2013 research outputs found
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Incentives in health care provision
Get PDFThe importance of finding ways to ensure high quality health care provision in a cost-effective and efficient way becomes a more and more pressing issue considering the challenges many economies currently face due to ageing populations, rising costs caused by advancements in medical technology or an increasing shortage in qualified personnel.
Chapter 2 analyzes empirically how the introduction of a surgical suite governance document affects punctuality in first case of the day starts. Delays in first cases are an indicator for inefficiencies in operating room utilization. Because operating rooms constitute a major driver in hospitals operating costs, clinic management has a strong interest in incentivizing process efficiency. This analysis focuses on the implementation of a surgical suite governance document, which explicitly specifies the starting time of the first case of the day and formulates scheduling rules. First case punctuality is an easily observable and measurable performance indicator, which is associated with only minor tracking efforts and consequently low costs. The analysis uses a quasi-experimental setting, which arose from the lagged implementation of an identical governance document in two different hospital sites belonging to the same hospital group. To assess the effect of the governance document empiricallya difference-in-difference estimation approach is implemented. Results indicate that the introduction of a surgical suite governance document is associated with significant reductions in first case delays. In conclusion, a surgical suite governance document seems to offer a promising tool to incentivize health care workers to use costly resources like surgery capacities more efficiently.
Chapter 3 analyzes the effects of a reimbursement change - from fee-for-service paid out-of-pocket (OOP-FFS) to a capitation fee per patient - on health service provision. This change was part of a selective contract in outpatient pediatric care introduced by a large German sickness fund in 2014. The present analysis aims at deriving further insights on how reimbursement affects service provision and at offering guidelines for future designs of selective contracts. To reflect the special features of the analyzed selective contract, namely that incentives change for both the pediatricians and the patients simultaneously, a theoretical model is set up to derive a testable hypothesis. The model predicts that given pediatricians are not only monetarily incentivized (but also sufficiently concerned about patients well-being) and that costs associated with screening provision are relatively small, reimbursement change from OOP-FFS to capitation will induce an increase in service provision. Using a generalized difference-in-difference approach, the theoretically derived hypothesis is tested empirically. Results indicate that the change from fee-for-service paid out-of-pocket to a capitation fee per patient did lead to a significant increase in provided screenings as the number of diagnoses more than doubles for pediatricians enrolled in the program. These findings indicate that physicians are not solely driven by monetary incentives and that capitation per patient offers a valuable tool to ensure cost control yet simultaneously ensure effective health care provision.
Chapter 4 examines to which extent policymakers are able to incentivize hospitals to increase quality provision by actively fostering the link between performance indicator reporting and hospitals reputation. A better understanding of policymakers influence on quality incentives is crucial as empirical findings show that hospitals vary with respect to quality provision, implying that potential for improvements exists at least for some service providers. By fostering the link between hospitals outcome-based performance indicators such as mortality-, readmission- or complication rates and reputation, policymakers are able to affect hospitals market share and thereby ultimately hospitals incentives for quality provision. Ways to strengthen the aforementioned link are manifold, e.g. by raising awareness about the existence and importance of hospital performance reports or by improving populations health literacy to ensure that patients are able to decode the information provided by performance indicators correctly. The main finding is that a strengthened link between performance indicators realization and hospitals reputation does not necessarily result in stronger incentives for quality provision. In the case where the degree of competition is sufficiently low and the costs associated with quality provision are sufficiently high, an intensified link between performance indicators and reputation induces a decrease in quality provision. If the opposite is true, strengthening the link between performance indicators realization and hospitals reputation always induces an increase in quality provision.Viele Staaten sind mit steigenden Ausgaben in der öffentlichen Gesundheitsversorgung konfrontiert, welche durch Faktoren wie den demografischen Wandel, den technischen Fortschritt in der medizinischen Versorgung sowie der zunehmenden Verknappung des Angebots qualifizierten Fachpersonals getrieben werden. Daher gewinnt die Sicherstellung einer kosteneffizienten sowie kosteneffektiven Gesundheitsversorgung eine immer stärkere Bedeutung.
In Kapitel 2 erfolgt eine empirische Analyse der Einführung eines nicht-monetären Anreizinstruments im Rahmen des OP-Managements. Der Betrieb von Operationssälen ist für den Krankenhausträger mit hohen Kosten verbunden, sodass das Krankenhausmanagement ein starkes Interesse an der effizienten Nutzung der Saalkapazitäten besitzt. In der vorliegenden Analyse wird anhand von Prozessdaten untersucht, ob die Einführung eines Statuts, welches die Zeit- und Prozessplanung im Operationssaal sowie etwaige Sanktionsmaßnahmen im Falle wiederkehrender Verstöße spezifiziert, einen Einfluss auf die Pünktlichkeit des ersten elektiven Eingriffs des Tages hat. Die vorliegende Analyse nutzt die zeitlich verschobene Einführung eines identischen OP-Management Statuts in zwei unterschiedlichen Klinikstandorten eines Klinikbetreibers. Hieraus ergibt sich ein quasi-experimentelles Design, welches die Implementierung eines Differenz-von-Differenzen Ansatzes erlaubt. Die Ergebnisse zeigen, dass es im untersuchten Standort nach der Einführung des Statuts zu einer signifikanten Verringerung um knapp ein Drittel der durchschnittlichen morgendlichen Verspätung kam. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass ein solches Statut ein kostengünstiges und effektives Instrument zur Anreizsetzung einer effizienteren Nutzung des Operationssaals darstellen kann.
Kapitel 3 beschäftigt sich mit der Analyse einer Vergütungsänderung im ambulanten Sektor, bei der eine Veränderung von einer Einzelleistungsvergütung (in Form einer individuellen Gesundheitsleistung) zu einer pauschalierten Vergütung betrachtet wird. Bei dem untersuchten Selektivvertrag ergibt sich sowohl eine Veränderung der Anreize auf Seiten der behandelnden Ärzte als auch der Patienten. Es erfolgt zunächst die Entwicklung eines theoretischen Modells, mit dem Ziel eine testbare Hypothese hinsichtlich der Verhaltensänderung der betroffenen Ärzte ableiten zu können. Das Modell sagt voraus, dass im Falle ausschließlich monetär angereizter Ärzte eine Reduktion der ausgebrachten Leistungen zu erwarten ist. Falls die betroffenen Pädiater allerdings einen Nutzengewinn aus der Verbesserung des Patientenwohls durch die Erbringung der pauschalierten Leistung erfahren, und die mit der Leitungserbringung verbundenen Kosten hinreichend klein sind, kommt es zu einer erhöhten Ausbringung. Die Ergebnisse der empirischen Analyse zeigen, dass sich die Anzahl der erbrachten Leistungen bei der Interventionsgruppe nach Einführung des Selektivvertrags mehr als verdoppelt und damit signifikant erhöht haben. Dies deutet darauf hin, dass eine Pauschalierung ein effizientes Werkzeug zur Kostenkontrolle und Bereitstellung effizienter Gesundheitsversorgung darstellen kann.
In Kapitel 4 erfolgt eine theoretische Analyse inwieweit staatliche Regulatoren in der Lage sind, über eine Intensivierung des Einflusses veröffentlichter Leistungskennzahlen - wie beispielsweise die Mortalitäts- oder die Komplikationsraten - auf die Reputation eines Krankenhauses, Krankenhäuser zu einer Steigerung ihrer Qualitätsanstrengungen anzureizen. Hierbei wird davon ausgegangen, dass eine höhere Reputation mit höheren Marktanteilen verbunden ist, da Patienten bei der Krankenhauswahl jene Häuser mit hoher Reputation bevorzugen. Eine Verbesserung der Qualität in der stationären Versorgung ist aus regulatorischer Perspektive von Interesse, da empirische Untersuchungen zeigen, dass teils starke Variationen in der Versorgungsqualität zwischen Krankenhäuser innerhalb einer Region existieren. Um eine flächendeckend hochwertige Versorgungsqualität zu erreichen, ist es wichtig, Anreize hinsichtlich einer Erhöhung der ausgebrachten Qualität zu analysieren. Grundsätzlich können staatliche Regulatoren beeinflussen, inwieweit veröffentlichte Leistungskennzahlen einen Effekt auf die Reputation von einzelnen Krankenhäusern haben. Beispielsweise kann die Stärke des Effekts erhöht werden, indem das öffentliche Bewusstsein für die Existenz und die Veröffentlichung dieser Kennzahlen gestärkt wird. Das Ergebnis dieser Analyse ist, dass eine Verstärkung des Einflusses der veröffentlichten Kennzahlen auf die Reputation der Krankenhäuser nicht zwangsweise zu einer erhöhten Qualitätsausbringung führt. Im Fall, dass die Wettbewerbsintensität zwischen den Krankenhäusern hinreichend klein ist und gleichzeitig die marginalen Kosten für weitere Qualitätsanstrengungen hinreichend groß sind, führt eine Intensivierung des oben genannten Einflusses zu einer Verringerung der ausgebrachten Qualität
Characterization of bee pollen quality in different regions of Baden-Wuerttemberg, Germany
No full textHonigbienen (Apis mellifera) sammeln zur Versorgung ihrer Brut neben Nektar auch Pollen von Pflanzen. Pollen liefern ein breites Spektrum an Nährstoffen, wie Proteine und Lipide, aber auch Kohlenhydrate, Vitamine und Enzyme. Aufgrund dieser Inhaltsstoffe ist Pollen auch für den Menschen attraktiv und wird als Nahrungsergänzungsmittel verwendet.
Honigbienen sammeln jedoch nicht nur Pollen von Wildpflanzen, sondern auch von blühenden Kulturen, die in der Landwirtschaft angebaut werden. Dementsprechend können Kontaminationen von Pflanzenschutzmitteln in Blütenpollen und Bienenbrot gefunden werden. Um einen tieferen Einblick über das Auftreten und die Verteilung von Pestizidrückständen während einer ganzen Saison zu erhalten, wurden von April bis Juli 2018 insgesamt 102 täglich gesammelte Pollenproben mit Hilfe von Pollenfallen in einem Obstanbaugebiet in Süddeutschland gesammelt. Nahezu 90% der Pollenproben zeigten nachweisbare Konzentrationen an Pestizidrückständen. Insgesamt konnten 29 Pestizide, mit mehr als die Hälfte an Fungiziden, gefolgt von Insektiziden und Herbiziden in den Proben nachgewiesen werden. Maximale Konzentrationen von bis zu 4500 ng/g konnten Ende April gemessen werden. Auch Proben die Anfang Mai und Ende Juni gesammelt wurden, wiesen hohe Pestizidkonzentrationen auf. Ein allgemeines Risikomanagement wurde durchgeführt, um das Risiko der nachgewiesenen Pestizidkonzentrationen für Honigbienen abzuschätzen.
