Neue Forschungsprojekte in FISA http://www.fisaonline.de/ Hier finden Sie die 20 neuesten Projekte, die in das Forschungsinformationssystem Agrar / Ernährung (FISA) eingetragen wurden. en-en Bundesanstalt für Landwirtschaft und Ernährung (BLE) TYPO3 Erforschung von Gerstenmutanten für die molekulare Zerlegung von Chlorophyllbiosyntheseenzymen und Chloroplastenentwicklung Gerstenchlorophyll-Mutanten wurden als Werkzeug in Mutantenstudien verwendet, da ihr Phänotyp bereits im Keimlingszustand offensichtlich ist; Mutanten, die Chlorophyll nicht bilden konnten, wurden leicht als gelbe oder weiße Pflanzen entdeckt, was auf eine erfolgreiche mutagene Behandlung hinwies. Die Mutationen sind tödlich, da die Pflanzen ohne Chlorophyll nicht überleben können, aber aufgrund der energiereichen Gerstenkörner können die Chlorophylllosen Mutanten zu einem Sämling von 10 cm wachsen, was Analysen der Pflanzen ermöglicht, die nicht mit Arabidopsis-Mutanten durchgeführt werden können.Das langfristige Ziel dieser Studie ist es, die Gene zu entschlüsseln und das Verständnis der entsprechenden Enzyme und Proteine, die an der Chlorophyll-Biosynthese beteiligt sind und die Chloroplastenentwicklung beeinflussen, zu vertiefen. Im Hansson Labor befinden sich verschiedene Teilprojekte in verschiedenen Stadien entlang einer Gen-Identifizierung-Protein-Charakterisierung Skala und ich werde an Projekten in verschiedenen Stadien teilnehmen. Ich werde eine Gen-Identifizierung durchführen, um die völlig unbekannten Gene Xantha-a und Xantha-m auf der DNA-Ebene unter Verwendung von Xantha-a- und Xantha-m-Mutanten zu identifizieren, die durch Genotypisierung mittels Sequenzierung analysiert werden. Kandidatengene, die in der identifizierten Region lokalisiert sind, werden von den 15 bzw. 5 verfügbaren allelischen Mutanten sequenziert. Ein Gen mit Mutationen in den Mutantenlinien legt nahe, dass das korrekte Gen identifiziert wurde. Das Gen wird kloniert und in Expressionssystemen von Escherichia coli verwendet, um Xantha-a- und Xantha-m-Proteine für biochemische Tests und weitere Charakterisierung zu produzieren. Gerstengene von Mg-Chelatase und Cyclase wurden zuvor von Mitarbeitern des Hansson Labors identifiziert und Expressionssysteme wurden entwickelt. Daher sind die Studien dieser Enzyme mehr darauf ausgerichtet, ihre Mechanismen zu verstehen. Da das Design der Proteine einen Großteil ihrer Funktionen offenbart, konzentrierte sich das Hansson Labor auf 3D-Strukturuntersuchungen unter Verwendung von Röntgenkristallographie und Kryo-Elektronenmikroskopie. Ich bin sehr gespannt, an diesen Experimenten teilzunehmen, da dies mein Repertoire an molekularen Techniken erweitern wird.

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Bestimmung der Luftwechselrate an freibelüfteten Ställen - Validierung von Prognosemodellen Die Luftwechselrate frei gelüfteter Ställe ist eine wichtige Planungs- und Einflussgröße für Tierwohl und eine Grundlage zur Bewertung der Umweltwirkung. Ihre genaue Bestimmung stellt ein bislang ungelöstes Problem dar, da die Wirkzusammenhänge zwischen den vielfältigen Einflussfaktoren mit ihren räumlichen und zeitlichen Schwankungen messtechnisch nur unzureichend erfasst werden können. Das erste Ziel des Vorhabens ist daher die systematische quantitative Ermittlung der wechselwirkenden Einflüsse verschiedener Antriebe wie Windgeschwindigkeit, Windrichtung oder Temperaturgradienten auf das Strömungsgeschehen und somit die Luftwechselrate in frei gelüfteten Ställen. Das zweite Ziel ist die statistische Untersuchung der resultierenden räumlichen Verteilung von Tracergasen in frei gelüfteten Ställen und deren Auswirkung auf die Bestimmung der Luftwechselrate. Drei verschiedene methodische Ansätze werden genutzt:(i) numerische Strömungssimulationen, (ii) Analyse von Windkanalmessungen sowie (iii) Analyse von engmaschigen Langzeitmessungen in einem Experimentalstall. Die erzielten Ergebnisse werden untereinander kreuzvalidiert. Das Projekt liefert grundlegende Einblicke in die Wirkzusammenhänge zwischen Antrieben, Luftwechsel und Innenklima. Die erzielten Ergebnisse bilden eine Grundlage für objektive und präzise Verfahren zur Bestimmung von Luftwechselraten und lassen sich auf verschiedenste Stalltypen und Klimaregionen übertragen. Damit ist die Quantifizierung der Genauigkeit zurzeit angewandter Methoden zur Bestimmung der Luftwechselrate in Abhängigkeit der klimatischen und baulichen Randbedingungen möglich.

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Ausmaß und negative Nebeneffekte von genomischen Introgressionen von wilden in kultivierte Tomatenarten Seit dem Beginn des letzten Jahrhunderts werden wilden Tomatenallele in die Genome von kultivierten Tomatenarten als sogenannte „Introgressionen“ eingebracht, um wichtige Eigenschaften wie Krankheitsresistenzen oder Fruchtqualität zu verbessern. Als Resultat dieser Züchtungspraxis kann man in fast allen modernen Tomatenlinien genomische Introgressionen von wilden Tomatenarten finden. Während die Gene und deren Funktionen, die ursprünglich die Introgressionszüchtungen motiviert haben, gut beschrieben sind, weiß man wenig über die genaue Größe der Introgressionen, die Anzahl der Gene in ihnen, oder ob es noch zusätzliche, unerwünschte Introgressionen gibt, die nicht ausreichend entfernt wurden. Das alles wurde klar mit der Publikation des ersten und einzigen Tomatenreferenzgenoms, in dem vier Introgressionen gefunden (aber nicht gut beschrieben) wurden und von denen eine Introgression kein einziges bekanntes Gen mit vorteilhafter Funktionen besitzt. Aufgrund ihrer Größe könnten Introgressionen auch ungeplante und unerwünschte Effekte haben. Dokumentierte Berichte beinhalten Beeinträchtigungen von Rekombination aufgrund von genomischen Unterschieden in den Introgressionen und pleiotrope Effekte durch unerwünschte Gene, die sich zusätzlich in den Introgressionen befinden. In diesem Antrag schlagen wir vor die mehr als 600 publizierten Tomatengenome (von 13 verschiedenen Arten) zu benutzen, um den ersten umfangreichen Katalog von Introgressionen von wilden Tomaten in den Genomen von Kultursorten zu erstellen. Hierfür würden wir das erste Tomatenreferenzgenom ohne wilde Introgressionen erstellen und es benutzen, um nach wilden Introgressionen zu suchen und damit den ersten allumfassenden Introgressionskatalog zu erstellen. Basierend auf diesem Katalog würden wir fünf Genome mit den weitverbreitetsten Introgressionen auswählen und ebenfalls assemblieren. Zusätzlich würden wir zwei der Nebeneffekte dieser Introgressionen, namentlich Rekombinationsunterdrückung und Veränderung der genomweiten Genexpression, mit neuesten Technologien analysieren. Die Ergebnisse dieses Projekts umfassen nicht nur wichtige Datenressourcen, die zukünftige Forschung in der Tomatengenetik unterstützen können, sondern bilden auch eine hilfreiche Orientierung für moderne Tomatenzüchtung. Unser Konsortium verbindet zwei Gruppen mit gegensätzlichen Stärken, auf der einen Seite haben wir jahrelange Erfahrung in Tomatengenetik und –evolution und auf der anderen Seite haben wir große Erfahrung mit Hochdurchsatzdatenanalyse und Genomassemblierung.

