2013 research outputs found
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Deciphering the potential of large-scale proteomics to improve product quality and nutritional value in different wheat species
Get PDFWheat (Triticum aestivum) is one of the most important staple crops globally, which provides on average ~20% of the dietary intake of protein, starch and further important ingredients like fiber, minerals, vitamins, and essential amino acids for humans. Besides common wheat, there exist further wheat species with global to only local importance, i.e., durum, spelt, emmer and einkorn. Common wheat and durum are relatively widely cultivated whereas the other three species are cultivated only in specific regions. Apart from other functions, wheat proteins largely influence the end-use quality of products such as bread and pasta quality. Furthermore, wheat proteins can induce inflammatory reactions in humans such as celiac disease, wheat allergy and non-celiac wheat sensitivity. Thus, proteome profiles of different wheat species and cultivars within these species are of high relevance for stakeholders along the wheat supply chain.
Proteomic technology has made breakthrough advancements in the recent times capable of quantifying thousands of proteins in 1.52 hours. Also, the wheat reference genome has been published and extended recently. These developments are extremely helpful in studying the wheat proteome at a high resolution. However, the modern large-scale proteomics has yet neither been applied to perform comparative investigation of the proteomes of different wheat species nor to study the proteomes of different types of breads and flours nor to study its application in the context of plant breeding. Therefore, we utilized modern large-scale proteomics to fill these gaps within the framework of this PhD work.
First of all, an optimized data analysis pipeline was designed to deal with big proteomics data. This was necessary to estimate a multitude of quantitative genetics parameters for each protein and perform a comparative investigation of the proteomes. Optimization included implementation of data filtering based on the quantification of a protein in a given proportion of the samples, cultivars and environments. Different tests such as test for normal distribution of each protein in the context of statistical modelling and test to check the equality of variance between groups to apply the appropriate t-test were incorporated into a semi-automated workflow.
In parallel, we adjusted and improved the lab methodology to deal with hundreds of samples within a short time period. We introduced a novel hybrid liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS) approach that combines quantification concatamer (QconCAT) technology with short microflow LC gradients and data-independent acquisition (DIA). The proposed approach measures the proteome by label-free quantification (LFQ) while concurrently providing accurate QconCAT-based absolute quantification of the key amylase/trypsin inhibitors (ATIs).
These methods were then applied to compare different wheat species based on dozens of cultivars grown at multiple locations. First, we compared common wheat and spelt and identified 3,050 proteins overall. Of total proteins, 1,555 proteins in spelt and 1,166 in common wheat were only detected in a subset of the field locations. There were 1,495 and 1,604 proteins in spelt and common wheat, respectively, which were consistently expressed across all test locations in at least one cultivar. Finally, there were 84 and 193 unique proteins for spelt and common wheat, respectively, as well as 396 joint proteins, which were significantly differentially expressed between the two species. Using potentially allergenic proteins annotated as amylase/trypsin inhibitors, serpins, and wheat germ agglutinin we calculated an equally weighted allergen index that largely varied across cultivars ranging from 13.32 to 10.88 indicating the potential to select for cultivars with favorable proteome profiles.
Next, we examined the proteomes of six different flours (wholegrain and superfine flours) and 14 different bread types (yeast and sourdough fermented breads and common wheat breads plus/minus bread improver) from common wheat, spelt and rye. Proteins that could cause allergies were functionally classified and comparatively measured by LFQ in flours and breads. Our findings showed that allergenic proteins were more prevalent in common wheat and spelt than rye and were not specifically degraded during bread manufacturing. In terms of abundance of the allergenic proteins, there was almost no difference between spelt and common wheat and the type of grain is likely more important for allergenicity than milling or traditional fermentation techniques.
In a further study, we generated the flour reference proteomes for five wheat species, identifying at least 2,540 proteins in each species. More than 50% of the proteins significantly differed between species. Particularly, einkorn expressed 5.4 and 7.2 times less allergens and amylase/trypsin inhibitors than common wheat, respectively, emerging as a potential alternative cereal crop for people with sensitivities to cereal allergens.
Lastly, we studied the application of large-scale proteomics for plant breeding. We found a significant impact of the environmental factors on protein expression. Only a fraction of proteins was stably expressed in all environments in at least one cultivar. Environmental influence was observed not only in the form of absolute expression or suppression of a certain protein at one or more environments but also in the form of low heritability (H2). High coefficients of variation across wheat cultivars indicate that the protein profiles of different cultivars vary considerably. Although, heritability was low for many proteins, we were able to identify hundreds of proteins with H²>0.5 including key proteins for baking quality and human health. It should be possible to specifically manipulate the expression of functionally important proteins with high heritability by selecting and breeding for superior wheat cultivars along the wheat supply chain. Nevertheless, a successful implementation in plant breeding programs needs an improvement in the speed of protein quantification methods and in the validation of protein functions and annotations.
In a nutshell, high number of proteins can be quantified in cereal grains utilizing cutting-edge proteomics techniques, opening new avenues for their use in the wheat supply chain. We generated lists of intriguing candidate proteins for further investigations on wheat sensitivity, and proteins with high heritability and important biological functions. Current research work has significant implications for the scientific and business communities across multiple disciplines including breeding, agriculture, cereal technology, nutritional science, health, and medicine. Political decision-makers and stakeholders in the food supply chain can benefit from the findings of this PhD project.Weizen (Triticum aestivum) ist weltweit eines der wichtigsten Grundnahrungsmittel, das im Durchschnitt etwa 20 % des täglichen Bedarfs an Eiweiß, Stärke und weiteren wichtigen Inhaltsstoffen wie Ballaststoffen, Mineralien, Vitaminen und essentiellen Aminosäuren für den Menschen liefert. Neben Weichweizen gibt es weitere Weizenarten mit globaler oder nur lokaler Bedeutung, nämlich Hartweizen, Dinkel, Emmer und Einkorn. Weichweizen und Hartweizen werden relativ weit verbreitet angebaut, während die anderen drei Arten nur in bestimmten Regionen genutzt werden. Weizenproteine haben u.a. einen großen Einfluss auf die Qualität von Produkten wie Brot und Teigwaren. Darüber hinaus können Weizenproteine beim Menschen Entzündungsreaktionen wie Zöliakie, Weizenallergie und Nicht-Zöliakie-Weizensensitivität hervorrufen. Daher sind die Proteom-Profile verschiedener Weizenarten und -sorten innerhalb dieser Arten für die Akteure entlang der Weizenwertschöpfungskette von großer Bedeutung.
Die Proteomtechnologie hat in jüngster Zeit bahnbrechende Fortschritte gemacht und ist in der Lage, Tausende von Proteinen in 1,52 Stunden zu quantifizieren. Außerdem wurde das Weizen-Referenzgenom kürzlich veröffentlicht und erweitert. Diese Entwicklungen sind äußerst hilfreich bei der Untersuchung des Weizenproteoms mit hoher Auflösung. Diese Proteomikmethode wurde jedoch bisher weder für die vergleichende Untersuchung der Proteome verschiedener Weizenarten noch für die Untersuchung der Proteome verschiedener Brot- und Mehlsorten noch für die Untersuchung ihrer Anwendung im Rahmen der Pflanzenzüchtung eingesetzt. Daher haben wir im Rahmen dieser Doktorarbeit diese moderne Proteomikmethodik eingesetzt, um diese Lücken zu schließen.
Zunächst wurde eine optimierte Datenanalyse-Pipeline entwickelt, um mit großen Proteomdatensätzen umgehen zu können. Dies war notwendig, um eine Vielzahl von quantitativen genetischen Kennzahlen für jedes Protein zu schätzen und eine vergleichende Untersuchung der Proteome durchzuführen. Die Optimierung umfasste die Implementierung einer Datenfilterung auf der Grundlage der Quantifizierung eines Proteins in einem bestimmten Anteil der Proben, Sorten und Orte. Verschiedene Tests wie der Test auf Normalverteilung jedes Proteins im Rahmen der statistischen Modellierung und der Test zur Überprüfung der Gleichheit der Varianz zwischen den Gruppen zur Anwendung des entsprechenden t-Tests wurden in einen halb-automatischen Arbeitsablauf integriert.
Zudem haben wir die Labormethodik angepasst und verbessert, um Hunderte von Proben in kurzer Zeit zu verarbeiten. Wir führten einen neuartigen hybriden Flüssigchromatographie-Massenspektrometrie (LC-MS)-Ansatz ein, der die Quantifizierungs-Konkatamer-Technologie (QconCAT) mit kurzen Mikrofluss-LC-Gradienten und datenunabhängiger Erfassung (DIA) kombiniert. Der vorgeschlagene Ansatz misst das Proteom durch markierungsfreie Quantifizierung (LFQ) und liefert gleichzeitig eine genaue absolute Quantifizierung der wichtigsten Amylase/Trypsin-Inhibitoren (ATIs) auf QconCAT-Basis.
Diese Methodik wurde eingesetzt, um die potenziellen Unterschiede zwischen Dinkel und Weichweizen zu untersuchen, wobei der Schwerpunkt auf Proteinen lag, die für die menschliche Gesundheit von Bedeutung sind. Wir identifizierten insgesamt 3.050 Proteine. Von den Gesamtproteinen wurden 1.555 Proteine in Dinkel und 1.166 Proteine in Weichweizen nur an einigen der Feldstandorte nachgewiesen. Es gab 1.495 bzw. 1.604 Proteine in Dinkel und Weichweizen, die an allen Feldstandorten in mindestens einer Sorte konsistent exprimiert waren. Schließlich gab es 84 bzw. 193 einzigartige Proteine für Dinkel und Weichweizen sowie 396 gemeinsame Proteine, die zwischen den beiden Arten signifikant unterschiedlich exprimiert wurden. Anhand der potenziell Allergenen Proteine Amylase-/Trypsin-Inhibitoren, Serpine und Weizenkeim-Agglutinin berechneten wir einen gleich gewichteten "Allergen-Index", der zwischen den einzelnen Sorten stark variierte und zwischen -13,32 und 10,88 lag, was das große Potenzial der Proteomik für zukünftige Weizenforschung aufzeigt.
Als nächstes untersuchten wir die Proteome von sechs verschiedenen Mehlen (Vollkorn- und Auszugsmehle) und 14 verschiedenen Brotsorten (hefe- und sauerteigfermentierte Brote und Weichweizenbrote plus/minus Brotverbesserungsmittel) aus Weichweizen, Dinkel und Roggen. Proteine, die Allergien auslösen könnten, wurden funktionell klassifiziert und mittels LFQ in Mehlen und Broten vergleichend gemessen. Unsere Ergebnisse zeigten, dass allergene Proteine in Weichweizen und Dinkel häufiger vorkommen als in Roggen und bei der Brotherstellung nicht spezifisch abgebaut werden. In Bezug auf die Menge der allergenen Proteine gab es fast keinen Unterschied zwischen Dinkel und Weichweizen, und die Getreideart ist wahrscheinlich wichtiger für die Allergenität als das Mahlen oder die traditionellen Fermentationsverfahren.
In einer weiteren Studie erstellten wir die Mehlreferenzproteome für fünf Weizenarten und identifizierten mindestens 2.540 Proteine in jeder Art. Mehr als 50 % der Proteine unterschieden sich signifikant zwischen den Arten. Vor allem Einkorn wies 5,4 bzw. 7,2 Mal weniger Allergene und Amylase-/Trypsin-Inhibitoren auf als Weichweizen, was ihn zu einer potenziellen Getreidealternative für Menschen macht, die empfindlich auf Getreideallergene reagieren.