Die mikrobielle Qualität von Blütenpollen hängt stark von der botanischen und geografischen Herkunft, sowie den klimatischen Bedingungen und den Verarbeitungsschritten des Imkers nach der Ernte ab. Folgen nach der Ernte keine Verarbeitungsschritte wie Einfrieren oder Trocknung, kann das Wachstum von Mikroorganismen gefördert und die Pollenqualität durch negative Nebenwirkungen wie Fermentation oder Produktion von Mykotoxinen beeinflusst werden. Bakterien- und Pilzkolonien können sowohl durch kultivierungsabhängige Methoden wie Koloniezählung auf Platten als auch durch kultivierungsunabhängige Methoden wie der 16-rRNA-Amplikon Sequenzierung bestimmt werden.
Nach der Hypothese, dass Lagerbedingungen die Zusammensetzung von Mikroorganismen in Blütenpollen beeinflussen, wurde frisch geernteter Blütenpollen im Juni 2018 und 2019 sieben Tage lang unter definierten Bedingungen (kalt, Raumtemperatur, warm) gelagert und durch Sequenzierung von 16S- und 18S-PCR-Amplikons analysiert. Die Bakteriengemeinschaft variierte geringfügig zwischen den untersuchten Standorten und zeigte keinen signifikanten Unterschied zwischen den Lagerbedingungen. Die Pilzgemeinschaft zeigte signifikante Unterschiede sowohl zwischen den untersuchten Standorten als auch zwischen den verschiedenen Lagerbedingungen. Die dominierenden Pilzgattungen in den Pollenproben waren Cladosporium, Aspergillus und Zygosaccharomyces. Während Cladosporium in frisch gesammeltem Pollen am dominantesten zu finden war und der prozentuale Anteil während der Lagerung abnahm, zeigten Aspergillus und Zygosaccharomyces eine signifikante Zunahme insbesondere unter warmen Lagerbedingungen. Auch andere, natürlich von Pflanzen produzierte Kontaminationen können negative Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit haben. Pyrrolizidinalkaloide gehören zu einer Gruppe von sekundären Pflanzenstoffen, von denen mehr als 600 Strukturen in rund 3% aller blühenden Pflanzen weltweit bekannt sind. PA sind bekannt, sowohl akute Vergiftungen als auch chronische Schädigungen oder Krebs bei Tieren und Menschen auslösen zu können. Um das Wissen über PA-Kontaminationen in Blütenpollen zu erweitern und das Risiko der Konzentrationen abschätzen zu können, wurden im Juli 2019 an 57 Standorten in Baden-Württemberg Blütenpollen gesammelt und auf 42 verschiedene PA und deren N-Oxide untersucht. Insgesamt wurden in über 90% aller untersuchten Proben 22 verschiedene PAs nachgewiesen. Nur 5% der PA wurden als PA von Pflanzen der Senecio sp. identifiziert, während 95% der PA mit botanischem Hintergrund von Echium sp. und Eupatorium sp. identifiziert werden konnten. Die maximale Konzentration der Summe an PA pro Probe wurde mit 48400 ng/g bestimmt. Nach den berechneten Risikowerten des BfR stellten jedoch immerhin 42% der Proben ein erhöhtes Risiko für die menschliche Gesundheit dar.Honey bees (Apis mellifera) collect nectar and pollen from plants to feed their brood. Pollen provides a wide range of nutrients, such as proteins and lipids, but also carbohydrates, vitamins and enzymes. Because of these ingredients, pollen is also attractive to humans and is used as a dietary supplement.
However, honey bees collect pollen not only from wild plants, but also from flowering crops grown in agriculture. Accordingly, contamination from plant protection products can be found in bee pollen and bee bread. In order to get a deeper insight into the occurrence and distribution of pesticide residues during an entire season, a total of 102 daily pollen samples were collected from April to July 2018 using pollen traps in an orchard in southern Germany. Almost 90% of the pollen samples showed detectable levels of pesticide residues. A total of 29 pesticides were detected in the samples, with more than half being fungicides, followed by insecticides and herbicides. Maximum concentrations of up to 4500 ng/g could be measured at the end of April. Samples collected in early May and late June also showed high levels of pesticides. A general risk management was performed to assess the risk of the detected pesticide concentrations for honey bees.
The microbial quality of bee pollen is highly dependent on its botanical and geographic origin, as well as climatic conditions and post-harvest processing steps by the beekeeper. If no processing steps such as freezing or drying follow after harvest, the growth of microorganisms can be promoted and the pollen quality can be influenced by negative side effects such as fermentation or the production of mycotoxins. Bacterial and fungal colonies can be determined both by culture-dependent methods such as colony counting on plates and by culture-independent methods such as 16-rRNA amplicon sequencing.
Following the hypothesis that storage conditions influence the composition of microorganisms in bee pollen, freshly harvested bee pollen was stored for seven days in June 2018 and 2019 under defined conditions (cold, room temperature, warm) and analyzed by sequencing 16S and 18S PCR amplicons. The bacterial community varied slightly between the sites studied and showed no significant difference between the storage conditions. The fungal community showed significant differences both between the studied sites and between the different storage conditions. The dominant fungal genera in the pollen samples were Cladosporium, Aspergillus and Zygosaccharomyces. While Cladosporium was most dominant in freshly collected pollen and the percentage decreased during storage, Aspergillus and Zygosaccharomyces showed a significant increase especially under warm storage conditions. Other contaminants naturally produced by plants can also have negative impacts on human health. Pyrrolizidine alkaloids belong to a group of phytochemicals, of which more than 600 structures are known in around 3% of all flowering plants worldwide. PA are known to be able to cause both acute poisoning and chronic damage or cancer in animals and humans. In July 2019, pollen was collected at 57 locations in Baden-Württemberg and analyzed for 42 different PAs and their N-oxides in order to expand knowledge about PA contamination in pollen and to be able to estimate the risk of the concentrations. A total of 22 different PAs were detected in over 90% of all samples examined. Only 5% of the PA were obtained as PA from plants of Senecio sp. identified, while 95% of PAs with a botanical background are from Echium sp. and Eupatorium sp. could be identified. The maximum total concentration of PA per sample was determined to be 48,400 ng/g. According to the risk values calculated by the BfR, however, 42% of the samples represented an increased risk to human health
Modeling microbial regulation of pesticide turnover in soils
Get PDFPesticides are widely used for pest control in agriculture. Besides their intended use, their long-term fate in real systems is not well understood. They may persist in soils, thereby altering ecosystem functioning and ultimately affecting human health. Pesticide fate is assessed through dissipation experiments in the laboratory or the field. While field experiments provide a close representation of real systems, they are often costly and can be influenced by many unknown or uncontrollable variables. Laboratory experiments, on the other hand, are cheaper and have good control over the governing variables, but due to simplification, extrapolation of the results to real systems can be limited. Mechanistic models are a powerful tool to connect lab and field data and help us to improve our process understanding. Therefore, I used mechanistic, process-based models to assess key microbial regulations of pesticide degradation. I tested my model hypotheses with two pesticide classes: i) chlorophenoxy herbicides (MCPA (2-methyl-4-chlorophenoxyacetic acid) and 2,4-D (2,4-Dichlorophenoxyacetic acid)), and ii) triazines (atrazine (AT)), in an ideal scenario, where bacterial degraders and pesticides are co-localized. This thesis explores some potential controls of pesticide degradation in soils: i) regulated gene expression, ii) mass-transfer process across the bacterial cell membranes, iii) bioenergetic constraints, and iv) environmental factors (soil temperature and moisture).
The models presented in this thesis show that including microbial regulations improves predictions of pesticide degradation, compared to conventional models based on Monod kinetics. The gene-centric models achieved a better representation of microbial dynamics and enable us to explore the relationship between functional genes and process rates, and the models that used transition state theory to account for bioenergetic constraints improved the description of degradation at low concentrations. However, the lack of informative data for the validation of model processes hampered model development. Therefore, in the fourth part of this thesis, I used atrazine with its rather complex degradation pathway to apply a prospective optimal design method to find the optimal experimental designs to enable us identifying the degradation pathway present in a given environment. The optimal designs found suggest to prioritize determining metabolites and biomass of specific degraders, which are not typically measured in environmental fate studies. These data will lead to more robust model formulations for risk assessment and decision-making.
With this thesis, I revealed important regulations of pesticide degradation in soils that help to improve process understanding and model predictions. I provided simple model formulations, for example the Hill function for gene expression and transition state theory for bioenergetic growth constraints, which can easily be integrated into biogeochemical models. My thesis covers initial but essential steps towards a predictive pesticide degradation model usable for risk assessment and decision-making. I also discuss implication for further research, in particular how mechanistic process-based modeling could be combined with new technologies like omics and machine learning.Pestizide sind weit verbreitet in der landwirtschaftlichen Schädlingsbekämpfung. Anders als ihre Wirkungsweise, ist ihr Langzeitverbleib in der Umwelt nicht gut verstanden. Sie gelangen in den Boden und können sich dort anreichen und die Bodenfunktionen beeinträchtigen und letzendlich auch die menschliche Gesundheit gefährden. Die Ausbreitung von Pestiziden wird anhand von Abbauversuchen in Labor- und Feldexperimenten ermittelt. Feldexperimente bieten ein relativ genaues Abbild natürlicher Systeme, sind jedoch meist teuer und können durch unbekannte oder nicht kontrollierbare Faktoren stark beeinflusst werden. Laborexperimente sind in dieser Hinsicht kostengünstiger und bieten eine gute Kontrolle der einwirkenden Faktoren. Allerdings lassen sich die Ergebnisse nur begrenzt auf natürliche Systeme übertragen. Mechanistische Modelle sind ein mächtiges Werkzeug, um Labor- und Felddaten zusammenzuführen und helfen uns dabei, die mikrobiellen Regulationsmechanismen des Pestizidabbaus im Boden besser zu verstehen. Aus diesem Grund habe ich mechanistische, prozess basierte Modelle eingesetzt. Ich habe meine Modellhypothesen bei zwei Pestizidgruppen getestet: i) Chlorphenoxyherbiziden (MCPA (2-Methyl-4-chlorphenoxyessigsäure) und 2,4-D (2,4-Dichlorphenoxyessigsäure)) und ii) Triazinen (Atrazin (AT)), in einem Idealszenario, wo bakterielle Abbauer und Pestizid kolokalisiert auftreten. Meine Doktorarbeit konzentriert sich auf einige der potenziellen Kontrollmechanismen des Pestizidabbaus im Boden: i) regulierte Genexpression, ii) Massetransferprozesse durch die Zellmembran, iii) bioenergetische Limitierungen und iv) Umweltfaktoren (Bodentemperatur und Bodenfeuchte).