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N2O-Emissionen als Reaktion der mikrobiellen Aktivität auf verschiedene Bewässerungs- und Stickstoffdüngungsstrategien im Kartoffelanbau Landwirtschaftliche Böden sind eine der Hauptquellen für Lachgas (N2O). Ziel des vorgeschlagenen Projektes ist es, die den N2O-Emissionen zugrundeliegenden mikrobiellen Prozesse in Abhängigkeit von verschiedenen Bewässerungs- und Düngungsvarianten aufzuklären. Bewässerungstechniken und Stickstoffdüngungsstrategien beeinflussen die räumliche und zeitliche Verteilung von Wasser und Stickstoff (N) im Boden, zwei der wesentlichen Umweltfaktoren, die ihrerseits die N2O-produzierenden mikrobiellen Populationen in ihrer Zusammensetzung, Verteilung und insbesondere ihrer Aktivität beeinflussen. Das Projekt verknüpft agronomische mit mikrobiellen Untersuchungen und N2O-Emissionsmessungen in einem Feldversuch. Kartoffeln werden unter Beregnung und Tropfbewässerung mit und ohne N-Düngung sowie Fertigation kultiviert. Kumulative flächen- und produktbezogenen N2O-Emissionen werden mit den wesentlichen physikalischen, chemischen und insbesondere den mikrobiologischen Faktoren in Verbindung gesetzt, um angemessene Managementstrategien abzuleiten.

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Der Einfluss der Polyploidie auf die Mutationsraten in der Ölpflanze Brassica napus Viele der weltweit wichtigsten Kulturpflanzen sind polyploid. Das Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen von Polyploidie kann deswegen bei der weiteren Verbesserung der Diversität und Leistung von Kulturpflanzen helfen. Die zentrale Hypothese dieses Projekts ist die Annahme, dass Polyploidie die Mutationsrate beeinflusst. Die Mutationsrate ist ein entscheidender Parameter in der Evolutions-und Züchtungsforschung. Ausgehend von bisherigen Forschungsergebnissen vermute ich, dass die Mutationsrate durch Polyploidie und Hybridisierungsprozesse dramatisch ansteigt. Dieser angenommene Einfluss unterscheidet sich wahrscheinlich zwischen neu gebildeten und etablierten Polyploiden. Zur Untersuchung dieses unterschiedlichen Einflusses wurde Brassica napus ausgewählt, weil die Art sowohl eine gut charakterisierte polyploide Modellpflanze als auch eine wichtige Kulturpflanze darstellt. Ich möchte in diesem Projekt sowohl den Einfluss der Polyploidisierung als auch den Einfluss der Polyploidie in B. napus quantifizieren. Mit einem Ansatz zur Sequenzierung des vollständigen Exoms in verschiedenen Generationen von resynthetisiertem und natürlichem B. napus kann ich dabei nicht nur SNP und InDel-Variation bestimmen, sondern auch strukturelle Variationen wie beispielsweise Duplikationen und Deletionen. Mithilfe von Sanger-Sequenzierung einzelner ausgewählter Gene soll die bioinformatische Analysestruktur hierfür validiert und verbessert werden. Durch die Verwendung von resynthetisiertem und natürlichem B. napus können wir spontane Effekte, die in den ersten Generationen der Polyploidisierung auftreten, von anhaltendenen Effekten der Polyploidie an sich unterscheiden. Durch die gleichzeitige Verwendung der diploiden Eltern der resynthetisierten Pflanzen können wir den Effekt der gestiegenen genetischen Redundanz direkt verfolgen. Um auch den Einfluss der Kopienzahl und der Subfunktionalisierung untersuchen zu können, möchte ich sowohl eine genomweite Gengruppierung vornehmen als auch einen Ansatz zur RNA-Sequenzierung durchführen, der Daten zu den unterschiedlichen Expressionsmustern in allen Ploidiestufen liefern soll. Das Projekt untersucht somit sowohl den unmittelbaren Einfluss von Polyploidie auf die Mutationsraten in B. napus als auch den weiteren Verbleib von Mutationen in späteren Generationen, um daraus Hypothesen über Kulturpflanzenselektion und –evolution in Polyploiden zu entwickeln.

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Modellierung des Einflusses von Silizium- und Kalzium-Verfügbarkeit auf die zukünftige Stabilität des arktischen Kohlenstoff-Reservoirs, basierend auf Labor- und Feldexperimenten Der zur Zeit beobachtete Anstieg der globalen Temperaturen im Rahmen des Klimawandels ist besonders ausgeprägt in der arktischen Region. Diese Entwicklung droht, den bedeutenden Kohlenstoff (C) Speicher in arktischen Permafrostböden zu destabilisieren, mit enormen potentiellen Konsequenzen für das globale Klima. Der C-Kreislauf der arktischen Permafrostsysteme, und somit auch die Stabilität der C-Speicher unter zukünftigen Klimabedingungen, ist allerdings nicht nur abhängig von der Temperatur. Die Menge des emittierten Kohlenstoffs (v.a. in Form von CO2 und CH4) wird zudem beeinflusst von Faktoren wie z.B. Bodenfeuchte, Bodentemperatur oder Boden-pH. Zudem ist auch die Qualität des organischen Materials (Nährstoffgehalt, Gehalt von bestimmten C-Verbindungen) von Bedeutung, wobei vor allem dem Element Phosphor (P) eine besondere Rolle zugeordnet wird. Über den Einfluss anderer Elemente auf den C-Kreislauf in Permafrostsystemen ist bislang nur wenig bekannt. Speziell zwei Elemente sind bekanntermaßen wichtig für den C-Umsatz in marinen Systemen, Silizium (Si, wichtig für die C-Fixierung in Diatomeen) und Calcium (Ca, wichtig für die C-Fixierung in Coccolithophoriden). Für terrestrische und semi-aquatische Systeme existieren bisher nur wenige Studien über den Zusammenhang zwischen dem Si- und dem Ca-Gehalt und dem C-Umsatz. Es wurde kürzlich gezeigt dass Si zur Mobilisierung von P beitragen kann, wohingegen Ca bekanntermaßen die P-Verfügbarkeit durch Bildung von schwer löslichen Ca-P Phasen reduziert. Das Ziel des beantragten Projektes ist die Abschätzung des Einflusses der Verfügbarkeit von Si und Ca auf die P-Verfügbarkeit und die Mineralisierung von organischem Material in Permafrostböden, sowie die Identifikation möglicher positiver Rückkopplungen mit dem Klimawandel. Wir werden in-situ und Laborexperimente durchführen, welche eine Erhöhung der Si und Ca-Verfügbarkeit (Mobilisierung durch Vertiefung der Auftauschicht im Permafrost bei Klimaerwärmung) mit dem Abbaus organischer Substanz und einer damit verbundenen Veränderung der CO2/CH4-Emissionen aus Permafrostböden in Verbindung setzen. Diese Ergebnisse werden anschließend genutzt, um zu testen, ob eine Berücksichtigung derartiger Si- und Ca-Effekte in prozessbasierten Landoberflächenmodellen zu einer verbesserten Simulation der Kohlenstoffprozesse beitragen kann. Die Qualität der Modellergebnisse wird mithilfe gemessener Austauschflüsse aus einem pan-Arktischen Stationsnetzwerk evaluiert werden. In Kombination mit Prognosesimulationen hinsichtlich der Auftautiefe von Permafrostböden und gewonnenen Daten zur vertikalen Verteilung von Si und Ca werden wir abschätzen, wie sich die Verfügbarkeit von Si und Ca auf regionaler Skala in der Arktis zukünftig verändern wird. In Verbindung mit dem erweiterten Prozessmodell ermöglicht uns diese Information eineAbschätzung des Si/Ca-Einflusses auf die C-Flüsse in Permafrostböden und deren Anteil am zukünftigen C-Kreislauf in Permafrostböden.

