2013 research outputs found
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Drought-induced processes in the rhizosphere of maize (Zea mays L.)
Get PDFDrought events are increasing due to climate change, resulting in significant yield losses. Many breeding strategies focus on drought resistance to avoid these yield losses or complete crop failure. Additionally, to improve drought resistance under soil desiccation, the soil and particularly rhizosphere processes are more and more in the focus of research. Specifically, linkages between the diverse and highly dynamic interactions of soil, plant, and microorganism community must be understood. This thesis thus aims to answer the following research questions: i) Are root hairs relevant for water uptake, and what role do they play under drought? ii) Does local drought in Zea mays result in distinguishable systemic and local metabolic and physiological responses, as well as compensatory water uptake? iii) Do the physico-chemical properties of Zea mays mucilage differ between two common collection systems?
In the first part, published studies considering root hairs in nutrient and water uptake were summarized, and show a high plasticity of root hairs under different nutrient and water availability states. This plasticity was apparent through changes in root hair morphology and development. Furthermore, the role of root hairs in water uptake is under discussion due to variable results from different studies and crop species. Nevertheless, it seems that overall root hairs improve drought resilience. Furthermore, a better nutrient uptake and mucilage exudation by root hairs and thus an increased drought stability is discussed. This suggests a beneficial role of root hairs for drought stress robustness.
In the second part, local and systemic drought responses of maize and their effect on rhizosphere processes were assessed in a split-root experiment. The root system of maize was separated into two differently watered (watered, drought stressed) rhizobox chambers. The local drought treatment was performed for 10 days. Under these conditions, the local drought led to a local and systemic response through osmotic adjustment. Osmolarity increased in the shoot, while increased proline concentrations and slight changes in root exudates indicated a local response in the drought stressed root compartment. This metabolic adjustment contributed to a hydraulic redistribution of water between the root halves and enhanced water availability.
Comparing the physico-chemical properties of maize mucilage collected by two common collection systems emphasized the impact of mucilage collection when interpreting the role of mucilage in rhizosphere processes. The mucilage differed in terms of physico-chemical properties, which included contact angle, viscosity, surface tension (physical) and nutrient content, pH, polysaccharide polymer length, and neutral sugar composition (chemical). The mucilage was collected in two ways: 1) from primary and seminal roots of seedlings growing in a semi-sterile aeroponic system and 2) from airborne brace roots of maize growing on sandy soil. The two collection systems differed in terms of plant age, environment (sterility, light availability, air humidity), and root type. The higher viscosity of the brace root mucilage may have reflected the drier air humidity surrounding the root and therefore the need to enhance water holding capacity. Non-sterile conditions during brace root mucilage collection probably resulted in higher shares of hexoses, while semi-sterile conditions may explain the lack of mannose in the aeroponic mucilage. Brace root mucilage may therefore have a greater relevance during soil desiccation than aeroponic mucilage.
In summary, this work helps to fill knowledge gaps in understanding and linking rhizosphere processes by i) providing a state-of-the-art summary of root hair plasticity related to nutrient and water availability and concluding a beneficial role of root hairs in drought robustness, ii) showing local and systemic osmotic adjustment and hydraulic redistribution under local drought, and iii) emphasizing the role of the mucilage collection systems when interpreting the role of mucilage in rhizosphere processesTrockenstressereignisse häufen sich bedingt durch den Klimawandel und führen zu Ertragsverlusten. Deshalb sind zahlreiche Züchtungsprogramme auf Trockenstressresistenz ausgelegt, um so Ertragsverluste oder Komplettausfälle zu verhindern. Zusätzlich rücken der Boden und im Besonderen die Rhizosphären-Prozesse in den Forschungsvordergrund, um so die Trockenstressresistenz unter Bodenaustrocknung zu verbessern. Es ist dabei notwendig die Zusammenhänge zwischen den zahlreichen und sehr dynamischen Interaktionen von Boden, Pflanze und Mikroorganismenpopulationen zu verstehen. Folglich zielt diese Arbeit darauf ab, folgende Forschungsfragen zu beantworten: i) Sind Wurzelhaare relevant in der Wasseraufnahme und welche Rolle haben sie unter Trockenheit? ii) Führt lokaler Trockenstress bei Zea mays zu systemisch- und lokal unterscheidbaren metabolischen und physiologischen Reaktionen sowie zur Kompensation in der Wasseraufnahme? iii) Unterscheiden sich die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Mucilage von Zea mays aus zwei unterschiedlichen Sammelsystemen?
Im ersten Teil wurden publizierte Studien zusammengefasst, welche Wurzelhaare im Zusammenhang mit Nährstoff- und Wasseraufnahme berücksichtigen. Diese zeigen eine hohe Plastizität von Wurzelhaaren unter verschiedenen Nährstoff- und Wasserverfügbarkeiten. Diese Plastizität ist erkennbar durch Veränderungen bei der Wurzelhaar-Morphologie und - Entwicklung. Die Rolle von Wurzelhaaren bei der Wasseraufnahme wird kontrovers diskutiert, da sich die Ergebnisse von verschiedenen Studien und Spezies unterscheiden. Allerdings scheint es, dass insgesamt Wurzelhaare die Trockenstressresilienz verbessern. Des Weiteren wird eine bessere Nährstoffaufnahme und Mucilage-Exsudation durch Wurzelhaare und dadurch eine erhöhte Trockenstress-Stabilität diskutiert. Dies lässt eine fördernde Rolle von Wurzelhaaren zur Trockenstressstabilität vermuten.
Im zweiten Teil wurden lokale und systemische Antworten von Mais und deren Effekte auf Rhizosphären- Prozessen in einem Split-Root-Experiment beurteilt. Dafür wurde das Wurzelsystem von Mais in zwei Rhizoboxkammern aufgeteilt und unterschiedlich bewässert (bewässert, trockengestresst). Der lokale Trockenstress dauerte 10 Tage. Unter diesen Bedingungen führte die lokale Trockenheit zu einer lokalen und systemischen osmotischen Anpassung. Die Osmolalität stieg im Spross an, während erhöhte Prolin-Konzentrationen und leichte Veränderungen bei den Wurzelexsudaten eine lokale Antwort der trockengestressten Wurzelseite zeigen. Diese metabolischen Anpassungen trugen zu einer hydraulischen Umverteilung von Wasser zwischen den Wurzelhälften bei und verbesserten die Wasserverfügbarkeit.
Ein Vergleich der physikalisch-chemischen Eigenschaften von Mais-Mucilagen, die aus zwei üblichen Sammelsystemen stammen, zeigt die Relevanz des Sammelsystems, wenn die Rolle der Mucilage in Rhizosphären-Prozessen interpretiert werden soll. Die Mucilagen unterschieden sich in ihren physikalisch-chemischen Eigenschaften, welche Kontaktwinkel, Viskosität, Oberflächenspannung (physikalisch) und Nährstoffkonzentrationen, pH-Wert, Länge der Polysaccharid-Polymere und Zusammensetzung der neutralen Zucker (chemisch) umfassen. Die Mucilage wurde auf zwei Arten gewonnen: 1) Absammeln von primären und seminalen Wurzeln von Maiskeimlinge, die in einem semi-sterilen aeroponischen System angezogen wurden und 2) von Luftwurzeln oberhalb des Bodens von Mais, der in Sandboden angezogen wurde. Diese zwei Sammelsysteme unterschieden sich in Pflanzenalter, Umwelt (Sterilität, Lichtverfügbarkeit, Luftfeuchtigkeit) und Wurzeltyp. Die höhere Viskosität der Luftwurzelmucilage reflektiert möglicherweise die trockenere Luftfeuchte um die Wurzel und der daraus resultierenden Notwendigkeit die Wasserhaltekapazität zu verbessern. Nicht-sterile Bedingungen bei dem Absammeln von Luftwurzelmucilage führte vermutlich zu höheren Anteilen an Hexosen, während semi-sterile Bedingungen das Fehlen von Mannose in aeroponisch gesammelter Mucilage erklären könnte. Luftwurzelmucilage hätte daher vermutlich größere Effekte auf Rhizosphären-Prozesse während Bodenaustrocknung als aeroponisch gesammelte Mucilage.
