rufipes foragers are predominantly nocturnal. However, some nests showed an elevated daytime activity, which could be an adaption to seasonally cold night temperatures. To further investigate the impact of temperature and light on the differing foraging activity patterns in the field, workers of both Camponotus species were artificially exposed to different thermal regimes in the laboratory, simulating local winter and summer conditions. Here again, C. mus workers display solely diurnal locomotor activity, whereas workers of C. rufipes shifted their locomotor activity from diurnal under thermal winter conditions to nocturnal under thermal summer conditions. Hence, the combination of both, field work and laboratory studies, shows that daily activity is mostly shaped by thermal conditions and that temperature cycles are not just limiting foraging activity but can be used as zeitgeber to schedule the outside activities of the nests. Once an individual worker switches from indoor duties to exterior foraging tasks, it is confronted with an entirely new set of sensory information. To cope with changes of the environmental conditions and to facilitate the behavioral switch, workers need a highly flexible and plastic neuronal system. Hence, my thesis further focuses on the underlying neuronal adaptations of the visual system, including the optic lobes as the primary visual neuropil and the mushroom bodies as secondary visual brain neuropil, that are accompanied with the behavioral switch from nursing to foraging. The optic lobes as well as the mushroom bodies of light–deprived workers show an `experience–independent´ volume increase during the first two weeks of adulthood. An additional light exposure for 4 days induces an `experience–dependent´ decrease of synaptic complexes in the mushroom body collar, followed by an increase after extended light exposure for 14 days. I therefore conclude, that the plasticity of the central visual system represents important components for the optimal timing of the interior–exterior transitions and flexibility of the age–related division of labor. These remarkable structural changes of synaptic complexes suggest an active involvement of the mushroom body neuropil in the lifetime plasticity that promotes the interior–exterior transition of Camponotus rufipes ants. Beside these investigations of neuronal plasticity of synaptic complexes in the mushroom bodies on a structural level, I further started to examine mushroom body synaptic structures at the ultrastructural level. Until recently, the detection of synaptic components in projection neuron axonal boutons were below resolution using classical Transmission Electron Microscopy. Therefore, I started to implement Electron Tomography to increase the synaptic resolution to understand architectural changes in neuronal plasticity process. By acquiring double tilt series and consecutive computation of the acquired tilt information, I am now able to resolve individual clear–core and dense–core vesicles within the projection neuron cytoplasm of C. rufipes ants. I additionally was able to reveal single postsynaptic Kenyon cell dendritic spines (~62) that surround one individual projection neuron bouton. With this, I could reveal first insights into the complex neuronal architecture of single projection neuron boutons in the olfactory mushroom body lip region. The high resolution images of synaptic architectures at the ultrastructural level, received with Electron Tomography would promote the understanding of architectural changes in neuronal plasticity. In my PhD thesis, I demonstrate that the temporal organization within Camponotus colonies involves the perfect timing of different tasks. Temperature seems to be the most scheduling abiotic factors of foraging and locomotor activity. The ants do not only need to adapt their behavioral repertoire in accordance to the interior–exterior switch, also the parts in the peripheral and central that process visual information need to adapt to the new sensory environment. / Ameisen gehören zu den erfolgreichsten Insekten unserer Erde. Hauptverantwortlich für ihren enormen Erfolg ist die Arbeitsteilung der Arbeiterinnenkaste. Ameisenarbeiterinnen können sich ihre Aufgaben abhängig ihrer Körpergröße teilen (Größenpolymorphismus), indem unterschiedlich große Tiere verschiedenen Aufgaben in der Kolonie nachgehen. Zusätzlich kann die Arbeitsteilung aber auch altersbedingt sein (auch genannt Alters– oder zeitlicher Polyethismus): Junge Ameisen kümmern sich um die Königin und Brut innerhalb des Nestes, bevor sie mit zunehmendem Alter das Nest verlassen und zu Futtersammlerinnen (Furageuren) werden. Der extrem anpassungsfähige Wechsel von Innen¬– zu Außendiensttieren ist einer der erstaunlichsten Verhaltensweisen, die Arbeiterinnen an den Tag legen und ermöglicht es ihnen, den unterschiedlichen Bedürfnissen ihrer Kolonie nachzugehen. Der Übergang der Ammentätigkeit zum Furagieren ist mit beträchtlichen Veränderungen der sensorischen Umgebung der einzelnen Arbeiterinnen verbunden und erfordert eine Verhaltensanpassung an diese neuen Gegebenheiten. Wenn sich die Verhaltensweisen der Arbeiterinnen ändert, führt das zu Anpassungen der sensorischen und höheren Verschaltungszentren in bestimmten Gehirnarealen. Eines dieser sensorischen Verarbeitungszentren sind die Pilzkörper. Außerdem müssen Furageure in der Lage sein, tägliche Veränderungen ihrer Umwelt wahrzunehmen, um ihre