Die in dieser Doktorarbeit vorgestellten Modelle zeigen, dass die Berücksichtigung mikrobieller Regulationen Vorhersagen des Pestizidabbaus verbessert, gegenüber herkömmlichen, auf Monod-Kinetik-basierenden Modellen. Die gen-basierten Modelle erreichten eine bessere Repräsentation der mikrobiellen Dynamik und geben uns die Möglichkeit, den Zusammenhang zwischen funktionellen Genen und Prozessraten herzustellen, wohingegen Modelle, die die Abbaugeschwindigkeit auf Grundlage der Theorie des Übergangszustandes limitieren, eine genauere Konzentrationen liefern. Der Mangel an Messdaten zur Validierung behinderte allerdings die Modellentwicklung. Daher benutzte ich ich im vierten Teil dieser Arbeit, am Beispiel von Atrazin, mit seinem eher komplexen Abbauweg, eine Methode des prospective optimal design, um das bestmögliche Experimentaldesign zu finden, mit dem wir den in einer bestimmten Umgebung vorherrschenden Abbauweg identifizieren können. Die gefundenen optimalen Designs weisen auf die Erfordenis hin, die Messung von Hauptmetaboliten und Biomasse von spezifischen Abbauern zu priorisieren, welche in Abbauversuchen typischerweise nicht gemessen werden. Die Informationen aus diesen Daten werden zu besseren Modellformulierungen führen, die sich für Risikoabschätzung und Entscheidungsfindung nutzen lassen.
Mit dieser Doktorarbeit konnte ich für den Pestizidabbau im Boden wichtige Regulationsmechanismen aufdecken, und so, unser Verständnis und Vorhersagen solcher Prozesse verbessern. Ich stelle einfache Modellformulierungen bereit, beispielsweise die Hill-Funktion für Genexpression und eine Implementierung der Theorie des Übergangszustands, welche sich einfach in biogeochemische Modelle integrieren lassen. Meine Arbeit liefert grundlegende und entscheidende Schritte zur Entwicklung eines Vorhersagemodells für den Pestizidabbau und dessen Einsatz in Risikoabschätzung und Entscheidungsfindung. Darüber hinaus gebe ich einen Ausblick auf weiterführende Forschungsansätze, insbesondere wie sich mechanistische, prozess-basierte Modellansätze mit neuen Technologien wie omics und Machine Learning verbinden lassen könnten
Small-scale irrigation and womens empowerment : lessons from an irrigation intervention in Northern Ghana
Get PDFThis dissertation uses a mixed-methods approach to explore issues related to womens empowerment and small-scale irrigation from several different angles: conceptually, based on a literature review, qualitatively and quantitatively, based on a case study in Northern Ghana, and qualitatively, as part of a larger effort of development organizations to promote adaptation to climate change. The analysis relies on a conceptual framework that illustrates the linkages between small-scale irrigation and the domains of womens empowerment as well as the broader opportunity structure shaping these relationships. It then uses qualitative and quantitative data from the case study area to identify what aspects of womens empowerment are salient in this context and how the irrigation intervention influences outcomes for women. Finally, the dissertation draws lessons from a capacity needs assessment of development organizations to identify areas for strengthening the delivery of gender-sensitive programs.
Thus, the main research questions addressed by this dissertation are:
1) What are the linkages between small-scale irrigation technologies/systems and dimensions of womens empowerment?
2) What aspects of womens empowerment emerge as the most salient in the context of Northern Ghana where small scale irrigation is practiced and modern technologies (motor pumps) are being introduced?
3) How does the introduction of small-scale irrigation technologies (specifically motor pumps) affect indicators of womens empowerment?
4) What are the gender-related capacity needs of development organizations working to promote climate change adaptation (of which small-scale irrigation is an important practice)?
The findings in this dissertation suggest that there are many factors to consider in the design and dissemination of small-scale irrigation technologies to ensure that these are equitably distributed and that both men and women have the opportunity to engage in and benefit from irrigation. These include gendered preferences for the type of irrigation technology or system, the underlying socio-political environment shaping the barriers that men and women face, and implementation approaches.
Moving beyond simply reaching women (that is, counting their participation in program activities) to benefitting and empowering women (increasing their well-being outcomes and expanding their ability to make strategic life decisions) requires knowledge of the local context and dedicated attention toward ensuring that outcomes for women are achieved, even if this means expanding activities and opportunities outside of agriculture. Thus, greater efforts are also needed to build the capacity of implementing organizations to deliver gender-responsive programs. Creating platforms, like stakeholder consultation processes or dialogues, for setting goals and sharing information, approaches, and lessons learned is one way to build this capacity. Integrating gender-sensitive research tools into strategy development, project design, implementation, and monitoring and evaluation of implementing agencies would also support the development of more gender-responsive irrigation interventions and would contribute to fill remaining research gaps on the gendered implications of alternative agricultural technologies and practices. While this dissertation provides some evidence on the impacts of motor pumps for small-scale irrigation on womens empowerment, this is only one of many types of irrigation technologies and approaches. More research is needed on the implications for womens empowerment of alternative irrigation technologies, systems, and dissemination tactics, including group-based and service-based approaches.Diese Dissertation verwendet einen Mixed-Methods-Ansatz, um Fragen im Zusammenhang mit der Stärkung von Frauen und Kleinbewässerung aus verschiedenen Blickwinkeln zu untersuchen: konzeptionell basierend auf einer Literaturrecherche, qualitativ und quantitativ basierend auf einer Fallstudie in Nordghana und qualitativ als Teil eines größeren Programms von Entwicklungsorganisationen die Anpassung an den Klimawandel zu fördern. Die Analyse stützt sich auf einen konzeptionellen Rahmen, der die Verbindungen zwischen kleinräumiger Bewässerung und den Ansetzpunkten für die Stärkung der Frauen sowie die breitere Chancenstruktur, die diese Beziehungen prägt, veranschaulicht. Anschließend werden qualitative und quantitative Daten aus dem Fallstudienstandort verwendet, um zu ermitteln, welche Aspekte der Stärkung der Rolle von Frauen in diesem Zusammenhang hervorstechen sowie die spezifischen Auswirkungen der Bewässerungsintervention auf die Frauen. Schließlich zieht die Dissertation Lehren aus einer Analyse des Kapazitätsbedarfs von Entwicklungsorganisationen, um Bereiche zu identifizieren, in denen die Umsetzung geschlechtersensibler Programme gestärkt werden kann.
Die zentralen Forschungsfragen dieser Dissertation lauten daher:
1) Welche Verbindungen bestehen zwischen Kleinbewässerungstechnologien/-systemen und den Ansetzpunkten für die Stärkung der Rolle von Frauen?
2) Welche Aspekte der Stärkung von Frauen kristallisieren sich im Kontext Nordghanas heraus, wo die Kleinbewässerung praktiziert wird und moderne Technologien (Motorpumpen) eingeführt werden?
3) Wie wirkt sich die Einführung von Kleinbewässerungstechnologien (insbesondere Motorpumpen) auf Indikatoren für die Stärkung der Rolle von Frauen aus?
4) Welchen geschlechtsspezifischen Kapazitätsbedarf haben Entwicklungsorganisationen, die sich für die Anpassung an den Klimawandel einsetzen (wobei die Kleinbewässerungslandwirtschaft eine wichtige Maßnahme darstellt)?
Die Ergebnisse dieser Dissertation legen nahe, dass bei der Gestaltung und Verbreitung von Kleinbewässerungstechnologien viele Faktoren zu berücksichtigen sind, um sicherzustellen, dass diese gerecht verteilt werden und sowohl Männer als auch Frauen die Möglichkeit haben, sich an der Bewässerung zu beteiligen und davon zu profitieren. Dazu gehören geschlechtsspezifische Präferenzen für die Art der Bewässerungstechnologie oder des Bewässerungssystems, das zugrundeliegende gesellschaftspolitische Umfeld, das die Barrieren beeinflusst, mit denen Männer und Frauen konfrontiert sind, sowie geschlechtsspezifische Umsetzungsansätze.
Um über das bloße Erreichen von Frauen (das heißt ihre Teilnahme an Programmaktivitäten) hinaus zu gehen, um Frauen zu fördern und ihre Selbstbestimmung (das heißt ihr Wohlbefinden zu steigern und ihre Fähigkeit, strategische Lebensentscheidungen zu treffen) zu stärken, sind Kenntnisse des lokalen Kontexts und besondere Aufmerksamkeit erforderlich, um sicherzustellen, dass die Ergebnisse für Frauen erreicht werden, auch wenn dies eine Erweiterung der Aktivitäten und Möglichkeiten außerhalb der Landwirtschaft bedeutet. Dafür sind auch größere Anstrengungen erforderlich, um die Kapazitäten der Durchführungsorganisationen für die Bereitstellung geschlechtergerechter Programme aufzubauen. Die Schaffung von Plattformen wie Prozessen zur Konsultation von Interessenvertretern oder Dialogen, um Ziele zu setzen und Informationen, Ansätze und gewonnene Erkenntnisse auszutauschen, ist eine Möglichkeit, diese Kapazitäten aufzubauen. Die Integration geschlechtersensibler Forschungsinstrumente in die Strategieentwicklung, Projektgestaltung, Umsetzung sowie Überwachung und Bewertung der Durchführungsstellen würde auch die Entwicklung geschlechtergerechterer Bewässerungsinterventionen unterstützen und dazu beitragen, verbleibende Forschungslücken zu den geschlechterspezifischen Auswirkungen alternativer Agrartechnologien und Praktiken zu schließen. Während diese Dissertation einige Forschungsergebnisse für die Auswirkungen von Motorpumpen in der Kleinbewässerung auf die Selbstbestimmung von Frauen generiert hat, ist dies nur eine von vielen Bewässerungstechnologien und -ansätzen. Es bedarf weiterer Forschung was die Auswirkungen alternativer Bewässerungstechnologien, -systeme und ihrer Verbreitung, einschließlich gruppenbasierter und dienstleistungsbasierter Ansätze, auf die Agency von Frauen angeht
Physiological and metabolic adaptation of Beta vulgaris and Suaeda maritima to salinity and hypoxia
Get PDFSoils with high salinity are often also affected by waterlogging with hypoxic conditions in the root zone, which severely reduces plant growth and crop yield. The combination of salinity and hypoxia generates an intense stress for the plant: On the one hand, hypoxic conditions at the root level cause a severe energy deficit due to the inhibition of oxidative phosphorylation, on the other hand, energy-consuming tolerance mechanisms have to be maintained to cope with salt stress. To better understand the tolerance mechanisms to combined saline and hypoxic conditions, the metabolic and physiological adaptation capacity of the model halophyte Suaeda maritima, typically found in flooded saline soils, and the closely related sugar beet (Beta vulgaris L.) were analysed.