Abschließend untersuchten wir die Anwendung der neuen Proteomikmethode für die Pflanzenzucht. Wir stellten fest, dass die Umweltfaktoren einen erheblichen Einfluss auf die Proteinexpression haben. Nur ein Bruchteil der Proteine wurde in allen Teststandorten in mindestens einer Sorte stabil exprimiert. Der Umwelteinfluss zeigte sich nicht nur in Form einer absoluten Expression oder Unterdrückung eines bestimmten Proteins in einer oder mehreren Orten, sondern auch in Form einer geringen Erblichkeit (H2). Hohe Variationskoeffizienten zwischen den Weizensorten deuten darauf hin, dass die Proteinprofile der verschiedenen Sorten erheblich variieren. Obwohl die Erblichkeit bei einem Großteil der Proteine klein war, konnten wir Hunderte von Proteinen mit H²>0,5 herausarbeiten - darunter Schlüsselproteine für die Backqualität und die menschliche Gesundheit. Es sollte möglich sein, die Expression funktionell wichtiger Proteine mit hoher Erblichkeit durch Selektion und Züchtung auf überlegene Weizensorten entlang der Weizenlieferkette gezielt zu beeinflussen. Vor einer aktiven Umsetzung in der Pflanzenzüchtung ist es jedoch dringend erforderlich, die Geschwindigkeit der Proteinquantifizierungsmethoden und die Validierung der Proteinfunktionen und -annotationen zu verbessern.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass eine große Anzahl von Proteinen in Getreidekörnern mit Hilfe modernster Proteomik-Techniken quantifiziert werden kann, was neue Wege für ihre Verwendung in der Weizenlieferkette eröffnet. Wir haben Listen mit interessanten Kandidatenproteinen für weitere Untersuchungen zur Weizensensitivität sowie mit Proteinen mit hoher Erblichkeit und wichtigen biologischen Funktionen erstellt. Diese Forschungsarbeit hat erhebliche Auswirkungen auf die Wissenschaft und die Wirtschaft in verschiedenen Disziplinen wie Züchtung, Landwirtschaft, Getreidetechnologie, Ernährungswissenschaft, Gesundheit und Medizin. Politische Entscheidungsträger und Interessengruppen in der Lebensmittelversorgungskette können von den Ergebnissen dieser Doktorarbeit profitieren
Extreme climate shock and locust infestation impacts in Ethiopia : farm-level agent-based simulation of adaptation and policy options
Get PDFExtreme climate shocks have been a daunting problem for smallholder farmers in Ethiopia for a decade. In recent years, locust invasions in many parts of the country have become another livelihood challenge to the subsistence farming population who already lives in dire livelihood situations. These two compounding shocks can lead to total crop failure at the early crop development stage or any crop growth stage. They are creating a massive economic upheaval in rainfed-dependent countries particularly affecting the well-being of resource-poor subsistence farmers. To reduce the effect of recurring shocks, especially climate risks, farmers have been implementing different risk management strategies. In addition to farmer autonomous adaptation practices, the government has been supporting farmer climate adaptation efforts by designing different policy interventions. In locust-hit areas, government and non-governmental organizations have designed and implemented different locust relief programs aimed at reducing associated welfare losses. Whether farmers can adapt to the effects of climate shocks or not by autonomous adaptation and/or with policy support is an empirical policy question. Moreover, as there are no studies of locust impacts and locust relief programs evaluation, the degree of locust livelihood devastation and the roles of locust relief policy interventions in minimizing the effect of locust shock are policy concerns.
To address these important and key empirical questions, this thesis applied a farm-level agent-based simulation model. MPMAS, a modeling framework developed at the University of Hohenheim for agent-based simulations, was applied to capture inseparable production and consumption decisions of subsistence farming households in the Central Rift Valley of Ethiopia. The modeling framework uses a whole-farm mathematical programming modeling approach to represent complex dynamics of farm household decisions where a set of constraints and their complex relationships are considered. This simulation model enables scenario-based policy analysis by comparing different climate, locust, and policy scenarios which is hardly possible using statistical and other reduced forms of econometrics models. Through establishing scenarios, the model helps to disentangle the pathways through which external shocks may affect the well-being of smallholder farmers.
MPMAS has been extensively applied for policy simulations in different countries including Ethiopia. This thesis extends previous MPMAS applications in Ethiopia by including new features for Central Rift Valley (MPMAS_CRV). MPMAS_CRV was parameterized from the CIMMYT household survey augmented with CSA datasets and own field research. Smallholder farmers ex-ante considerations of risk management strategies for possible climate shock are explicitly captured in MPMAS_CRV to assess their role in climate adaptation and welfare improvements. As part of enhancing the adaptive capacity of farm households to recurring climate shocks, the effect of policy interventions such as better access to credit services and improved agricultural technology are quantified by establishing climate and policy scenarios. Similarly, the thesis quantified the impact of locust invasions on household welfare outcomes and their response to locust relief interventions including food or cash transfers complemented with inputs and livestock provisions. Locust simulation is one of the novelties of this research as it is the first study to explicitly capture the welfare effects of the desert locust and assess the roles of locust relief programs through the application of MPMAS.
To enable climate and locust shock effects quantification and associated policy interventions, different simulation experiments were designed comprised of climate and locust shock frequencies and policy scenarios. The simulation experiments and analysis were performed using the computational resources of bwForCluster within the bwHPC infrastructure in the state of Baden-Württemberg, Germany.
Before using MPMAS_CRV for policy simulations, its reliability was validated using land use, livestock holding, and amount of crop sales by comparing simulated against observed survey values. The validation results suggest that MPMAS_CRV can represent and reflect real-world conditions so that it is reliable to use for impact quantification and policy simulations. In addition to empirical validation, the thesis conducted a global uncertainty analysis to check the robustness of the simulation results under different parameter variations and combinations to minimize erroneous policy formulations. Uncertainty analysis results show that the model converges rapidly at 50 repetitions which implies that these model repetitions are enough to cover the model uncertainty space.
In terms of extreme climate impacts and adaptations, the simulation results suggest that climate shocks affect the welfare of agents adversely to the extent that they face temporary food shortages, loss of discretionary income, and depletion of livestock assets. The welfare losses are similar for both with and without ex-ante measure scenarios which indicates that farm agents cannot adapt to extreme shocks by employing autonomous adaptations. After the shocks are over, the simulation results reveal that agents cannot recover income and livestock losses immediately even when they consider ex-ante measures in the planning for possible risks. This suggests that for resource-poor farm agents, income and assets recovery takes a longer period after perturbation which can lead to a long-term livelihood crisis and a poverty trap. But, according to the simulation results in this thesis, agents can recover from food shortage immediately after the shocks are over, as meeting minimum food requirements are an absolute priority for agents (which is also true with real-world subsistence smallholder farmers) over other competing goals.
Credit and technology policy simulation analysis further depict that welfare losses are partly compensated compared to without policies. Welfare losses of agents are better compensated when credit and technology are used jointly than when they are implemented separately. Similarly, technology policy intervention is better in compensating welfare losses compared to credit policy. Though policy interventions have compensational effects in minimizing the losses, they cannot completely offset the negative effects of extreme climate shocks even when implemented jointly. Disaggregation of simulation results by resource endowments suggests that agents with higher baseline income (without policy) and farm size appeared to be relatively less affected by shocks, and benefit from policy interventions the most.
Locust simulation results also suggest that locust shock leads to agent livelihood crisis and makes slower recovery of income and livestock assets rebuild without any relief intervention programs. Simulation of different locust relief policy interventions reveals that combined relief policy interventions appear to be superior in compensating welfare losses compared to individual relief interventions. When food or cash transfer is combined with inputs and assets the welfare losses are considerably reduced compared to the individual policy intervention. When asset recuperation is combined with other relief programs, livestock losses are substantially reduced which signifies the importance of asset support in building an asset base which has long-term benefits. Strengthening early warning systems by including seasonal weather forecasting has paramount importance to prevent the crisis of desert locust plague.Extreme Klimaschocks sind für Kleinbauern in Äthiopien seit einem Jahrzehnt ein beängstigendes Problem. In den letzten Jahren sind Heuschreckeninvasionen in vielen Teilen des Landes zu einer weiteren Herausforderung für die Existenzgrundlage der ohnehin schon unter schwierigen Bedingungen lebenden Subsistenzbauern geworden. Diese beiden sich gegenseitig verstärkenden Schocks können zu totalen Ernteausfällen in der frühen Entwicklungsphase der Ernte oder in jeder Wachstumsphase führen. Sie führen zu massiven wirtschaftlichen Umwälzungen in Ländern, die vom Regen abhängig sind, und beeinträchtigen insbesondere das Wohlergehen der ressourcenarmen Subsistenzbauern. Um die Auswirkungen wiederkehrender Schocks, insbesondere von Klimarisiken, zu verringern, haben die Landwirte verschiedene Risikomanagementstrategien eingeführt. Zusätzlich zu den autonomen Anpassungspraktiken der Landwirte hat die Regierung die Bemühungen der Landwirte zur Klimaanpassung durch verschiedene politische Maßnahmen unterstützt. In Gebieten, die von Heuschrecken heimgesucht wurden, haben Regierung und Nichtregierungsorganisationen verschiedene Programme zur Bekämpfung der Heuschrecken entwickelt und umgesetzt, um die damit verbundenen Wohlfahrtsverluste zu verringern. Ob sich Landwirte durch autonome Anpassung und/oder mit politischer Unterstützung an die Auswirkungen von Klimaschocks anpassen können oder nicht, ist eine empirische politische Frage. Da es keine Studien über die Auswirkungen von Heuschrecken und die Bewertung von Heuschreckenhilfsprogrammen gibt, sind das Ausmaß der Zerstörung der Lebensgrundlagen durch Heuschrecken und die Rolle der Heuschreckenhilfsmaßnahmen bei der Minimierung der Auswirkungen des Heuschreckenschocks von politischem Interesse.
Um diese wichtigen und zentralen empirischen Fragen zu beantworten, wurde in dieser Arbeit ein agentenbasiertes Simulationsmodell auf Betriebsebene eingesetzt. MPMAS, ein an der Universität Hohenheim entwickelter Modellierungsrahmen für agentenbasierte Simulationen, wurde angewandt, um die untrennbaren Produktions- und Verbrauchsentscheidungen von Subsistenzbauernhaushalten im zentralen Rift Valley in Äthiopien zu erfassen. Der Modellierungsrahmen verwendet einen mathematischen Programmierungsansatz für den gesamten Betrieb, um die komplexe Dynamik der Entscheidungen der bäuerlichen Haushalte darzustellen, wobei eine Reihe von Beschränkungen und deren komplexe Beziehungen berücksichtigt werden. Dieses Simulationsmodell ermöglicht eine szenariobasierte Politikanalyse durch den Vergleich verschiedener Klima-, Heuschrecken- und Politikszenarien, was mit statistischen und anderen reduzierten Formen ökonometrischer Modelle kaum möglich ist. Durch die Erstellung von Szenarien hilft das Modell, die Wege zu entschlüsseln, über die sich externe Schocks auf das Wohlergehen von Kleinbauern auswirken können.
MPMAS wurde in verschiedenen Ländern, darunter auch in Äthiopien, ausgiebig für Politiksimulationen eingesetzt. Diese Arbeit erweitert frühere MPMAS-Anwendungen in Äthiopien durch neue Funktionen für das zentrale Rift Valley (MPMAS_CRV). MPMAS_CRV wurde anhand der CIMMYT-Haushaltsbefragung parametrisiert und mit CSA-Datensätzen und eigener Feldforschung ergänzt. Ex-ante-Überlegungen von Kleinbauern zu Risikomanagementstrategien für mögliche Klimaschocks werden in MPMAS_CRV explizit erfasst, um ihre Rolle bei der Klimaanpassung und der Verbesserung des Wohlstands zu bewerten. Um die Anpassungsfähigkeit der landwirtschaftlichen Haushalte an wiederkehrende Klimaschocks zu verbessern, werden die Auswirkungen politischer Maßnahmen, wie z. B. ein besserer Zugang zu Krediten und verbesserter landwirtschaftlicher Technologie, durch die Erstellung von Klima- und Politikszenarien quantifiziert. In ähnlicher Weise wurden in dieser Arbeit die Auswirkungen von Heuschreckeninvasionen auf das Wohlergehen der Haushalte und ihre Reaktion auf Heuschreckenhilfsmaßnahmen wie Nahrungsmittel- oder Geldtransfers, ergänzt durch Betriebsmittel und Viehhaltung, quantifiziert. Die Heuschrecken-Simulation ist eine der Neuerungen dieser Studie, da sie die erste ist, die explizit die Auswirkungen der Wüstenheuschrecken auf das Wohlergehen der Haushalte erfasst und die Rolle von Heuschrecken-Hilfsprogrammen durch die Anwendung von MPMAS bewertet.
Um die Auswirkungen von Klima- und Heuschreckenschocks zu quantifizieren und damit verbundene politische Interventionen zu ermöglichen, wurden verschiedene Simulationsexperimente entworfen, die Klima- und Heuschreckenschockhäufigkeiten und politische Szenarien umfassen. Die Simulationsexperimente und Analysen wurden mit den Rechenressourcen des bwForCluster innerhalb der bwHPC-Infrastruktur des Landes Baden-Württemberg durchgeführt.