Verhaltensweisen stets optimal an die sich ändernde Umwelt anzupassen. Dafür brauchen sie eine funktionierende innere Uhr, die rhythmisch mit einer Periodenlänge von ca. 24 Stunden läuft. Die artenreiche Gattung der Camponotus Ameisen ist ein geeigneter Organismus, um die Verhaltensweisen die mit der Arbeitsteilung der Arbeiterinnenkaste einhergehen, zu untersuchen, da sowohl der Größenpolymorphismus als auch der Alterspolyethismus zeitgleich in dieser Gattung auftauchen können. Dadurch eignen sich Camponotus Ameisen auch hervorragend, um strukturelle Veränderungen synaptischer Komplexe im Gehirn, die sich durch die Arbeitsteilung ändern können, zu untersuchen. In meiner Doktorarbeit habe ich damit angefangen, die Verteilung von bestimmten Aufgaben (Ammen und Furageure) von C. rufipes Arbeiterinnen zu untersuchen. Mithilfe von Videoaufnahmen über elf Wochen, konnte ich sowohl eine altersabhängige, als auch eine größenabhängige Arbeitsteilung zwischen Ammen und Furageuren für diese Art zeigen. Frisch geschlüpfte Tiere wurden innerhalb der ersten 48 Stunden von anderen Ammen umsorgt, bevor sie selbst zu Ammen wurden und Aufgaben wie Brutpflege übernommen haben. Nach rund 14–20 Tagen sind 53% der Ammen zu Furageuren gewechselt. Zusätzlich zu der altersabhängigen Arbeitsteilung konnte ich zeigen, dass die Körpergröße der Ammen deutlich breiter gestreut ist als die der Furageure, was in einer höheren Spezialisierung der Furageure resultiert. Proportionale Unterschiede des Alters und der Größe der Tiere, die diesen Wechsel vollzogen haben zeigen, wie hoch flexibel und anpassungsfähig die Arbeitsteilung innerhalb der Arbeiterinnenkaste sein kann. Die meisten der beobachteten Furageure waren außerdem fast ausschließlich nachtaktiv. Da ich diese Experimente im Labor durchgeführt habe, fehlt es komplett an der natürlichen sensorischen Umgebung der Tiere. In dem zweiten Teil meiner Doktorarbeit habe ich mich damit beschäftigt, ob sich tägliche Aktivitätsmuster (Furagier– und Bewegungsaktivität) von Arbeiterinnen zweier nah verwandter Camponotus Arten (C. rufipes und C. mus) unter natürlichen Bedingungen (in Uruguay, Südamerika) und unter kontrollierten Bedingungen (im Labor), in Abhängigkeit von den abiotischen Faktoren Licht und Temperatur, verändern können. Meine Ergebnisse zeigen, dass C. mus Arbeiterinnen unter natürlichen Bedingungen strikt tagaktiv sind, wohingegen C. rufipes Arbeiterinnen vornehmlich nachts furagierten. Ein paar C. rufipes Nester zeigten allerdings eine erhöhte Furagieraktivität tagsüber, was auf die saisonal kalten Nächte zurückzuführen sein könnte. Um den Einfluss von Licht und Temperatur, der sich auf die Furagieraktivität im Feld gezeigt hat, genauer untersuchen zu können, wurden Arbeiterinnen beider Camponotus Arten verschiedenen Licht– und Temperaturbedingungen im Labor ausgesetzt. Auch hier zeigten Arbeiterinnen der Gattung C. mus eine strikt tagaktive Bewegungsaktivität, wohingegen C. rufipes Arbeiterinnen von tagaktiv unter Winter Temperaturbedingungen zu nachaktiv unter Sommer Temperaturbedingungen wechselten. Die Kombination aus den Ergebnissen der Feld– und Laborstudien zeigen deutlich, dass die generelle Aktivität der beiden Arten hauptsächlich durch Licht und Temperatur beeinflusst wird und dass Temperaturzyklen nicht nur ein limitierender Faktor der Furagieraktivität sind, sondern auch als Zeitgeber dienen können um Aktivität generell zu regulieren. Wenn der Übergang von Innen– zu Außendiensttieren stattgefunden hat, ändert sich die komplette sensorische Umgebung der Furageure. Um diese Veränderungen verarbeiten zu können, brauchen Arbeiterinnen ein hoch anpassungsfähiges und flexibles neuronales System. Daher beschäftigte ich mich in meiner Doktorarbeit außerdem mit den zugrundeliegenden neuronalen Anpassungen der visuellen Verarbeitungsregionen im Gehirn, wie die optischen Loben und die Pilzkörper, die mit dem Wechsel von Ammen zu Furageuren einhergehen. Ich konnte zeigen, dass die optischen Loben und die Pilzkörper von im Dunkeln gehaltenen Arbeiterinnen eine `Erfahrungs–unabhängige´ Volumenszunahme innerhalb der ersten zwei Wochen nach dem Schlupf zeigen. Eine folgende Lichtexposition von vier Tagen führte zu einer `Erfahrungs–abhängigen´ Abnahme der synaptischen Strukturen im Pilzkörper, die allerdings durch eine länger anhaltende Lichtexposition von 14 Tagen wieder anstieg. Diese Plastizität des zentralen visuellen Nervensystems repräsentiert eine wichtige Komponente für die optimale zeitliche Anpassung des Wechsels von Ammen zu Furageuren und die enorme Flexibilität der altersabhängigen Arbeitsteilung. Außerdem scheinen die Pilzkörper durch diese beeindruckenden strukturellen Veränderungen der synaptischen Komplexe aktiv an dieser neuronalen Plastizität beteiligt zu sein und daher den Übergang von Innen– zu Außendiensttieren in C. rufipes Ameisen zu unterstützen. Neben meinen Untersuchungen zur neuronalen Plastizität synaptischer Komplexe im Pilzkörper auf der strukturellen Ebene, habe ich damit begonnen, diese Plastizität der neuronalen Komplexe auch auf Ultrastruktur Ebene zu untersuchen. Durch die zu geringe Auflösungsmöglichkeit der klassischen Transmissions Elektronenmikroskopie, konnten bisher einzelne synaptischer Komponenten in den axonalen Endigungen der Projektionsneurone nicht detektiert werden. Deswegen habe ich damit angefangen, die Methode der Elektronen Tomographie zu etablieren um die Auflösung synaptischer Komplexe zu