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Blaubeeren im Winter, Quinoa zum Mittag und Fairtrade Kaffee – Globale Food-Trends und Implikationen für Kleinbauern in Entwicklungsländern Wissenschaftliche Erkenntnisse zeigen, dass die Globalisierung von Agrar- und Nahrungsmittelmärkten bedeutende Chancen bietet, Kleinbauern in Entwicklungsländern den Zugang zu internationalen Märkten zu erleichtern – und damit Lebensstandards in den ärmsten Regionen dieser Welt zu verbessern. Jedoch sind globale Agrarmärkte auch von Nachfrageschwankungen und Trends, der Verbreitung neuer Technologien und strikten Standards gekennzeichnet. Für Kleinbauern in Entwicklungsländern stellen unvorhersehbaren Nachfragetrends eine große Herausforderung dar. Anhand zwei aktueller Nachfragetrends – Nachhaltigkeitsstandards (sowie Fairtrade) und dem Superfood/Quinoa-Boom – untersucht dieses Forschungsprojekt die damit verbundenen Implikationen für Kleinbauern. Zu diesem Zweck werden drei Arbeitspakete durchgeführt, die verschiedene Daten und Methoden heranziehen werden. Das erste Paket wird sich mit der Frage beschäftigen, ob Kleinbauern in Entwicklungsländern von Nachhaltigkeitsstandards und Zertifizierung profitieren. Bisherige Studien kommen zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen. Anhand einer Metaanalyse sollen diese Ergebnisse zusammengefasst werden, um allgemeingültige Aussagen zu ermöglichen. Meta-Regressionen werden dazu dienen, konträre Ergebnisse zu erklären, und damit Faktoren zu bestimmen, die dazu beitragen, dass Kleinbauern von Zertifizierung profitieren. Das Ziel des zweiten Arbeitspakets ist auch zu einem verbesserten Verständnis beizutragen, ob – und unter welchen Bedingungen – Kleinbauern von Nachhaltigkeitsstandards profitieren. Jedoch wird ein Fokus auf die Rolle von Kooperativen gelegt. Bisherige Studien basieren auf Stichproben, die eine große Anzahl von Landwirten – aber eine sehr kleine Anzahl von Kooperativen – umfassen, sodass die Ergebnisse kaum über die ausgewählten Kooperativen hinaus generalisierbar sind. Unsere Studie wird auf einem bisher einmaligen Datensatz basieren, der eine große Anzahl von Landwirten und Kooperativen umfasst. Ökonometrische Methoden werden dazu dienen, den Effekt von Zertifizierung und Kooperativen-Charakteristika zu analysieren. Zudem werden wir untersuchen, aus welchen Gründen Landwirte an Zertifizierungsprogrammen teilnehmen – mitunter auch, obwohl sie nicht profitieren. Das dritte Arbeitspaket betrachtet die gesamte Entwicklung eines Nischenprodukts zu einem Mainstreamprodukt anhand des Beispiels von Quinoa. Bisherige Studien haben gezeigt, dass Quinoaproduzenten in den Anden von der steigenden Nachfrage und steigenden Quinoapreisen profitiert haben. Jedoch sind die indirekten Effekte, die die Anpassungsfähigkeit von Haushalten auf längere Sicht erhöhen oder einschränken können, unklar – wie auch die Implikationen des kürzlich begonnenen Quinoapreisverfalls. Wir werden diese Aspekte anhand eines repräsentativen Datensatzes aus Peru (der ENAHO-Datensatz) analysieren. Ergebnisse sind nicht nur im Hinblick auf den Quinoaboom relevant, denn zyklische Marktentwicklungen sind vermehrt zu beobachten.

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Skalenübergreifende Visualisierung biogeochemischer Gradienten zur Entschlüsselung der Interaktion Wurzel-Bodenmikrobiom-Bodenmatrix in der Rhizosphäre Es sollen Struktur, Funktion und Aktivität des Bodenmikrobioms im System Wurzel – Mikrobiom – Bodenmatrix in der Rhizosphäre untersucht werden. Dazu soll die räumliche Organisation des Mikrobioms bestehend aus Bakterien und Pilzen in Hinblick auf seine Wechselwirkung mit Wurzeln sowie mineralischen Bodenaggregaten erfasst werden. Die skalenübergreifende Analyse vom nm zum cm Bereich soll räumliche Muster biogeochemischer Prozesse sichtbar machen, um Selbstorganisation und Resilienz der Rhizosphäre besser zu verstehen. Ausgangpunkt ist die räumliche Organisation der biogeochemischen Prozesse der Wurzel – Mikrobiom – Boden Interaktion im Hinblick auf Kohlenstoff- und Nähstoffkreisläufe. Schwerpunkt ist die Analyse der mikrobieller Prozesse Wurzel-Bodenpartikel Grenzflächen, die die Verfügbarkeit der Nährstoffe (P, N Metalle) für die Pflanzenwurzel beeinflussen sowie zur Bildung organischer Phasen im Boden durch Transformation Pflanzen-brütigen organischen Materials (mucilage, exudate) beitragen. Wir werden Struktur, Funktion und Aktivität mikrobieller Gemeinschaften an Wurzeloberflächen und -haaren in Hinblick auf ihre räumliche Organisation erfassen und für die Selbstorganisation der Rhizosphäre essentielle Prozesse quantifizieren. Dazu werden biogeochemische Gradienten (C, N, P Metalle) visualisiert um Prozesse anhand von Mustern auf verschieden räumlichen Skalen erfassen. Ausgehend vom Gradienten im Wurzelraum (cm-Skala) werden wir Prozesse bis in die räumliche Dimension einzelner mikrobieller Zellen (wenige nm) erfassen. Die Identifikation und Quantifizierung einzelner mikrobieller Prozesse auf Wurzeloberflächen / Wurzelhaaren / Bodenpartikel ist Ausgangspunkt für das Verständnis ihrer Wechselwirkungen in der Rhizosphäre als Summe der Einzelprozesse. Wir werden die komplementären Techniken Laser-Ablation Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry, Licht/Fluoreszenzmikroskopie, Sekundärionenmassenspektrometrie (ToFSIMS, nanoSIMS), Elektronenmikrokopie, Heliumionenmikrokopie, und Fluoreszenz In-Situ Hybridisierung korrelativ zur Visualisierung von Gradienten der Elemente, Isotopen und organischen Verbindungen nutzen. Die dadurch gewonnenen Daten werden zusammengeführt und dabei Muster der räumlichen Organisation der Prozesse in der Rhizosphäre erfasst. Dadurch wird eine skalenübergreifende Betrachtung der Organisation des Mikrobioms ermöglicht und so die räumliche Dimension einzelner mikrobieller Prozesse mit dem Wurzelwachstum verknüpft. Tracerexperimente mit isotopisch markierten Verbindungen (11B, 13C, 15N) werden ausgewertet, um den Kohlenstoffhaushalt und die Dynamik von Nährstoffen (N, B, P, Metalle) auf verschiedenen Skalen zu analysieren. Es soll eine ganzheitliche Betrachtung als Summe der Einzelprozesse ermöglicht werden um Selbstorganisation und Resilienz der Rhizosphäre zu erfassen sowie Daten für die Modellierung zu liefern.