Zusammenfassend trägt diese Arbeit dazu bei, die Wissenslücken zu Prozessen in der Rhizosphäre zu füllen, um diese zu verstehen und miteinander zu verbinden, indem gezeigt wurde, dass i) die publizierte Literatur beschreibt, dass Wurzelhaare in Bezug auf Nährstoff- und Wasserverfügbarkeit plastisch reagieren und eine vorteilhafte Rolle unter Trockenheit haben können, ii) eine lokale und systemische osmotische Anpassung sowie hydraulische Umverteilung stattfindet und iii) die Rolle des Mucilage-Sammelsystems hervorzuheben ist, wenn die Rolle der Mucilage in Rhizosphären-Prozessen interpretiert werden soll
Cellular stress regulates fibroblast growth factor 23 (FGF23) und αklotho
No full textCellular stress is defined as the impairment of regular cell function by internal or external stimuli including critical temperatures, energy deficiency, infections, mechanic injury, or chemical noxae. The present thesis aims to investigate the influence of cellular stress on the expression of FGF23 and αklotho. FGF23 is predominantly produced in bone and regulates the phosphate excretion in the kidney. Thereby, αklotho functions as a co-receptor for FGF23. By binding to the FGF receptor-αklotho complex, FGF23 reduces the reabsorption of phosphate from the tubular lumen by decreasing the abundance of sodium-phosphate co-transporters. Furthermore, FGF23 decreases the synthesis of 1,25(OH)2D3, active vitamin D, and increases its degradation. 1,25(OH)2D3 is a regulator of intestinal phosphate absorption and therefore, FGF23 additionally reduces dietary phosphate uptake. Chronically elevated FGF23 is associated with numerous disorders such as kidney disease or CVD. Beside its function as a co-receptor of FGFR, αklotho has many beneficial FGF23-independent functions. It has originally been identified as an anti-aging hormone, as a loss-of-function mutation in the αklotho gene causes numerous aging-like symptoms such as vascular and tissue calcification, osteoporosis, sterility, and an early death. The present papers investigated the influence of cytostatic drugs cisplatin, paclitaxel, and doxorubicin as well as apoptosis inducers PAC-1 and serum depletion on the regulation of FGF23 and αklotho. In UMR106 rat osteoblast-like osteosarcoma cells, a 24 or 48 h-treatment with cisplatin, doxorubicin, PAC-1, or serum reduction and depletion significantly up-regulated Fgf23 expression. Under serum depletion, also FGF23 protein secretion was increased. In addition to FGF23, cisplatin and doxorubicin also increased gene expression of pro-inflammatory cytokine Il6 hinting at the presence of necrotic cell death. By inhibiting Il-6 membrane receptor gp130 it has been shown, that FGF23 stimulation partially depended on IL-6 signaling. The stimulation of FGF23 by inflammatory mediators including IL-6, TNFα, TGF-β, or IL-1β has already been reported by others. Furthermore, inflammatory diseases such as rheumatoid arthritis, CKD, or inflammatory bowel disease are associated with excess FGF23 serum concentrations. In this regard, we investigated gene expression and activation of the transcription factor NFκB, which regulates numerous inflammatory functions. Cisplatin and doxorubicin increased the expression of NFκB subunit Rela and cisplatin also stimulated the phosphorylation of NFκB. Independently, NFκB inhibitors wogonin and withaferin A attenuated cisplatin-mediated stimulation of FGF23 indicating, that FGF23 excess was in part promoted by NFκB signaling. These investigations confirmed a strong impact of cisplatin or doxorubicin-induced inflammation on FGF23 synthesis, whereas PAC-1 and serum depletion have reported to directly induce apoptosis, which is commonly not associated with inflammation. Known factors, induced by all cytotoxic substances used here, are the formation of ROS and activation of HIF1α. Both are positive regulators of FGF23, leading to the conclusion, that cellular stress might regulate FGF23 via HIF1α or oxidative stress. FGF23 excess results in increased bone resorption and suppressed bone formation. Likewise, also chemotherapeutic drugs and serum deficiency reduce bone density. Therefore, the stimulation of FGF23 may cause or further stimulate bone resorption. In paper 2, the influence of the cytostatic drugs cisplatin, paclitaxel, and doxorubicin as well as apoptosis inductors PAC-1 or serum depletion on αklotho expression in renal MDCK, NRK-52E, and HK-2 cells has been investigated. In fact, all cytotoxic compounds stimulated gene expression of αklotho while decreasing cell proliferation and viability. By using a combined apoptosis and necrosis assay, we confirmed the induction of apoptosis but also necrosis to a variable extent. Additionally, the transcriptional regulation of apoptotic proteins of the BCL-2 family was assessed and confirmed apoptosis stimulation. Transcription factor PPARγ is a known positive regulator of αklotho. In MDCK cells, we detected a significant influence of cisplatin-mediated stimulation of PPARγ mRNA on the αklotho increase. Furthermore, cisplatin, doxorubicin, PAC-1, and serum deprivation also up-regulated FGFR production in MDCK cells. In cancer cells, overexpression of FGFR is associated with enhanced resistance against chemotherapeutic drugs. Consequently, αklotho and FGFR1 stimulation may be a protective mechanism to prevent hyperphosphatemia during diseases. However, human HK-2 cells treated with cisplatin, paclitaxel, doxorubicin, or serum depletion significantly down-regulated αklotho expression and protein secretion. PAC-1 did not change the expression or production of αklotho in HK-2 cells, which might be explained by the minor effect of PAC-1 on non-carcinogenic cells lacking an overexpression of procaspase-3. The differential regulation of αklotho in MDCK and NRK-52E versus HK-2 cells by cytotoxic stress might have numerous causes. For instance, there is evidence of an increased sensitivity of HK-2 cells to stress stimuli but a better comparability to the animal model. However, immortalized cell lines can not completely reflect the conditions of native tissue especially with regard to cell death. Furthermore, the species, sex or age of the donor organism as well as passage number of the cells and drug transporter expression might impact αklotho regulation. Additionally, the mode of cell death determined by intracellular ATP homeostasis and its regulation of AMPK might play an important role in αklotho regulation. However, all these theories need to be further addressed. In summary, inflammation, ROS formation, or the activation of HIF1α are all reported to correlate in a negative manner with αklotho production or serum levels. αklotho down-regulation may be a tool to increase cell proliferation or prevent hypophosphatemia. In contrast, AMPK activation by intracellular ATP restriction may positively regulate αklotho to promote cell protection and avoid hyperphosphatemia.Zellulärer Stress ist definiert als eine Beeinflussung der regulären Zellfunktion durch innere oder äußere Einflüsse wie kritische Temperaturen, Energiedefizite, Infektionen, mechanische Verletzungen oder chemische Noxen. Die vorliegende Arbeit dient dem Ziel, den Einfluss von zellulärem Stress auf die Expression von FGF23 und αKlotho zu untersuchen. FGF23 ist ein vorwiegend im Knochen produziertes Hormon, dass in der Niere die Phosphatausscheidung reguliert. Durch Bindung an den Komplex aus FGF Rezeptor und Ko-Rezeptor αKlotho wird die Rückresorption von Phosphat aus dem Tubuluslumen reduziert. Außerdem senkt FGF23 die Produktion von 1,25(OH)2D3, dem aktiven Vitamin D, und erhöht gleichzeitig dessen Abbau. 1,25(OH)2D3 reguliert im Dünndarm die Resorption von Phosphat. Durch die Wirkung von FGF23 wird also zusätzlich weniger Phosphat aus der Nahrung aufgenommen. Chronisch erhöhte FGF23-Serumkonzentrationen sind mit Erkrankungen wie renalen oder kardiovaskulären Erkrankungen assoziiert. αKlotho hat neben der Funktion als Ko-Rezeptor für FGF23 noch weitere, FGF23-unabhängige Wirkungen. Es wurde ursprünglich als anti-Alterungshormon entdeckt, da eine loss-of-function Mutation im αKlotho-Gen zahlreiche altersassoziierte Probleme wie massive Kalziumablagerungen in Geweben und Blutgefäßen, Osteoporose, Sterilität und eine frühe Sterblichkeit hervorruft. Im Rahmen der beiden Veröffentlichungen wurde untersucht, inwiefern die Zytostatika Cisplatin, Doxorubicin und Paclitaxel, sowie die Apoptoseinduktion durch PAC-1 oder Serumentzug die Regulation von FGF23 und αKlotho beeinflussen. In UMR106, einer osteoblastenähnlichen Osteosarkom-Zelllinie wurde durch eine 24- oder teilweise 48-stündige Behandlung mit Cisplatin, Doxorubicin, PAC-1 und durch Serumreduktion oder Entzug die FGF23-Expression signifikant stimuliert. Gleichzeitig sanken die Viabilität und Proliferation der Zellen. Mittels Serumentzug konnte zusätzlich die Erhöhung der FGF23-Proteinkonzentration im Überstand gezeigt werden. Parallel zu FGF23 wurde die Expression des pro-inflammatorischen Zytokins IL6 durch Cisplatin und Doxorubicin erhöht und die Hemmung des IL-6 Membranrezeptors gp130 zeigte, dass die Stimulation von FGF23 zumindest zu einem Teil durch IL-6 vermittelt wurde. Andere Arbeitsgruppen konnten bereits vorher zeigen, dass IL-6 und andere pro-inflammatorische Zytokine und Entzündungsmediatoren wie TNFα, TGF-β oder IL-1β die Genexpression und Synthese von FGF23 stimulieren. Außerdem werden entzündliche Erkrankungen wie rheumatoide Arthritis, CKD oder chronisch-entzündliche Darmerkrankungen mit erhöhten FGF23 Serumkonzentrationen assoziiert. In diesem Zusammenhang wurde zusätzlich die Expression und Aktivierung des Transkriptionsfaktors NFκB untersucht, der zahlreiche Entzündungsfaktoren reguliert. Cisplatin und Doxorubicin steigerten die Genexpression der NFκB Untereinheit Rela und Cisplatin wurde erhöhte zusätzlich die Phosphorylierung von NFκB in UMR106 Zellen. Die NFκB-Inhibitoren Wogonin und Witheraferin A konnten separat voneinander die Stimulation von FGF23 durch Cisplatin unterbinden, was zeigte, dass die FGF23-Stimulation teilweise auf einer Aktivierung von NFκB beruhte. Die Versuche zeigten einen starken Einfluss von Entzündungsprozessen auf die FGF23-Stimulation durch Cisplatin und Doxorubicin. PAC-1 und Serumentzug induzieren direkt eine Apoptose, die üblicherweise nicht mit Entzündungsprozessen einhergeht. Mögliche Faktoren, die im Zuge der Apoptose durch alle verwendeten Substanzen beeinflusst werden, sind die Bildung von ROS und die Aktivierung von HIF1α. Beides sind bekannte Regulatoren von FGF23. Insofern könnten apoptotische Zellen über HIF1α oder oxidativen Stress die Bildung von FGF23 anregen. Als Konsequenz der FGF23-Steigerung wird die Knochenbildung unterdrückt und vermehrt Knochenmasse abgebaut. Dementsprechend sind auch Chemotherapeutika und Serumentzug Faktoren, die für eine Reduktion der Knochenmasse bekannt sind. Wie in Veröffentlichung 1 gezeigt, könnte dies durch die Stimulation von FGF23 mitverursacht oder verstärkt werden. In der zweiten Veröffentlichung wurde der Einfluss der Chemotherapeutika Cisplatin, Paclitaxel und Doxorubicin sowie der Apoptoseinduktoren PAC-1 und Serumentzug auf αKlotho in renalen MDCK, NRK-52E und HK-2 Zellen untersucht. In MDCK- und