verbessern. Mit dieser höheren Auflösung ist es möglich, bauliche Veränderungen der synaptischen Komplexe in Plastizitätsprozessen besser zu verstehen. Mit der Durchführung von `double tilt´ Serien und der anschließenden Verarbeitung der erhaltenen Bildinformation, war es mir möglich, einzelne `clear–core´ und `dense–core´ Vesikel innerhalb des Zytoplasmas der Projektionsneurone von C. rufipes Ameisen detektieren. Außerdem konnte ich mit dieser Methode einzelne postsynaptische dendritische Dornen der Kenyon Zellen (~62) identifizieren, die ein einzelnes Endknöpfchen eines Projektionsneurons umgeben. In diesem Teil meiner Arbeit konnte ich erste Einblicke in die komplexe neuronale Bauweise einzelner Endigungen der Projektionsneurone in der olfaktorischen Region der Pilzkörper zeigen. Die hochauflösenden Bilder synaptischer Komplexe auf dem Ultrastruktur Level, die man mit der Elektronen Tomographie erzielen kann, bringen das Verständnis baulicher Veränderungen innerhalb der neuronales Plastizität voran. In meiner Doktorarbeit konnte ich zeigen, dass die zeitliche Organisation verschiedener Aufgaben innerhalb der Kolonien von Camponotus Ameisen einer perfekten Zeitplanung bedarf. Hier scheinen die abiotischen Faktoren Temperatur und Licht den größten Einfluss auf die Furagieraktivität und die generelle Aktivität zu haben. Die Ameisenarbeiterinnen müssen nicht nur ihre Verhaltensweise nach dem Übergang von Ammen zu Furageuren anpassen, es müssen sich auch die Teile des Gehirns, die für die Verarbeitung visueller Reize zuständig sind, dieser neuen sensorischen Umgebung anpassen.

In their natural environment animals face complex and highly dynamic olfactory input. This requires fast and reliable processing of olfactory information, in vertebrates as well as invertebrates. Parallel processing has been shown to improve processing speed and power in other sensory systems like auditory or visual. In the olfactory system less is known about olfactory coding in general and parallel processing in particular. With its elaborated olfactory system and due to their specialized neuroanatomy, honeybees are well-suited model organism to study parallel olfactory processing. The honeybee possesses a unique neuronal architecture - a dual olfactory pathway. Two mirror-imaged output projection neuron (PN) pathways connect the first olfactory processing stage, the antennal lobe (analog to the vertebrates olfactory bulb, OB), with the second, the mushroom body (MB) known to be involved in orientation and learning and memory, and the lateral horn (LH). The medial antennal lobe-protocerebral tract (m-APT) first innervates the MB and thereafter the LH, while the other, the lateral-APT (l-APT) projects in opposite direction. The neuroanatomy and evolution of these pathways has been analyzed, yet little is known about its physiology. To analyze the function of the dual olfactory pathway a new established recording method was designed and is described in the first chapter of this thesis (multi-unit-recordings). This is now the first time where odor response from several PNs of both tracts is recorded simultaneously and with high temporal precision. In the second chapter the PN odor responses are analyzed. The major findings are: both tracts responded to all tested odors but with differing characteristics. Since recent studies describe the input to the two tracts being rather similar, the results now indicate differential odor processing along the tracts, therefore this is a good indicator for parallel processing. PNs of the m-APT process odors in a sparse manner with delayed response latencies, but with high odor-specificity. PNs of the l-APT in contrast respond to several odor stimuli and respond in general faster. In some PN originating from both tracts, characteristics of odor-identity coding via response latencies were found. Analyzing the over-all dynamic range of the PNs both l- and m-APT PNs were tested over a large odor concentration range (10-6 to 10-2) (3. chapter). The PNs responded with linear and non-linear correlation of the response strength to the odor concentration. In most cases the l-APT is comparatively more sensitive to low odor concentrations. Response latency decreases with increasing odor concentration in both tracts. Alternative coding principles and elaboration on the hypothesis whether the dual olfactory pathway may contribute coincidental innervation to the next higher-order neurons, the Kenyon cells (KC), is subject of the 4. chapter. Cross-correlations and synchronous responses of both tracts show that in principle odors may be coded via temporal coding. Results suggest that odor processing is enhanced if both tracts contribute to olfactory coding together. In another project the distribution of the inhibitory neurotransmitter GABA (gamma-aminobutyric acid) was measured in the bee’s MB during adult maturation (5. chapter). GABAergic inhibition is of high importance in odor coding. An almost threefold decrease in the total amount of GABAergic innervation was found during adult maturation in the l- and m-APT target region, in particular at the change in division of labor during the transition from a young nurse bee to an older forager bee. The results fit well into the current understanding of brain development in the honeybee and other social insects during adult maturation, which was described as presynaptic pruning and KC dendritic outgrowth. Combining anatomical and functional