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Hochdurchsatz-Phänotypisierung der komplexen Eigenschaften der Trockenstress- und Hitzetoleranz zur Erhöhung der Klimaresilienz von Winterweizen in Deutschland Bedingt durch den Klimawandel werden häufigere Trockenstress- und Hitzeperioden das Pflanzenwachstum in Mitteleuropa beeinflussen. Weizen reagiert auf diese besonders empfindlich während der reproduktiven Phase. Künftige stabile Weizenerträge erfordern neue Ansätze in der Züchtung. Diese bedingen ein verbessertes Verständnis der physiologischen Prozesse und ihrer Wechselwirkung mit der Umwelt. Dazu trägt Hochdurchsatzphänotypisierung bei, die es erlaubt, die Exprimierung komplexer Eigenschaften unter realistischen Feld- und Umweltbedingungen zu erfassen. Unsere Hypothese ist es, dass zur Erhöhung der Klimaresilienz deutschen Weizens eine umfassende und sorgfältige Feldevaluierung unter künftig trockeneren und wärmeren Wachstumsbedingungen notwendig ist, um belastbare Eigenschaften der Hitze- und Trockenstresstoleranz zu identifizieren. Dies erfordert einerseits die Entwicklung effizienter Hochdurchsatz Phänotypisierungsmethoden und andererseits die Erschließung neuer genetischer Ressourcen von Weizen. Spezifische Zielsetzungen dieses Projektes sind somit (i) die Bewertung der Trockenstress- und Hitzetoleranz deutschen Weizens unter realistischen künftigen Umweltbedingungen, sowie (ii) die Bewertung und Identifikation bereits an Trockenheit und Hitze angepasster Genotypen mit dem Ziel ein besseres Verständnis des kombinierten wie auch getrennten Einflusses von Trockenstress und Hitze zu gewinnen und die dafür erforderlichen Hochdurchsatzmethoden zur Erfassung relevanter Pflanzenmerkmale zu entwickeln, die zur Hitze- und Trockenstresstoleranz beitragen, (iii) neue Ressourcen der natürlichen genetischen Diversität besser an Hitze und Trockenstress angepasster osteuropäischer Weizen zu identifizieren, (iii) Algorithmen zur Hochdurchsatzphänotypisierung der Eigenschaften der Trockenstress- und Hitzetoleranz zu validieren und weiterzuentwickeln, (iv) die Leistungsfähigkeit terrestrischer und luftgestützter (UAV) Phänotypisierung zu bewerten, (v) die Informationen aus dem aktuellen Projekt mit mehrjährigen Daten anderer Umwelten zu kombinieren. Bedeutung: (i) Die Bewertung der Leistungsfähigkeit deutschen Weizens unter „künftigen“ Wachstumsbedingungen des Klimawandels und Identifikation von Eigenschaften zur Anpassung an Trockenstress und der Hitze ermöglicht es Strategien zur Verbesserung der Klimaresilienz zu entwickeln, (ii) innovative Vorgehensweisen in der Phänotypisierung der Trockenstress- und Hitzetoleranz ermöglichen ein besseres Verständnis der komplexen physiologischen und genetischen Mechanismen, (iii) eine erfolgreiche Implementierung von Hochdurchsatz-Phänotypisierungstechnologien in der feldbasierten Züchtung verengt den Flaschenhals der genomischen und phänomischen Leistungsmöglichkeiten, (iv) die Identifikation neuer genetischer Variation der Trockenstress- und Hitzetoleranz osteuropäischer Weizen erschließt neue genetische Ressourcen.

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Identifizierung von transkriptionelle Regulatoren des Pflanzenionoms Der Gehalt von mehreren Elementen in Pflanzengeweben (Ionom) ist eine wichtige Determinante für das Pflanzenwachstum und die Toleranz gegenüber einer Reihe von biotischen und abiotischen Stressfaktoren. Abgesehen von der Verfügbarkeit von mineralischen Elementen im Boden, definieren mehrere Prozesse in Pflanzen, einschließlich der Mobilisierung, Aufnahme und Translokation, das Ionom einer Pflanze während ihrer Entwicklung. Obwohl Transporter für die meisten relevanten anorganischen Ionen identifiziert und charakterisiert wurden, ist viel weniger über die regulatorischen Module bekannt, die die gleichzeitige Akkumulation mehrerer Elemente in Pflanzen bestimmen. Die Hauptziele dieses Projekts sind daher: i) mit Hilfe einer etablierten Hochdurchsatz-Elementaranalyse neue transkriptionelle Regulatoren zu identifizieren und zu charakterisieren, die die Akkumulation von mehreren Elementen in Pflanzen bestimmen; ii) die Rolle eines identifizierten Transkriptionsfaktors in den Anpassung der Wurzelarchitektur auf die lokale Verfügbarkeit von Phosphor sowie seiner putative Rolle bei der systemischen Kontrolle der Phosphor- und Kalium-Akkumulation in Pflanzen aufzuklären; und iii) den Beitrag der MYB106-abhängigen und -unabhängigen Regulation der Trichom-Morphologie und der Cuticula-Eigenschaften auf die selektive Akkumulation mehrerer Elemente in Sprossen zu bestimmen. Um diese Ziele zu erreichen, werden Hochdurchsatz-Elementaranalyse mit reverser Genetik sowie und einer Reihe molekularer und physiologischer Ansätze kombiniert. Diese Untersuchungen werden dazu beitragen, unser Verständnis darüber zu verbessern, wie das pflanzliche Ionom auf externe Verfügbarkeiten und internen Bedarf reagiert und wie bestimmte „Mineralstoff-selektive Filtern“ zur endgültigen Elementzusammensetzung von Pflanzen beitragen. Darüber hinaus werden die Ergebnisse dieses Projekts Gene identifizieren, die die Akkumulation mehrere Elemente in Pflanzen regulieren.