NRK-Zellen stimulierten alle zytotoxischen Substanzen die Genexpression von αKlotho und beeinträchtigten gleichzeitig die Zellproliferation und viabilität. Mittels kombiniertem Apoptose-Nekrose-Test wurde die Induktion von Apoptose aber teilweise auch Nekrose nachgewiesen. Zusätzlich bestätigte die transkriptionelle Stimulation von apoptotischen Proteinen der BCL-2 Familie die Induktion der Apoptose. Ein bekannter Positivregulator von αKlotho ist der Transkriptionsfaktor PPARγ. Diesem konnte in MDCK-Zellen ein signifikanter Einfluss auf die Genexpression von αKlotho durch Cisplatin nachgewiesen werden. Parallel zu αKlotho wurde auch die Produktion von FGFR1 durch Cisplatin, Doxorubicin, PAC-1 und Serumentzug in MDCK-Zellen stimuliert. Die Hochregulierung von FGFR1 ist in Krebszellen mit einer verstärkten Resistenz gegenüber Chemotherapeutika assoziiert und deutet folglich auf einen protektiven Mechanismus hin. In menschlichen HK-2 Zellen wurde die Genexpression und Proteinsekretion von αKlotho durch die Behandlung mit Cisplatin, Paclitaxel, Doxorubicin und Serumenzug überraschenderweise verringert. PAC-1 zeigte keinen Effekt auf die HK-2-Zellen, was vermutlich durch eine geringe Wirkung von PAC-1 auf nicht-kanzerogene Zellen durch die fehlende Überregulation von Procaspase-3 herrührt. Die unterschiedliche Regulation von αKlotho in MDCK-, NRK- und HK-2-Zellen durch zytotoxischen Stress kann zahlreiche Ursachen haben. Zum Einen gibt es Hinweise auf eine erhöhte Sensibilität der HK-2-Zellen und eine bessere Vergleichbarkeit zum Tiermodell. Allerdings können immortalisierte Zellen die Bedingungen in nativen Geweben nur teilweise reflektieren, besonders in Hinblick auf den Zelltod. Desweiteren kann auch die Spezies, das Geschlecht oder Alter des Spenderorganismus, beziehungsweise die Anzahl der Passagen der Zellkultur eine Rolle bei der Expression der Medikamententransporter spielen und somit Einfluss auf αKlotho nehmen. Außerdem könnte die Form des Zelltods, die durch den ATP-Haushalt der Zelle und die Regulation von AMPK bestimmt wird, αKlotho beeinflussen. Entzündung, die Bildung von ROS sowie die Aktivierung von HIF1α korrelieren alle in negativer Weise mit der renalen αKlotho Produktion bzw. Serumkonzentrationen. Die Herunterregulierung von αKlotho könnte zur Förderung der Zellproliferation beitragen oder eine Hypophosphatämie verhindern. Eine Hochregulierung von αKlotho könnte dem Schutz der Zellfunktion bzw. der Vermeidung einer Hyperphosphatämie dienen
Interplay between nutrition, senescence and cytosine methylation in Arabidopsis thaliana
Get PDFIn monocarpic plants, senescence is the last stage of leaf development and usually leads to the death of the organism. Systematic degradation of leaf components provides nutrients for the newly developing flowers and seeds. The physiology and transcriptional changes that occur in A. thaliana during this process are very well documented. However, the involvement of epigenic mechanisms remains to be established. In this study, the role of cytosine methylation in the regulation of monocarpic leaf senescence was examined in A. thaliana. Hypomethylated ddc (drm1/2 cmt3) and hypermethylated ros1 mutants showed consistent senescence-specific phenotypes. Disrupted de-novo methylation resulted in delayed, while disrupted demethylation resulted in earlier flowering and appearance of first symptoms of senescence. Both genotypes executed the senescence program faster than Col-0, with lower leaf:seed and higher C:N ratios. During nitrogen, or phosphorus withdrawal and resupply, nutrient remobilization was not inhibited in the two mutants. However, the plants response in terms of changes in shoot and root growth was delayed, or non existent. Furthermore, the impact of N withdrawal on delay of the flowering time was inhibited in the two mutants. These results support involvement of cytosine methylation in stress response signaling and downstream effects on organ development and flowering times. The stress response and senescence specific phenotypes of ddc could be partially due to disrupted WRKY signaling, as loss of methylation in W-box binding sites was prevalent, specifically near the transcription start sites of ORFs, and WRKY18, 25 and 53 appeared to be sensitive towards cytosine methylation. Overall decrease in cytosine methylation levels was observed, as early as the opening of the first flowers, together with a decrease in chlorophyll concentrations and an increase in H2O2 and glucose levels in the wild type Col-0. Inhibition in maintenance methylation in the early stages of reproductive growth is consistent with these observations. A complex interaction between four cytokinins was present as early as flower induction, followed by a mass turnover of bound auxin (IAA) at flower opening, that resulted in near doubling of free IAA at seed development. Plant defense responses were induced thereafter, as an increase in salicylic acid (SA) and camalexin occurred, followed by an increase in jasmonic acid (JA) and abscisic acid (ABA). Active RNA-dependent DNA methylation (RdDM) was indicated by a moderate overrepresentation of hypermethylated CHG and CHH loci, together with partial recovery of total methylation levels at the latest stages during seed maturation. Considering the delayed senescence phenotype of ddc, de-novo methylation via RdDM appears to be involved in initiation and execution of the senescence program. Furthermore, hypomethylation at ROS1 gene regulatory region was related to down regulation of gene expression. As an antagonist of RdDM, together with the early senescence phenotype of ros1, these results strengthen the importance of de-novo methylation for senescence, while active demethylation gets down regulated. Overall, methylation changes were little related to known gene expression changes that are associated with senescence. Limited targeting of WRKY and bZIP binding sites hinders conclusions about senescence specific effects of cytosine methylation in signal transduction networks. Altogether, the present work shines light on the importance of proper maintenance of cytosine methylation for flowering time, nutrient remobilization and senescence, and identifies defined cytosine methylation changes during senescence in a comprehensive physiological framework.Bei monokarpen Pflanzen ist die genetisch programmierte Seneszenz das letzte Stadium der Blattentwicklung. Die Seneszenz führt normalerweise zum Absterben der grünen Pflanzenteile, allerdings nicht der Samen. Der systematische Abbau von Blattbestandteilen liefert Nährstoffe für die sich neu entwickelnden Blüten und Samen. Die physiologischen und transkriptionellen Veränderungen, die bei A. thaliana während dieses Entwicklungsprozesses auftreten, sind sehr gut dokumentiert. Die Beteiligung von epigenetischen Mechanismen an diesem Prozess ist jedoch noch unklar. In dieser Studie wurde die Rolle der Cytosinmethylierung der genomischen DNA bei der Regulation der Seneszenz von monokarpen Blättern in A. thaliana untersucht. Hypomethylierte ddc ( drml/2 cmt3) und hypermethylierte rosl-Mutanten zeigten konsistente, seneszenzspezifische Phänotypen. Eine gestörte de-novo-Methylierung führte zu einer Verzögerung des Alterns, während eine gestörte Demethylierung zu einer früheren Blüte und früherem Auftreten der ersten Symptome der Seneszenz führte. Beide Genotypen durchliefen das Seneszenzprogramm schneller als der Wildtyp Col-0, was zu niedrigerem Blatt:Samen- und höherem C:N-Verhältnis führte. Während und nach transientem Stickstoff- oder Phosphormangel wurde die Nährstoff-Remobilisierung in den beiden Mutanten nicht gehemmt, war jedoch verzögert. Darüber hinaus wurde der verzögernde Einfluss des Stickstoffmangels auf den Blütezeitpunkt in den beiden Mutanten beeinflusst. Die vorliegenden Ergebnisse unterstützen die Vermutung, dass die Cytosinmethylierung an der Signalübertragung der Stressantwort beteiligt ist und Auswirkung auf die Organentwicklung und die Blütezeite hat. Die stressreaktions- und seneszenzspezifischen Phänotypen von ddc könnten teilweise auf eine gestörte WRKYSignalübertragung zurückzuführen sein, da ein Methylierungsverlust an W-Box-Bindungsstellen, insbesondere in der Nähe der Transkriptionsstartstellen von ORFs gefunden wurde. Darüber hinaus war die Bindung der Transkriptionsfaktoren WRKY18, 25 und 53 an Zielsequenzen sensitiv gegenüber Cytosinmethylierung. Eine allgemeine Abnahme der DNA Methylierung im alternden Blatt wurde bereits zur ersten Blüte beobachtet, parallel zu einer Abnahme der Chlorophyllkonzentration und dem Anstieg der H2O2- und Zuckergehalte im Wildtyp Col-0. Die Hemmung der Erhaltungsmethylierung in früheren Stadien der Blattentwicklung stimmt mit diesen Beobachtungen überein. Eine komplexe Wechselwirkung verschiedener Cytokinine war bereits bei der Blüteninduktion pffensichtlich, gefolgt von einem massivem Abbau von gebundenem Auxin (IAA) während des Öffnens der Blüten. Das führte zu einer nahezu Verdoppelung des freien IAA während der Samenentwicklung. Pflanzenabwehrreaktionen wurden durch Anstieg von Salicylsäure (SA) und Camalexin nachgewiesen, gefolgt von einem Anstieg von Jasmonsäure (JA) und Abscisinsäure (ABA). Während der Samenreifung sind die letzten Lebensvorgänge im Blatt durch eine Überrepräsentation von hypermethylierten CHG- und CHH-Loci gekennzeichnet, was teilweise das Gesamtmethylierungsniveau wiederherstellte und auf aktive RNA-abhängige DNA Methylierung (RdDM) hinweist. In Anbetracht des Phänotyps des späteren Seneszenzbeginns von ddc scheint die denovo-Methylierung über RdDM in den Beginn und die Ausführung des Seneszenzprogramms involviert zu sein. Darüber hinaus war die Hypomethylierung in des ROS1-Locus mit reduzierter Genexpression verbunden. Als Antagonist von RdDM wird die aktive Demethylierung offenbar herunterreguliert, zusammen mit dem Phänotyp der frühen Seneszenz von rosl unterstreicht dies die Bedeutung der denovo-Methylierung für die Seneszenz. Die Methylierungsänderungen waren nicht spezifisch für Seneszenz-assoziierte Gene, die begrenzten Änderungen der Methylierung von WRKY- und bZIPBindungsstellen lassen nur begrenzte Schlussfolgerungen auf veränderte Signaltransduktionsnetzwerke zu. Insgesamt belegt die vorliegende Arbeit die Bedeutung der Cytosinmethylierung für den Blütezeitpunkt und die Seneszenz. Änderungen der genomischen Cytosinmethylierung während der Seneszenz werden in einen umfassenden physiologischen Rahmen eingebettet
Experimental development of a model predictive control for flexible operation of biogas plants
Get PDFDie Transformation des Energiesystems macht aufgrund zunehmend dezentraler, fluktuierender Stromeinspeisungen durch Wind- und PV-Anlagen, regelbare Stromproduzenten dringend erforderlich. Biogasanlagen können einen substanziellen Beitrag leisten, indem der Anlagenbetrieb flexibilisiert und somit bedarfsgerecht Strom bereitgestellt wird. Durch technische Anpassungen der Anlage, wie beispielsweise dem Ausbau der Gasspeicherkapazitäten und der BHKW-Leistung, lassen sich kurzfristige Schwankungen ausgleichen. Um das Stromerzeugungspotential über längere Zeiträume verlagern zu können, ist jedoch eine angepasste Fütterungsstrategie unabdingbar.