properties of the bee’s dual olfactory pathway suggests that both rate and temporal coding are implemented along two parallel streams. Comparison with recent work on analog output pathways of the vertebrate’s OB indicates that parallel processing of olfactory information may be a common principle across distant taxa. / In ihrem natürlichen Lebensraum sind Lebewesen mit komplexen und hoch dynamischen olfaktorischen Reizen konfrontiert, was eine schnelle und zuverlässige Duft-Verarbeitung sowohl bei Insekten als auch bei Wirbeltieren erfordert. Im visuellen oder auditorischen System wird sensorischer Eingang durch Parallel-Verarbeitung schneller und effektiver an höhere Gehirnzentren übertragen und verarbeitet. Im olfaktorischen System ist generell und im speziellen über Parallel-Verarbeitung noch wenig bekannt. Die Honigbiene stellt jedoch mit ihrer hoch spezialisierten Duftwahrnehmung und ihrem Duft und Pheromon gesteuerten Verhalten aufgrund ihrer Neuroanatomie einen besonderen Modelorganismus für die Erforschung der Duftverarbeitung und insbesondere der olfaktorischen Parallel-Verarbeitung dar. Honigbienen besitzen „duale olfaktorische Bahnen“, die ausschließlich in Hymenopteren (Bienen, Ameisen, Wespen) als Merkmal ausgeprägt sind. Gebildet werden sie aus zwei spiegelbildlichen Projektions-Neuronen (PN) Ausgangs-Trakten, die das erste olfaktorische Verarbeitungs-Zentrum, den Antennal-Lobus (vergleichbar mit dem Olfaktorischen Bulbus der Wirbeltiere, OB) mit sekundären Verarbeitungszentren, dem Pilzkörper (MB) und dem lateralen Horn (LH) verbinden. Der mediale Antennal-Lobusprotocerebrale Trakt (m-APT) innerviert erst den MB und dann das LH, der laterale Trakt (l-APT) projiziert in umgekehrter Reihenfolge. Der MB ist bei Orientierung, Lernen und Gedächtnis involviert, über die Funktion des LH ist in der Biene noch wenig bekannt. Über die Neuroanatomie und Evolution dieser dualen Bahnen wurde viel geforscht, die Funktion und damit ihre Physiologie sind allerdings noch unzureichend aufgeklärt. Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich deshalb mit der Duftverarbeitung im Bienengehirn und im Speziellen mit Parallelverarbeitung in der Olfaktorik. Für die Aufklärung wurde eine neu entwickelte und in dieser Dissertation beschriebene Messmethode etabliert (1. Kapitel). Mit Hilfe dieser Messapparatur (Multi-Unit Recordings) ist es jetzt das erste Mal möglich, hoch-zeitaufgelöst simultan aus beiden Trakten mehrere PNs auf unterschiedliche Düfte hin zu untersuchen. Das 2. Kapitel beschäftigt sich eingehender mit der Analyse von Duftanworten der PN. Die Hauptergebnisse sind, dass beide Trakte auf alle getesteten Düfte regieren, dies aber mit unterschiedlichen Charakteristiken tun. Da gezeigt wurde, dass beide Trakte ähnlichen olfaktorischen Eingang erhalten, die Trakte aber Düfte unterschiedlich verarbeiten, stellen diese Ergebnisse ein erstes Indiz für Parallelverarbeitung im olfaktorischen System der Biene dar. M-APT PN reagieren mit Zeitverzögerung und duftspezifisch, d.h. selektiver auf Düfte. Dagegen reagieren l-APT PN vergleichsweise schneller und duft-unspezifischer auf die in dieser Arbeit verwendeten Düfte. In einigen PN beider Trakte wurde gefunden, dass die PN Duft-Identitäten über duftspezifische Antwort-Latenzen abgebildet werden können. Um Aufschluss über die Gesamtdynamik der PN zu gewinnen, wurden l- und m-APT PN Antworten über weite Duftkonzentrationen (10-6 bis 10-2) hin untersucht (3. Kapitel). Die PN reagierten mit linearen und nicht-linearen Korrelationen. Zudem sind in den meisten Fällen l-APT PN bei schwachen Duftkonzentrationen sensitiver. Die Antwort-Latenz ist zur Duftkonzentration in beiden Trakten negativ-proportional. Alternative Kodierungsmöglichkeiten und die Ausarbeitung der Hypothese, dass die dualen Bahnen eine Koinzidenzverschaltung auf die nächst höheren Neurone, die Kenyon Zellen (KC), bilden könnten, wird im 4. Kapitel behandelt. Dazu zeigen Kreuz-Korrelationsanalysen und synchrone Antwortmuster aus beiden Trakten, dass prinzipiell Düfte auch über Zeit-Kodierung verarbeitet werden können. Generell zeigt sich, dass die dualen olfaktorischen Bahnen eine verbesserte Duftkodierung gegenüber einem Trakt gewährleisten. In einem weiteren Ansatz wurde die alterskorrelierte Plastizität der inhibitorischen GABAergen (gamma-Aminobuttersäure) Innervation im Pilzkörper der Biene während der Adult-Reifung bestimmt (5. Kapitel). Inhibition ist für olfaktorische Kodierung sehr wichtig. Eine fast dreifache Reduktion in der Gesamtmenge von GABA wurde während der Adult-Reifung in beiden Zielregionen der dualen olfaktorischen Bahn gleichermaßen gefunden. Dieser Effekt wurde mit einer insgesamt halbierten GABA Innervierung ebenfalls im visuellen Innervationsgebiet des MB gefunden. Die Ergebnisse passen gut in das derzeitige Verständnis von Adultplastizität der Pilzkörper in der Honigbiene, in denen eine Ausdünnung (Pruning) präsynaptischer Endigungen von PN und ein Auswachsen von KC-Dendriten beschrieben wurde. Aus den neuroanatomischen und physiologischen Eigenschaften der dualen olfaktorischen Bahnen lässt sich schlussfolgern, dass Düfte sowohl über Raten- als auch Zeit-Kodierung bis hin zu Koinzidenz-Verschaltungen verarbeitet werden können. Zudem zeigen derzeitige Arbeiten über analoge Ausgangs-Trakte im OB von Wirbeltieren, dass Parallelverarbeitung im olfaktorischen System ein allgemeines Kodierungsprinzip über weit entfernte Taxa zu sein scheint.