Vor der Verwendung von MPMAS_CRV für Politiksimulationen wurde seine Zuverlässigkeit anhand der Landnutzung, des Viehbestands und des Umfangs der Ernteverkäufe durch Vergleich der simulierten mit den beobachteten Erhebungswerten validiert. Die Validierungsergebnisse deuten darauf hin, dass MPMAS_CRV reale Bedingungen darstellen und widerspiegeln kann, so dass es zuverlässig für die Quantifizierung von Auswirkungen und für Politiksimulationen verwendet werden kann. Zusätzlich zur empirischen Validierung wurde in dieser Arbeit eine globale Unsicherheitsanalyse durchgeführt, um die Robustheit der Simulationsergebnisse unter verschiedenen Parametervariationen und -kombinationen zu überprüfen und fehlerhafte Politikformulierungen zu minimieren. Die Ergebnisse der Unsicherheitsanalyse zeigen, dass das Modell bei 50 Wiederholungen schnell konvergiert, was bedeutet, dass diese Modellwiederholungen ausreichen, um den Raum der Modellunsicherheit abzudecken.
In Bezug auf extreme Klimaauswirkungen und Anpassungen deuten die Simulationsergebnisse darauf hin, dass Klimaschocks das Wohlergehen der Landwirte insofern beeinträchtigen, als sie mit vorübergehender Nahrungsmittelknappheit, dem Verlust von verfügbarem Einkommen und der Erschöpfung des Viehbestands konfrontiert sind. Die Wohlfahrtsverluste sind sowohl für Szenarien mit als auch ohne Ex-ante-Maßnahmen ähnlich, was darauf hindeutet, dass sich die landwirtschaftlichen Akteure nicht durch autonome Anpassungen an extreme Schocks anpassen können. Nach den Schocks zeigen die Simulationsergebnisse, dass die Landwirte die Einkommens- und Viehbestandsverluste nicht sofort ausgleichen können, selbst wenn sie bei der Planung möglicher Risiken Ex-ante-Maßnahmen berücksichtigen. Dies deutet darauf hin, dass es bei ressourcenarmen Landwirten länger dauert, bis sich Einkommen und Vermögen nach einer Störung erholen, was zu einer langfristigen Existenzkrise und einer Armutsfalle führen kann. Den Simulationsergebnissen in dieser Arbeit zufolge können sich die Agenten jedoch unmittelbar nach dem Ende der Schocks von der Nahrungsmittelknappheit erholen, da die Deckung des Mindestbedarfs an Nahrungsmitteln für die Agenten absolute Priorität vor anderen konkurrierenden Zielen hat (was auch für Subsistenz-Kleinbauern in der realen Welt gilt).
Die Simulationsanalyse der Kredit- und Technologiepolitik zeigt außerdem, dass Wohlfahrtsverluste im Vergleich zu einer Politik ohne sie teilweise kompensiert werden. Die Wohlfahrtsverluste der Akteure werden besser ausgeglichen, wenn Kredit und Technologie gemeinsam eingesetzt werden, als wenn sie getrennt eingesetzt werden. In ähnlicher Weise kompensiert die Technologiepolitik Wohlfahrtsverluste besser als die Kreditpolitik. Obwohl politische Interventionen kompensatorische Effekte haben, indem sie die Verluste minimieren, können sie die negativen Auswirkungen extremer Klimaschocks nicht vollständig ausgleichen, selbst wenn sie gemeinsam eingesetzt werden. Eine Disaggregation der Simulationsergebnisse nach Ressourcenausstattung legt nahe, dass Agenten mit einem höheren Grundeinkommen (ohne Politik) und einer höheren Betriebsgröße relativ weniger von Schocks betroffen zu sein scheinen und am meisten von politischen Maßnahmen profitieren.
Die Ergebnisse der Heuschrecken-Simulationen deuten auch darauf hin, dass der Heuschreckenschock zu einer Existenzkrise führt und eine langsamere Erholung des Einkommens und des Viehbestands ohne jegliche Hilfsprogramme bewirkt. Die Simulation verschiedener Heuschreckenhilfsmaßnahmen zeigt, dass kombinierte Hilfsmaßnahmen im Vergleich zu einzelnen Hilfsmaßnahmen die Wohlfahrtsverluste besser auszugleichen scheinen. Wenn Nahrungsmittel- oder Geldtransfers mit Betriebsmitteln und Vermögenswerten kombiniert werden, sind die Wohlfahrtsverluste im Vergleich zu den einzelnen Maßnahmen erheblich geringer. Wenn die Rückgewinnung von Vermögenswerten mit anderen Hilfsprogrammen kombiniert wird, werden die Verluste beim Viehbestand erheblich reduziert, was auf die Bedeutung der Unterstützung von Vermögenswerten für den Aufbau einer Vermögensbasis hinweist, die langfristig von Nutzen ist. Die Stärkung der Frühwarnsysteme durch Einbeziehung saisonaler Wettervorhersagen ist von größter Bedeutung, um die Krise der Wüstenheuschreckenplage zu verhindern
Discrete choice experiments to analyse farmers decision behaviour using the example of pre-emptive rights for farmland and crop insurance
No full textAktuell stehen Landwirte in Deutschland immer neuen Herausforderungen gegenüber, deren Bewältigung eine betriebliche Anpassung und damit verbundene Entscheidungen erfordern. In Folge des Klimawandels treten immer häufiger Extremwetterereignisse auf, die die landwirtschaftliche Ernte schädigen oder gar vernichten können. Aus diesem Grund stehen Landwirte vor der Entscheidung, ob und wie sie ihre Kulturen vor auftretenden Schadereignisse schützen können und welche Instrumente hierfür am besten geeignet sind. Aber auch die immer weiter steigenden Preise auf dem landwirtschaftlichen Bodenmarkt und das damit verbundene Auftreten von außerlandwirtschaftlichen Investoren führen dazu, dass sich für Landwirte die Flächen verteuern können. Die in diesem Zusammenhang politisch diskutierte Möglichkeit zur Privilegierung von Landwirten gegenüber Investoren in Form von Vorkaufsrechten sind ein Instrument der Bodenmarktgestaltung. Damit sind die Schwerpunkte dieser Arbeit skizziert, das Entscheidungsverhalten von Landwirten in Zusammenhang mit diesen exemplarischen aktuellen Herausforderungen zu untersuchen. Und zu ermitteln, welche Zahlungs- bzw. Akzeptanzbereitschaft seitens der Landwirte für bestimmte Lösungsoptionen zur Bewältigung dieser Entscheidungsherausforderungen bestehen und welchen Nutzen diese Lösungsoptionen für Landwirte haben. Dazu werden Discrete Choice Experimente eingesetzt, bei denen die befragten Landwirte mit (fiktiven) Entscheidungssituationen konfrontiert werden, in denen aus mehreren Alternativen die bevorzugte zu wählen ist. Diese Alternativen werden von verschiedenen Attributen und Levels beschrieben, die systematisch über das gesamte Versuchsdesign variiert werden. Anschließend kann mit verschiedenen Modellen der Nutzen einzelner Attribute und die Zahlungs- bzw. Akzeptanzbereitschaft geschätzt werden.
Hierzu wurde ein Discrete Choice Experiment entwickelt, um das Entscheidungsverhalten von Landwirten bei der Eintragung von Vorkaufsrechten zu untersuchen, den Nutzen einzelner Vorkaufsrechtseigenschaften und die Zahlungsbereitschaft für diese Eigenschaften zu ermitteln. Im Ergebnis zeigt sich, dass die Mehrheit der befragten Landwirte aus Vorkaufsrechten einen Nutzen zieht und eine Zahlungsbereitschaft für Vorkaufsrechte an landwirtschaftlichen Nutzflächen aufweist. Beides hängt maßgeblich von den Eigenschaften des Vorkaufsrechts, aber auch von der persönlichen und betrieblichen Situation des Befragten, ab.
Aufgrund der Komplexität des Themas Vorkaufsrechte wurde noch ein weiteres Discrete Choice Experiment durchgeführt, um das Entscheidungsverhalten der Eigentümer der von Vorkaufsrechten betroffenen landwirtschaftlichen Grundstücke zu analysieren. Anhand der gewählten Stichprobe wurden nur Eigentümer landwirtschaftlicher Grundstücke befragt, die selbst Landwirte sind. Auch hier ging es darum, den Nutzen und die monetäre Akzeptanzbereitschaft von Vorkaufsrechten, diesmal auf Seiten der betroffenen Grundstückseigentümer, zu schätzen. Wider Erwarten zeigt sich hier, dass die befragten landwirtschaftlichen Grundstückseigentümer trotz der Belastung des Grundstücks im Grundbuch eine hohe Bereitschaft aufweisen, Vorkaufsrechte an ihren Grundstücken zugunsten von Landwirten eintragen zu lassen. Es wird aber auch deutlich, dass hierfür eine monetäre Akzeptanzbereitschaft besteht, d. h., dass für die Gewährung von Vorkaufsrechten eine Entschädigungszahlung erwartet wird. Wie bereits in den vorangegangenen Untersuchungen ist auch hier der Nutzen sowie die Akzeptanz-bereitschaft stark von den Eigenschaften des Vorkaufsrechts und der persönlichen und betrieblichen Situation der Befragten abhängig.
Abschließend wurde ein weiteres Discrete Choice Experiment unter Obst- und Weinbauern in Baden-Württemberg durchgeführt. Gegenstand der Untersuchung war das Entscheidungsverhalten der befragten Obst- und Weinbauern bezüglich des Abschlusses von staatlich geförderten Ertragsversicherungen zur Absicherung gegen Schäden aufgrund von Extremwetterereignissen. Die Erstellung des Discrete Choice Experiments basiert auf einem 2019 eingeführten Pilotprojekt des Landes Baden-Württemberg zur Förderung von Ertragsversicherungen gegen extremwetterbedingte Schäden im Obst- und Weinbau. Auch hier entscheidet sich die Mehrheit der Befragten für den Abschluss einer geförderten Ertragsversicherung und weist eine Zahlungsbereitschaft für Ertragsversicherungen auf. Diese Entscheidung wird maßgeblich durch die Eigenschaften der Versicherung, aber auch durch das bisherige Risikomanagement der befragten Betriebe, beeinflusst.
Zusammenfassend über alle durchgeführten Analysen lässt sich festhalten, dass Landwirte sich den aktuell auftretenden Herausforderungen stellen, sich mit den möglichen Lösungsoptionen auseinandersetzen und sich im Rahmen von Discrete Choice Experimenten mehrheitlich für diese Lösungsoptionen und somit gegen den Status Quo entscheiden.Farmers in Germany are currently facing new challenges, which require operational adaptation and associated decisions. As a result of climate change, extreme weather events are occurring with increasing frequency, which can damage or even destroy agricultural harvests. For this reason, farmers are faced with the decision of whether and how they can protect their crops from damaging events and which instruments are best suited for this purpose. However, the increasing prices on the farmland market and the associated appearance of non-agricultural investors on the farmland market also mean that land can become more expensive for farmers. The possibility of privileging farmers towards investors in the form of pre-emptive rights, which is being discussed politically in this context, is an instrument for shaping the farmland market. This outlines the focus of this work, which is to examine the decision-making behaviour of farmers in connection with these exemplary current challenges and to determine what willingness there is on the part of farmers to pay or accept certain solutions for overcoming these decision-making challenges and what benefits these solutions have for farmers.
Discrete choice experiments are used for this purpose, in which the farmers surveyed are confronted with (fictional) decision-making situations in which the preferred alternative is to be chosen from several alternatives. These alternatives are described by different attributes and levels, which are systematically varied over the entire experimental design. Subsequently, different models can be used to estimate the benefit of individual attributes and the willingness to pay or willingness to accept.
Therefore, a discrete choice experiment was developed to investigate the decision-making behaviour of farmers when registering pre-emptive rights, to determine the benefits of individual pre-emptive rights attributes and the willingness-to-pay for these attributes. The results,show, that the majority of the farmers surveyed preferred to choose one of the two pre-emptive rights over the status quo. I.e. farmers derive a benefit from pre-emptive rights and show a willingness-to-pay for pre-emptive rights to farmland, both of which depend on the characteristics of the pre-emptive right, but also on the personal and operational situation of the respondent.