Salt tolerant plants are characterised by their ability to tolerate high Na+ and Cl- concentrations without being damaged by ion toxicity. The basis of this tolerance is primarily osmotic adaptation, the compartmentalisation of ions in cell organelles and the ability to replace K+ with Na+ in important cellular processes. Li+ has similar physico-chemical properties to Na+ and K+, but forms complexes with organic and inorganic anions more readily than other alkali metals. Therefore, Li+ can displace metals during the uptake and translocation by the plant and at enzymatic binding sites, which impairs enzyme activity and can lead to toxic effects. The effects of different cations with similar physicochemical properties on their accumulation pattern at high and low osmolarity were investigated to determine whether Li+ toxicity could be mitigated by competitive uptake of K+ and Na+.
Hydroponic culture experiments with increasing salt concentration demonstrated the ability of S. maritima and B. vulgaris to tolerate high salt concentrations by maintaining ion homeostasis and high tissue tolerance to Na+ accumulation. An increased Na+/K+ ratio under hypoxic conditions indicates that an energy shortage caused by oxygen depletion in the root impairs Na+ exclusion and K+ uptake, thereby increasing the ionic imbalance under hypoxic conditions.
The metabolic profile showed a tissue-specific response to salinity and hypoxia: The root metabolism is mainly influenced by hypoxia, inhibiting oxidative phosphorylation, while at the same time glycolysis is enhanced to maintain ATP production. The enhanced accumulation of amino acids and TCA cycle intermediates suggests that a partial flow of the TCA cycle fuelled by the GABA shunt may play a crucial role in the recovery of reduction equivalents for ATP production by glycolysis, thereby sustaining energy-intensive cellular processes under hypoxic conditions. As a consequence to the high Na+ accumulation in the shoots, the metabolic profile
of young and mature leaves is mainly influenced by salt stress, which triggers the accumulation of compatible solutes for osmotic adjustment and ROS scavenging mechanisms. To achieve tolerance to high salinity, energy consumption rises. Hence, the biomass increase of B. vulgaris stagnates at 200 mM NaCl. In contrast, S. maritima shows its optimal growth at the same salinity range, which reflects the higher adaptability of the halophyte to saline conditions.
Different mechanisms in the shoot and root lead to an accumulation of proline, which contributes to the increased tolerance to combined salinity and hypoxia, as proline stabilises membranes and proteins under salt stress and scavenges increased ROS formation induced by hypoxia. High ion accumulation in combination with hypoxic conditions enhances ROS formation in the shoots, leading to light-induced pigment degradation in S. maritima, which is mitigated by enhanced proline biosynthesis in the chloroplasts. In contrast, proline accumulation in the root is not exclusively the result of enhanced proline biosynthesis, but of inhibited proline degradation due to the low availability of reduction equivalents when salinity and hypoxia are combined.
The accumulation of Li+ is relatively low in comparison to Na+ and K+, as B. vulgaris strongly limits the Li+ uptake via the transpiration stream to avoid toxic Li+ concentrations in the leaves. High concentrations of Li+ combined with Na+/K+, increase Li+ accumulation in leaves and cause growth inhibition as well as the formation of necrotic tissue, indicating low tissue tolerance to Li+ and severe stress. The application of equimolar concentrations of Na+ and K+ has no effect on Li+ accumulation and ion toxicity, suggesting that Li+ uptake is independent of Na+ and K+ cation channels and that Li+ toxicity is not mainly caused by the displacement of K+ at enzymatic binding sites.Dieser Arbeit befasst sich mit den metabolische und physiologische Anpassungsfähigkeit des Modellhalophyten Suaeda maritima, der typischerweise in überfluteten salzhaltigen Böden vorkommt, und der eng verwandten Zuckerrübe (Beta vulgaris).
Salztolerante Pflanzen zeichnen sich durch ihre Fähigkeit aus, hohe Na+ und Cl- Konzentrationen zu tolerieren, ohne durch Ionentoxizität geschädigt zu werden. Die Grundlage dieser Toleranz ist in erster Linie die osmotische Anpassung, die Kompartimentierung von Ionen in Zellorganellen und die Fähigkeit K+ durch Na+ bei wichtigen zellulären Vorgängen zu ersetzen. Li+ hat ähnliche physikalisch-chemische Eigenschaften wie Na+ und K+, reagiert aber leichter als andere Alkalimetalle mit organischen und anorganischen Anionen. Daher kann Li+ andere Metalle bei der Aufnahme und Verlagerung in die Pflanze und an enzymatischen Bindungsstellen verdrängen, was die Enzymaktivität beeinträchtigt und toxisch wirken kann.
In einer weiteren Studie wurden die Auswirkungen verschiedener Kationen mit ähnlichen physikalisch-chemischen Eigenschaften auf ihr Akkumulationsmuster bei hoher und niedriger Osmolarität untersucht, um festzustellen, ob die Toxizität von Li+ durch die konkurrierende Aufnahme von K+ und Na+ abgeschwächt werden kann.
Experimente in Hydrokulturen mit steigender Salzkonzentration zeigten die Fähigkeit von S. maritima und B. vulgaris, hohe Salzkonzentrationen zu tolerieren, indem sie die Ionenhomöostase aufrechterhalten und eine hohe Gewebetoleranz gegenüber Na+-Akkumulation aufweisen. Ein erhöhtes Na+/K+-Verhältnis unter hypoxischen Bedingungen deutet darauf hin, dass der durch die Reduzierung des Sauerstoffs in der Wurzel verursachte Energiemangel den Na+ Ausschluss und die K+ Aufnahme beeinträchtigt, wodurch das ionische Ungleichgewicht unter hypoxischen Bedingungen verstärkt wird. Das Stoffwechselprofil zeigte eine gewebespezifische Reaktion auf Salinität und Hypoxie: In den Wurzeln wird der Stoffwechsel hauptsächlich von Hypoxie beeinflusst, bei der die oxidative Phosphorylierung gehemmt wird, während gleichzeitig eine höhere Aktivität der Glykolyse zur Aufrechterhaltung der ATP-Produktion stattfindet. Die verstärkte Anhäufung von Aminosäuren und
Zwischenprodukten des TCA-Zyklus deutet darauf hin, dass ein Teilfluss des TCA-Zyklus, der durch den GABA-Shunt gespeist wird, eine entscheidende Rolle bei der Wiedergewinnung von Reduktionsäquivalenten für die ATP-Produktion durch die Glykolyse spielen könnte, wodurch energieintensive zelluläre Prozesse unter hypoxischen Bedingungen aufrechterhalten werden können. Als Folge der hohen Na+ Akkumulation im Spross wird das Stoffwechselprofil junger und voll entwickelte Blätter hauptsächlich durch Salzstress beeinflusst. Kompatible Osmolyte werden zur osmotischen Anpassung und ROS Abwehr akkumuliert. Diese Toleranzmechanismen führen zu einem erhöhten Energieverbrauch, welcher zu einer Stagnation der Zunahme der Biomasse von B. vulgaris bei 200 mM NaCl führt. Bei einem identischen Salzgehalt zeigt hingegen S. maritima ihr Wachstumsoptimum, was die höhere Anpassungsfähigkeit des Halophyten an salzige Bedingungen widerspiegelt.
Unterschiedliche Mechanismen in Spross und Wurzel führen zu einer Anhäufung von Prolin, was zur erhöhten Toleranz gegenüber einer Kombination aus Salinität und Hypoxie beiträgt, da Prolin die Membranen und Proteine unter Salzstress stabilisiert und die durch Hypoxie induzierte erhöhte ROS-Bildung abfängt. Eine hohe Akkumulation von Ionen in Kombination mit hypoxischen Bedingungen erhöht die ROS-Bildung im Spross, was zu einem lichtinduzierten Pigmentabbau bei S. maritima führt. Dies wird durch eine verstärkte Prolin Biosynthese in den Chloroplasten abgemildert. In der Wurzel hingegen, wird der Abbau von Prolin durch die geringe Verfügbarkeit von Reduktionsäquivalenten gehemmt, wodurch Prolin in der Wurzel bei der Kombination von Salinität und Hypoxie anreichert wird.
Im Vergleich zu Na+ und K+ ist die Akkumulation von Li+ relativ gering, da B. vulgaris die Li+ Aufnahme über den Transpirationsstrom stark begrenzt, um toxische Li+ Konzentrationen in den Blättern zu vermeiden. Hohe Li+-Konzentrationen in Kombination mit Na+/K+ erhöhen die Li+-Akkumulation in den Blättern und bewirken eine Wachstumshemmung sowie die Bildung von nekrotischem Gewebe, was auf eine geringe Gewebetoleranz gegenüber Li+ und schweren Stress hinweist. Die Anwendung äquimolarer Konzentrationen von Na+ und K+ hatte keine Auswirkungen auf die Li+ Akkumulation und die Ionentoxizität, was darauf hindeutet, dass die Li+ Aufnahme unabhängig von Na+ und K+ Kationenkanälen abläuft und dass Li+ Toxizität nicht durch die Verdrängung von K+ an enzymatischen Bindungsstellen verursacht wird
Professional communication about teaching among vocational school teachers
No full textTrotz ihrer Bedeutung zur Förderung von Professionalisierungsprozessen in der Lehrkräftebildung sowie für die erfolgreiche Implementation von curricularen Innovationen in den Unterricht, erscheinen relevante Mikroprozesse von Lehrkräftekooperation bisher wenig (systematisch) erforscht. Dies gilt v.a. für den berufsbildenden Schulbereich, wo Lehrkräftekooperation zur Bewältigung von Aufgabenbereichen gemeinschaftlich verantworteter Unterrichtsentwicklung als zwingend erforderlich angesehen wird. Als eine der wichtigsten Prozessvariablen erfolgreicher vs. weniger erfolgreicher Kooperation zwischen Lehrkräften gilt unterrichtsbezogene Kommunikation. Jedoch ist bisher nicht geklärt, welche Merkmale eine für das Gelingen von Kooperationsprozessen erfolgsversprechende (=professionelle) unterrichtsbezogene Kommunikation ausmachen. Diesem Desiderat nahm sich die vorliegende Arbeit an und untersuchte in zwei aufeinander aufbauenden Teilstudien professionelle unterrichtsbezogene Kommunikation (puK) zwischen (angehenden) Lehrkräften berufsbildender Schulen.