The correct regulation of cell growth and proliferation is essential during normal animal development. Myc proteins function as transcription factors, being involved in the con-trol of many growth- and proliferation-associated genes and deregulation of Myc is one of the main driving factors of human malignancies. The first part of this thesis focuses on the identification of directly regulated Myc target genes in Drosophila melanogaster, by combining ChIPseq and RNAseq approaches. The analysis results in a core set of Myc target genes of less than 300 genes which are mainly involved in ribosome biogenesis. Among these genes we identify a novel class of Myc targets, the non-coding small nucleolar RNAs (snoRNAs). In vivo studies show that loss of snoRNAs not only impairs growth during normal development, but that overexpression of several snoRNAs can also enhance tumor development in a neu-ronal tumor model. Together the data show that Myc acts as a master regulator of ribo-some biogenesis and that Myc’s transforming effects in tumor development are at least partially mediated by the snoRNAs. In the second part of the thesis, the interaction of Myc and the Zf-protein Chinmo is described. Co-immunoprecipitations of the two proteins performed under endogenous and exogenous conditions show that they interact physically and that neither the two Zf-domains nor the BTB/POZ-domain of Chinmo are important for this interaction. Fur-thermore ChIP experiments and Myc dependent luciferase assays show that Chinmo and Myc share common target genes, and that Chinmo is presumably also involved in their regulation. While the exact way of how Myc and Chinmo genetically interact with each other still has to be investigated, we show that their interaction is important in a tumor model. Overexpression of the tumor-suppressors Ras and Chinmo leads to tu-mor formation in Drosophila larvae, which is drastically impaired upon loss of Myc. / Die korrekte Regulation von Zellwachstum und Proliferation ist von entscheidender Bedeutung für die Entwicklung von Tieren. Myc-Proteine fungieren als Transkriptions-faktoren, die in die Funktionskontrolle vieler Gene eingebunden sind die eine Rolle bei Zellwachstum und Proliferation spielen. Fehlregulierung von Myc ist ein Hauptfaktor menschlicher Tumorbildung. Der erste Teil dieser Dissertation beschäftigt sich mit der Identifizierung direkt regulierter Myc Zielgene in Drosophila melanogaster durch Kombination von ChIPseq und RNAseq Analysen. Insgesamt wurde eine Hauptgruppe von weniger als 300 Myc Ziel-genen identifiziert, von denen der Großteil eine Funktion in der Ribosomen Biogenese hat. Unter diesen Genen haben wir eine neue Klasse an Myc Zielgenen identifiziert, die nicht-codierenden „small nucleolar RNAs“ (snoRNAs). In vivo Experimente zeigen, dass der Verlust der snoRNAs nicht nur das Wachstum während der natürlichen Ent-wicklung beeinträchtigt, sondern auch, dass Überexpression verschiedener snoRNAs die Tumorbildung in einem neuronalen Tumormodel begünstigt. Zusammenfassend zeigen die Daten, dass Myc maßgeblich Ribosomen Biogenese steuert und dass der transformierende Effekt, den Myc in der Tumorentwicklung inne hat, zumindest teilwei-se durch die snoRNAs gesteuert wird. Im zweiten Teil der Arbeit wird die Interaktion von Myc und dem Zink-Finger Protein Chinmo beschrieben. Co-Immunoprezipitationen der zwei Proteine die unter endogenen und exogenen Bedingungen durchgeführt wurden zeigen, dass sie physisch miteinander interagieren und dass weder Chinmos Zf-Domänen noch seine BTB/POZ-Domäne für diese Interaktion verantwortlich sind. ChIP-Versuche und Myc abhängige Luciferase-Assays zeigen weiterhin, dass Chinmo und Myc gemeinsame Zielgene besitzen und dass Chinmo darüber hinaus wahrscheinlich auch an ihrer Regulation beteiligt ist. Während der genaue Zusammenhang der genetischen Interaktionen von Myc und Chinmo noch ungewiss ist und weiterer Untersuchungen bedarf, kann gezeigt werden, dass die Interaktion der beiden Proteine in einem Tumormodel eine Rolle spielt. Die Tumorbildung die durch Überexpression des Tumorsuppressors Ras zusammen mit Chinmo hervorgerufen wird, wird durch den Verlust von Myc stark reduziert.