Due to the complexity of the issue of pre-emptive rights, another discrete choice experiment was conducted to analyse the decision-making behaviour of the owners of farmland affected by pre-emptive rights. Based on the sample chosen, only owners of farmland who are farmers themselves were interviewed. Here, too, the aim is to estimate the benefits and the monetary willingness-to-accept for pre-emptive rights, this time on the part of the affected farmland owners. However, it also becomes clear that there is a monetary willingness-to-accept this, i.e. that a compensation payment is expected from the entitled party for the granting of pre-emptive rights. As in the previous studies, the benefit as well as the willingness-to-accept strongly depends on the char¬acteristics of the pre-emptive right and the personal and farm situation of the respondents.
Finally, another discrete choice experiment was conducted among orchardists and vintners in Baden-Württemberg. The subject of the study is the decision-making behaviour of the orchardists and vintners surveyed regarding the conclusion of state-subsidised crop insurance policies to protect against damage due to extreme weather events. The creation of the discrete choice experiment is based on a pilot project introduced in 2019 by the state of Baden-Württemberg to promote crop insurance against extreme weather-related damage in orcharding and viticulture. Here, too, the majority of respondents decide to take up subsidised crop insurance and show a willingness to pay for crop insurance. This decision is influenced by the characteristics of the crop insurance, but also by the previous risk management of the surveyed farms.
Summing up all the analyses carried out, it can be said that farmers face up to the challenges currently arising, deal with the possible solutions and, within the framework of discrete choice experiments, decide by majority in favour of these solutions and thus against the status quo
Assessment of phenotypic, genomic and novel approaches for soybean breeding in Central Europe
Get PDFSoybean is the economically most important leguminous crop worldwide and serves as a main source of plant protein for human nutrition and animal feed. Europe is dependent on plant protein imports and the EU protein self-sufficiency, which is an issue that has been on the political agenda for several decades, has recently received renewed interest. The protein imports are mainly in the form of soybean meal, and soybean therefore appears well-suited to mitigate the protein deficit in Europe. This, however, requires an improvement of soybean production as well as an expansion of soybean cultivation and thus breeding of new cultivars that combine agronomic performance with adaptation to the climatic conditions in Central Europe. The objective of this thesis was to characterize, evaluate and devise approaches that can improve the efficiency of soybean breeding.
Breeding is essentially the generation of new genetic variation and the subsequent selection of superior genotypes as candidates for new cultivars. The process of selection can be supported by marker-assisted or genomic selection, which are both based on molecular markers. A first step towards the utilization of these approaches in breeding is the characterization of the genetic architecture underlying the target traits. In this study, we therefore performed QTL mapping for six target traits in a large population of 944 recombinant inbred lines from eight biparental families. The results showed that some major-effect QTL are present that could be utilized in marker-assisted selection, but in general the target traits are quantitatively inherited.
For such traits controlled by numerous small-effect QTL, genomic selection has proven as a powerful tool to assist selection in breeding programs. We therefore also evaluated the genomic prediction accuracy and found this to be high and promising for the six traits of interest. In conclusion, these results illustrated the potential of genomic selection for soybean breeding programs, but a potential limitation of this approach are the costs required for genotyping with molecular markers.
Phenomic selection is an alternative approach that uses near-infrared or other spectral data for prediction instead of the marker data used for its genomic counterpart. Here, we evaluated the phenomic predictive ability in soybean as well as in triticale and maize. Phenomic prediction based on near-infrared spectroscopy (NIRS) of seeds showed a comparable or even slightly higher predictive ability than genomic prediction. Collectively, our results illustrate the potential of phenomic selection for breeding of complex traits in soybean and other crops. The advantage of this approach is that NIRS data are often available anyhow and can be generated with much lower costs than the molecular marker data, also in high-throughput required to screen the large numbers of selection candidates in breeding programs.
Soybean is a short-day plant originating from temperate China, and thus adaptation to the climatic conditions of Central Europe is a major breeding goal. In this study, we established a large diversity panel of 1,503 early-maturing soybeans, comprising of European breeding material and accessions from genebanks. This panel was evaluated in six environments, which revealed valuable genetic variation that can be introgressed into our breeding programs. In addition, we deciphered the genetic architecture of the adaptation traits flowering time and maturity.
Taken together, the findings of this study show the potential of several phenotypic, genomic and novel approaches that can be integrated to improve the efficiency of soybean breeding and thus hold great promise to assist the expansion of soybean cultivation in Central Europe through breeding of adapted and agronomically improved cultivars.Die Sojabohne ist die wirtschaftlich wichtigste Leguminose weltweit und dient als eine Hauptquelle für pflanzliches Eiweiß in der menschlichen Ernährung und im Tierfutter. Europa ist von pflanzlichen Eiweißimporten abhängig und die Selbstversorgung der EU mit Eiweiß, ein Thema, das seit mehreren Jahrzehnten auf der politischen Agenda steht, hat in letzter Zeit wieder an Interesse gewonnen. Die Eiweißimporte erfolgen hauptsächlich in Form von Sojaschrot und Soja scheint daher gut geeignet das Eiweißdefizit in Europa abzumildern. Dies erfordert jedoch eine Steigerung der Sojaproduktion sowie eine Ausweitung des Sojaanbaus und damit die Züchtung neuer Sorten, die agronomische Leistung mit Anpassung an die klimatischen Bedingungen in Mitteleuropa verbinden. Ziel dieser Arbeit war es, Ansätze zu charakterisieren, zu bewerten und zu entwickeln, die die Effizienz der Sojazüchtung verbessern können.
Züchtung basiert im Wesentlichen auf der Erzeugung neuer genetischer Variation und der anschließenden Selektion überlegener Genotypen als Kandidaten für neue Sorten. Dieser Selektionsprozess kann durch markergestützte oder genomische Selektion unterstützt werden, die beide auf molekularen Markern beruhen. Ein erster Schritt zur Nutzung dieser Ansätze in der Züchtung ist die Charakterisierung der den Zielmerkmalen zugrundeliegenden genetischen Architektur. Die Ergebnisse zeigten, dass es einige QTL mit großen Effekten gibt, die für die markergestützte Selektion genutzt werden könnten, aber im Allgemeinen werden die Zielmerkmale quantitativ vererbt.
Bei solchen Merkmalen, die von zahlreichen QTL mit kleinem Effekt kontrolliert werden, hat sich die genomische Selektion als leistungsfähiges Instrument zur Unterstützung der Selektion in Zuchtprogrammen erwiesen. Deshalb wurde auch die genomische Vorhersagegenauigkeit untersucht und festgestellt, dass diese für die sechs Zielmerkmale hoch und damit vielversprechend ist. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Ergebnisse das Potenzial der genomischen Selektion für Sojazuchtprogramme verdeutlichten, wobei jedoch die Kosten für die Genotypisierung mit molekularen Markern ein möglicher Nachteil dieses Ansatzes sind.
Die phänomische Selektion ist ein alternativer Ansatz, bei dem Nahinfrarot- oder andere Spektraldaten für die Vorhersage verwendet werden, anstatt der Markerdaten wie bei der genomische Selektion. Hier wurde die phänomische Vorhersagefähigkeit bei Soja sowie bei Triticale und Mais untersucht. Die phänomische Vorhersage mittels Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) von Bohnen/Körnern zeigte eine vergleichbare oder sogar leicht höhere Vorhersagegenauigkeit als die genomische Vorhersage. Der Vorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass NIRS-Daten häufig ohnehin erhoben werden und mit wesentlich geringeren Kosten als molekulare Markerdaten generiert werden können, auch im Hochdurchsatz, der für das Screening der großen Anzahl von Selektionskandidaten in Züchtungsprogrammen erforderlich ist.
Die Sojabohne ist eine Kurztagspflanze, die ursprünglich aus den gemäßigten Zonen in China stammt, weshalb die Anpassung an die klimatischen Bedingungen in Mitteleuropa ein wichtiges Zuchtziel ist. In dieser Studie wurde ein großes Diversitätspanel mit 1.503 frühreifenden Sojalinien erstellt, das aus europäischem Zuchtmaterial und Akzessionen aus Genbanken besteht. Dieses Panel wurde in sechs Umwelten evaluiert, was wertvolle genetische Variationen aufzeigte, die in Zuchtprogramme eingebracht werden kann. Darüber hinaus wurde die genetische Architektur der Adaptationsmerkmale Blühzeitpunkt und Reife entschlüsselt.
Insgesamt zeigen die Ergebnisse dieser Studie das Potenzial verschiedener phänotypischer, genomischer und neuer Ansätze, die zur Verbesserung der Effizienz der Sojazüchtung integriert werden können und vielversprechend sind, um die Ausweitung des Sojaanbaus in Mitteleuropa durch die Züchtung angepasster und agronomisch verbesserter Sorten zu unterstützen
Nutrition during pregnancy and early infancy in urban and rural areas of Deyang region, Southwestern China
Get PDFIn the past years, China has made remarkable progress in achieving the Millennium Development Goals. However, there are still significant urban-rural disparities and regional differences in the main indicators of child nutrition, maternal and child health. Inadequate dietary intake with regard to certain macro- and micronutrients occurs among women during the reproductive period. Despite the efforts that have been made to promote breastfeeding in China since the 1990s, there is still a very low prevalence of exclusive breastfeeding during the first six months of life. Therefore, the purpose of this observational study was to assess dietary intake and identify risk factors for nutritional inadequacy in pregnant women and to assess the current situation of infant feeding practices during the postpartum hospital stay in urban and rural settings of the study area in China.
Between 2010 and 2012, cross-sectional sampling was used in two urban hospitals and five rural clinics randomly selected in the Deyang region. A total of 203 pregnant women in the third trimester and 204 pairs of mothers and newborns were recruited on the basis of informed consent during antenatal clinic sessions and in postnatal wards respectively. Semi-structured interviews on anthropometric and socio-demographic information were conducted for both the pregnant women and postpartum mothers. In addition, data on 24-h dietary recalls of pregnant women, birth outcomes and infant feeding practices of postpartum mothers were collected.
Prior to pregnancy, 26.3% of the pregnant women were found to be underweight, while only 5.1% were overweight, based on self-reported pre-pregnancy weight. The womens overall dietary energy intake during the third trimester originated excessively from fat, was low in carbohydrates, and reached the lower limits for protein. Compared to rural areas, women living in urban areas had significantly higher reference nutrient intake fulfilment levels for energy, fat, protein, vitamin A, Zn, Fe, Ca and riboflavin. The likelihood of pregnant women following certain traditional food recommendations such as avoiding beef, mutton, fish etc. was higher in rural than in urban areas.
Both the short-term (e.g. gestational weight gain) and long-term nutritional status (e.g. height) of the mothers affected the birth outcomes (e.g. type of delivery). The decision for a Caesarean Section (CS) was not only related to medical/obstetrical issues but also nutritional and social demographic factors. The short stature of mothers, excessive gestational weight gain, larger-sized newborns, higher educational level or older ages of mothers were significantly positively related to the probability of CS.
Although almost all of the mothers started breastfeeding after childbirth, the high prevalence of CS delayed initiation of breastfeeding. Due to the widespread use of infant formula, the prevalence of exclusive breastfeeding (EBF) was only 8.0 % one week after delivery. Regardless of prelacteal feedings, almost exclusive breastfeeding (AEBF) was 34.5%. Breastfeeding initiation within two days after birth was positively associated with AEBF, whereas smaller newborns, mothers with higher education level, mothers lack of knowledge about the importance of colostrum were negatively associated with AEBF. As most mothers lacked knowledge of the lactation physiology, higher formal education was often not related to a better knowledge of breastfeeding.