In einem ersten Schritt wurde dabei ein systematisches Literaturreview der internationalen Forschungsliteratur zur Aufdeckung generischer Merkmale von puK nach dem PRISMA Statement durchgeführt. Das systematische Literaturreview war von folgenden Fragestellungen geleitet:
a) Welches begriffliche Verständnis zeigt sich in der internationalen erziehungswissenschaftlichen Forschung zu Konzepten von puK zwischen Lehrkräften und wie werden diese theoretisch fundiert sowie empirisch operationalisiert?
b) Welche beobachtbaren Merkmale weist puK idealerweise auf?
c) Steht die puK von Lehrkräften im Zusammenhang mit Professionalisierungsgewinnen (bzw. mit welchen Facetten von Professionalisierungsgewinnen en Detail)?
Die kriteriengeleitete Inhaltsanalyse von k=88 im Reviewprozess als relevant identifizierten Forschungsbeiträgen zeigte, dass puK sehr heterogen definiert und theoretisch eingebettet wird. Zudem konnten die beobachtbaren Merkmale von puK im Gesamtblick auf zwei Ebenen verortet werden. PuK kennzeichnet sich demnach durch das Vorhandensein von Merkmalsausprägungen auf einer Ebene der Gesprächsverlaufsregulierung (Quantitative Gesprächsaspekte, Gesprächsstrukturierung und Gesprächsatmosphäre) sowie einer inhaltlichen Ebene (Inhaltliche Fokussierung und Gesprächsqualität). PuK, die den Merkmalen dieser beiden Ebenen folgt, kann zahlreiche Professionalisierungsgewinne im fachlichen, fachdidaktischen sowie pädagogischen Wissen und Können von Lehrkräften hervorrufen und v.a. das Gelingen/die Bewältigung von Kooperationsprozessen befördern. Aus den Befunden zu den beobachtbaren Merkmalen von puK wurde ein Kategoriensystem zur Analyse von unterrichtsbezogener Kommunikation zwischen Lehrkräften ausgearbeitet. Schließlich sollte anhand der zweiten Teilstudie eruiert werden, inwieweit unterrichtsbezogene Kommunikation zwischen (angehenden) Lehrkräften berufsbildender Schulen, die den zuvor identifizierten Merkmalen folgt, tatsächlich auch den Prozess der gemeinschaftlichen Aufgabenbewältigung befördern kann. Dazu wurden insgesamt N=14 Tandems (je N=7 Studierendentandems und N=7 berufserfahrene Lehrkräftetandems) in eine fiktive Untersuchungssituation versetzt, wobei diese durch den kommunikativen Austausch eine gemeinschaftlich zu verantwortende Entscheidung im Rahmen der Unterrichtsplanung treffen mussten. Konkret sollte dabei für eine mittels einer Vignette geschilderte Planungssituation im wirtschaftsberuflichen Unterricht aus einem Pool vorgelegter Lernaufgaben, eine geeignete Lernaufgabe im Diskurs begründet ausgewählt werden. Die Gespräche der Tandems (angehender) berufsbildender Lehrkräfte wurden aufgezeichnet, transkribiert und mittels des Kategoriensystems inhaltsanalytisch ausgewertet. Hierzu wurde das Kategoriensystem zunächst ge-pre-testet, ein Kodierleitfaden erstellt und die Untersuchungssituation mittels Fragebogeneinsatz evaluiert. Die forschungsleitenden Fragestellungen dieser zweiten Teilstudie lauteten:
d) Inwiefern bilden die Gespräche zwischen den Tandems die durch das Review identifizierten Merkmale von puK ab?
e) Inwieweit schätzen die Proband/innen das Forschungsdesign als berufstypisch bzw. realistisch ein?
f) Woran erkennt man hochwertige puK und wie lassen sich qualitativ unterschiedliche Gespräche konkret kategoriengeleitet unterscheiden?
g) Inwiefern wirken sich vor dem Hintergrund der Kategorien von puK qualitativ unterscheidbare Gespräche auf den Kooperationsprozess/Prozess der gemeinschaftlichen Entscheidungsfindung von Tandems aus?
Es zeigte sich, dass das ursprüngliche Kategoriensystem zu puK (nur) an wenigen Stellen überarbeitet werden musste und ein geeigneter Kodierleitfaden zur Analyse der Gespräche der Tandems über Lernaufgaben entwickelt werden konnte. Auch die Untersuchungssituation wurde von den Proband:innen als weitgehend authentisch für den wirtschaftsberuflichen Lehrberuf eingeschätzt. Zudem ließ sich erkennen, dass die Analyseinstrumente geeignet sind, um Kommunikation verschiedener Qualitäten zwischen Tandems zu unterscheiden. Zu guter Letzt konnte zudem aufgezeigt werden, dass eine gemäß den Kriterien des Analyseinstruments qualitativ unterscheidbare Kommunikation auch den Prozess der gemeinschaftlichen Aufgabenbewältigung der Lehrkräftetandems unterschiedlich erfolgreich beeinflussen kann. Die Befunde zu diesem für die wirtschaftspädagogische Disziplin bisher vernachlässigten Forschungsthema wurden genutzt, um schlussendlich Implikationen für die weitere Forschung und die Ausbildung von berufsschulischen Lehrkräften aufzustellen.Despite their relevance for the facilitation of professionalization processes in teacher education as well as for the successful implementation of curricular reforms into the classroom, relevant micro processes of teacher collaboration seem to be little (systematically) investigated so far. This applies especially for the vocational school sector, where teacher collaboration is seen as necessary to cope with the tasks of teaching development that takes collective responsibility. One of the most relevant process variables of successful vs. less successful collaboration among teachers is communication about teaching. However, it has not yet been clarified which characteristics constitute an effective (=professional) communication about teaching for a successful mastering of cooperation processes. The present study addressed this desideratum and examined professional communication about teaching (pct) among (prospective) teachers at vocational schools in two consecutive research studies. A first step in this process was a systematic literature review carried out according to the PRISMA Statement focusing on international research literature to uncover generic characteristics of pct. The systematic literature review was guided by the following questions:
a) Which definitions and theoretical underpinnings concerning pct can be identified in studies?
b) Which observational measures characterize a pct?
c) Is pct among teachers related to job-related growth (and to which facets of job-related growth in detail)
A category-based content analysis of k=88 studies identified as relevant throughout the review process showed that pct is very heterogeneously defined and theoretically embedded. In addition, the observable measures of pct could be classified according to two different dimensions. Pct is characterized by the occurrence of characteristics on a level concerning the regulation of the process of communicating (quantitative aspects of communicating, structuring of communicating and atmosphere of communicating) as well as on a level concerning the content of communicating (focus on content and quality of communicating). Pct that follows the characteristics of both of these levels can bring about a large variety of gains in professionalization in the subject-specific, didactical, and pedagogical knowledge and skills of teachers and, above all, promote the successful mastering of collaboration processes. The findings on the observable measures of pct were then applied to develop a category system for the analysis of teaching-related communication between teachers. Subsequently, the second study was designed to determine the extent to which teaching-related communication between (prospective) teachers of vocational schools, that follows the previously identified measures, can actually promote the process of collaborative task accomplishment. For this purpose, a total of N=14 dyads (N=7 dyads of prospective teachers and N=7 dyads of experienced teachers each) were assigned to a simulated teaching situation in which they had to make a joint decision within the framework of lesson planning through communicative exchange. Specifically, a suitable learning task had to be selected from a set of learning tasks presented by means of a vignette for a teachingrelated lesson planning scenario through discussion. The communicative exchanges between the dyads of (prospective) vocational teachers have been recorded, transcribed and evaluated by means of a content analysis using the category system. For this purpose, the category system was first pre-tested, a coding manual was developed, and the simulated teaching situation was evaluated by means of a questionnaire. The research questions of this second sub-study were as follows:
d) To what extent do the exchanges between the dyads reflect the characteristics of pct identified by the review?
e) To what extent do the participants assess the research design as representative of and realistic for their profession?
f) How can we recognize qualitative pct and how can we distinguish between qualitatively different exchanges based on the specific categories?
g) In light of the categories of pct derived, to what extent do qualitatively distinguishable exchanges have an effect on the collaboration process/process of collaborative decision-making by dyads?
It turned out that the initial category system for pct had to be revised in (a few) parts only and that a suitable coding manual could be developed for analyzing the exchanges of the dyads about learning tasks. The simulated teaching situation was assessed by the participants as being broadly authentic for the area of vocational teaching. In addition, it could be shown that the tools for analyzing pct are suitable for distinguishing exchanges of different qualities among tandems. Finally, it could be demonstrated that a qualitatively distinguishable exchange according to the criteria of analyzing pct can also influence the process of joint task accomplishment of the teacher dyads with varying degrees of success. The findings on this research topic, which has been hitherto largely marginalized within the discipline of vocational teaching, were used to eventually draw up implications for further research and the training of vocational school teachers
Intracellular regulation of Wnt and FGF signal transduction by the late endosomal compartment in Xenopus laevis
Get PDFThe endosomal network depicts a vast playground of multiple processing capabilities in terms of signaling. Distinct compartments of the endosomal machinery exert specific functions and thus contribute in signal termination, transduction, attenuation or amplification. Initially, these functions were attributed to early endosomes but recent research likewise considers late endosomes to be just as relevant in mediating such processes. Functionality as well as the molecular identity of these intracellular membranous platforms are orchestrated by a large superfamily of small Ras like GTPases. The collected data of this study particularly highlight the involvement of late endosomes and its associated regulator Rab7 in the early development of the African clawed frog Xenopus laevis.