The monarch butterfly (Danaus plexippus) performs one of the most astonishing behaviors in the animal kingdom: every fall millions of these butterflies leave their breeding grounds in North Amerika and migrate more than 4.000 km southwards until they reach their overwintering habitat in Central Mexico. To maintain their migratory direction over this enormous distance, the butterflies use a time-compensated sun compass. Beside this, skylight polarization, the Earth’s magnetic field and specific mountain ranges seem to guide the butterflies as well the south. In contrast to this fascinating orientation ability, the behavior of the butterflies in their non-migratory state received less attention. Although they do not travel long distances, they still need to orient themselves to find food, mating partners or get away from competitors. The aim of the present doctoral thesis was to investigate use of visual cues for orientation in migrating as well as non-migrating monarch butterflies. For this, field experiments investigating the migration of the butterflies in Texas (USA) were combined with experiments testing the orientation performance of non-migratory butterflies in Germany. In the first project, I recorded the heading directions of tethered butterflies during their annual fall migration. In an outdoor flight simulator, the butterflies maintained a southwards direction as long as they had a view of the sun’s position. Relocating the position of the sun by 180° using a mirror, revealed that the sun is the animals’ main orientation reference. Furthermore, I demonstrated that when the sun is blocked and a green light stimulus (simulated sun) is introduced, the animals interpreted this stimulus as the ‘real’ sun. However, this cue was not sufficient to set the migratory direction when simulated as the only visual cue in indoor experiments. When I presented the butterflies a linear polarization pattern additionally to the simulated sun, the animals headed in the correct southerly direction showing that multiple skylight cues are required to guide the butterflies during their migration. In the second project, I, furthermore, demonstrated that non-migrating butterflies are able to maintain a constant direction with respect to a simulated sun. Interestingly, they ignored the spectral component of the stimulus and relied on the intensity instead. When a panoramic skyline was presented as the only orientation reference, the butterflies maintained their direction only for short time windows probably trying to stabilize their flight based on optic-flow information. Next, I investigated whether the butterflies combine celestial with local cues by simulating a sun stimulus together with a panoramic skyline. Under this conditions, the animals’ directedness was increased demonstrating that they combine multiple visual cues for spatial orientation. Following up on the observation that a sun stimulus resulted in a different behavior than the panoramic skyline, I investigated in my third project which orientation strategies the butterflies use by presenting different simulated cues to them. While a bright stripe on a dark background elicited a strong attraction of the butterflies steering in the direction of the stimulus, the inverted version of the stimulus was used for flight stabilization. In contrast to this, the butterflies maintained arbitrary directions with a high directedness with respect to a simulated sun. In an ambiguous scenery with two identical stimuli (two bright stripes, two dark stripes, or two sun stimuli) set 180° apart, a constant flight course was only achieved when two sun stimuli were displayed suggesting an involvement of the animals’ internal compass. In contrast, the butterflies used two dark stripes for flight stabilization and were alternatingly attracted by two bright stripes. This shows that monarch butterflies use stimulus-dependent orientation strategies and gives the first evidence for different neuronal pathways controlling the output behavior. / Der Monarchfalter (Danaus plexippus) vollführt eine der atemberaubendsten Verhaltensweisen im Tierreich: Jeden Herbst verlassen Millionen dieser Schmetterlinge ihre Brutgebiete in Nordamerika und migrieren mehr als 4000 km südwärts bis sie ihr Überwinterungsgebiet in Zentralmexico erreichen. Um ihre Migrationsrichtung über diese enorme Distanz einzuhalten, benutzen die Schmetterlinge einen zeitkompensierten Sonnenkompass. Daneben scheinen polarisiertes Licht, das Erdmagnetfeld und bestimmte Gebirgsketten die Schmetterlinge nach Süden zu führen. Im Gegensatz zu dieser faszinierenden Orientierungsfähigkeit wurde dem Verhalten der Schmetterlinge in ihrem nicht-migrierendem Zustand wenig Beachtung geschenkt. Obwohl diese keine großen Distanzen zurücklegen, müssen sie sich dennoch orientieren, um Futter und Paarungspartner zu finden oder Konkurrenten zu entfliehen. Das Ziel der vorliegenden Doktorarbeit war es, die Nutzung visueller Hinweise für die Orientierung von sowohl migrierenden als auch nicht-migrierenden Monarchfaltern zu untersuchen. Dazu wurden Feldexperimente, in denen die Migration der Schmetterlinge in Texas (USA) untersucht wurden, mit Experimenten, in denen das Orientierungsvermögen von