In conclusion, culturally sensitive nutrition education sessions are necessary for both urban and rural women. Special attention must be given to the nutritional status, especially of rural women, before or, at the latest, during pregnancy. Personalized nutritional guidance for expectant mothers should be based on comprehensive consideration of all aspects, such as dietary intake, place of origin (rural vs. urban), body height, and gestational weight gain etc. Better guidance for the gestational weight gain of Chinese mothers needs to be established. Although disparities between urban and rural areas exist, the situation of infant feeding is inadequate in both settings. The high prevalence of CS, the mothers poor knowledge of the physiology of breast milk production, the mothers lack of breastfeeding confidence, the widespread advertising of breast milk substitutes, and the changing perception of the function of breasts, may influence the unfavorable breastfeeding behavior observed in the study area. In order to prevent CS and to promote breastfeeding, education about the complications and disadvantages of CS especially among mothers with higher education, older childbearing age, and primiparas needs to be strengthened. Supporting adequate maternal nutrition during the reproductive period and creating a good breastfeeding environment requires the efforts of the whole society.In den letzten Jahren konnte China bemerkenswerte Fortschritte bei der Verwirklichung der Millenniums-Entwicklungsziele erreichen. Es gibt jedoch immer noch erhebliche Unterschiede zwischen Stadt und Land, sowie regionale Unterschiede bei der Erfüllung der Hauptindikatoren für kindliche Ernährung, oder der Gesundheit von Mutter und Kind. Bei Frauen im gebärfähigen Alter liegt eine unzureichende Versorgung mit Makro- und Mikronährstoffen häufig vor. Trotz der Bemühungen die seit den 1990er Jahren in China unternommen wurden, um das Stillen zu fördern, ist die Prävalenz des ausschließlichen Stillens in den ersten sechs Lebensmonaten sehr gering. Ziel dieser Beobachtungsstudie war es, die Nahrungsaufnahme schwangerer Frauen zu erheben als auch Risikofaktoren für eine unzureichende Ernährung zu ermitteln, sowie die aktuelle Situation der Säuglingsernährungspraktiken während des Krankenhausaufenthalts nach der Geburt in städtischen und ländlichen Regionen innerhalb des Untersuchungsgebietes zu bewerten.
Zwischen 2010 und 2012 wurden in zwei städtischen Krankenhäusern und fünf zufällig ausgewählten ländlichen Kliniken in der Region Deyang Querschnittsproben erhoben. Insgesamt konnten 203 schwangere Frauen im dritten Trimester und 204 Mutter-Kind Paare auf der Grundlage einer Einverständniserklärung während vorgeburtlicher Untersuchungen in Kliniken bzw. auf postnatalen Stationen rekrutiert werden. Strukturierte Interviews zu soziodemografischen Fragestellungen und anthropometrische Erhebungen wurden sowohl für schwangere Frauen als auch für Mütter nach der Entbindung durchgeführt. Darüber hinaus wurden 24-Stunden-Ernährungsprotokolle bei schwangeren Frauen erhoben, während Geburtsergebnisse als auch Säuglingsernährungspraktiken postnatal bei Wöchnerinnen erfragt werden konnten.
Vor der Schwangerschaft waren 26,3% der Frauen untergewichtig, aber nur 5,1% übergewichtig, basierend auf selbstberichteten Gewichtsdaten. Die Nahrungsenergie der schwangeren Frauen im 3 Trimester stammte übermäßig aus Fett, war kohlenhydratarm und erreichte die untere Grenze des Proteinreferenzwertes. Im Vergleich zu Frauen aus ländlichen Gebieten erreichten die in der Stadt Deyang lebenden Frauen eine signifikant höhere Erfüllung der Nährstoffreferenzwerte in Hinblick auf Energie, Fett, Protein, Vitamin A, Zn, Fe, Ca und Riboflavin. Die Wahrscheinlichkeit, dass schwangere Frauen bestimmte traditionelle Ernährungsempfehlungen, wie die Vermeidung von Rindfleisch, Hammel, Fisch usw. befolgen, war in ländlichen Gebieten höher als in der Stadt.
Sowohl der kurzfristige (z. B. Gewichtszunahme während der Schwangerschaft) als auch der langfristige Ernährungsstatus (z. B. Größe) der Mütter beeinflusste die Geburtsergebnisse (z. B. Art der Entbindung). Die Entscheidung für einen Kaiserschnitt stand nicht nur in Zusammenhang mit medizinischen/geburtshilflichen Fragen, sondern auch mit ernährungsbedingten und soziodemografischen Faktoren. So stand ein verkürztes Längenwachstum der Mutter, eine übermäßige Gewichtszunahme während der Schwangerschaft, die Größe des Neugeborenen, sowie ein höheres Bildungsniveau oder zunehmendes Alter der Mutter in signifikant positiven Zusammenhang mit der Wahrscheinlichkeit für eine Kaiserschnittentbindung.
Obwohl fast alle Mütter nach der Geburt mit dem Stillen begannen, verzögerte die hohe Kaiserschnitt-Prävalenz den Beginn des Stillens. Aufgrund der weit verbreiteten Verwendung von Muttermilchersatzprodukten betrug die Prävalenz des ausschließlichen Stillens eine Woche nach der Entbindung nur 8,0%. Unabhängig von der prelaktalen Nahrungszufuhr, betrug das fast ausschließliche Stillen 34,5%. Der Beginn der Laktation innerhalb der ersten zwei Tage nach der Geburt war positiv mit fast ausschließlichem Stillen assoziiert, während kleinere Neugeborene, Mütter mit höherem Bildungsniveau und Mütter, denen das Wissen über die Bedeutung von Kolostrum fehlte, negativ mit fast ausschließlichem Stillen assoziiert waren. Da die meisten Mütter keine Kenntnisse über die Laktationsphysiologie hatten, war eine höhere formale Bildung meist nicht mit einer besseren Kenntnis des Stillens verbunden.
Zusammenfassend ist festzuhalten, dass sowohl für Frauen aus städtischen als auch ländlichen Gebieten eine kulturell sensible Ernährungsberatung erforderlich ist. Besondere Aufmerksamkeit muss dem Ernährungszustand, insbesondere bei Frauen auf dem Land, vor oder spätestens während der Schwangerschaft gewidmet werden. Personalisierte Ernährungsberatung für werdende Mütter sollte auf einer umfassenden Berücksichtigung aller Aspekte wie Nahrungsaufnahme, Herkunftsort (ländlich oder städtisch), Körpergröße und Gewichtszunahme während der Schwangerschaft basieren. Eine bessere Beratung hinsichtlich der Gewichtszunahme während der Schwangerschaft chinesischer Mütter sollte eingeführt werden. Obwohl sich Unterschiede zwischen städtischen und ländlichen Gebieten aufzeigten, ist die Situation der Säuglingsernährung in beiden Regionen unzureichend. Die hohe Kaiserschnitt-Prävalenz, das mangelnde Wissen der Mütter über die Physiologie der Muttermilchproduktion, unzureichendes Vertrauen der Mütter in das Stillen, die weit verbreitete Werbung für Muttermilchersatzprodukte und die veränderte Wahrnehmung der Funktion von Brüsten können zu ungünstigen Stillpraktiken führen. Um medizinisch nicht begründete Kaiserschnitte zu vermeiden und das Stillen zu fördern, muss die Aufklärung über die Komplikationen und langfristigen Nachteile von Kaiserschnittgeburten, insbesondere bei gebildeteren Müttern, und Frauen in höherem gebärfähigen Alter als auch bei Erstgebärenden, verstärkt werden. Die Verbesserung der mütterlichen Ernährung während der reproduktiven Phase und die Schaffung eines guten Stillumfeldes erfordert die Anstrengungen der gesamten Gesellschaft
The intestinal microbiome and metabolome of dairy cows under challenging conditions
Get PDFThe modern dairy cow is confronted with a multitude of stressors throughout live. Especially calving, transition, and microbial infections are strong challenges that can have long-lasting impacts on the cows health and performance. Yet, individuals can differ in their response towards these challenges, raising the question which characteristics in the dairy cow contribute to a more or less robust animal. Apart from genetics, the gut microbiome and the entailed metabolome is assumed to play an important role in buffering or promoting host stress. This is also due to the fact that the gut microbiome is strongly involved in the hosts energy metabolism and immune system. As dairy cows often show performance impairments during high energy demanding periods, it could be suggested that improving energy metabolism in these specific phases might reduce the negative phenotypic outcomes. This was tested using dietary L-carnitine, a metabolite inevitably necessary for energy metabolism. However, no supplement effects on the intestinal microbiome or metabolome have been found in the present work. Supplementation was continued throughout the complete trial. Calving functioned as an individual stimulus, and an intra-venous LPS injection induced a standardized inflammatory challenge, as a specific amount of LPS per kg of bodyweight was applied per cow. Supplemented animals were compared to a control group. In total, the animals were studied across 168 days and sampled extensively at several sites. The focus of this thesis was to analyze the bacterial consortia and metabolites of both, host and bacteria, in rumen, duodenum, and feces throughout the given period. This was to elucidate the metabolic reactions and bacterial shifts during the mentioned challenging periods and their response to the L-carnitine supplementation.
First, the ruminal and duodenal fluid microbiome of eight double cannulated animals during the two respective challenges was analysed. Before calving and feed change, rumen and duodenal fluid bacterial consortia were significantly different, thereafter very alike. Strong microbial community shifts were observed throughout the complete trial irrespectively of the matrix. Both matrices varied in their metabolite patterns indicating functional variation among sites. Also, a strong increase of Bifidobacterium at three days after calving was observed in almost all animals pointing towards a strong biological purpose. This needs to be investigated in upcoming studies. The study could show increasing ketogenic activities in the animals after calving and proposes a possible protective host-microbial interaction, against a ruminal collapse induced by LPS challenge, here described as "microbial airbag".
The second part included fecal samples of the same animals, which were analyzed for their bacterial consortia and targeted metabolites. Different dynamics and diversities of microbial communities amongst the individuals were observed, according to which animals could be grouped into three microbiome clusters. These showed in part fundamentally different metabolic, health, and performance parameters, indicating strong host-microbiome-metabolite interactions. The study demonstrated that microbiome clustering may contribute to identifying different metabo- and production types. Again, the study observed a strong increase of Bifidobacterium at three days after calving and even during the LPS challenge supporting the findings of the former study. This strengthens the hypothesis that also for the cow Bifidobacterium may have protective effects, as this genus is largely involved in health promoting activities.
The power of this project lies in the massive sampling of different body sites in dairy cows across a very long period of time and finally, merging of the collected data. This, however, requires high computational efforts as numerous time points, matrices, animals, measurements, treatments, feeding regimen, and challenges resulted into a large bandwidth of parameters and metadata. Yet, it bears the potential to better elucidate and understand actions and reactions of the host, its microbiome and metabolism, as well as organ-axes in dairy cows and thereby gaining a more holistic picture of these complex animals.
The aim of analyzing the host, its microbiome and metabolome throughout challenging periods resulted into the following main findings. Time, calving, and feed change remarkably change the microbial communities and to a lesser extent the metabolomes in all three matrices. Rumen and proximal duodenal fluid samples significantly differ in their metabolomes but not in their microbiome. In all matrices, an increase of Bifidobacterium is seen within three days after calving, which has to be further researched. Across the herd, three distinct microbiome clusters are found, which significantly differ in their production and health parameters.Die moderne Milchkuh steht während ihres Lebens einer Vielzahl an Herausforderungen gegenüber. Insbesondere Kalbungen, die Transitphasen, sowie mikrobielle Infektionen sind einschneidende Herausforderungen, welche lebenslange Folgen für die Gesundheit und die Leistung haben können. Trotzdem können Individuen in ihrer Stressantwort stark variieren, weshalb sich die Frage aufdrängt, welche Charakteristika die einzelne Milchkuh zu einem mehr oder weniger resilienten Tier machen. Neben der Genetik wird vermutet, dass das Darmmikrobiom und das daraus resultierende Metabolom eine wichtige Rolle bei der Pufferung oder Förderung von Wirtsstress spielen. Dies liegt auch daran, dass das Darmmikrobiom wesentlich den Energiestoffwechsel und das Immunsystem des Wirts beeinflusst. Da Milchkühe in Phasen hohen Energiebedarfs häufig Leistungseinbußen zeigen, könnten, den Energiestoffwechsel unterstützende Maßnahmen die negativen phänotypischen Ergebnisse abmildern. Daher untersuchte die vorliegende Arbeit den Effekt einer L- Carnitin Supplementierung auf den Energiestoffwechsel. Dieser Metabolit ist wichtig für den Abbau langkettiger Fettsäuren, die vor allem bei der Mobilisierung von Fettreserven nach der Kalbung entstehen. In dieser Arbeit wurden jedoch keine Auswirkungen der Supplementierung auf das Darmmikrobiom oder das Metabolom gefunden.