Die Steuerung der Biogasproduktion birgt in der praktischen Umsetzung einige Herausforderungen. Einerseits ist die Konversion von Biomasse in Biogas ein komplexer Vorgang und zudem individuell für jede Biogasanlage zu betrachten. Bisher entwickelte Modelle nutzen daher Parameter zu sämtlichen charakteristischen Prozessphasen und Einflussgrößen, um die anaerobe Fermentation modellieren zu können. Demgegenüber steht die oftmals rudimentäre Ausstattung der Biogasanlagen mit Messtechnik, sodass entsprechende Parameter nicht zur Verfügung stehen.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine modellbasierte prädiktive Regelung des Biogasanlagenbetriebes entwickelt, die eine dem Bedarf angepasste Stromproduktion ermöglicht. Dabei wurde der Anspruch gefasst, besonders praxistaugliche Modelle zu entwickeln um erstmals einen erfolgreichen Einsatz auf nahezu allen Biogasanlagen mit keinen oder nur wenigen Anpassungen an der vorhandenen Messtechnik zu erlauben.
Alle Untersuchungen, die dieser Arbeit zugrunde liegen, wurden auf Basis eines Reallabors, dem Unterer Lindenhof, durchgeführt. Dieses umfasst sowohl eine Praxisbiogasanlage als auch einen Energieverbrauch, der einem Dorf mit ca. 125 Einwohnern entspricht. In einem ersten Schritt wurden Prognosemodelle evaluiert, die den Strombedarf des Reallabors über 48 Stunden im Voraus vorhersagen sollen. Dabei wurden vier Modelle aus dem Bereich der Zeitreihenanalyse untersucht, ein TBATS und drei unterschiedliche ARIMA-Modelle. Über eine Evaluation von jeweils 366 Prognosen zeigten alle vier Modelle mit durchschnittlichen MAPE-Werten von 13-16 % ausreichend gute Resultate um einen Sollwert zur Orientierung des Biogasanlagenbetriebes zu liefern. Zusätzliche Untersuchungen ergaben zudem, dass die Prognose auch über einen Zeitraum von bis zu 14 Tagen erfolgen kann, ohne stärke Einbußen hinsichtlich der Prognosequalität. In einem weiteren Schritt wurde ein Modell zur Simulation der Biogasproduktion entwickelt. Dieses basiert ebenfalls auf der Zeitreihenanalyse, konkret auf einem Regressionsmodell. Damit unterscheidet es sich maßgeblich von bisherigen Entwicklungen in diesem Bereich, die in den meisten Fällen auf dem komplexen ADM1 beruhen. Sehr vorteilhaft erweist sich, dass das entwickelte Simulationsmodell lediglich historische Daten der letzten vier Wochen von der Biogasproduktion und der dosierten Menge an festen Substraten, unabhängig ihrer Zusammensetzung, als Inputparameter benötigt. Die Simulation der Biogasproduktion über 48 Stunden im Voraus erfolgt basierend auf Korrelationen, die die beiden Datensätze aufweisen. Eine Evaluation des Modells über 366 Simulationen ergab einen durchschnittlichen MAPE von 14-18 %. Dabei wurden die Daten von beiden Fermentern der Praxisbiogasanlage genutzt, die als eigenständige Systeme betrachtet werden können und damit die Adaptierbarkeit des Modells verdeutlichten. In einem dritten Schritt wurde die Fütterungsplanung zur bedarfsorientierten Biogasproduktion entwickelt. Für jeweils 48 Stunden im Voraus wurden 1500 randomisierte Fütterungspläne berechnet. Dabei wurden einige wenige Limitierungen vorgenommen, wie die maximale Substratmenge, die technisch in der Praxisbiogasanlage umsetzbar ist. Die aus den Fütterungsplänen voraussichtlich resultierende Biogasmenge konnte mittels des Simulationsmodells berechnet werden. Über einen Abgleich mit dem gewünschten Biogasbedarfsprofil konnte die Simulation mit den geringsten Abweichungen ermittelt und der zugehörige Fütterungsplan ausgewählt und umgesetzt werden. Die gesamte modellbasierte prädiktive Regelung wurde in einem praktischen Versuch im Reallabor Unterer Lindenhof eingesetzt und eingehend geprüft. Über einen Zeitraum von 36 Tagen konnte ein durchschnittlicher MAPE von unter 20 % im Abgleich von der realen Biogasproduktion zu dem gewünschten Biogasbedarf erreicht werden. Dabei wurde in dem Testzeitraum der Biogasbedarf von dem prognostizierten Strombedarf des Reallabors abgeleitet.
Die Untersuchungen der vorliegenden Arbeit zeigen, dass die entwickelte modellbasierte prädiktive Regelung eine bedarfsgerechte Stromproduktion auf einer großtechnischen Biogasanlage ermöglicht und aufgrund der erstmals sehr praxistauglichen Modelle eine Adaption auf nahezu jede Biogasanlage erlaubt.The transformation of the energy system requires controllable producers due to increasingly decentralised, fluctuating electricity generation from wind turbines and photovoltaics. Biogas plants can make a substantial contribution here by making plant operation more flexible and thus providing electricity as needed. Technical adjustments, such as the expansion of gas storage capacities and CHP output, can compensate for short-term fluctuations. However, in order to be able to shift the potential of electricity generation over longer periods of time, an adapted feed-in strategy is essential.
The control of biogas production poses several challenges in practical implementation. First, the conversion of biomass into biogas is a complex process and must be considered individually for each biogas plant. Models developed so far use parameters for all characteristic process phases and influencing variables in order to be able to model anaerobic digestion. In contrast, biogas plants are often only rudimentarily equipped with measurement technology, so that corresponding parameters are not available.
In this work, a model-predictive control of biogas plant operation was developed to enable demand-driven electricity generation. The aim was to develop models that are particularly well suited for practical use. Thus, for the first time, a successful application on almost all biogas plants could be possible without or with only minor adaptations to the existing measurement technology.
All studies carried out in this thesis are based on a real-world laboratory, the "Unterer Lindenhof". This includes a practical biogas plant as well as an electrical consumption corresponding to that of a village with about 125 inhabitants. In a first step, forecasting models were evaluated to predict the electricity demand of the real-world laboratory over 48 hours in advance. Four models from the field of time series analysis were examined, one TBATS and three different ARIMA models. In an evaluation of 366 forecasts each, all four models performed sufficiently well to provide a set point for biogas plant operation, with average MAPE values of 13-16 %. Further investigations showed that forecasts can also be carried out over a period of up to 14 days without significant losses in forecast quality. In a further step, a model was developed to simulate biogas production. This is also based on time series analysis, or more precisely on a regression model. Thus, it differs significantly from previous developments in this field, which are mostly based on the complex ADM1. It turns out to be very advantageous that the developed simulation model uses as input parameters only historical data of the last four weeks of biogas production and the amount of solid substrates fed in, without considering their composition. The simulation of biogas production over 48 hours in advance is based on correlations resulting from these two data sets. An evaluation of the model over 366 simulations resulted in an average MAPE of 14-18 %. Data from both digesters of the biogas plant were used, which can be considered as independent systems, demonstrating the adaptability of the model. In a third step, the feeding schedule was developed for demand-based biogas production. For each 48 hours in advance, 1500 randomised feeding schedules were calculated. Some constraints were imposed, such as the maximum amount of substrate that is technically possible in the biogas plant. The biogas production expected from the feeding schedules could be calculated using the simulation model. By comparing the simulation with the desired biogas demand profile, the simulation with the least deviations could be determined and the appropriate feeding plan selected and implemented. The entire model predictive control system was used and thoroughly tested in a field trial at the real-world laboratory "Unterer Lindenhof". Over a period of 36 days, an average MAPE of less than 20 % was achieved in comparison between the real biogas production and the desired biogas demand. During the test period, the biogas demand was derived from the predicted electricity demand of the real-world laboratory.