In particular, the first two chapters address the Rab7-dependent specification of the mesodermal germ layer by regulating intracellular pathway activity of Wnt and FGF/MAPK signaling. After fertilization formation of the germ layers is one of the first processes to be initiated. An essential part of mesoderm development comprises subdivision into different mesodermal regions, thus clustering it into ventrolateral and dorsal mesoderm. This patterning is crucial to promote further differentiation into various tissues arising from the mesodermal germ layer. It turned out, Rab7 regulates ventrolateral fates in a Wnt-dependent manner. The small GTPase exerts its function upstream of the Wnt co-transcription factor Ctnnb1 to ensure its nuclear relocalization. In addition to that, Rab7-positive endosomes are likewise required to mediate intracellular FGF/MAPK signal transduction in order to specify dorsal mesoderm. Here, Rab7 regulates proper signaling at the level or downstream of Ras and upstream of Erk/Mapk1. The last chapter then elicits further regulative properties of the late endosomal platform, concerning Cd63 function. The tetraspanin Cd63, which constitutes a transmembrane protein, associates with late endolysosomal compartments and exhibits a similar expression pattern like the small GTPase Rab7 in Xenopus laevis. Contrary to Rab7, function of Cd63 seems to be dispensable whilst gastrulation. However, the presented studies in this chapter suggest a vital function of the tetraspanin Cd63 during axial elongation and correct eye development. Therefore, these investigations regarding Cd63 demonstrated an involvement of the regulative function of late endosomes as signaling platforms for embryonic development beyond mesoderm specification and gastrulation.
Overall, the summarized data of this study provides further insights into the determining capacity of Rab7-positive endosomal platforms in intracellular signal transduction of different pathways during early embryonic development.Das endosomale Netzwerk stellt einen enormen Schauplatz für mannigfaltige Prozessierungsmöglichkeiten in Bezug auf Signalübertragung dar. Die verschiedenen Kompartimente der endosomalen Maschinerie üben spezifische Funktionen aus und tragen somit zur Signaltermination, -übertragung, -abschwächung oder -verstärkung bei. Anfänglich wurden diese Funktionen frühen Endosomen zugeschrieben, neuere Forschungen erachten jedoch auch späte Endosomen als gleichermaßen relevant für die Vermittlung solcher Prozesse. Sowohl die Funktionalität als auch die molekulare Identität dieser intrazellulären membranösen Plattformen werden durch eine große Superfamilie kleiner Ras ähnlicher GTPasen gesteuert. Die zusammengestellten Daten dieser Studie heben besonders die Beteiligung später Endosomen und des mit ihnen assoziierten Regulators Rab7 in der frühen Entwicklung des Afrikanischen Krallenfroschs Xenopus laevis hervor.
Die ersten zwei Kapitel thematisieren jeweils die Rab7-abhängige Spezifizierung des mesodermalen Keimblatts durch Regulation der intrazellulären Signalwegsaktivität von Wnt und FGF/MAPK Signalen. Nach der Befruchtung ist die Entstehung der Keimblätter einer der ersten initiierten Prozesse. Ein wesentlicher Teil der Mesodermentwicklung umfasst die Unterteilung in unterschiedliche mesodermale Bereiche, wodurch dieses in ventrolaterales und dorsales Mesoderm gegliedert wird. Diese Strukturierung ist essentiell um die weitere Differenzierung in die verschiedenen Gewebe, welche aus dem mesodermalen Keimblatt entstehen, voranzutreiben. Es stellte sich heraus, dass Rab7 ventrolaterales Schicksal in einer Wnt-abhängigen Weise reguliert. Die kleine GTPase vermittelt ihre Funktion oberhalb des Wnt Ko Transkriptionsfaktors Ctnnb1 um wiederum dessen nukleare Relokalisierung zu gewährleisten. Darüber hinaus werden Rab7-positive Endosomen ebenfalls für die intrazelluläre Vermittlung der FGF/MAPK Signaltransduktion benötigt um dorsales Mesoderm zu spezifizieren. Hier reguliert Rab7 die korrekte Signalgebung auf Ebene oder unterhalb von Ras beziehungsweise oberhalb von Erk/Mapk1.
Im letzten Kapitel werden die weiteren regulativen Eigenschaften später endosomaler Plattformen in Bezug auf die Funktion von Cd63, eruiert. Das Tetraspanin Cd63, welches ein Transmembranprotein darstellt, ist mit späten endolysosomalen Kompartimenten assoziiert und weist in Xenopus laevis ein ähnliches Expressionsmuster wie die kleine GTPase Rab7 auf. Im Gegensatz zu Rab7, scheint die Funktion von Cd63 während der Gastrulation entbehrlich zu sein. Allerdings lassen die in diesem Kapitel aufgeführten Studien eine entscheidende Funktion des Tetraspanins Cd63 während der axialen Elongation und der korrekten Augenentwicklung vermuten. Daher legen die Untersuchungen hinsichtlich Cd63 eine Beteiligung an der regulativen Funktion von späten Endosomen als Signalplattformen in der embryonalen Entwicklung dar, welche über die Mesodermspezifizierung und Gastrulation hinausgehen.
Insgesamt bieten die gesammelten Daten dieser Studie weitere Erkenntnisse über die entscheidende Kapazität Rab7-positiver endosomaler Plattformen in der intrazellulären Signaltransduktion verschiedener Signalwege während der frühen embryonalen Entwicklung
Learning software for Operations Research methods Design of software for the specific requirements of self-learning of Operations Research methods
No full textDigitale Lernformate und -umgebungen nehmen als Ergänzung zu klassischen Unterrichtsformen und auch als deren Ersatz eine immer größere Rolle ein. Die Corona-Pandemie beschleunigt diesen Vorgang in einem weitreichenden Ausmaß. Die Entwicklung digitaler Lernarrangements orientiert sich jedoch häufig an überwiegend technologischen Aspekten und vernachlässigt dabei didaktische Ansätze und Entwicklungen. Gerade aber diese tragen wesentlich zu einem erfolgreichen Lernprozess bei. Dies gilt auch für die Lehre im Fachgebiet des Operations Research (OR), dessen Kern unter anderem der Einsatz quantitativer Methoden zur Lösung wirtschaftswissenschaftlicher Problemstellungen ist. Die Methodenlehre in diesem Bereich wartet mit zahlreichen Lernanforderungen und Besonderheiten auf. Unter deren Berücksichtigung wird mit dieser Arbeit das Ziel verfolgt, eine Konzeption für den Aufbau einer Lernsoftware für die Methodenlehre des Operations Research auf der Grundlage lerntheoretischer Erkenntnisse und geeigneter didaktischer Modelle zu entwerfen.
Dazu findet zunächst eine Einführung in das Fachgebiet des OR statt. Nach der Betrachtung der zeitlichen Entwicklung und des Grundansatzes des OR stehen die Modellierungs- und Lösungsmethoden dieses Fachgebiets im Mittelpunkt, gefolgt von einer gängigen Klassifikation der Methoden des OR. Um die Spezifika von OR-Methoden als Lerngegenstand herausarbeiten zu können, werden gemeinsame Lernanforderungen einzelner Methodenklassen betrachtet. Zudem erfolgt ein Vergleich typischer Lernanforderungen ausgewählter OR-Methoden. Zur detaillierteren Betrachtung wird das Innere-Punkt-Verfahren von Dikin zur exemplarischen Analyse ausgewählt und in seiner Vorgehensweise sowie den daraus resultierenden Lernanforderungen beschrieben. Anschließend folgen Ausführungen zur Idee des Einsatzes von Lernsoftware für das Erlernen von OR-Methoden.
Für die pädagogisch-didaktische Grundlegung der Konzeption von Lernsoftware erfolgt eine Übersicht der wichtigsten Lerntheorien und der grundsätzlichen didaktischen Modelle. Gesondert wird dabei der Bereich der Mediendidaktik mit der Übertragung allgemeiner pädagogisch-didaktischer Grundlagen auf mediale Lernformen betrachtet. Da Lernsoftware als eine Form des E-Learning zu sehen ist, erfolgt eine Einführung in diesen Bereich. Auch wird der Begriff der Lernsoftware in den Vordergrund gerückt, um auf deren diverse idealtypische Ausprägungen und Merkmale eingehen zu können. Allgemeine Kriterien für die Eignung von E-Learning werden vorgestellt, bevor diese dann im Hinblick auf den Anwendungsfall der OR-Methoden analysiert werden. Hierzu wird speziell auch die besondere Bedeutung von Lernsoftware in der Konzeption von E-Learning-Anwendungen herausgestellt.
Um dann auf den Kern der Arbeit die Entwicklung einer Lernsoftware-Didaktik für die als Demonstrationsbeispiel ausgewählte Innere-Punkt-Methode zu kommen, werden zunächst allgemeine Grundlagen zum Entwurf einer Lernsoftware, beginnend mit der Idee und dem Urmodell des Instructional Design von Gagné, angeführt. Danach folgt eine Betrachtung und Untersuchung ausgewählter situationistischer Modelle, um daraus Folgerungen für die konkrete Software-Gestaltung abzuleiten. Auch werden auf Basis der relevanten Lernanforderungen Konsequenzen für die Konzeption einer Lernsoftware zur ausgewählten Methode gezogen. Diese fließen in die Entwicklung der didaktischen Grundstruktur, die nach dem 3-2-1-Modell didaktischer Elemente von Kerres erfolgt, ein.
Die didaktische Ausgestaltung der Lernsoftware wird im Detail erarbeitet und beschrieben. Besonderes Augenmerk wird auf die Interaktivität und die Ablaufsteuerung in der Lernsoftware gerichtet. Dabei werden neben dem Nutzen verschiedener Interaktionsformen für den Lernfortschritt und das Lernziel auch Möglichkeiten zur Gestaltung individueller Lernwege berücksichtigt. Zudem werden Optionen der Einflussnahme einer Lernsoftware auf die Motivation der Lernenden erörtert und entsprechende Erkenntnisse bei der Umsetzung berücksichtigt. So wird in dieser Arbeit gezeigt, dass sich Lernsoftware für die Methodenlehre des OR auch unter Berücksichtigung lerntheoretischer Erkenntnisse und entsprechender didaktischer Modelle konzipieren lässt.