Die hier beschriebene Studie umfasste die Transitphase, das Kalben als individuellen Stimulus und eine intravenöse, durch LPS induzierte entzündliche Noxe. Letzteres stellte einen standardisierten Stressor dar, da jeder Kuh eine spezifische LPS-Menge pro kg Körpergewicht appliziert wurde. Supplementierte Tiere wurden mit einer Kontrollgruppe verglichen und 168 Tage lang ausgiebig beprobt. Der Fokus dieser Dissertation lag auf der Analyse der bakteriellen Gemeinschaften und Metaboliten des Wirtes und der Bakterien innerhalb des Pansens, Duodenums und Kotes. Hierbei sollten die Stoffwechselreaktionen und bakteriellen Verschiebungen während der erwähnten herausfordernden Perioden und die Reaktion auf die L-Carnitin-Supplementierung aufgedeckt werden.
Zuerst wurde das Mikrobiom der Pansen- und Duodenaldigesta von acht doppelt fistulierten Tieren, während der Noxen analysiert. Vor dem Futterwechsel und der Kalbung waren die Bakterienkonsortien des Pansens und Duodenums signifikant unterschiedlich, danach sehr ähnlich. Während des gesamten Versuchs wurden, unabhängig von der Matrix, starke Veränderungen des Mikrobioms beobachtet. Beide Matrizen variierten in ihren Metabolitenmustern, was auf die unterschiedlichen Funktionen der Sektionen zurückzuführen ist. Zudem, wurde bei fast allen Tieren ein klarer Anstieg von Bifidobacterium drei Tage nach dem Kalben beobachtet, was auf einen starken biologischen Zweck hindeutet, der in zukünftigen Studien untersucht werden muss. Eine zunehmende ketogene Aktivität der Tiere nach dem Kalben konnte gezeigt werden. Der "mikrobielle Airbag" beschreibt einen möglichen Mechanismus zwischen dem Wirt und seinem Mikrobiom, welcher den Wirt während der LPS challenge vor einem Pansenkollaps schützt.
Der zweite Teil der Arbeit befasste sich mit den Kotproben derselben Tiere, die auf ihr Mikrobiom und einer Auswahl an Metaboliten analysiert wurden. Es zeigten sich unterschiedliche Dynamiken und Diversitäten mikrobieller Gemeinschaften zwischen den Individuen, welche sich hierdurch in drei verschiedene Mikrobiom Gruppen einteilen ließen. Diese Gruppen zeigten zum Teil grundlegend unterschiedliche Stoffwechsel-, Gesundheits- und Leistungsparameter, was auf starke Wechselwirkungen zwischen Wirt, Mikrobiom und Metabolom hindeutet. Es konnte gezeigt werden, dass Enterotypisierungen dazu beitragen können, verschiedene Metabo- und Produktionstypen zu identifizieren. Auch hier konnte ein starker Anstieg von Bifidobacterium drei Tage nach dem Kalben und sogar während der LPS challenge gezeigt werden, was die Ergebnisse aus der vorausgegangenen Studie mit Pansen und Duodenalsaft unterstützt. Da diese Gattung in hohem Maße an gesundheitsfördernden Aktivitäten beteiligt ist, erhärtet sich die Hypothese, dass Bifidobacterium auch für das Muttertier schützende Wirkungen haben könnte.
Die Besonderheit dieses Projekts liegt in den umfassenden Beprobungen verschiedener Matrizen der Milchkühe über einen sehr langen Zeitraum hinweg und schließlich die Zusammenführung der gesammelten Daten. Dies erfordert ein hohes Maß an Datenmanagement, da zahlreiche Zeitpunkte, Matrizen, Tiere, Messungen, Behandlungen, Fütterungsregime und Noxen zu einer großen Bandbreite an Parametern und Metadaten führt. Es birgt jedoch das Potenzial, Aktionen und Reaktionen des Wirts, seines Mikrobioms und Stoffwechsels, sowie der Organachsen bei Milchkühen besser zu verstehen und so ein ganzheitlicheres Bild dieser komplexen Tiere zu gewinnen.
Die Untersuchung der Milchkuh, sowie deren Mikrobiom und Metabolom in kritischen Zeiträumen führte zu den folgenden Hauptergebnissen. Die Zeit, das Kalben und der Futterwechsel haben das Mikrobiom und in geringerem Maße die Zusammensetzungen der Metaboliten aller untersuchter Matrizes verändert. Proben des Pansens und des proximalen Duodenums unterschieden sich signifikant in ihren metabolischen Zusammensetzungen, jedoch nicht in ihren mikrobiellen Gemeinschaften. In allen Matrizen konnte drei Tage nach der Kalbung ein Anstieg von Bifidobacterium festgestellt werden, den es weiter zu beleuchten gilt. Über die Herde hinweg konnten drei Individuengruppen erfasst werden, welche sich hinsichtlich ihres Mikrobioms sowie in ihren Leistungs- und Gesundheitsparametern signifikant unterschieden
Empirical essays on initial public offerings
Get PDFDie vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit dem Börsengang amerikanischer Unternehmen. Hierbei werden zwei Forschungsfelder in den Blick genommen. Erstens wird das Phänomen des vorzeitigen Rückzugs vom Börsengang untersucht. Aus methodischer Perspektive wird hierbei analysiert, in wie weit die Verwendung neuer Verfahren aus dem Bereich des Machine Learning einen Rückzug vom Börsengang präziser vorhersagen kann, als klassische, bisher genutzte statistische Verfahren. Aus inhaltlicher Perspektive wird die Kontextabhängigkeit bestimmter Einflussfaktoren hervorgehoben. Zweitens stehen die Auswirkungen des Börsengangs auf Konkurrenten im Fokus. Hierbei liegt ein besonderes Augenmerk auf der Frage, durch welche kausalen Mechanismen diese durch einen Börsengang konkurrierender Unternehmen beeinflusst werden. Diese Frage wird mit in diesem Forschungsfeld bisher nicht angewendeten Methoden aus dem Bereich der Kausalen Inferenz untersucht.
Die Ergebnisse der durchgeführten Analysen liefern wesentliche neue Erkenntnisse zum Phänomen des Rückzugs vom Börsengang sowie zu den Auswirkungen eines Börsengangs auf Konkurrenten. Es stellt sich heraus, dass Machine Learning Verfahren den Rückzug tatsächlich präziser vorhersagen können als die bisher genutzten statistischen Verfahren. Jedoch zeigen sich gleichzeitig neue Schwierigkeiten bei der Vorhersage zukünftiger Rückzüge basierend auf historischen Daten. Des Weiteren deuten die Ergebnisse darauf hin, dass bestimmte Determinanten, insbesondere Variablen, die eine gute Corporate Governance signalisieren, besonders in unsicheren Marktbedingungen eine wichtige Rolle spielen. Ferner unterscheidet sich der Effekt von VC Backing hinsichtlich verschiedener VC Charakteristika.
Hinsichtlich des Effekts von Börsengängen auf Konkurrenten bestätigt sich, dass von der Theorie bisher angenommene, aber nicht explizit getestete Kausalmechanismen in der Tat eine wichtige Rolle für die Auswirkungen auf Konkurrenten spielen können. Hierbei deuten die Ergebnisse insbesondere darauf hin, dass der Börsengang eines Konkurrenten die Konkurrenzsituation in der Industrie verschärft und deshalb mit negativen Effekten auf die Konkurrenten einhergeht.
Die vorliegende Dissertation zeigt somit neue Erklärungsansätze auf, weist aber auch auf neue Fragen hin. Es deutet sich hierbei an, dass insbesondere das Zusammenspiel neue theoretischer Überlegungen mit innovativen methodischen Ansätzen zu neuen Erkenntnissen beitragen kann.This dissertation builds on and extends previous IPO literature by analyzing unresolved questions with regard to the phenomenon of IPO withdrawals and the effect of IPOs on industry rivals.
After a short introductory chapter, chapter 2 contributes to the analysis of IPO withdrawal by taking a data-driven and forward-looking perspective. In particular, it applies two machine learning methods, namely lasso and random forest, to predict IPO withdrawal and compares the performance of both models to the performance of a logistic regression model. Results show that random forest predicts IPO withdrawal quite well and outperforms lasso and logit with regard to in-sample prediction and cross-sectional out-of-sample prediction. However, all models fail substantially when trying to predict future IPO withdrawal. One explanation for this puzzling finding is the presence of concept drift a change in the relationship between the predictors and IPO withdrawal over time. Further, the study contributes to the clarification of the question of which variables are most important to predict IPO withdrawal by exploiting certain features of the machine learning methods and considering a vast selection of different predictors. Market characteristics at filing seem to be the most important variables for prediction in all models, while corporate governance and intermediary characteristics seem to be less important.
Closely related to the second chapter, the third chapter takes a more theory-based perspective on IPO withdrawal. This chapter is co-authored with Tereza Tykvová and a reviewed version is published in the Journal of Corporate Finance. It addresses the question whether certain factors, particularly high-quality corporate governance and VC backing, may serve as signals for investors and can thus reduce the withdrawal probability, especially in risky market environments. The latter argument is based on the assumption that investors are especially careful in these situations and thus signals might be especially meaningful. Results from an interaction-term analysis suggest that corporate governance characteristics, like large and experienced boards, are indeed able to reduce the withdrawal probability in highly volatile markets. However, this finding does not hold true for VC backing per se. We therefore delve deeper into the effect of VCs by distinguishing three VC characteristics: syndicated vs. stand-alone VCs, domestic vs. foreign VCs, and VCs with high vs. low reputation. The analysis reveals that local VCs and VC syndication tend to reduce the withdrawal probability, particularly in highly volatile markets, which supports the signaling explanation. In contrast, the withdrawal probability for firms backed by reputable VCs tend to be lower only in less volatile and not in highly volatile markets. One explanation for this finding could be that these firms rather follow a dual-track strategy or postpone the IPO more likely in highly volatile markets than in less volatile markets.
Chapter 4 moves away from IPO withdrawals towards the consideration of intra-industry effects of IPOs. Irrespective of the question of whether to withdraw or complete an IPO after filing, an IPO filing might influence its industry rivals. In order to analyze the mechanisms behind the effects of IPO filings on industry rivals more closely, I apply a new two-step-methodology which consists of an event study in the first step and a Difference-in-Difference analysis in the second step. This methodology allows to separately test for the existence of a competition and an information effect. The rationale of the competition effect is that by going public, firms gain some kind of competitive advantage over their industry rivals thereby increasing the competitive pressure in the industry and harm their rivals. The idea behind the information effect is that an IPO filing does not only deliver information about the IPO firm but about also about the industry in which it operates. In this connection, the information effect could either induce positive (by signaling good growth prospects) or negative (by foreshadowing future negative industry trends or revealing that the industry is overvalued) valuation effects on industry rivals. Results provide evidence for the existence of the competition effect, suggesting that IPO filings tend to harm industry rivals to a certain extent. In contrast, results do not provide sufficient evidence for the existence of the information effect. However, the lack of evidence for an aggregate information effect could also be the result of a positive effect on some but a negative effect on other rival firms which cancel each other out.
Finally, chapter 5 concludes with a summary and provides and outlook for future research in the field of IPOs
Improvement of the acceptance of a solid lying area by fattening pigs and rearing piglets
Get PDFSocietys demands for more and better animal welfare in Germany have increased in recent years which has been promoted by the introduction of a lot of animal welfare labels and legislative changes. Therefore, housing systems with fully slatted floors, a minimum space allowance and a few employment opportunities are no longer state of the art. However, the implementation of more animal welfare confronts farmers with a large number of challenges. Among other things, there are still many problems with the integration of a solid lying area, due to the high risk of fouling and the resulting poor indoor climate.
Functionally reliable solutions were to be found in the project Label-Fit for the integration of a solid lying area into existing conventional housing systems for rearing piglets and fattening pigs. Based on literature research and expert discussions, the influencing factors group size, pen structure, type of perforated floor, light intensity, a cooled/heated lying area and a cover over the lying area were examined. These factors were investigated in four fattening and two rearing compartments over three years (five fattening periods with a total of 2200 pigs; six rearing periods with a total of 1152 piglets) in the Bildungs- und Wissenszentrum Boxberg (LSZ). The lying behavior, the fouling of the pens and animals and various climate parameters were recorded and evaluated to assess the acceptance of the lying area.