The investigations carried out show that the model-predictive control system developed enables demand-oriented electricity generation on full-scale and that, due to the models being very close to practice for the first time, adaptation to almost all biogas plants is possible
The power of awards : survey among companies and awarding institutions in Germany 2023
No full textDie Forschung zu den Effekten von Nachhaltigkeitsawards und ihrem Potenzial zur einer Nachhaltigkeitstransformation beizutragen stellt aus wissenschaftlicher Sicht eine Nische dar. Vor dem Hintergrund einer zunehmenden Vielzahl an Awards in der Praxis, die sich an Unternehmen richten, multiplen Krisen, die Unternehmen in unterschiedlicher Weise stören sowie neuen EU-Regelungen, wie zur evidenzbasierten Unte¬rnehmens¬¬kommuni¬kation über öko¬logische Aspekte, ist die Frage nach der Kraft von Awards neu zu beleuchten und Antworten wichtiger als zuvor. In einer Doppel¬studie im Rahmen des Deutschen Bundes¬stiftung Umwelt (DBU) geförderten Projekts SIEGER, wurden dazu im Früh¬jahr 2023 deutschland¬weiten Vergabe¬institutionen von Awards sowie Unternehmen online befragt.
Ziel war es, herauszufinden, welche Effekte Nachhaltigkeitsawards (NHA) aus Sicht von Ver¬gabe¬-institutionen, den Award-Geber*innen, und von Unter¬nehmen, den Award-Nehmer*innen, haben und welchen Beitrag sie zu einer Nach¬haltig¬keitstransformation leisten können.
Nachhaltigkeitsawards werden meist positive bis sehr positive Effekte zugeschrieben, sowohl auf der Mikroebene (Mitarbeiter*innenmotivation), vor allem aber auf der Mesoebene (Imagegewinn; Wahrnehmung), weniger auf der Makroebene (ökologische Aspekte; soziale Aspekte). Die Bewertung der Kraft von Awards, deren Wirkungs¬richtung und Stärke, in dieser Studie ist perzipiert und wird durch das unterschiedliche Framing der Befragten geprägt. Award-Geber*innen und Preisträger*innen überschätzen die Wahr¬nehmung von Awards von Dritten sowie die externen Lerneffekte (Nachahm-effekte). Der Themenfokus Nachhaltigkeit lässt Ver¬gabe¬¬institutionen von Nachhaltigkeits¬awards die anvisierten ökologische Effekte einer Award¬vergabe überzeichnen.
Aus Sicht der meisten Befragten können Awards zur Nachhaltigkeits¬trans¬formation bei¬tragen. NHA wird im Vergleich zu anderen Awards dabei mehr Kraft und ein positiverer Beitrag zur Nachhaltig-keitstransformation zugeschrieben. Die Analyse verdeutlicht zudem, Awards sind ein Spiegel der aktuellen politischen und gesellschaftlichen Forderungen und Entwicklungen. Jenseits eines ökologischen Claims Nach¬¬haltigkeits¬¬award integrieren Awards sozial-ökologische Aspekte in ihren An¬forderungen an die unter¬nehmerischen Teilnehmenden des Wettbewerbs. Die Weiterentwicklung von Nachhaltigkeitsawards kann demnach durch eine interne Entwicklung auf Seiten der Vergabeinstitutionen erfolgen und durch externe Ma߬nahmen unterstützt werden.From an academic perspective, research on the effects of sustainability awards and their potential to contribute to sustainability transformation represents a niche. Against the backdrop of an increasing number of awards targeting companies and multiple crises "disrupting" companies in different ways and new EU regulations, such as on evidence-based corporate communication on environmental aspects, the question of the power of awards needs to be re-examined and answers are more important than ever. In a double study within the framework of the SIEGER project funded by the Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU), awarding institutions and companies throughout Germany were surveyed online in spring 2023.
The objective was to discover first the effects of sustainability awards from the point of view of award-giving institutions, the donators, and companies, the award-recipients, and second the contribution they can make to a sustainability transformation.
Sustainability awards are mostly attributed positive to very positive effects, both on the micro level (employee motivation), but especially on the meso level (image gain; awareness), less so on the macro level (ecological aspects; social aspects). The evaluation of the power of awards, their direction of impact and strength, in this study is perceived and is shaped by the different framing of the respondents. Award donors and winners overestimate the perception of awards by third parties as well as the external learning effects (imitation effects). The thematic focus on sustainability leads awarding institutions to overstate the intended ecological effects of an award.
The majority of respondents believe that awards can contribute to sustainability transformation. Compared to other awards, sustainability awards are seen as having more power and making a more positive contribution to sustainability transformation. The analysis also shows that awards are a mirror of current political and social demands and developments. Beyond the ecological claim "sustainability award", awards integrate socio-ecological aspects in their requirements for the entrepreneurial participants of the competition. The further development of sustainability awards can therefore be achieved through internal development on the part of the awarding institutions and supported by external measures
The role of home gardens in mitigating food insecurity and dietary quality : the case of the Mbororo community in the Northwest Region of Cameroon
Get PDFDespite significant efforts made by development and research organizations to combat global food and nutrition insecurity, many people, especially in sub-Saharan Africa, still struggle with acute food insecurity. Over two billion people also suffer from micronutrient deficiencies or "hidden hunger," which leads to various health problems, particularly in poor communities without access to health infrastructures such as health centers, clinics, and hospitals. Against this backdrop, this dissertation investigated the impact and challenges of home gardens in addressing food and nutrition insecurity in the Mbororo minority community in the Northwest Region of Cameroon.
The publications included in this thesis focus on (i) micronutrient deficiencies within the Mbororo community, (ii) assessing the impact of a home garden project on food and nutrition outcomes, and (iii) evaluating agricultural risks within the Mbororo community as a challenge to their food system and the home garden project. The study on micronutrient deficiencies used the 24-hour dietary recall method to collect data on the dietary diversity of Mbororo women in the Northwest Region. Mean dietary diversity scores were used to examine the impact of socio-cultural and economic characteristics on the quality of the Mbororo womens diet. The study found that some characteristics, such as the size of the cooking stove, had a significant impact on the diet, while others, like education, did not. Iron-rich foods were the least consumed, indicating a high risk of nutritional anemia within the community. Members of the Aku sub-tribe were found to be more vulnerable than their Jaafun counterparts.
The home garden project aimed to empower Mbororo women by cultivating nutrient-rich vegetables for both income and home consumption. Women from 114 households in seven communities participated in the project, and gardens were built for all participants. The women received materials, educational support, and financial assistance during the implementation of the project. Three groups of vegetables were included in the project: nutrient-rich vegetables like amaranth, high market-value vegetables like chili peppers, and indigenous vegetables like "caricachee." The home garden project was evaluated as a way to mitigate food and nutrition insecurity within the Mbororo community and potentially serve as a model for other minority communities. Qualitative research methods, including in-depth interviews, focus group discussions, and observations, were used to evaluate the outcome of the project. The garden project was found to increase the vegetable variety in the seven communities. The women harvested nutrient-rich vegetables for home consumption, and the high market-value vegetables like chili peppers were sold for extra income. It was noted that the households preferred indigenous vegetables for home consumption, such as okra and eggplant. Although the garden project was successful in mitigating food and nutrition insecurity within the vulnerable communities, it also faced challenges such as a prolonged dry season and political instability in the region.
The last study evaluated agricultural risks as a hindrance to the Mbororo communitys food system. The study aimed to assess the types of risks encountered, their frequency and severity, and the management strategies being used to mitigate these risks. The study used an action research approach with interviews, semi-structured questionnaires, and focus group discussions. It was found that the Mbororo communitys food system was fragile due to threats from all risks under consideration. The most severe risks were those related to climatic conditions, followed by pests and diseases, and market fluctuations. The most critical risks were drought, crop and animal diseases, political insecurity, and price variation in the market. It was challenging for the Mbororo people to develop any meaningful mitigation strategies because they lack the required financial resources. However, they mostly sell their cattle as a coping strategy when money is needed to manage financial difficulties.
In conclusion, the garden project and the associated research findings provided meaningful information on combating food and nutrition insecurity. The garden project study showed that home gardens can increase vegetable biodiversity, leading to increased availability and accessibility of nutrient-rich vegetables in the Mbororo communities that may help for example to alleviate existing iron-related health deficiencies. However, the assessment of agricultural risks indicates that drought and pests are challenges for implementing and managing home gardens. Nevertheless, home gardens, if well managed, can mitigate food and nutrition insecurity in resource-poor communities such as the Mbororo minority group. However, these gardens should include indigenous vegetables since they are highly preferred to other vegetables among the Mbororo people and could also help to buffer some of the agricultural risks.Trotz beträchtlichen Anstrengungen und erzielten Erfolgen von Entwicklungsorganisationen und Forschungsinstitutionen Nahrungsmittel- und Ernährungsunsicherheit global zu bekämpfen, sind nach wie vor viele Menschen, speziell in Subsahara-Afrika, davon betroffen. Die Situation wird dadurch verschlimmert, dass über zwei Milliarden Menschen an Mikronährstoffmangel oder verstecktem Hunger (Hidden Hunger) leiden. Versteckter Hunger führt zu vielen gesundheitlichen Problemen, besonders in armen Gemeinden ohne Infrastrukturen wie Gesundheitszentren, Kliniken und Krankenhäusern. Unter diesem Aspekt wurden Forschungsversuche durchgeführt um den Einfluss von Hausgärten (Home Gardens) sowie die Herausforderungen bei der Bekämpfung von Ernährungsunsicherheit in der Mbororo
Minderheitsgemeinschaft in der Region Nordwest in Kamerun zu untersuchen. Die Publizierungen dieser Thesis konzentrieren sich auf i) Mikronährstoffmängel in der Gemeinschaft der Mbororo, ii) Beurteilung des Garten Projektes nach Nahrungsmittel- und Ernährungsergebnissen iii) Bewertung landwirtschaftlicher Risiken innerhalb der Gemeinschaft der Mbororo in Bezug auf ihr Ernährungssystem und das Garten Projekt.