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Relevanz von Wurzelwachstum und assoziierter Bodenstruktur für raum-zeitliche Muster chemischer und biologischer Parameter und emergente Systemfunktionen Voraussetzung für die Identifikation von räumlich-zeitlichen Mustern in der Rhizosphäre ist die Lokalisation von Wurzeln in situ, während des Wachstums. Die Wurzeln, die als Senke und/oder Quelle radialer Transportvorgänge fungieren, sind der Ausgangspunkt für die Musterbildung. Gleichzeitig verändern sie ständig die Randbedingungen für den Transport, spezifischer die Bodenstruktur in ihrer unmittelbaren Umgebung. Wir werden die Röntgen-Computertomographie (Röntgen-CT) und fortschrittliche Werkzeuge der Bildanalyse und -registrierung einsetzen, um die zeitliche Veränderung der Wurzelarchitektur und der Bodenstruktur in Bodensäulen-Experimenten (SCE) und Feldexperimenten (SPE) zu untersuchen. Dabei werden die für PP 2089 identifizierten Treiber verwendet; zwei Zea mays Genotypen, die sich in der Wurzelhaarbildung (WT, rth3) unterscheiden und zwei Texturen (Sand versus Lehm). Für Säulenexperimente wird Vicia faba als zusätzliche Pflanzenart verwendet, um einen größeren Bereich an Wurzeldurchmessern abzudecken. Im Feldversuch (SPE) werden wir ungestörte Bodenkerne zu vier Wachstumsstadien entnehmen und „Ingrowth-cores“ zur Untersuchung des Bioporenrecyclings einbauen. Zur Erfassung biochemischer Gradienten in der Rhizosphäre im Labor- und Feldexperiment führen wir eine mikroskalige Beprobung für 15N und 13C durch, sowie als bildgebendes Verfahren an ungestörten Unterproben Mikro-Röntgenfluoreszenz (µXRF). Darüber hinaus werden die für µXRF verwendeten Unterproben mit einer Reihe potentieller Partner des PP geteilt. Zur Anwendung kommen dadurch weitere bildgebenden Verfahren (DRIFT-Spektroskopie, Zymographie, LA-IRMS, Nano-SIMS, ToF-SIMS, Fluoreszenzmikroskopie, LA-ICP-MS, HIM/SEM-EDX, µXANES/EXAFS, ESEM-EDX, Raman-Spektroskopie). Wir registrieren alle 2D-Daten aufeinander und in den 3D-Kontext des hochaufgelösten Röntgen-CT-Scans (10 µm). Hierbei fließen auch die Daten zum Wurzelalter ein, die aus aufeinanderfolgenden CT-Scans der gesamten Säulen während des Wachstums gewonnen werden. Die Daten werden mit Modellierungsgruppen geteilt sowie mit Gruppen, die sich mit der Mustererkennung durch statistische Werkzeuge befassen.Unsere Hypothesen beziehen sich auf die Auswirkungen der Treiber auf die Bildung von Mustern. Diese finden ihren Ausdruck in der Häufigkeitsverteilung der Distanzen von Wurzeln, der Ausdehnung von chemischen und physikalischen Gradienten und ihrer Veränderung mit dem Wurzelalter. Ergänzt wird dies durch den Vergleich der Gradienten für verschiedene physikalische, chemische und mikrobiologische Parameter für einzelne Zeitpunkte. Wir werden direkt zum „focus topic“ iv des SPP 2089 beitragen, indirekt auch zu i, ii und iii. Als emergente Eigenschaften/Funktionen werden wir die Biomasseproduktion, die Nährstoff- und Wasseraufnahme sowie die Wasserretentionskurve und die Infiltration im Feld bestimmen.

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Einfluss externer Faktoren auf die räumlich-zeitliche Organisation des Mikrobioms in der Rhizosphäre Das Rhizosphärenmikrobiom ist von großer Bedeutung für Pflanzenwachstum und –gesundheit sowie für das Bereitstellen von vielen Ökosystemleistungen. Trotz der verbesserten Kenntnisse zur Zusammensetzung und zu den Funktionen des Rhizosphärenmikrobioms ist das Verständnis der Sukzession und räumlichen Kolonisationsmuster in Abhängigkeit vom Pflanzenentwicklungsstadium und von verschiedenen externen Faktoren sehr gering. Mit diesem Projekt wollen wir die räumlich-zeitlichen Kolonisationsmuster des Rhizosphärenmikrobioms von zwei Mais-Genotypen in Abhängigkeit von der Bodentextur und von inokulierten pflanzenwachstumsfördernden Bakterienstämmen (Bacillus amyloliquefaciens FZB42 gfp, Pseudomonas sp. RU47 rfp) untersuchen. Die Arbeiten werden durch die Zusammenarbeit in den Zentralexperimenten (Säulenexperimente in der Klimakammer, Feldexperimente) eng vernetzt mit anderen am SPP2089 beteiligten Gruppen, die Wurzelexsudate, -architektur, Bodenporosität, Wasserverfügbarkeit und Bodenaggregate untersuchen. Das Mikrobiom wird durch Sequenzierung von aus der Rhizosphären-DNA amplifizierten 16S rRNA Gen- und ITS-Fragmenten charakterisiert. Quantitative PCR und konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie werden genutzt, um die Sukzession von dynamischen Taxa zu verfolgen und ihre 3D-Lokalisation an der Wurzel zu ermöglichen. Um Einblicke in die potentiellen Funktionen der kultivierbaren dominanten Taxa zu erhalten, werden bakterielle Isolate von beiden Mais-Genotypen und Bodentexturen gewonnen und phänotypisch und genotypisch charakterisiert. In einem Satellitenexperiment wird der zusätzliche Einfluss der Fluoreszenz-markierten Stämme FZB42 und RU47 auf Rhizosphärenmikrobiom, Wurzelwachstum, -architektur und -exsudationsmuster sowie die assoziierten Bodenaggregate in zwei Entwicklungsstadien unter Erhaltung des räumlichen Bezugs in Kooperation mit anderen Gruppen untersucht. Das Vorkommen und die Lokalisierung von RU47 oder FZB42 und der dynamischen Taxa wird durch die spezielle Probenahmestrategie in verschiedenen Rhizosphärenzonen durch qPCR und CLSM (gfp, rfp; Fluoreszenz-in situ-Hybridisierung) untersucht. Die Anwendung des Konzepts der Selbstorganisation auf die Rhizosphäre, die speziell entwickelte Probenahmestrategie und der interdisziplinäre Ansatz werden uns ermöglichen, räumlich-zeitlich aufgelöste Daten über die Verteilung von dominanten Mikroorganismen in der Rhizosphäre zu erhalten sowie den Einfluss externer Faktoren auf das Kolonisationsmuster abzuschätzen.