In order to examine the influence of the light intensity, spotlights were located over the slatted area in fattening pens to make this area unattractive for lying and influence the lying behavior and the soiling of the lying surface positively. This increased light intensity leads to significantly more pigs lying on the solid lying area, but it did not affect the fouling. Furthermore, the effect of a cooled lying area on fattening pigs was tested. The cooling of the lying area leads to significantly more animals on the lying area even at higher temperatures, and the fouling of the animals was reduced significantly. The fouling of the lying area was not affected; however, the fouling was very low in this examination. The temperature requirements in the rearing of piglets change greatly during the rearing period, consequently, two heating systems and a floor cooling system were examined in two rearing compartments. There was no difference between the two heating systems on the lying behavior. However, significantly more piglets lay on the cooled lying area compared with the control pen during the last weeks. The fouling of the pens and animals was very low but not affected by the cooling or heating systems. Two of the fattening compartments were converted with pens for 18 pigs and two compartments with pens for 28 pigs. The two group sizes could only be compared descriptively due to structural and temporal differences. The acceptance and the cleanliness of the lying area in the groups with 28 animals were better than in the smaller groups. Furthermore, two different arrangements of the perforated area on one side or two sides of the lying area were tested, but only descriptively. It was shown that more animals were lying on the lying area in the pen with the slatted area on one side, but the solid lying area was dirtier. The position of the feeding can also influence the acceptance of the designated functional area. Therefore, two feeder positions were examined descriptively: In the middle and at the edge of the lying area. The results showed that more pigs were lying on the solid lying area when the feeding was placed at the edge. In addition, the fouling of the lying area and partly also of the animals was reduced in pens with feeding at the edge. The attractiveness of lying in the designated elimination area can be decreased by the type of floor. Therefore, a concrete slatted area was compared with a triangular grid area. Significantly more pigs lay on the solid lying area in pens with a triangular grid, especially when the temperature was low. Finally, the influence of the heated lying area and a cover over a part of the lying area was compared. The results showed that a cover over the lying area seems to lead to more pigs lying on the solid lying area, which was also fouled less than in pens with heated lying areas (no significant differences).
Based on the results of this study and the results of other studies, recommendations for an optimized pen structure with a solid lying area are summarized in a decision aid for the structuring of a pen for fattening pigs or rearing piglets. In addition, as part of this dissertation, an optimized pen for fattening pigs with a solid lying area was designed.
The results of the dissertation show that there are many ways to implement a solid lying area. A combination of several of these approaches has the potential to improve the acceptance of a solid lying area in conventional pig housing systems.Die Forderungen der Gesellschaft nach mehr Tierwohl in Deutschland sind in den letzten Jahren gestiegen, was durch die Einführung vieler Tierschutzlabel und Gesetzesänderungen gefördert wurde. So sind Stallsysteme mit Vollspaltenböden, einem minimalen Platzangebot und wenigen Beschäftigungsmöglichkeiten nicht mehr Stand der Technik. Die Umsetzung von mehr Tierwohl stellt die Landwirte jedoch vor viele Herausforderungen. Unter anderem gibt es viele Probleme bei der Integration eines geschlossenen Liegefläche aufgrund der hohen Verschmutzungsgefahr und des daraus resultierenden schlechten Stallklimas.
Im Projekt Label-Fit sollten funktionssichere Lösungen für die Integration einer geschlossenen Liegefläche in bestehende konventionelle Stallsysteme für die Ferkelaufzucht und Mastschweine gefunden werden. Basierend auf Literaturrecherchen und Expertengesprächen wurden die Einflussfaktoren Gruppengröße, Buchtenstruktur, Art des perforierten Bodens, Lichtintensität, eine gekühlte/beheizte Liegefläche und eine Abdeckung der Liegefläche untersucht. Diese Faktoren wurden in vier Mast- und zwei Aufzuchtabteilen über drei Jahre (fünf Mastdurchgänge mit insgesamt 2200 Schweinen; sechs Aufzuchtdurchgänge mit insgesamt 1152 Ferkeln) im Bildungs- und Wissenszentrum Boxberg (LSZ) untersucht. Zur Beurteilung der Akzeptanz der Liegefläche wurden das Liegeverhalten, die Verschmutzung der Buchten und der Tiere sowie verschiedene Stallklimaparameter erfasst und ausgewertet.
Um den Einfluss der Lichtintensität zu untersuchen, wurden Strahler über dem Spaltenbereich in Mastbuchten angebracht, um diesen Bereich zum Liegen unattraktiv zu machen und das Liegeverhalten und die Verschmutzung der Liegefläche positiv zu beeinflussen. Diese erhöhte Lichtintensität führte dazu, dass signifikant mehr Schweine auf der Liegefläche lagen, hatte aber keinen Einfluss auf die Verschmutzung. Die Kühlung der Liegefläche in Mastschweinebuchten führt dazu, dass auch bei höheren Temperaturen signifikant mehr Tiere auf der Liegefläche lagen und die Tierverschmutzung signifikant reduziert war. Die Verschmutzung der Liegefläche wurde nicht beeinflusst, allerdings war diese bei dieser Untersuchung insgesamt sehr gering. Aufgrund der sich ändernden Temperaturanforderungen im Verlauf der Ferkelaufzucht, wurden in zwei Aufzuchtabteilen zwei Heizsysteme und ein Bodenkühlsystem untersucht. Es zeigte sich kein Unterschied zwischen den beiden Heizsystemen auf das Liegeverhalten. Allerdings lagen in den letzten Wochen deutlich mehr Ferkel auf der gekühlten Liegefläche. Die Verschmutzung der Buchten und Tiere war sehr gering und wurde weder durch die Kühl- noch durch die Heizsysteme beeinflusst. Zwei der Mastabteile wurden mit Buchten für je 18 Schweine und zwei Abteile mit Buchten für je 28 Schweine umgebaut. Die beiden Gruppengrößen konnten nur deskriptiv verglichen werden. Die Akzeptanz und die Sauberkeit der Liegefläche waren in den Gruppen mit 28 Tieren besser. Des Weiteren wurden zwei unterschiedliche Anordnungen des perforierten Bereichs, auf einer Seite bzw. zwei Seiten der Liegefläche, getestet (nur deskriptiv). Es zeigte sich, dass in Buchten mit perforierter Fläche zu einer Seite der Liegefläche mehr Tiere auf der Liegefläche lagen, aber diese stärker verschmutzt waren. Auch die Position der Fütterung kann die Akzeptanz der Funktionsfläche beeinflussen. Deshalb wurden zwei Fütterungspositionen deskriptiv untersucht: In der Mitte und am Rand des Liegebereichs. Es lagen mehr Schweine auf der Liegefläche, wenn die Fütterung am Rand platziert war. Außerdem war die Verschmutzung der Liegefläche und teilweise auch der Tiere in Buchten mit der Fütterung am Rand geringer. Die Attraktivität, in den vorgegebenen Kotbereich zu liegen, kann durch die Art des perforierten Bodens verringert werden. Deshalb wurden Betonspalten mit Dreikantrost verglichen. In Buchten mit Dreikantrost lagen insbesondere bei niedrigen Temperaturen deutlich mehr Schweine auf der Liegefläche. Schließlich wurde der Einfluss der beheizten Liegefläche und einer Abdeckung über einem Teil der Liegefläche verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Abdeckung der Liegefläche dazu führt, dass mehr Schweine auf der festen Liegefläche liegen, die auch weniger verschmutzt war als in Buchten mit beheizten Liegeflächen.
Basierend auf den Ergebnissen dieser Studie und anderer Untersuchungen, werden Empfehlungen für eine optimierte Buchtenstruktur mit geschlossenem Liegebereich in Form einer Entscheidungshilfe zur Strukturierung einer Bucht für Mastschweine oder Aufzuchtferkel zusammengefasst. Darüber hinaus wurde im Rahmen dieser Dissertation eine optimierte Bucht für Mastschweine mit geschlossener Liegefläche konzipiert.
Die Ergebnisse der Dissertation zeigen, dass es viele Möglichkeiten gibt, einen geschlossene Liegefläche umzusetzen. Eine Kombination aus mehreren dieser Ansätze hat das Potenzial, die Akzeptanz einer geschlossenen Liegefläche in konventionellen Schweineställen zu verbessern
Convective-scale data assimilation of thermodynamic lidar data into the weather research and forecasting model
Get PDFThis thesis studies the impact of assimilating temperature and humidity profiles from ground-based lidar systems and demonstrates its value for future short-range forecast. Thermodynamic profile obtained from the temperature Raman lidar and the water-vapour differential absorption lidar of the University of Hohenheim during the High Definition of Clouds and Precipitation for advancing Climate Prediction (HD(CP)2) project Observation Prototype Experiment (HOPE) are assimilated into the Weather Research and Forecasting model Data Assimilation (WRFDA) system by means of a new forward operator. The impact study assimilating the high-resolution thermodynamic lidar data was conducted using variational and ensemble-based data assimilation methods. The first part of the thesis describes the development of the thermodynamic lidar operator and its implementation through a deterministic DA impact study. The operator facilitates the direct assimilation of water vapour mixing ratio (WVMR), a prognostic variable in the WRF model, without conversion to relative humidity. Undesirable cross sensitivities to temperature are avoided here so that the complete information content of the observation with respect to the water vapour is provided. The assimilation experiments were performed with the three-dimensional variational (3DVAR) DA system with a rapid update cycle (RUC) with hourly frequency over ten hours. The DA experiments with the new operator outperformed the previously used relative humidity operator, and the overall humidity and temperature analyses improved. The simultaneous assimilation of temperature and WVMR resulted in a degradation of the temperature analysis compared to the improvement observed in the sole temperature assimilation experiment. The static background error covariance matrix (B) in the 3DVAR was identified as the reason behind this behaviour. The correlation between the temperature and WVMR variables in the background error covariance matrix of the 3DVAR, which is static and not flow-dependent, limited the improvement in temperature.
The second part of the thesis provides a solution for overcoming the static B matrix issue. A hybrid, ensemble-based approach was applied using the Ensemble Transform Kalman Filter (ETKF) and the 3DVAR to add flow dependency to the B matrix. The hybrid experiment resulted in a 50% lower temperature and water vapour root mean square error (RMSE) than the 3DVAR experiment. Comparisons against independent radiosonde observations showed a reduction of RMSE by 26% for water vapour and 38% for temperature. The planetary boundary layer (PBL) height of the analyses also showed an improvement compared to the available ceilometer. The impact of assimilating a single lidar vertical profile spreads over a 100 km radius, which is promising for future assimilation of water vapour and temperature data from operational lidar networks for short-range weather forecasting. A forecast improvement was observed for 7 hours lead time compared with the ceilometer derived planetary boundary layer height observations and 4 hours with Global Navigation Satellite System (GNSS) derived integrated water vapour observations. With the help of sophisticated DA systems and a robust network of lidar systems, the thesis throws light on the future of short-range operational forecasting.Die Einfluss der Integration von Temperatur- und Feuchtigkeitsprofilen aus bodengestützten aktiven Lidar-Systemen wird untersucht und ihr Nutzen für künftige Kurzstreckenvorhersagen wird demonstriert. Thermodynamische Profile, die mit dem Temperatur-Raman-Lidar und dem Wasserdampf-DIAL der Universität Hohenheim während des Observation Prototype Experiment (HOPE), das Teil des Projekts High Definition of Clouds and Precipitation for advancing Climate Prediction (HD(CP)2) war, gewonnen wurden, werden mit Hilfe eines neuen Vorwärtsoperators in das Datenasimilations-System (DA) des Wetterforschungs- und -vorhersagemodells (WRF) Modells assimiliert. Die Untersuchungen zum Einfluss der Assimilation der hochauflösenden thermodynamischen Lidar-Daten wurden dabei mit Variations- und Ensemble-basierten Datenassimilationsmethoden durchgeführt.
Der erste Teil des Arbeit beschreibt die Entwicklung des Lidar-Operators und seine Implementierung mit Hilfe einer deterministischen Datenassimilationsstudie. Der Operator ermöglicht die direkte Assimilation des Wasserdampf-Mischungsverhältnisses (WVMR), einer prognostischen Variable im WRF-Modell, ohne Umrechnung in relative Feuchte. Unerwünschte Querempfindlichkeiten zur Temperatur werden hierbei vermieden, und der vollständige Informationsgehalt der Beobachtung in Bezug auf den Wasserdampf wird genutzt.