In einem weiteren Schritt werden die Chancen und Herausforderungen von Lernsoftware, insbesondere in der im Mittelpunkt dieser Arbeit stehenden Methodenlehre des OR untersucht. Dabei werden Aufgaben, Ziele und Formen der Evaluation aufgezeigt, Qualitätskriterien für multimediale Lern- und Informationssysteme festgelegt und aktuelle Verfahren und Modelle der Evaluation betrachtet. Darauf aufbauend werden einerseits die Grenzen digitaler Lernformen mit besonderem Fokus auf deren Einsatz in der Methodenlehre des OR und andererseits die sich ergebenden computerdidaktischen Potentiale identifiziert und beschrieben. Zum Abschluss wird ein Ausblick künftiger Entwicklungen spezifischer Lernsoftware für die Methoden des Operations Research gegeben.Digital learning formats and environments play an increasingly important role, both as a supplement to and a substitute for traditional forms of teaching. The Corona pandemic is accelerating this process to a far-reaching extent, particularly in the field of teaching. The development of digital learning arrangements is often oriented towards mainly technological aspects, neglecting didactic approaches and developments. However, it is precisely these that make a significant contribution to the learning process and the desired learning outcome. This also applies to teaching in the field of Operations Research (OR), the core of which is, among other things, the use of quantitative methods to solve economic problems. The teaching of methods in this area involves numerous learning requirements and special features that must also be taken into account when developing digital forms of learning. Considering this fact, the aim of this thesis is to design a concept for the development of a learning software for the methodology of Operations Research on the basis of learning theory findings and suitable didactic models.
For this purpose, an introduction to the field of OR is given first. After considering the development over time and the basic approach of OR, the focus is on the modeling and solution methods of this field, followed by a common classification of OR methods. In order to work out the specifics of OR methods as a learning object, common learning requirements of individual method classes are considered. In addition, a comparison of typical learning requirements of selected OR methods is provided. For more detailed consideration, Dikins interior point method is selected for exemplary analysis and described in terms of its approach and the resulting learning requirements. This is followed by explaining the idea of using educational software for learning OR methods. Also, the choice of the mentioned method is justified.
For the pedagogical-didactic foundation of the conception of learning software, an overview of the most important learning theories and the basic didactical models is given. The field of media didactics with the transfer of general pedagogical-didactic basics to media forms of learning is considered separately. Since learning software is to be seen as a form of e-learning, an introduction to this area is given. The concept of learning software comes to the fore in order to be able to deal with its various ideal-typical manifestations and characteristic features. General criteria for the suitability of e-learning are presented and analyzed with regard to the use case of OR methods. To this end, the special significance of learning software in the design of e-learning applications is also highlighted.
Since the core of this thesis is the development of an learning software didactics for Dikins interior point method chosen as a demonstration example, general principles for the design of an educational software, starting with the idea and the original model of instructional design by Gagné, are given first. This is followed by a consideration and investigation of selected situationist models in order to derive conclusions for the concrete software design in the given case. In addition, conclusions for the design of an educational software for the chosen method are drawn from the respective learning requirements. These are then incorporated into the development of the basic didactic structure, which follows Kerres 3-2-1 model of didactic elements.
The didactic design of the learning software is worked out in detail. Special attention is paid to interactivity and flow control in the learning software. The benefits of different forms of interaction for the learning progress and the learning goal as well as the possibilities to design individual learning paths are considered. Furthermore, the ways in which learning software can influence learner motivation are discussed and corresponding findings are incorporated into the implementation. Thus, in this thesis it is shown that learning software for the methodology of the OR can also be conceptualized under consideration of learning theory insights and corresponding didactic models.
In a further step, the opportunities and challenges of learning software, especially in the methodology of the OR, which is the focus of this work, are examined. Tasks, goals and forms of evaluation are shown, quality criteria for multimedia learning and information systems are defined and current methods and models of evaluation are considered. Based on this, on the one hand, the limitations of digital forms of learning with a special focus on their use in methodology and, on the other hand, the resulting computer didactic potentials are identified and described. Finally, an outlook on future developments of specific learning software for Operations Research methods is given
Microplastics interactions with soil organisms
Get PDFMicroplastics (MP) are plastic particles from 100 nm to 5 mm with different shapes and chemical compositions. In aquatic ecosystems, MP have proven to affect the biological fitness of aquatic organisms, enter the food web, and act as vectors of pollutants. Agricultural soils are sinks for MP due to inputs via sewage sludges, plastic mulches, and organic fertilizers. However, ecological consequences of MP in agricultural soils are unknown.
This doctoral thesis aimed to evaluate the risk of conventional and biodegradable MP for soil organisms in agricultural soils. A microcosm study was combined with a field study and a nematode study to investigate background concentrations, the persistence, and the biodegradation of MP in the soil, and effects of MP on soil microorganisms and nematodes.
In the microcosm study, the influence of plastic type, particle size, and soil moisture on the biodegradation of MP in the soil and on effects on soil microorganisms were examined under controlled conditions (25 °C, 230 days). The abundance and composition of the main soil microbial groups was analyzed via phospholipid fatty acids (PLFAs) as biomarkers; activities of C cycling enzymes driving the decomposition of differently complex substances were analyzed as proxies for C turnover. To understand better the role of MP as an interface for specific microbial processes in the soil, e.g. the enzymatic hydrolysis of MP, enzyme activities of individual MP particles extracted from the soil were measured.
The site of the field study was a conventionally managed agricultural soil (silt-loam Luvisol) of the Heidfeldhof, University of Hohenheim. No practices associated with significant inputs of MP have been conducted at the site in the past (sewage sludge, organic fertilizers, plastic mulch). In a randomized complete block design, the effects of MP, organic fertilizers (digestate and compost), and their interactions on soil microbiological indicators (microbial biomass, soil enzymes) were studied. Before the setup of the field study, MP background concentrations (particle-based) in the soil were analyzed. The persistence of added MP in the soil was evaluated by comparing MP concentrations in the soil after 1 month and 17 months with initial MP concentrations after addition.
In the nematode study, the soil-dwelling nematode Caenorhabditis elegans was exposed to MP feed suspensions on agar plates. The uptake of MP through nematodes and the influence of plastic type and concentration on MP effects on nematode reproduction and body length were examined.
In all studies, artificially fragmented MP from a conventional polymer (low-density polyethylene, LDPE) and a biodegradable polymer blend (poly(lactic acid) and poly(butylene adipate-co-terephtalate), PLA/PBAT) were used. The occurrence of both LDPE- and PLA/PBAT-MP is likely in agricultural soils because these are used for plastic mulches and compost bags.
Results from this thesis suggest that (1) agricultural soils, including those without management practices related to significant MP entry, contain various MP, indicating diffuse MP inputs via atmospheric deposition, littering, and the abrasion of machinery coatings (a possible newly identified pathway), (2) also biodegradable MP persist and are slowly biodegraded in the soil implying a long term exposure risk for soil organisms to MP, (3) MP have no acute negative effects on microorganisms and C turnover, (4) MP form a specific habitat in the soil, the plastisphere, where MP-specific processes take place, e.g. the enzymatic hydrolysis of PLA/PBAT, (5) MP can enter the soil food web via nematodal uptake and affect nematode reproduction, which could destabilize the soil food web.Mikroplastik (MP) sind Kunststoffpartikel von 100 nm bis 5 mm unterschiedlicher Form und chemischer Zusammensetzung. In aquatischen Ökosystemen beeinträchtigen Mikroplastikpartikel nachweislich die biologische Fitness von Wasserorganismen, gelangen in das Nahrungsnetz und fungieren als Vektor von Schadstoffen. Landwirtschaftliche Böden sind aufgrund des Eintrags von Klärschlämmen, Plastikmulch und organischen Düngemitteln Senken für MP. Die ökologischen Folgen von MP in landwirtschaftlichen Böden sind jedoch unbekannt.
Ziel dieser Arbeit war es, das Risiko von konventionellen und biologisch abbaubaren MP für Bodenorganismen in landwirtschaftlichen Böden zu bewerten. Eine Mikrokosmenstudie wurde mit einer Feldstudie und einer Nematodenstudie kombiniert, um Hintergrundkonzentrationen, die Persistenz, und den biologischen Abbau von MP im Boden sowie Effekte von MP auf Bodenmikroorganismen und Nematoden zu untersuchen.
In der Mikrokosmensstudie wurde der Einfluss des Kunststofftyps, der Partikelgröße und der Bodenfeuchte auf den biologischen Abbau von MP im Boden und auf die Effekte auf Bodenmikroorganismen unter kontrollierten Bedingungen (25 °C, 230 Tage) untersucht. Die Abundanz und Zusammensetzung der wichtigsten mikrobiellen Gruppen im Boden wurde via Phospholipidfettsäuren (PLFAs) als Biomarker analysiert; die Aktivitäten von Enzymen des C-Kreislaufs, die den Abbau unterschiedlich komplexer Substanzen katalysieren, wurden als Indikatoren für den C-Umsatz analysiert. Um die Rolle von MP als Schnittstelle für spezifische mikrobielle Prozesse im Boden, z. B. die enzymatische Hydrolyse von MP, besser zu verstehen, wurden Enzymaktivitäten einzelner aus dem Boden extrahierter MP-Partikel gemessen.
Der Standort der Feldstudie war ein konventionell bewirtschafteter landwirtschaftlicher Boden (schluffig-lehmiger Luvisol) auf dem Heidfeldhof der Universität Hohenheim. Am Standort wurden in der Vergangenheit keine Praktiken durchgeführt, die mit einem signifikanten Eintrag von MP verbunden waren (Klärschlamm, organischer Dünger, Plastikmulch). In einem randomisierten Blockdesign wurden die Effekte von MP, organischen Düngemitteln (Gärreste und Kompost) und deren Wechselwirkungen auf mikrobiologische Indikatoren im Boden (mikrobielle Biomasse, Bodenenzyme) untersucht. Vor Etablierung der Feldstudie wurden die Hintergrundkonzentrationen von MP im Boden (auf Partikelbasis) analysiert. Die Persistenz der zugesetzten MP im Boden wurde durch den Vergleich der MP-Konzentrationen im Boden nach 1 Monat und 17 Monaten mit den ursprünglichen MP-Konzentrationen nach der Zugabe bewertet.
In der Nematodenstudie wurde der bodenbewohnende Nematode Caenorhabditis elegans MP-Futtersuspensionen auf Agarplatten exponiert. Untersucht wurden die Aufnahme von MP durch die Nematoden und der Einfluss von Kunststofftyp und -konzentration auf die Effekte von MP auf die Reproduktion und Körperlänge der Nematoden.
In allen Studien wurde künstlich fragmentiertes MP aus einem herkömmlichen Polymer (Polyethylen niedriger Dichte, LDPE) und einer biologisch abbaubaren Polymermischung (Polymilchsäure und Poly(butylenadipat-co-terephtalat), PLA/PBAT) verwendet. Das Vorkommen von LDPE- und PLA/PBAT-MP in landwirtschaftlich genutzten Böden ist wahrscheinlich, da diese für Kunststoffmulch und Kompostsäcke verwendet werden.