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Bor-Aufnahme in der Rhizosphäre unter wiederholtem Trockenstress und Wiederbewässerung Wurzelexudate verändern die Aufnahme mancher Nährstoffe unter Mangelbedingungen. Es ist bislang nicht bekannt (i) ob dies auch bei guter Versorgung relevant ist, (ii) ob diese Interaktionen duch Trockenzyklen/Wiederbewässerung beeinflusst werden, und (iii) mit welchem raum-zeitlichen Muster Wurzeln auf lokalen Stress reagieren. Bor (B) hat die chemische Eigenschaft mit cis-Diolen Komplexe auszubilden. Solche Diole sind in relativ hohen Konzentrationen in Exudaten/Mucilage vorhanden. Die B-Aufnahme erfolgt entweder durch passive Diffusion, oder durch Kanäle/Transporter; beide Aufnahmewege werden durch B-Komplexierung behindert, daher ist eine reduzierte B-Aufnahme in der Rhizosphäre zu erwarten.Während der gesamten Wuchsperiode kann wiederholt Trockenstress auftreten. Dabei wird die Produktion von Exudaten erhöht, um ein Wachstum der Wurzel in den trocknenden Boden zu ermöglichen. Dies kann zu verstärkter B-Komplexierung, reduzierter B-Aufnahme und bei anschließender Wiederbewässerung zu induziertem B-Mangel führen. Ohne ausreichende Erholungsphasen führen wiederholte Trockenstresse zu Veränderungen des Primär-Metabolismus, die die Zusammensetzung von Exudaten in einem raum-zeitlichen Muster beeinflussen sollten, in Abhängigkeit von externen Bedingungen und Wurzelalter. Selbst-Organisation der Pflanzen führt dann zu metabolischen Anpassungen und Umverteilung von Ressourcen. Dieses Teilprojekt behandelt vier Hypothesen: (1) erhöhte B-Komplexierung in der Rhizosphäre verringert die B-Aufnahme; (2) dieser Prozess wird unter mildem Trockenstress verstärkt; (3) bei Wiederbewässerung führt dies zu einem induzierten B-Mangel; (4) wiederholte Trockenstresszyklen verändern Metabolismus, Zusammensetzung der Exudate und B-Aufnahme; Pflanzen reagieren hierauf mit metabolischen Anpassungen. Im Projekt werden Exudate gesammelt und mögliche B-komplexierende sowie B-haltige Komplexe mittels Affinitätschromatographie und 11B NMR analysiert. Die Bildung von B-Komplexen wird in vitro getestet und mit B Aufnahmeraten unter Bedingungen normaler und erhöhter Exudation korreliert. Nach lokaler Applikation von 10B und 11B Isotopen werden Aufnahmeraten verschiedener Wurzelzonen in Topf- und Rhizobox-Versuchen erfasst (Analyse mit LC-ICP-MS). Zugleich werden Exudate und Pflanzenmaterial exakt an den Stellen der B-Applikation gesammelt und das Metabolom/Proteom bestimmt. Verschiedene Trockenstress-Szenarien werden impliziert, und das Auftreten von B-Mangel wird mittels Expression B-responsiver Gene kontrolliert. Diese Versuche werden durch Versuche in großen Rhizoboxen sowie nicht-destruktive Sammlung von Mucilage im Feld ergänzt.Die Ergebnisse liefern Informationen über die raum-zeitlichen Muster des „crosstalks“ zwischen gestressten und ungestressten Wurzelteilen, und verbessern das Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen, welche zu systemischen Antworten der Gesamtpflanze und zur möglichen Umverteilung von Ressourcen unter wiederholtem Trockenstress führen.

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Nährstoff- und Wassertransporter sind formgebend in der raum-zeitlichen Regulierung von Rhizosphären Organisationsprozessen in Mais Die Rhizosphäre adaptiert sich fortlaufend an eine sich verändernde Nährstoff- und Wasserverfügbarkeit. Eine Veränderung in der Wurzel- und Gewebestruktur oder metabolische Anpassungen aufgrund einer Imbalance eines einzigen Nährstoffes, kann weitreichende Folgen für die Aufnahme von anderen Nährstoffen und Wasser, den Wasserfluss im Boden, die Mucilage-Bildung, den Exudatfluss und das Mikrobiom haben. Wir stellen die Hypothese auf, dass Genexpressionmuster von Nährstoff- und Wassertransportern und deren Funktion entscheidend für die raum-zeitliche Regulation der Selbstorganisation der Rhizosphäre sind. Detailliertes Wissen über die zeit- und ortsspezifische Genexpression von Transportproteinen wird es erlauben, Rhizosphärenadaptationen und deren zugrundeliegenden Mechanismen zu verstehen. Das Hauptziel des Projektes ist es, Mechanismen zu identifizieren und zu charakterisieren, die für die Aufnahme von Nährstoffen und Wasser in einer sich verändernden Mais-Rhizosphäre unter Bormangelbedingungen wichtig sind. Im Speziellen werden wir uns dabei auf das unerforschte Zusammenspiel zwischen der Porenstruktur des Bodens, der raum-zeitlichen Wurzelarchitektur, des Wurzelgewebes und dessen Zellwandaufbaus sowie die sich verändernden Genexpressionsmuster von Transportern konzentrieren. Variierende Bornährstoffversorgungen bieten hierfür eine ideale Forschungsgrundlage, da Bormangel spezifische Effekte auf die Wurzelmorphologie und das -wachstum hat. Genexpressionsmuster von 14 Nährstoff- und 12 Wassertransportern, die essentiell für die Aufnahme und Verteilung von entweder B, N, P, S, Fe oder Si sind und deren Transkriptmenge sehr schnell auf die Nährstoffverfügbarkeit reagiert, sollen detailliert analysiert werden. Dafür werden Meristeme, Streckungs- und Wurzelhaarzonen von Mais-Wurzelsystemen beprobt, sie sich unter variierenden Borversorungsbedingungen in verschiedenen Bodenstrukturen ausgebildet haben. Transporterexpressionsdaten von Wildtyp Maispflanzen oder Mutanten, denen entweder Wurzelhaare oder bestimmte Wasser- oder Bortransportproteine fehlen, werden in Relation zu erhobenen Nährstoffflüssen und Wurzelstrukturmerkmale gesetzt um Prozesse in der Rhizospärenorganisation aufzuklären. X-ray CT Messungen werden einen Aufschluss darüber geben, welche Auswirkungen Bormangelanpassungen auf das 3D Wurzelwachstum und auf die Bodeneigenschaften an der Boden-Wurzel Phasengrenze haben, welche von besonderer Bedeutung für Nährstoff- und Wasserflüsse sind. Zusammenfassend wird das Projekt die Rolle der Wurzelhaare, der Bodenstruktur und des gekoppelten Nährstoff-Wasserflusses, in Abhängigkeit von der Borversorung, in der Nährstoffaufnahme von Mais entschlüsseln. Des Weiteren wird das Projekt die Rolle von Nährstoff- und Wassertransportern in Rhizosphärenanpassungsreaktionen identifizieren und deren Wechselwirkungen mit den genannten die Rhizosphäre modifizierenden Einflussfaktoren aufdecken.