Die Studie über Mikronährstoffmangel wurde durchgeführt um fehlende Daten zur Nahrungsunsicherheit zu erhalten, welche zur Information politischer Entscheidungsträger in der Empfehlung effektiver Ernährungsmaßnahmen genutzt werden können. Die Studie nutzte das 24-Stunden-Erinnerungsprotokoll um Daten zur Nahrungsmittelvielfalt der Mbororo Frauen in der Region Nordwest zu erheben. Die durchschnittlichen Nahrungsmittelvielfaltpunkte wurden verwendet, um den Einfluss soziokultureller und ökonomischer Eigenschaften der Mbororo Frauen auf die Qualität ihrer Ernährung zu untersuchen. Die Studie zeigte, dass manche dieser Eigenschaften, wie die Familiengröße, signifikant die Ernährung beeinflusste. Andere Eigenschaften, wie Bildung, hatten keinen Einfluss. Eisenhaltige Nahrungsmittel wurden am wenigsten konsumiert, was darauf hindeutet, dass ernährungsbedingte Anämie innerhalb der Gemeinschaft sehr hoch sein könnte. Die Mbororo setzen sich aus zwei Unterstämmen zusammen.
Der Unterstamm der Aki war gefährdeter als der Unterstamm der Jaafun.
Ein Hausgarten Projekt zielte darauf ab, Mbororo Frauen durch den Anbau nährstoffreicher Gemüsearten, die für den Eigenkonsum und/oder zur Generierung von Einkommen genutzt werden können, zu stärken. Frauen aus 114 Haushalten aus sieben Gemeinschaften nahmen an dem Projekt teil. Für alle wurden Gärten errichtet. Den Frauen wurden Material, fachliche Beratung und finanzielle Hilfen während der Durchführung des Projektes zur Verfügung gestellt. Drei Gruppen von Gemüse wurden in das Projekt einbezogen: Nährstoffreiches Gemüse, wie Amarant, Gemüse mit einem hohen Marktwert, wie Chili-Paprika und einheimisches Gemüse wie "Caricachee". Das Hausgartenprojekt wurde als eine Möglichkeit zur Reduzierung von Nahrungsmittel- und Ernährungsunsicherheit in der Mbororo Gemeinschaft bewertet, welche wiederum als potentieller Entwurf für andere Minderheitengemeinschaften dienen kann. Qualitative Forschungsmethoden, wie beispielsweise ausführliche Interviews, Fokusgruppen-Interviews und Beobachtungen bildeten die Basis zur Bewertung des Ergebnisses des Projektes. Das Garten-Projekt erhöhte die Vielfalt an Gemüsesorten in den sieben Gemeinden. Die Frauen ernteten nährstoffreiche Gemüsesorten für den Eigenverbrauch. Gemüsesorten mit hohem Marktwert, wie Chili-Paprika, wurden zur Generierung zusätzlichen Einkommens verkauft. Eine interessante Beobachtung war, dass der Haushalt einheimische Gemüsesorten, wie Okra und Aubergine, für den Eigenverbrauch bevorzugte. Wenngleich das Gartenprojekt in Bezug auf die Verminderung der Nahrungsmittel und Ernährungsunsicherheit innerhalb der gefährdeten Gemeinschaften erfolgreich war, wurde es mit Problemen, wie eine verlängerte Trockenzeit oder politische Unsicherheit in der Region, konfrontiert.
Die letzte Studie bewertete landwirtschaftliche Risiken als Beeinträchtigungsgrund für das Ernährungssystem der Mbororo Gemeinschaft. Die Studie bewertete die aufgekommenen Risiken nach ihrer Häufigkeit, Schwere sowie der genutzten Managementstrategien um diese zu vermindern. Die Studie nutzte den Ansatz der Aktionsforschung mit Interviews, semi strukturierten Fragebögen und Fokusgruppendiskussionen. Es wurde herausgefunden, dass das Ernährungssystem der Mbororo Gemeinschaft fragil war, weil es durch alle berücksichtigten Risiken gefährdet wurde. Die kritischsten Risiken waren Dürre, Pflanzenkrankheiten, Tierseuchen, politische Unsicherheit und Preisschwankungen auf dem Markt. Aufgrund der benötigten finanziellen Mittel war es schwierig für die Mbororo sinnvolle Strategien zur Risikoverminderung zu entwickeln. Um finanzielle Schwierigkeiten zu bewältigen, verkauften sie meistens ihre Rinder. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Gartenprojekt und die Forschungsergebnisse wertvolle Informationen zur Bekämpfung von Nahrungsmittel- und Ernährungsunsicherheit lieferten. Die Gartenprojekt-Studie zeigt, dass Hausgärten die Biodiversität von Gemüsesorten fördern können, was wiederum die Verfügbarkeit und den Zugang zu nährstoffreichen Gemüsesorten in den Mbororo Gemeinschaften erhöht. Dies kann beispielsweise dabei helfen, mit Eisenmangel verbundene Gesundheitsprobleme zu mildern. Die Bewertung landwirtschaftlicher Risiken deutet jedoch darauf hin, dass Dürren und Schädlinge Herausforderungen bei der Umsetzung und dem Betrieb von Hausgärten sind. Dennoch können Hausgärten, wenn sie gut betrieben werden, Nahrungsmittel- und Ernährungsunsicherheit in ressourcenarmen Gemeinden, wie die der Mbororo, vermindern. Allerdings sollten in diesen Gärten auch einheimische Gemüsesorten angebaut werden, da diese eine hohe Präferenz bei den Mbororo haben und dabei helfen können manche der landwirtschaftlichen Risiken zu reduzieren
Mechanistic aspects of the eco-physiology of Fusarium oxysporum f. sp. cubense TR4
Get PDFBanana and plantain (Musa spp.), here termed as bananas, are a source of food security and income for more than 400 million people globally. Banana production is threatened by Fusarium wilt disease, caused by the soilborne root-infecting fungal pathogen Fusarium oxysporum f. sp. cubense (Foc). Foc Tropical Race 4 (Foc TR4) is considered the most virulent race of Foc and has gained notoriety due to its inexorable spread and devastating impact on banana cultivation. Host infection occurs when pathogen propagules, called chlamydospores, germinate and produce hyphae that penetrate host roots and subsequently invade host tissues. Infection occurs in a narrow zone of soil immediately adjacent to the roots, called rhizosphere. The rhizosphere is notable for the extensive interactions between roots, the microbiome, and soil physico-chemical factors. Banana rhizosphere interactions are poorly understood, yet profoundly influence infection and development of Fusarium wilt. It is speculated that a better understanding of banana rhizosphere interactions will improve management of Fusarium wilt through the reduction of the abundance and/or efficacy of inoculum or enhance the disease suppressiveness of soils. Hence, the overarching objective of this doctoral study was to contribute to the fundamental ecological understanding of banana rhizosphere interactions related to Foc.
The first study of this thesis analysed literature from four electronic databases (AGRIS, CAB Direct, SciVerse Scopus, ProQuest) to bring together the relatively scant data available on banana rhizosphere interactions and to highlight the key knowledge gaps. Analysis of 2,281 publications revealed the complexity of banana rhizosphere interactions and the driving factors of Fusarium wilt, for which the mechanisms remain poorly understood. Data from the literature shows that management of Fusarium wilt through rhizosphere manipulation is a dominant element albeit with limited success in the field. Notably, the data from literature shows that biological control agents (bacterial and fungal strains) are highly effective in vitro and in the greenhouse with a mean efficacy of 77.1% and 73.5%, respectively, but efficacy remains below 25.0% under field conditions.
The second study of this thesis provides empirical evidence for suppression of Foc TR4 by root-secreted phenolic acids of non-host plants. Hydroponic culture and targeted metabolite analysis of root exudates of two legumes, Desmodium uncinatum and Mucuna pruriens, identified phenolic compounds such as benzoic-, t-cinnamic-, and p-hydroxybenzoic acid with inhibitory potential. These phenolic compounds suppressed Foc TR4 by inhibition of chlamydospore germination, production of new spores, and hyphal growth, and specifically also the biosynthesis of fusaric acid and beauvericin toxins, which are essential in the biology of the fungus.
The third study of this thesis provides empirical evidence that the process of chlamydospore germination in Foc TR4 is developmentally orchestrated and iron-dependent. Scanning electron microscopy showed that iron-starved chlamydospores are unable to form a germ tube and exhibit reduced metabolic activity. Moreover, germination exhibits plasticity regarding extracellular pH, where over 50% germination occurs between pH 3 and pH 11. This suggests that disease suppression by manipulation of soil pH may not necessarily act via alteration of iron bioavailability. The requirement for iron was further investigated by assessing the expression of two genes (rnr1 and rnr2) that encode ribonucleotide reductase (RNR), the enzyme that controls cell growth through DNA synthesis. Expression of rnr2 was significantly induced in iron-starved chlamydospores compared to the control.
The fourth study assessed the production of microbial iron-sequestering metabolites (siderophores) as a potential mechanism to counteract iron starvation. Specifically, ferrichrome, a hydroxamate siderophore, was synthesized exclusively in the mycelia of iron-starved cultures, which suggests de novo biosynthesis. Moreover, amino acid precursors for siderophore biosynthesis (ornithine, arginine) were altered by iron starvation.