Die Ergebnisse dieser Doktorarbeit legen nahe, dass (1) landwirtschaftliche Böden, auch solche ohne Bewirtschaftungspraktiken, die mit einem signifikanten MP-Eintrag verbunden sind, verschiedene MP enthalten, was auf einen diffusen MP-Eintrag über atmosphärische Deposition, Littering und den Abrieb von Maschinenbeschichtungen (ein möglicher neu identifizierter Eintragspfad) hindeutet, (2) auch biologisch abbaubare MP im Boden verbleiben und nur langsam biologisch abgebaut werden, was ein langfristiges Expositionsrisiko für Bodenorganismen gegenüber MP impliziert, (3) MP keine akuten negativen Effekte auf Mikroorganismen und den C-Umsatz haben, (4) MP ein spezifisches Habitat im Boden, die Plastisphäre, bilden, in der MP-spezifische Prozesse ablaufen, z. B. die enzymatische Hydrolyse von PLA/PBAT, (5) MP über die Aufnahme durch Nematoden in das Bodennahrungsnetz gelangen und die Vermehrung von Nematoden beeinflussen können, was das Bodennahrungsnetz destabilisieren könnte
Adaptations of maize to low phosphate availability : establishing regulatory networks from large-scale quantitative proteomic profiling
Get PDFMaize (Zea mays) is an important crop in global for human food, animal feed and industrial usage. Suboptimal phosphorus (P) availability is one of the primary constraints for maize growth and productivity (Jianbo Shen et al., 2011; L.pez-Arredondo et al., 2014). Over 70% arable land suffers from P-deficiency, and plants can take up small amounts of P from the soil due to P-fixation. However, over-application of P fertilizer has frequently happened in last decades and resulted in environmental pollution (L.pez- Arredondo et al., 2014). Modern agriculture calls for maintaining productivity while reducing synthetic-P fertilizer inputs and losses, thus, requiring breeding of novel cultivars to increase phosphate use efficiency (PUE) (Balemi and Negisho, 2012; X., Li, Mang, et al., 2021; Mardamootoo et al., 2021). Understanding the regulation of maize to low phosphate(LP)-availability at the molecular level will offer unlimited potential for the development of selection markers and engineering targets in breeding programs. Nowadays, OMIC approaches and computational science are developing rapidly. They are advanced tools for investigation of molecular adaptations on a large-scale and in a systemic view. Thereby, the major research task within this thesis is to reveal P-deficiency induced responsive components and regulations at protein level based on proteomic profiles, aiming to provide promising candidate genes/proteins for research on the molecular mechanisms of adaptation to LP-stress, and potentially to provide promising candidate gene/proteins for development of selection markers and engineering targets to obtain desired traits, in the long term goal of improving PUE in novel cultivars.
In Chapter 1, we focused on six genotypes (EP1, F2, F142, F160, SF1, SM1) with close genetic background but several contrasting traits to LP-stress, such as PUE (X., Li, Mang, et al., 2021). They were cultured in pot with either sufficient or inefficient P-fertilizer in a climate chamber for one month. The young seedlings were sampled by root and shoot for analysis of multiple traits, transcriptome and proteome. Firstly, we constructed the co-expression network of proteins and transcripts separately using WGCNA method (Langfelder and Horvath, 2008), which predicted potential protein-protein interactions or their co-regulations. Secondly, we categorized proteins/transcripts to modules according to their different coexpression patterns, thus, identified potential determining relationships of modules-traits. Thirdly, we compared the responses between transcripts and proteins, presenting their responses being concordant or dis-concordant. Fourthly, we identified common and genotype-specific P-starvation response modules and biological processes. Finally, we focused on protein kinases, which play roles as regulators, to demonstrated protein kinases-centered network and validated protein interactions between mitogenactivated protein kinase-kinase 1 (MEK1, Zm00001d043609) either with sucrose synthase1 (SH1,Zm00001d045042) or translation elongation factor 1-gamma 3 (eEF1B-γ, Zm00001d046352). MEK1 is a potential genotype-specific regulator via sucrose metabolism and translation elongation process.
In Chapter 2, we aimed to adapted an experimental workflow for phosphoproteome analysis in maize, addressing the interference to phosphoproteome quantification by fibers, secondary metabolites and low abundant of phosphorylated proteins. In this manuscript, we described a rapid and universal protocol for both proteome and phosphoproteome analysis that is suitable for cereal crops. The results of phosphoproteome in maize root testing samples showed that proteins within kinase-centered network in Chapter 1 can be largely quantified based on this workflow. It provides a possible way to analyze phosphorylation dynamics to P-starvation responses, it allows further investigation for kinase-centered 1 network in Chapter 1 to identify phosphorylation pairs of protein kinase protein substrate, which will largely expand a view on P-starvation regulations through posttranslational modifications.Mais (Zea mays) ist weltweit eine wichtige Kulturpflanze für die menschliche Ern.hrung, Tierfutter und industrielle Nutzung. Die suboptimale Verfügbarkeit von Phosphor (P) ist eines der wichtigsten Hemmnisse für das Wachstum und die Produktivit.t von Mais (Jianbo Shen et al., 2011; L.pez-Arredondo et al., 2014). Mehr als 70 % der Ackerfl.chen leiden unter P-Mangel, und die Pflanzen k.nnen aufgrund der Immobilit.t von P-Verbindungen nur geringe Mengen an P aus dem Boden aufnehmen. Dennoch hat eine überm..ige Ausbringung von P-Dünger in den letzten Jahren h.ufig zu einer Umweltverschmutzung geführt (L.pez-Arredondo et al., 2014). Die moderne Landwirtschaft verlangt die Aufrechterhaltung der Produktivit.t bei gleichzeitiger Verringerung des Einsatzes synthetischer P-Dünger und der Verluste, was die Züchtung neuer Sorten zur Steigerung der Phosphatverwendungseffizienz (PUE) erfordert (Balemi und Negisho, 2012; X., Li, Mang, et al., 2021; Mardamootoo et al., 2021; Mi et al., 2021). Das Verst.ndnis der Regulierung von Mais auf niedrige Phosphat(LP)-Verfügbarkeit auf molekularer Ebene bietet ein unbegrenztes Potenzial für die Entwicklung von Selektionsmarkern und technischen Zielen in Zuchtprogrammen. Die molekularen Reaktionen und Regulationsmechanismen in Antwort auf niedrige PVersorgung bei Mais sind jedoch noch weitgehend unerforscht. Heutzutage sind "OMIC"-Ans.tze und computergestützte Wissenschaften fortschrittliche Werkzeuge für die Untersuchung molekularer Anpassungen in gro.em Ma.stab und mit systematischem Blick. Die Hauptforschungsaufgabe im Rahmen dieser Arbeit besteht darin, die durch P-Mangel induzierten Reaktionskomponenten und -regulationen auf Proteinebene anhand von Proteomikprofilen aufzudecken, um vielversprechende Kandidatengene/- proteine für die Erforschung der molekularen Mechanismen der Anpassung an LP-Stress bereitzustellen und potenziell vielversprechende Kandidatengene/-proteine für die Entwicklung von Selektionsmarkern und technischen Zielen zur Erzielung der gewünschten Eigenschaften zu liefern, mit dem langfristigen Ziel, den PUE-Wert in neuen Sorten zu verbessern.
In Kapitel 1 konzentrierten wir uns auf sechs Genotypen (EP1, F2, F142, F160, SF1, SM1) mit .hnlichem genetischen Hintergrund, aber mehreren kontrastierenden Merkmalen gegenüber LP-Stress, wie z. B. PUE (X., Li, Mang, et al., 2021). Sie wurden einen Monat lang in T.pfen mit ausreichendem oder ineffizientem P-Dünger in einer Klimakammer kultiviert. Die Wurzeln und Sprosse junger S.mlinge wurden für die Analyse mehrerer Merkmale, des Transkriptoms und des Proteoms entnommen. Zun.chst rekonstruierten wir das Koexpressionsnetzwerk von Proteinen und Transkripten separat mit der WGCNAMethode (Langfelder und Horvath, 2008), die potenzielle Protein-Protein-Interaktionen oder deren Ko- Regulationen vorhersagte. Zweitens kategorisierten wir Proteine/Transkripte nach ihren unterschiedlichen Koexpressionsmustern in entsprechende Module und identifizierten so potenziell bestimmende Beziehungen zwischen Modulen und Merkmalen. Drittens haben wir die Reaktionen zwischen Transkripten und Proteinen verglichen und ihre Reaktionen als abh.ngig oder unabh.ngig dargestellt. Viertens identifizierten wir gemeinsame und genotypspezifische P-Magelreaktionsmodule und die entsprechenden biologische Prozesse. Schlie.lich konzentrierten wir uns auf Proteinkinasen, die eine Rolle als Regulatoren spielen, um in einem auf Proteinkinasen zentrierten Netzwerk potenzielle Substrate aufzuzeigen. Wir konnten Proteininteraktionen zwischen Mitogen-aktivierter Proteinkinase- Kinase 1 (MEK1, Zm00001d043609) entweder mit Saccharose-Synthase1 (SH1, Zm00001d045042) oder Translationsdehnungsfaktor 1-gamma 3 (eEF1B-γ, Zm00001d046352) experimentell validieren. MEK1 ist ein potenzieller genotypspezifischer Regulator über den Saccharosemetabolismus und den Regulation von Translation.
In Kapitel 2 zielten wir darauf ab, einen experimentellen Arbeitsablauf für die Phosphoproteomanalyse in Mais anzupassen und dabei die St.rungen der Phosphoproteom-Quantifizierung durch Fasern, Sekund.rmetaboliten und die geringe H.ufigkeit phosphorylierter Proteine zu berücksichtigen. Wir haben ein schnelles und universelles Protokoll sowohl für die Proteom- als auch für die Phosphoproteomanalyse entwickelt, das sich insbesondere für Material aus Getreidepflanzen eignet. Die Ergebnisse der Phosphoproteomanalyse in Maiswurzelproben zeigten, dass Proteine innerhalb des in Kapitel 1 beschriebenen kinase-zentrierten Netzwerks mit diesem Arbeitsablauf weitgehend quantifiziert werden k.nnen. Es bietet eine M.glichkeit zur Analyse der Phosphorylierungsdynamik im Zusammenhang mit PMangelreaktionen und erm.glicht eine weitere Untersuchung des kinase-zentrierten Netzwerks in Kapitel 1 zur Identifizierung von Phosphorylierungspaaren "Proteinkinase - Proteinsubstrat", was den Blick auf die P-Starvationsregulierung durch posttranslationale Modifikationen erheblich erweitern wird