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Erweiterte virtuelle Eignung und Trainingsanwendung in Echtzeit Ziel des Projekts AVATAR ist es, die Betriebseffizienz und Arbeitszufriedenheit bei Forstmaschinenführerenden zu erhöhen. Darüber hinaus soll ein schonenderer Umgang mit der Ressource Wald ermöglicht sowie der Gesundheitserhalt und die Sicherheit am Arbeitsplatz verbessert werden.

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Bodenerwärmungs-Experiment Achenkirch Alpine Waldböden speichern große Mengen Kohlenstoff, die im Zuge der globalen Erwärmung in die Atmosphäre gelangen könnten. Höhere Temperaturen regen die Aktivität von Mikroorganismen an, welche organische Substanzen im Boden zersetzen und dabei CO2 produzieren. Neben CO2 kann durch die Erwärmung auch die Produktion von anderen starken Treibhausgasen wie z.B. Lachgas (N2O) steigen. Wie stark sich die Treibhausgas-Produktion im Boden ändert hängt von der Intensität und Dauer der Erwärmung, aber auch von der verfügbaren Menge der organischen Bodensubstanz, deren chemischer Qualität, und der Reaktion der Mikroorganismen auf die Temperaturerhöhung ab. Durch die erhöhte mikrobielle Aktivität kann etwa die Verfügbarkeit von leicht abbaubarer organischer Substanz mit der Zeit abnehmen. Die Auswirkungen der Erwärmung können sich daher mit der Zeit verändern. Experimentelle Langzeit-Versuche im Freiland sind eine der wenigen Möglichkeiten um die langfristigen Auswirkungen der globalen Erwärmung auf den Kohlenstoff- und auf Nährstoff-Kreisläufe von Wäldern zuverlässig abzuschätzen. Im Bodenerwärmungs-Experiment Achenkirch wird seit 2004 ein Bodentemperaturanstieg um 4°C simuliert. Der Waldboden wird dazu mit Hilfe von Heizkabeln erwärmt. Die künstliche Bodenerwärmung hat den CO2-Ausstoß aus dem Boden um ca. 40% erhöht, die N2O Freisetzung anfänglich sogar um ca. 50%. Im Gegensatz zu anderen Langzeitexperimenten hat der CO2 Ausstoß während der mittlerweile 10-jährigen Erwärmung nicht abgenommen. Dies ist vermutlich auf die ausgesprochen hohe, für alpine Waldböden typische, Kohlenstoffkonzentration im Boden zurückzuführen. Das beantragte Projekt sieht eine Verlängerung dieses einzigartigen Langzeit-Versuchs vor (weltweit gibt es nur eine Handvoll Experimente mit ähnlich langer Erwärmungsdauer). Die Verlängerung des Erwärmungsexperiments ermöglicht uns Veränderungen im Bodenkohlenstoff auf zweierlei Arten abzuschätzen, (i) aus den gemessenen Kohlenstoff-Flüssen, und (ii) aus dem Vergleich der Kohlenstoff-Pools auf erwärmten und unbehandelten Flächen. Der Bodenkohlenstoff von erwärmten und unbehandelten Flächen wird physikalisch in verschiedene, labile und stabile Pools, fraktioniert. Anschließend wird mittels Radiokarbon das Alter der unterschiedlichen Kohlenstoff-Pools bestimmt. Die Anwendung neuester biogeochemischer Modelle erlaubt uns, den Erwärmungseffekt auf verschiedene Kohlenstoff-Pools abzuschätzen. Wir werden ein besonderes Augenmerk auf die Interaktion von Kohlenstoff-, Stickstoff- und Phosphorkreisläufen legen. Erwärmungseffekte an der Schnittstelle Pflanze/Boden werden intensiv untersucht (Feinwurzel, Mycorrhizapilze) und die Auswaschung von Kohlenstoff und Nährstoffen wird quantifiziert. Durch die Integration von oberirdischen Komponenten kann eine langfristige Abschätzung der Folgen der Erwärmung auf das Wald-Ökosystems erfolgen.

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Potenzial und Einschränkungen von pflanzlichen Polyphenolen um Methanemissionen von Wiederkäuern in Graslandbasierten Produktionssystemen zu reduzieren Die Methanemissionen aus der enterischen Fermentation von Wiederkäuern sind für 12-17% der gesamten Treibhausgasemissionen der EU-27 verantwortlich. Gleichzeitig sind die Möglichkeiten diese Emissionen zu reduzieren in Europa beschränkt, ohne gleichzeitig starke Produktivitätseinbußen zu riskieren. Eine der wenigen Möglichkeiten hierfür ist die Verfütterung von tanninhaltigen Pflanzen. Obwohl dieses Thema seit längerer Zeit intensiv bearbeitet wird, brachte die Forschung zum Emissionsreduktionspotential mit Tanninen stark variable Ergebnisse hervor, was einen umfangreicheren Einsatz entsprechender Arten im Futterbau bisher verhinderte, obwohl dies auch wegen des positiven Koppeleffektes der erhöhten botanische Diversität im Grünland wünschenswert wäre. Ein zentraler Grund hierfür liegt darin, dass in bisherigen Experimenten nahezu ausschließlich Gesamtphenole erfasst wurde. Dies ist problematisch, weil hierdurch die strukturellen Eigenschaften der Tannine ignoriert wurden, welche aber nachweislich einen großen Einfluss auf deren Wirksamkeit haben können. Zudem wird durch Mischproben die vorhandene Variabilität innerhalb der Arten ignoriert bzw. wurden bisher nur wenige Arten exakt erfasst. Erst die technischen Innovationen der letzten Jahre in der Tanninforschung haben die Analysen der strukturellen Charakteristika in höherer Genauigkeit und Geschwindigkeit ermöglicht. Zudem können hiermit gleichzeitig Flavonoide oder andere Polyphenole mit potentieller Bioaktivität quantifiziert werden. Wir stellen die Hypothesen auf, dass i) die genaue Charakterisierung der Tannine gängiger Futterpflanzen eine verbesserte Abschätzung ihres Methanreduktionspotentials erlaubt, ii) weitere Polyphenole diese Effekte verstärken oder reduzieren können und daher ebenfalls charakterisiert werden müssen, sowie iii) unterschiedliche Wachstumsbedingungen verschiedener Studien die Tanningehalte beeinflussten und damit die Vergleichbarkeit reduzieren. Deshalb werden wir in unserer Studie mehrere Individuen verschiedener Sorten von acht gängigen Futterpflanzenarten unter identischen Umweltbedingungen kultivieren, sowie anschließend ihre bioaktiven Inhaltsstoffe mit modernster Technologie charakterisieren. Zudem wird ihr methanreduzierendes Potential mit Hilfe des Hohenheimer Futterwerttests getestet. Das statistische Versuchsdesign wurde hierbei optimiert um die Verbindung zwischen der chemischen Charakterisierung und der Bioaktivität zu quantifizieren und vergleichen zu können, sowie auf andere Arten übertragen zu können. Zudem werden in diesem Experiment erstmals auch die proteingebundenen und fasergebundenen Tannine der Pflanzen auf Ihre Wirksamkeit untersucht, da diese im Verdauungstrakt der Wiederkäuer ebenfalls zu den anti-methanogenen Effekten beitragen könnten. Das Forschungsprojekt profitiert hierzu von der ausgewiesenen Expertise der Teilnehmer in sowohl phytochemischen Analysen, als auch hinsichtlich der Futterproduktion, Graslandsystemen und Tierernährung.