Collectively, this doctoral thesis extends the fundamental understanding of the biology and ecology of Foc TR4 and provides a base for realizing the potential of rhizosphere manipulation for management of Fusarium wilt.Bananen und Kochbananen (Musa-Arten), die der Ernährungssicherung und dem Einkommen von weltweit mehr als 400 Millionen Menschen dienen, sind von der Fusarium-Welke bedroht, die auf dem bodenbürtigen Pilz Fusarium oxysporum f. sp. cubense (Foc) beruht. Die Rasse Foc Tropical Race 4 (Foc TR4) gilt als diejenige mit der höchsten Virulenz und ist bekannt für ihre rasche Ausbreitung und die verheerenden Wirkungen in Bananenplantagen. Zur Fortpflanzung bildet das Pathogen sogenannte Chlamydosporen, die nach ihrer Keimung Hyphen produzieren. Die Infektion erfolgt in der Rhizosphäre, wo die Hyphen über die Wurzeln in das Wirtsgewebe eindringen. Die Rhizoshpäre ist bedeutend für die intensiven Interaktionen zwischen Wurzel und dem Mikrobiom sowie den physikalisch-chemischen Faktoren im Boden. Über die Rhizosphäre-Interaktionen bei Bananen ist noch wenig bekannt. Sie haben jedoch erheblichen Einfluss auf den Befall und die Entwicklung der Fusarium-Welke. Es ist davon auszugehen, dass genauere Kenntnisse der Bananen-Rhizospäre-Interaktionen das Management der Fusarium-Welke verbessern werden, und zwar durch die Reduktion der Abundanz und/oder der Wirksamkeit des Inokulums, oder durch die Erhöhung der krankheitsunterdrückenden Wirkung des Bodens. Das übergeordnete Ziel dieser Doktorarbeit war es entsprechend, zum fundamentalen Verständnis der Bananen-Rhizospäre-Interaktionen im Zusammenhang mit Foc TR4 beizutragen.
Die erste Studie dieser Arbeit umfasste die Literaturanalyse aus elektronischen Datenbanken (AGRIS, CAB Direct, SciVerse Scopus, ProQuest), um die relativ spärlich verfügbaren Daten zu den Interaktionen in der Bananen-Rhizosphäre im Zusammenhang mit der Fusarium-Welke zusammenzustellen und die Wissenslücken aufzuzeigen. Die Analyse von 2,281 Publikationen zu Bananen-Rhizosphäre Interaktionen und den bestimmenden Faktoren für die Fusarium-Welke zeigte die Komplexität der wenig verstandenen Mechanismen. Literaturdaten ergaben, dass Manipulationen der Rhizosphäre die vorherrschenden Ansätze darstellen, jedoch mit begrenzten Erfolgen unter Feldbedingungen. Biologische Kontrollagenten (Bakterien- und Pilz-Stämme) sind sehr effektiv in vitro und unter Gewächshausbedingungen mit durchschnittlichen Wirksamkeiten von 77.1% bzw. 73.5%. Unter Feldbedingungen lag die Wirksamkeit jedoch unter 25%.
Die zweite Studie dieser Arbeit liefert empirische Beweise für die Unterdrückung von Foc TR4 durch Phenolsäuren, die von den Wurzeln von nicht-Wirtspflanzen abgegeben wurden. In Hydrokulturen und in gezielten metabolischen Analysen der Wurzelexudate zweier Leguminose-Arten (Desmodium uncinatum und Mucuna pruriens) zeigten Phenolverbindungen wie Benzoe-, t-Zimt- und p-Hydroxybenzoe-Säure ein inhibitorisches Potenzial. Diese Verbindungen unterdrückten Foc TR4 durch Hemmung der Chlamydosporenkeimung, der Neuproduktion von Sporen, des Hyphenwachstums und insbesondere der Biosynthese von Fusarinsäure und toxischen Beauvericinen, die in der Biologie des Pilzes essenziell sind.
Die dritte Studie dieser Arbeit lieferte den empirischen Beweis, dass der entwicklungsgesteuerte Prozess der Chlamydosporen-Keimung bei Foc TR4 eisenabhängig ist. Im Rasterelektronenmikroskop zeigte sich, dass Chlamydosporen unter Eisenmangel keinen Keimschlauch bilden und eine reduzierte metabolische Aktivität aufweisen. Außerdem weist die Keimung eine Plastizität hinsichtlich des extrazellulären pH-Wertes auf, wobei mehr als 50% der Keimungen zwischen pH 3 und pH 11 erfolgten. Dies deutet darauf hin, dass die Krankheitsunterdrückung durch die Manipulation des Boden-pH-Wertes nicht notwendigerweise durch Veränderung der Bioverfügbarkeit von Eisen erfolgt. Der Bedarf an Eisen wurde anhand der Expression zweier Gene (rnr1 und rnr2) weiter untersucht. Diese Gene kodieren die Ribonukleotid-Reduktase (RNR), d.h. das Enzym, welches das Zellwachstum durch DNA-Synthese kontrolliert. Die Expression von rnr2 wurde bei Chlamydosporen unter Eisenmangel signifikant stärker induziert als in der Kontrolle.
Die vierte Studie dieser Arbeit untersuchte die Produktion mikrobieller, eisen-absondernden Metaboliten (Siderophoren) als möglichen Mechanismus, der dem Eisenmangel entgegenwirkt. Es wurde im Speziellen gezeigt, dass Ferrichrom, eine Hydroxamat-Siderophore, ausschließlich im Mycel von Kulturen mit Eisenmangel synthestisiert wurde und somit eine de novo Biosysnthese nahelegt. Darüber hinaus wurden auch Aminosäure-Vorstufen für die Siderophoren-Biosynthese (Ornithin, Arginin) durch Eisenmangel verändert. Insgesamt erweitert diese Doktorarbeit das grundlegende Verständnis der Biologie und Ökologie von Foc TR4 und liefert somit eine Grundlage für die Nutzung des Potenzials zur Manipulation der Rhizosphäre für das Management der Fusarium-Welke
From alien to native Asteraceae : how effects of climate, functional traits, and biotic interactions on population growth change with residence time
Get PDFBiological invasions pose a major threat to native biodiversity and even drive native species to extinction. It is thus of utmost importance to gain a better understanding of limits to population growth and spread of invasive plants. Invasion success in the introduced area is determined by the combined effects of climatic mismatches between the area of origin and the introduced area as well as biotic resistance of resident native communities. Alien plants can respond to environmental selection via changes in functional traits and thereby adapt to novel abiotic conditions. Native community species are expected to adapt to the presence of the invader by gaining eco-evolutionary experience and build-up biotic resistance over time. The aim of this thesis is to investigate interactions of alien plants with the novel abiotic and biotic environment in their introduced range over eco-evolutionary timescales. To this end, I conducted common garden experiments based on an alien-native species continuum to cover a broad range of residence times in Germany (7 to 12,000 years before present). I followed the population growth of 47 annual Asteraceae (including neophytes, archaeophytes, and natives) over two years and measured their performance in intra- and interspecific competition to answer the following questions: 1) How are effects of climatic distances between the area of origin and the introduced area as well as functional traits on population dynamics of alien plants determined by residence time? 2) How is biotic resistance of native communities towards alien plants related to residence time? 3) How are competitive outcomes between single alien and native plants shaped by residence time and serve as a predictor of range sizes? For the first question, I followed population growth of the Asteraceae in monocultures. I calculated climatic distances between the area of origin and the introduced area and measured functional traits in terms of seed mass, maximum height, and specific leaf area. Firstly, I tested whether negative effects of climatic distances on population growth weaken with residence time. Secondly, I investigated trait-demography relationships and tested if functional traits converge towards values that increase population growth. I found a strong effect of seed mass and no effects climatic distances on population growth. A strong negative relationship between seed mass and population growth resulted in directional selection of seed mass towards low values with increasing residence time. For the second question, I measured population growth of the Asteraceae in a Central European grassland community. I tested if competitive effects of the community on the Asteraceae increase with residence time (i.e. co-existence time with the native community). I used a second community native to North American grasslands that never co-existed with the Asteraceae to disentangle competitive effects related to eco-evolutionary experience of the native community from inherent competitive abilities of the Asteraceae. I compared trait-demography relationships in both community types with monocultures and found very similar competitive effects of both communities on the Asteraceae and thus no evidence for a build-up of competition-induced biotic resistance over time. Instead, invasion success was determined by a strong seed-mass-mediated trade-off between population growth in low- vs. high-competition. For the third question, I tested if the response of biomass and seed production of native targets to competition with alien and native neighbours depends on residence time. I tested if competitive effects differ between invasion status groups and explain species range sizes in Germany. I generally did not find a higher tolerance of native Asteraceae to competition of neighbouring aliens and natives with increasing residence time. Both established neophytes and natives showed similar competitive abilities and species range sizes were not influenced by competitive effects. The detected trait-demography relationships and related directional selection as a mechanism of adaptation to novel abiotic conditions improve the understanding of constraints on population growth and spread of invaders. The lack of interspecific competitive superiority as a determinant of range sizes might indicate that other mechanisms are more important for invasion success. The functional trade-off between population growth in low vs. high competition reveals that invaders that are likely to escape this trade-off should be of highest management concern. By the combination of experimental macroecology with approaches of functional and community ecology used in my study, I strongly advanced the understanding of mechanisms of limits to population growth and spread of alien plants and provide a fundamental basis for future research in invasion ecology.Biologische Invasionen tragen zum Verlust einheimischer Biodiversität bei. Daher ist ein besseres Verständnis über Einschränkungen von Populationswachstum und Verbreitung invasiver Pflanzen äußerst wichtig. Klima-Unterschiede zwischen Herkunfts- und Einführungsgebiet bedingen zusammen mit der biotischen Resistenz einheimischer Artgemeinschaften den Invasionserfolg. Die Selektion neuer abiotischer Umweltbedingungen führt zur Anpassung von funktionellen Merkmalen gebietsfremder Pflanzen. Einheimische Arten gewinnen ökologisch-evolutionäre Erfahrungen mit gebietsfremden Pflanzen und bauen eine biotische Resistenz über die Zeit auf. Für die Doktorarbeit habe ich Gartenexperimente durchgeführt, basierend auf einem Kontinuum von gebietsfremden zu einheimischen Arten mit Residenzzeiten in Deutschland von 7 bis 12.000 Jahren vor heute. Ich habe das Populationswachstum von insgesamt 47 Asteraceae (Neophyten, Archäophyten und Einheimische) in intra- und interspezifischer Konkurrenz über zwei Jahre hinweg verfolgt zur Beantwortung folgender Fragen: 1) Wie wirken sich Klima-Unterschiede zwischen Herkunfts- und Einführungsgebiet und funktionelle Merkmale in Abhängigkeit von Residenzzeit auf das Populationswachstum gebietsfremder Pflanzen aus? 2) Wie wird die biotische Resistenz einheimischer Arten gegenüber gebietsfremden Pflanzen durch Residenzzeit bestimmt? 