nicht-migrierenden Schmetterlingen in Deutschland getestet wurde, verknüpft. Im ersten Projekt habe ich die Flugrichtung von Schmetterlingen während der jährlichen Herbstmigration aufgezeichnet. In einem Flugsimulator im Freien hielten die Schmetterlinge eine südliche Richtung, solange sie eine freie Sicht auf die Sonne hatten. Eine Versetzung der Sonnenposition um 180° mit Hilfe eines Spiegels zeigte auf, dass die Sonne die wichtigste Orientierungsreferenz der Tiere ist. Des Weiteren konnte ich zeigen, dass die Tiere, wenn die Sonne blockiert und ein grüner Lichtstimulus (simulierte Sonne) eingeschaltet wurde, diese simulierte Sonne als "echte" Sonne interpretierten. Dieser Hinweis reichte jedoch nicht aus, um die Migrationsrichtung festzulegen, wenn er als einziger visueller Hinweis im Labor simuliert wurde. Als ich den Schmetterlingen zusätzlich zur simulierten Sonne ein lineares Polarisationsmuster präsentierte, flogen die Tiere in die richtige, südliche Richtung. Das zeigt, dass mehrere Himmelshinweise erforderlich sind, um die Schmetterlinge während ihrer Migration zu steuern. Im zweiten Projekt habe ich weiterhin gezeigt, dass nicht migrierende Schmetterlinge in der Lage sind eine konstante Richtung relativ zu einer simulierten Sonne beizubehalten. Interessanterweise ignorierten sie die spektrale Komponente des Stimulus und verließen sich stattdessen auf die Intensität. Als ein Panorama als einzige Orientierungsreferenz präsentiert wurde, hielten die Schmetterlinge ihre Richtung nur für kurze Zeitfenster und versuchten vermutlich, ihren Flug basierend auf Informationen des optischen Flusses zu stabilisieren. Als Nächstes untersuchte ich, ob die Schmetterlinge Himmelshinweise und lokale Hinweisen kombinieren, indem ich eine Sonne zusammen mit einem Panorama simulierte. Unter diesen Bedingungen war die Gerichtetheit der Flüge erhöht, was zeigt, dass die Tiere mehrere visuelle Hinweise zur räumlichen Orientierung kombinieren. Beruhend auf der Beobachtung, dass ein Sonnenstimulus zu einem anderen Verhaltensmuster führte als das Panorama, untersuchte ich in meinem dritten Projekt, welche Orientierungsstrategien die Schmetterlinge verwenden. Hierfür präsentierte ich den Tieren verschiedene simulierte Hinweise. Während ein heller Streifen auf dunklem Hintergrund eine starke Anziehungskraft auf die Schmetterlinge, die in die Richtung des Reizes flogen, ausübte, wurde die invertierte Version des Stimulus zur Flugstabilisierung verwendet. Im Gegensatz dazu hielten die Schmetterlinge beliebige Richtungen mit einer hohen Gerichtetheit relativ zu einer simulierten Sonne ein. In einer uneindeutigen Szenerie mit zwei identischen Reizen (zwei helle Streifen, zwei dunkle Streifen oder zwei Sonnenstimuli), die um 180° versetzt waren, wurde eine konstante Flugrichtung nur dann erreicht, wenn zwei Sonnenstimuli gezeigt wurden. Das deutet auf eine Beteiligung des inneren Kompasses der Tiere hin. Im Gegensatz dazu nutzten die Schmetterlinge zwei dunkle Streifen zur Flugstabilisierung und wurden abwechselnd von zwei hellen Streifen angezogen. Dies zeigt, dass Monarchfalter stimulus-abhängige Orientierungsstrategien verwenden, und liefert den ersten Nachweis für unterschiedliche neuronale Verschaltungswege, die das Verhalten steuern.

Arthropods typically show two types of segmentation: the embryonic parasegments and the adult segments that lie out of register with each other. Such a dual nature of body segmentation has not been described from Onychophora, one of the closest arthropod relatives. Hence, it is unclear whether onychophorans have segments, parasegments, or both, and which of these features was present in the last common ancestor of Onychophora and Arthropoda. To address this issue, we analysed the expression patterns of the "segment polarity genes" engrailed, cubitus interruptus, wingless and hedgehog in embryos of the onychophoran Euperipatoides rowelli. Our data revealed that these genes are expressed in repeated sets with a specific anterior-to-posterior order along the body in embryos of E. rowelli. In contrast to arthropods, the expression occurs after the segmental boundaries have formed. Moreover, the initial segmental furrow retains its position within the engrailed domain throughout development, whereas no new furrow is formed posterior to this domain. This suggests that no re-segmentation of the embryo occurs in E. rowelli. Irrespective of whether or not there is a morphological or genetic manifestation of parasegments in Onychophora, our data clearly show that parasegments, even if present, cannot be regarded as the initial metameric units of the onychophoran embryo, because the expression of key genes that define the parasegmental boundaries in arthropods occurs after the segmental boundaries have formed. This is in contrast to arthropods, in which parasegments rather than segments are the initial metameric units of the embryo. Our data further revealed that the expression patterns of "segment polarity genes" correspond to organogenesis rather than segment formation. This is in line with the concept of segmentation as a result of concerted evolution of individual periodic structures rather than with the interpretation of \"segments\" as holistic units.