Das Assimilations-Experiment wurde mit einer 3-dimensionalen Variationsdatenassimilation (3DVAR) durchgeführt, wobei über einen Zeitraum von zehn Stunden jede Stunde eine 3DVAR durchgeführt wurde. Die DA-Experimente mit dem neuen Operator verbesserten die Ergebnisse gegenüber dem zuvor verwendeten Operator für die relative Luftfeuchtigkeit, und die Wasserdampf- und Temperaturanalysen wurden insgesamt optimiert. Die gleichzeitige Assimilation von Temperatur und WVMR führte dabei zu einer geringfügigen Verschlechterung des Temperaturfeldes in der Analyse, während eine Verbesserung des Temperaturfeldes beobachtet wurde, wenn die Temperatur allein assimiliert wurde. Die statische Hintergrundfehler-Kovarianzmatrix (B) in der 3DVAR wurde als Grund für dieses Verhalten identifiziert. Die Korrelation zwischen den Temperatur- und den WVMR-Variablen in der statischen und nicht-strömungsbedingten Hintergrundfehler-Kovarianzmatrix der 3DVAR begrenzte die Verbesserung im Hinblick auf die Temperatur.
Der zweite Teil der Arbeit zeigt eine Lösung zur Überwindung des Problems der statischen B-Matrix auf. Es wurde ein hybrider Ansatz angewandt, der den Ensemble Transform Kalman Filter (ETKF) zusammen mit der 3DVAR verwendet, um der Hintergrundfehler-Kovarianzmatrix eine Strömungsabhängigkeit hinzuzufügen. Das Hybridexperiment führte, im Vergleich zum 3DVAR, zu einem 50% niedrigeren mittleren quadratischen Fehler (RMSE) für die Temperatur undWasserdampf. Vergleiche mit unabhängigen Radiosondenbeobachtungen zeigten eine Verringerung des RMSE um 26% für Wasserdampf und 38% für die Temperatur. Vergleiche mit Ceilometern, die während HOPE zur Verfügung standen, zeigten, dass die prognostizierte Höhe der planetarischen Grenzschicht (PBL) deutlich näher an den Beobachtungen war. Der Einflussbereich der Assimilation eines einzelnen Lidar-Vertikalprofils erstreckte sich über einen Radius von 100 km, was für die Assimilation vonWasserdampfund Temperaturdaten aus operationellen Lidar-Netzwerken für die kurzfristige Vorhersage vielversprechend ist. Eine Verbesserung der Vorhersage bezüglich der Entwicklung der planetarischen Grenzschicht konnte in den ersten 7 Stunden nach der letzten 3DVAR erreicht werden. Ein Vergleich mit vom Globalen Navigationssatellitensystem (GNSS) abgeleiteten Beobachtungen des integrierten Wasserdampfs ergab eine Verbesserung der Vorhersage während der ersten 4 Stunden nach dem letzten 3DVAR. Mit Hilfe von hochentwickelten DA-Systemen und einem robusten Netzwerk von Lidar-Systemen wirft die Arbeit ein Licht auf die Verbesserung der Zukunft der operativen Vorhersage im Nahbereich
Farming forest enclosures : contestations, practices and implications for tackling deforestation in Ghana
Get PDFScientists and policymakers are waking to the menacing impacts of deforestation on biodiversity and the livelihoods of the over one billion people reliant on forests. Concurrently, an upward trend in population and its corresponding rise in the global demand for feed, food, fuel, and fibre exerts new demands on limited land resources available to multiple stakeholders. As the competition over land intensifies, many farmers in the tropics employ several strategies to cultivate areas designated as forest reserves for their livelihoods, leading to further deforestation and conflicts with state forestry agencies. Moreover, despite decades of investments in institutions to directly fund smallholder farmers participation in rehabilitating deforested landscapes, little is known about the reach and performance of existing financial incentive mechanisms. This dissertation adds to filling these knowledge gaps based on qualitative case studies embedded in multiple analytical and data collection approaches in Ghana, which loses near 2% (135,000 ha) of its forests annually despite several efforts to overcome the challenge. Following a brief introduction and clarification of conceptual underpinning in Chapter 1, the knowledge gaps are addressed with three empirical publications (chapters 2-4).
Chapter two examines why and how farmers in forest communities gain and secure access to their farmlands within forest reserves to produce food and cash crops against state law. Through process-net maps, focus group discussions, interviews, and field observation, data were gathered through an extended field stay in Ghanas Juabeso district. The findings unbridle the multiple structural and relational mechanisms farmers apply to evade state attempts to rein in illegal farming in the area and how institutional deficiencies, notably corruption and elite capture of farming benefits by native chiefs, reinforce farming in forest reserves. The chapter discusses the broader implications of the findings for the Ghanaian governments attempts to accelerate forest landscape rehabilitation, noting that such efforts will need to adapt to the multiple struggles and latent actor interests to succeed.
Chapter three disentangles the narratives and experiences of forest communities and compares them with the current assumptions underlying forest policy in Ghana from the perspective of the most dominant forest policy actors. The results contend with current assumptions that portray forest communities as environmentally destructive. Alternatively, it reveals that while several factors combine to drive forest-dependent communities to cultivate forest reserves, the challenge of food insecurity is paramount but unconveyed to the forest policy arena. The chapter proposes a novel concept of food security corridors (FSCs) as a meta-narrative for harmonising competing actor interests in forest reserves. The chapter also discusses the feasibility of FSCs and calls for further efforts to refine and pilot the concept in the global search for solutions to forest and agriculture land-use conflicts in the tropics.
Chapter four examines the governance of Ghanas Forest Plantation Development Fund as an incentive system instituted to attract smallholders into landscape rehabilitation based on interviews with tree growers, forestry officials and NGO staff. The study revealed that the legal provisions instituted to ensure the funds transparent operation were not implemented by fund administrators. Many stakeholders were clueless about the Fund and could neither access nor demand accountability in its administration. The chapter clarifies the information needs of various fund stakeholders, such as eligibility criteria, funding cycles, annual inflows and outflows, and a list of beneficiaries. It also discusses the implications of the findings, including mechanisms required to trigger the transparent running of the fund by its administrators.
The thesis reveals new patterns of perennial land competition between state and traditional institutions. It demonstrates how prevailing institutional challenges reinforce this competition and enable unsustainable land use to flourish. At the same, it points to lapses in governance, including state failure to evolve its forest policies to meet changing demands and needs among contemporary actors and how the same challenges curtail access and ability to support forestation rehabilitation efforts in Ghana. Overall, the thesis notes that while tackling farming in forest reserves can be challenging due to its multiple drivers and the competing actor interests, FSCs have the potential to serve as an entry point that enables government and other actors to resolve their differences and find lasting solutions that enable local communities to achieve their livelihoods needs while contributing to sustainable land use. However, for this potential to be realised, actors need to invest in refining and piloting FSCs in specific localities.Wissenschaftler und politische Entscheidungsträger werden sich der bedrohlichen Auswirkungen der Entwaldung auf die biologische Vielfalt und die Lebensgrundlage von über einer Milliarde Menschen bewusst, die auf Wälder angewiesen sind. Gleichzeitig führen die steigende Bevölkerungszahl und der damit verbundene Anstieg der weltweiten Nachfrage nach Futtermitteln, Nahrungsmitteln, Brennstoffen und Fasern zu neuen Anforderungen an die begrenzten Landressourcen, die den verschiedenen Interessengruppen zur Verfügung stehen. Da sich der Wettbewerb um Land verschärft, wenden viele Landwirte in den Tropen verschiedene Strategien an, um als Waldreservate ausgewiesene Flächen für ihren Lebensunterhalt zu bewirtschaften, was zu weiterer Entwaldung und Konflikten mit staatlichen Forstbehörden führt. Trotz jahrzehntelanger Investitionen in Institutionen zur direkten Finanzierung der Beteiligung von Kleinbauern an der Wiederherstellung entwaldeter Landschaften ist nur wenig über die Reichweite und Leistungsfähigkeit der bestehenden finanziellen Anreizmechanismen bekannt. Diese Dissertation trägt dazu bei, diese Wissenslücken zu schließen, und zwar auf der Grundlage qualitativer Fallstudien, die in verschiedene Analyse- und Datenerhebungsansätze in Ghana eingebettet sind, wo trotz verschiedener Bemühungen zur Bewältigung dieser Herausforderung jährlich fast 2 % (135.000 ha) der Waldfläche verloren gehen. Nach einer kurzen Einführung und Klärung der konzeptionellen Grundlagen in Kapitel 1 werden die Wissenslücken mit drei empirischen Veröffentlichungen (Kapitel 2-4) angegangen.
In Kapitel zwei wird untersucht, warum und wie Landwirte in Waldgemeinden Zugang zu ihrem Ackerland innerhalb von Waldreservaten erhalten und sichern, um entgegen dem staatlichen Recht Nahrungsmittel und Nutzpflanzen anzubauen. Die Ergebnisse zeigen die vielfältigen strukturellen und relationalen Mechanismen auf, mit denen sich die Landwirte den Versuchen des Staates entziehen, die illegale Landwirtschaft in dem Gebiet einzudämmen, und wie institutionelle Mängel, insbesondere Korruption und die Aneignung der landwirtschaftlichen Vorteile durch die einheimischen Häuptlinge, die Landwirtschaft in den Waldreservaten fördern. Das Kapitel erörtert die allgemeinen Auswirkungen der Ergebnisse auf die Versuche der ghanaischen Regierung, die Wiederherstellung der Waldlandschaft zu beschleunigen, und stellt fest, dass solche Bemühungen nur dann erfolgreich sein können, wenn sie den vielfältigen Kämpfen und latenten Interessen der Akteure Rechnung tragen.
In Kapitel drei werden die Erzählungen und Erfahrungen der Waldgemeinschaften aufgeschlüsselt und mit den aktuellen Annahmen verglichen, die der ghanaischen Forstpolitik aus der Sicht der wichtigsten forstpolitischen Akteure zugrunde liegen. Die Ergebnisse widerlegen die gängigen Annahmen, die die Waldgemeinschaften als umweltzerstörerisch darstellen. In diesem Kapitel wird das neuartige Konzept der Korridore für Ernährungssicherheit (FSC) als Meta-Erzählung zur Harmonisierung konkurrierender Interessen von Akteuren in Waldreservaten vorgeschlagen. Das Kapitel erörtert auch die Machbarkeit von FSCs und fordert weitere Anstrengungen zur Verfeinerung und Erprobung des Konzepts bei der globalen Suche nach Lösungen für Konflikte zwischen Wald und Landwirtschaft in den Tropen.
In Kapitel vier wird die Verwaltung des ghanaischen Forest Plantation Development Fund anhand von Interviews mit Baumzüchtern, Forstbeamten und NRO-Mitarbeitern untersucht. Die Studie ergab, dass die Richtlinien des Fonds von seinen Verwaltern nicht umgesetzt werden. Viele Beteiligte wussten nichts über den Fonds und konnten weder Zugang zu ihm haben noch Rechenschaft über seine Verwaltung einfordern. In diesem Kapitel wird der Informationsbedarf der verschiedenen Akteure des Fonds geklärt, z. B. in Bezug auf Förderkriterien, Finanzierungszyklen, jährliche Zu- und Abflüsse und eine Liste der Begünstigten. Außerdem werden die Auswirkungen der Ergebnisse erörtert, einschließlich der Mechanismen, die erforderlich sind, um eine transparente Verwaltung des Fonds durch seine Verwalter zu gewährleisten.
Die Arbeit zeigt neue Muster der Landkonkurrenz zwischen staatlichen und gewohnheitsrechtlichen Institutionen auf. Sie zeigt, wie bestehende institutionelle Herausforderungen den Wettbewerb und eine nicht nachhaltige Landnutzung verstärken. Insgesamt stellt die Arbeit fest, dass die Bewirtschaftung von Waldreservaten aufgrund der vielfältigen Faktoren und der konkurrierenden Interessen der Akteure zwar eine Herausforderung darstellt, die FSC jedoch das Potenzial haben, als Ansatzpunkt zu dienen, der es der Regierung und anderen Akteuren ermöglicht, ihre Differenzen beizulegen und dauerhafte Lösungen zu finden, der jedoch verfeinert und erprobt werden muss