3) Wie werden Konkurrenz-Effekte zwischen einzelnen gebietsfremden und einheimischen Pflanzen durch die Residenzzeit beeinflusst und bestimmen deren Verbreitungsgebietsgrößen? Für die erste Frage habe ich das Populationswachstum der Asteraceae in Monokulturen verfolgt und Klima-Unterschiede zwischen Ursprungs- und Einführungsgebiet berechnet. Erstens habe ich getestet, ob der Effekt von Klima-Unterschieden auf das Populationswachstum von Residenzzeit abhängt. Zweitens habe ich die Zusammenhänge zwischen funktionellen Merkmalen (Samenmasse, Maximal-Höhe und spezifische Blattfläche) und Populationswachstum untersucht und getestet, ob diese über die Zeit zu Werten konvergieren, die erhöhtes Populationswachstum bedingen. Ich konnte starke Effekte von Samenmasse, aber keine von Klima-Unterschieden auf das Populationswachstum feststellen. Ein stark negativer Zusammenhang zwischen Samenmasse und Populationswachstum führte zu einer gerichteten Selektion von Samenmasse. Für die zweite Frage habe ich das Populationswachstum der Asteraceae in einer zentraleuropäischen Graslandgemeinschaft gemessen. Ich habe getestet, ob sich Konkurrenz-Effekte auf die Asteraceae mit der Residenzzeit (Ko-Existenzzeit mit einheimischer Graslandgemeinschaft) verstärken. Mithilfe einer nordamerikanischen Graslandgemeinschaft die nicht mit den Asteraceae koexistiert hat, habe ich untersucht, ob Konkurrenz-Effekte auf ökologisch-evolutionäre Erfahrungen oder inhärente Eigenschaften der Asteraceae zurückzuführen sind. Ich habe die Beziehungen zwischen funktionellen Merkmalen und Populationswachstum der Asteraceae in beiden Artgemeinschaften verglichen und sehr ähnliche Konkurrenz-Effekte und damit keine direkten Hinweise für einen Aufbau von biotischer Resistenz über die Zeit gefunden. Der Invasionserfolg wurde durch einen von Samenmasse getriebenen Kompromiss zwischen Populationswachstum in geringer und starker Konkurrenz bestimmt. Für die dritte Frage habe ich untersucht, ob die Reaktion von Wachstum und Reproduktion einheimischer Asteraceae auf die Konkurrenz mit Nachbararten von der Residenzzeit abhängt. Ich habe getestet, ob sich Konkurrenz-Effekte zwischen Invasions-Statusgruppen unterscheiden und die Verbreitungsgebietsgröße in Deutschland bestimmen. Eine Zunahme der Toleranz einheimischer Asteraceae gegenüber der Konkurrenz mit Nachbararten über Residenzzeit wurde nicht festgestellt. Etablierte Neophyten und einheimische Arten haben eine ähnliche Konkurrenzfähigkeit aufgezeigt und die Verbreitungsgebietsgröße der Arten wurde nicht durch Konkurrenz-Effekte beeinflusst. Als Anpassungsmechanismus von gebietsfremden Pflanzen an neue abiotische Umweltbedingungen konnte eine gerichtete Selektion von Samenmasse identifiziert werden. Konkurrenz-Effekte haben die Verbreitungsgebietsgröße nicht beeinflusst, sodass für den Invasionserfolg wahrscheinlich andere Mechanismen eine größere Rolle spielen. Der durch Samenmasse bedingte Kompromiss zwischen Populationswachstum in geringer und starker Konkurrenz deutet darauf hin, dass Invasoren, die diesen Kompromiss überwinden können, von höchstem Belang für das Management sein sollten. Durch die Kombination aus experimenteller Makro-Ökologie mit Ansätzen aus der funktionalen Ökologie und der Ökologie von Artgemeinschaften, konnte ich in erheblichem Maße zu einem verbesserten Verständnis über Mechanismen beitragen, die eine Einschränkung von Populationswachstum und Verbreitung invasiver Pflanzen bestimmen und darüber hinaus eine wesentliche Grundlage für zukünftige Studien auf dem Gebiet der Invasionsökologie liefern
Regionalising a soil-plant model ensemble to simulate future yields under changing climatic conditions
Get PDFModels are supportive in depicting complex processes and in predicting their effects. Climate models are applied in many areas to assess the possible consequences of climate change. Even though Global Climate Models (GCM) have now been regionalised to the national level, their resolution of down to 5x5 km2 is still rather coarse from the perspective of a plant modeller.
Plant models were developed for the field scale and work spatially explicitly. This requires to make adjustments if they are applied at coarser scales. The regionalisation of plant models is reasonable and advantageous against the background of climate change and policy advice, both gaining in importance.
The higher the spatial and temporal heterogeneity of a region, the greater the computational need. The (dis)aggregation of data, frequently available in differing resolutions or quality, is often unavoidable and fraught with high uncertainties. In this dissertation, we regionalised a spatially-explicit crop model ensemble to improve yield projections for winter wheat under a changing climate. This involved upscaling a crop model ensemble consisting of three crop models to the Stuttgart region, which has an area of 3,654 km2. After a thorough parameter estimation performed with a varying number of Agricultural Response Units on a high-performance computing cluster, yield projections up to the year 2100 were computed. The representative concentration pathways of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) RCP2.6 (large reduction of CO2 emissions) and RCP8.5 (worst case scenario) served as a framework for this effort.
Under both IPCC scenarios, the model ensemble predicts stable winter wheat yields up to 2100, with a moderate decrease of 5 dt/ha for RCP2.6 and a small increase of 1 dt/ha for RCP8.5. The variability within the model ensemble is particularly high for RCP8.5. Results were obtained without accounting for a potential progress in wheat breeding.Modelle helfen uns dabei, komplexe Prozesse abzubilden um Vorhersagen über deren Wirkung treffen zu können. Klimamodelle werden in vielen Bereichen eingesetzt, um die möglichen Konsequenzen des Klimawandels abzuschätzen. Auch wenn globale Klimamodelle (GCM) inzwischen bis hinunter auf die nationale Ebene regionalisiert wurden, ist ihre Auflösung mit bis zu 5x5 km2 aus der Sicht der Pflanzenmodellierung noch immer recht gering. Da Pflanzenmodelle für die Feldskala entwickelt wurden und deshalb räumlich explizit sind, muss eine Anpassung erfolgen, um sie auf größeren Skalen als der Feldskala anwenden zu können. Die Regionalisierung von Pflanzenmodellen ist nicht nur in Verbindung mit Klimasimulationen sinnvoll, sondern generell in der Politikberatung. Hier wie dort gewinnen regionale Anwendungen an Bedeutung.
Je höher die räumliche und zeitliche Heterogenität einer Region, desto größer ist die benötigte Rechenkapazität. Die (Dis-)Aggregierung von Datensätzen, die oftmals in unterschiedlicher Auflösung oder Qualität vorliegen, ist meist nicht zu vermeiden und mit hohen Unsicherheiten behaftet. Das Ziel dieser Dissertation ist die Regionalisierung von räumlich-expliziten Simulationen des Pflanzenwachstums, um Ertragsprojektionen für Winterweizen unter einem sich wandelnden Klima zu erhalten. Dafür wurde ein Pflanzenmodellensemble, bestehend aus drei Pflanzenmodellen, auf die Ebene der Region Stuttgart, mit einer Fläche von 3.654 km2, skaliert. Nach einer sorgfältigen Parameterschätzung basierend auf drei verschiedenen Sets von Landwirtschaftlichen Response Units auf einem High Performance Rechencluster, wurden Ertragsprojektionen bis zum Jahr 2100 berechnet. Die repräsentativen Konzentrationspfade des Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) RCP2.6 (drastische Reduzierung der CO2-Emissionen) und RCP8.5 (Worst-Case-Szenario) dienten als Rahmen für die Simulationen.
Das Modellensemble zeigt im Ergebnis stabile Winterweizen-Erträge bis 2100 für beide Szenarien, mit einem Rückgang von 5 dt/ha bei RCP2.6 und einem geringen Anstieg von 1 dt/ha bei RCP8.5. Insbesondere bei RCP8.5 ist die Variabilität innerhalb des Ensembles sehr hoch. Zu berücksichtigen ist, dass der Züchtungsfortschritt in den Ergebnissen nicht abgebildet wurde
Intermedia agenda-setting from the far right? Three case studies on spillover effects by alternative media inGermany
Get PDFRight-wing alternative media can increase their public impact if they succeed to set their issues on the mainstream medias agenda. In three qualitative case studies, the present article explores whether and how such intermedia agenda-setting occurs in Germany. Special attention is given to spillover effects between different actors, both at the level of attention and tone towards the issues. Furthermore, the analysis of news articles is supplemented with Twitter data to account for the role of social media. Two of the case studies indicate that right-wing alternative media contributed to push pseudo-scandals into the mainstream. The analyses also reveal alternative news outlets with particular agenda-setting power and point to the crucial role of tabloid media as a bridge to the mainstream. The third study, however, which centered on the Global Compact for Migration, presents a case where intermedia agenda-setting failed. Against this background, the article discusses the conditions under which intermedia agenda-setting by right-wing alternative media is likely to occur and how journalists should deal with such attempts