Der Antarktische Krill (Euphausia superba) ist eine Schlüsselart des Ökosystems des Südozeans und möglicherwese die biomassereichste Art der Erde. Klimawandelbedingte Lebensraumänderungen, die Expansion der kommerziellen Krillfischerei, sowie sich erholende Bartenwalpopulationen setzen Krillpopulationen jedoch zunehmend unter Druck. Daher besteht ein großer Bedarf, die Auswirkungen dieser verschiedener Stressoren auf Krillpopulationen zu verstehen und vorherzusagen. Dabei helfen Simulationsmodelle, die das Wachstum und die Entwicklung des Krills vorhersagen. Modelle sind vielseitige Instrumente, mit denen sich die Auswirkungen verschiedener Stressoren auf Krill in unterschiedlichen Szenarien bewerten lässt, was sie für Management- und Projektionsstudien besonders nützlich macht. In dieser Arbeit untersuchen wir Möglichkeiten die Robustheit von Modellen zu verbessern, die das Wachstum von Krillindividuen unter verschiedenen Umweltbedingungen vorhersagen. Zunächst haben wir ein bestehendes Wachstumsmodell erweitert, indem wir es um realistischere physiologische Prozesse ergänzt haben, was zu verbesserten Wachstumsvorhersagen führte. Anschließend haben wir in der Vergangenheit publizierte Wachstumsmodelle verglichen, um zu untersuchen, ob die Mechanismen des Krillwachstums verallgemeinerbar sind, da die Modelle für verschiedene Regionen entwickelt und mit unterschiedlichen Daten kalibriert wurden, regelmäßig aber außerhalb dieser Regionen verwendet werden. Diese Information ist wichtig für künftige Simulationsstudien, da eine regionale Spezifität die Modelle in ihrer großskaligen Anwendbarkeit limitieren würde. Die Wachstumsvorhersagen der verschiedenen Modellen bei identischen Inputdaten zeigte dabei, dass die Mechanismen und Wachstumsvorhersagen zwischen den Modellen erheblich variieren. Durch die Identifizierung der Ursachen dieser Modellspezifität, konnten wir das allgemeine Verständnis der Krill-Wachstumsmechanismen verbessern und zu der Entwicklung robusterer Modellen beitragen. Individuenbasierte Modelle ermöglichen die Einbindung vieler Prozesse, wie z. B. Verhalten, was diese Art von Modellen besonders attraktiv macht. Unser mechanistisches Verständnis des Verhaltens von Krill ist jedoch noch begrenzt, und wir haben versucht, dies durch die Analyse eines achtmonatigen Datensatzes über das vertikale Migrationsverhalten des Krills zu verbessern. Die Analysen zeigten, dass das vertikale Migrationsverhalten von Krillschwärmen sehr flexibel ist und wahrscheinlich von mehreren Faktoren wie dem Stadium, der Jahreszeit, den Nahrungsbedingungen und der Anwesenheit von Krillprädatoren bestimmt wird. Diese Studie dient als Grundlage für die Entwicklung von Modellkomponenten, die es erlauben das Krillverhalten in individualbasierte Modelle zu integrieren. Anschließend haben wir das vorhandene Wissen über das Krillverhalten in einem Reviewartikel zusammengefasst und dabei die möglichen Auswirkungen des Klimawandels auf Krillverteilung und das Schwarmverhalten analysiert. Zuletzt haben wir einen Systematic Literature Review durchgeführt, um eine Übersicht von Daten zu erstellen, die für die Modellentwicklung und -parametrisierung genutzt werden können. Auf diese Weise konnten wir Aspekte der Krillökologie identifizieren, für die aktuell besonders wenige Daten existieren, was wertvoll für zukünftige empirische Forschung sein wird. Da die Schließung dieser Datenlücken Zeit brauchen wird, diskutieren wir zudem auch Möglichkeiten zur Modellierung des Krillwachstums trotz bestehender Unsicherheiten. Mit dieser Arbeit leisten wir einen Beitrag zur Entwicklung realistischerer und robusterer individuenbasierter Krill-Wachstumsmodelle.:1. Introduction 2. Article I - The impact of seasonal regulation of metabolism on the life history of Antarctic krill (Euphausia superba) 3. Article II - An intercomparison of models predicting growth of Antarctic krill (Euphausia superba): the importance of recognizing model specificity 4. Article III - An open and lightweight method to analyze the vertical distribution of pelagic organisms using echogram screenshots 5. Article IV - Plasticity and seasonality of the vertical migratory behaviour of Antarctic krill using acoustic data from fishing vessels 6. Article V - Impacts of climate change on krill behaviour and population dynamics 7. Article VI - Mapping the data landscape for developing and parameterizing Antarctic krill models 8. Supervised Research Projects 9. Discussion 10. Literature cited in Introduction and Discussion 11. Appendices

Arthropods typically show two types of segmentation: the embryonic parasegments and the adult segments that lie out of register with each other. Such a dual nature of body segmentation has not been described from Onychophora, one of the closest arthropod relatives. Hence, it is unclear whether onychophorans have segments, parasegments, or both, and which of these features was present in the last common ancestor of Onychophora and Arthropoda. To address this issue, we analysed the expression patterns of the "segment polarity genes" engrailed, cubitus interruptus, wingless and hedgehog in embryos of the onychophoran Euperipatoides rowelli. Our data revealed that these genes are expressed in repeated sets with a specific anterior-to-posterior order along the body in embryos of E. rowelli. In contrast to arthropods, the expression occurs after the segmental boundaries have formed. Moreover, the initial segmental furrow retains its position within the engrailed domain throughout development, whereas no new furrow is formed posterior to this domain. This suggests that no re-segmentation of the embryo occurs in E. rowelli. Irrespective of whether or not there is a morphological or genetic manifestation of parasegments in Onychophora, our data clearly show that parasegments, even if present, cannot be regarded as the initial metameric units of the onychophoran embryo, because the expression of key genes that define the parasegmental boundaries in arthropods occurs after the segmental boundaries have formed. This is in contrast to arthropods, in which parasegments rather than segments are the initial metameric units of the embryo. Our data further revealed that the expression patterns of "segment polarity genes" correspond to organogenesis rather than segment formation. This is in line with the concept of segmentation as a result of concerted evolution of individual periodic structures rather than with the interpretation of \"segments\" as holistic units.

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.