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Funktionelle Agrobiodiversität Funktionelle Agrobiodiversität

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Erforschung von Gerstenmutanten für die molekulare Zerlegung von Chlorophyllbiosyntheseenzymen und Chloroplastenentwicklung Gerstenchlorophyll-Mutanten wurden als Werkzeug in Mutantenstudien verwendet, da ihr Phänotyp bereits im Keimlingszustand offensichtlich ist; Mutanten, die Chlorophyll nicht bilden konnten, wurden leicht als gelbe oder weiße Pflanzen entdeckt, was auf eine erfolgreiche mutagene Behandlung hinwies. Die Mutationen sind tödlich, da die Pflanzen ohne Chlorophyll nicht überleben können, aber aufgrund der energiereichen Gerstenkörner können die Chlorophylllosen Mutanten zu einem Sämling von 10 cm wachsen, was Analysen der Pflanzen ermöglicht, die nicht mit Arabidopsis-Mutanten durchgeführt werden können. Das langfristige Ziel dieser Studie ist es, die Gene zu entschlüsseln und das Verständnis der entsprechenden Enzyme und Proteine, die an der Chlorophyll-Biosynthese beteiligt sind und die Chloroplastenentwicklung beeinflussen, zu vertiefen. Im Hansson Labor befinden sich verschiedene Teilprojekte in verschiedenen Stadien entlang einer Gen-Identifizierung-Protein-Charakterisierung Skala und an verschiedenen Projekten in verschiedenen Stadien erfolgt eine Teilnahme. Eine Gen-Identifizierung wird durchgeführt, um die völlig unbekannten Gene Xantha-a und Xantha-m auf der DNA-Ebene unter Verwendung von Xantha-a- und Xantha-m-Mutanten zu identifizieren, die durch Genotypisierung mittels Sequenzierung analysiert werden. Kandidatengene, die in der identifizierten Region lokalisiert sind, werden von den 15 bzw. 5 verfügbaren allelischen Mutanten sequenziert. Ein Gen mit Mutationen in den Mutantenlinien legt nahe, dass das korrekte Gen identifiziert wurde. Das Gen wird kloniert und in Expressionssystemen von Escherichia coli verwendet, um Xantha-a- und Xantha-m-Proteine für biochemische Tests und weitere Charakterisierung zu produzieren. Gerstengene von Mg-Chelatase und Cyclase wurden zuvor von Mitarbeitern des Hansson Labors identifiziert und Expressionssysteme wurden entwickelt. Daher sind die Studien dieser Enzyme mehr darauf ausgerichtet, ihre Mechanismen zu verstehen. Da das Design der Proteine einen Großteil ihrer Funktionen offenbart, konzentrierte sich das Hansson Labor auf 3D-Strukturuntersuchungen unter Verwendung von Röntgenkristallographie und Kryo-Elektronenmikroskopie.

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Wurzelstruktur und Bodentextur abhängige mikrobielle Selbstorganisation in der Rhizosphäre und in spezifischen Zellen der Endorhizosphäre von Mais Die Interaktion von Wurzeln und mikrobiellen Gesellschaften in der Rhizosphäre und der Endorhizosphäre reguliert das Wachstum von Pflanzen durch die Aufnahme von Nährstoffen aus dem Boden und trägt zur Gesundheit der Pflanzen durch die Unterdrückung von Pathogenen oder die Verbesserung der Krankheitsresistenz bei. Ziel dieses Projekts ist, zu verstehen wie die Struktur des Wurzelsystems von Mais, seine Exsudate und die Textur des Bodens die Selbstorganisation der Mikrobiome von Bakterien und Pilzen in der Rhizosphäre und Endorhizosphäre regulieren. Um die Rolle der Wurzelstruktur bei der Wurzel-Mikrobiom Interaktion zu studieren, werden alle Experimente mit den Maismutanten roothairless 3 (rth3), die keine Wurzelhaare bildet und lateral rootless 1 (lrt1), die keine Lateralwurzeln initiiert, durchgeführt. Um den Einfluss der Bodentextur auf die Wurzel-Mikrobiom Interaktion zu studieren, werden alle Pflanzen in schluffigem Lehm und lehmigem Sand angezogen. Kürzlich konnten wir nachweisen, dass es wurzeltypspezifische Unterschiede in der mikrobiellen Kolonisierung gibt. Wir werden uns deshalb in diesem Antrag ausschliesslich auf Primärwurzeln von Mais fokusieren. Im ersten Experiment werden wir die Rolle der Wurzelstruktur und der Bodentextur bei der Interaktion von Mais Primärwurzeln und ihren Exsudaten mit dem Mikrobiom der Rhizospäre studieren. Zu diesem Zweck werden wir die Transkriptome der Primärwurzeln der verschiedenen Genotypen, die in unterschiedlichen Bodentexturen gewachsen sind, sequenzieren und die Metabolome ihrer Exsudate bestimmen. Parallel dazu werden wir die taxonomische Zusammensetzung der Mikrobiome der Rhizosphäre definieren. Schließlich werden wir Netzwerkinferenzen konstruieren, um zu zeigen, wie sich die Komponenten dieses biologischen Systems gegenseitig beeinflussen und die Selbstorganisation in der Rhizosphäre steuern. Im zweiten Experiment werden wir die Rolle der Wurzelstruktur und Bodentextur bei der Interaktion von spezifischen Wurzelgeweben und ihrer Mikrobiome in der Endorhizosphäre untersuchen. Dazu werden Primärwurzeln der verschiedenen Genotypen, die in unterschiedlichen Bodentexturen gewachsen sind, mittels Laser Mikrodissektion in Epidermis, Cortex und Stele separiert und dann einer RNA-seq Analyse unterzogen. Ausserdem werden wir die taxonomische Zusammensetzung der Mikrobiome in der Endorhizosphäre dieser drei Kompartimente bestimmen, um die Hypothese zu testen, dass funktionell unterschiedliche Wurzelgewebe verschiedene mikrobielle Gemeinschaften aus der Rhizosphäre anlocken. Ausserdem werden wir Netzwerkinferenzen konstruieren, um zu demonstrieren, dass mikrobielle Gemeinschaften, die diese Kompartimente bewohnen funktionell mit ihren koexprimierten Transkriptionsmodulen synchronisiert sind. Schliesslich werden wir die in der Endorhizosphäre erhobenen Transkriptom- und Mikrobiomdaten mit Hilfe von Hybridisierungsexperimenten und bildgebenden Verfahren auf zellulären Ebene in situ validieren.

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