2013 research outputs found
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Preharvest and postharvest factors affecting the quality profile of onion landraces
Get PDFOnion cultivation has been practiced for over 4000 years and does not exist as a wild species. Over time onions have adapted to different climates, creating a wide range of varieties and landraces. Today, in modern agriculture, commercial onion breeders focus almost exclusively on conventional farming which increases the demand for certain well-known varieties and hybrids but lowers the diversity available in the mainstream market. Additionally, a clear need for new varieties of onions is heralded by organic farming systems, where pesticides and chemical fertilizers are banned. A way to preserve biodiversity and enrich the range of varieties available in organic farming systems is to re-evaluate traditional landraces and introduce their benefits to the broader public.
Onions are known for their good storability, particular aroma, as well as for their health-promoting benefits due to the rich content of non-structural carbohydrates, flavonoids, and S-containing compounds. However, the quality status and sensorial characteristics of onions can be influenced through preharvest and postharvest factors. Some of those factors are genotype, soil, and storage conditions. Preharvest abiotic factors such as soil salinity can lead to several reduction of yield and quality aspects. Much like many other vegetable species, onions have always been classified as salt-sensitive crop. However, to date, there was very little evidence to that claim, and information about the impact of salinity on onion quality and physiology is lacking.
This thesis aims to characterize onion landraces and compare them using targeted and untargeted metabolomics with commercial cultivars when grown under organic farming conditions. A part of this is evaluating the differences of landrace metabolite profile and the storage impact after five months of cold storage. Furthermore, this thesis discusses the effect of increased soil salinity on the metabolism and physiology of onion plants.
In chapter 2, yield and quality aspects of studied onion varieties demonstrated that landraces can achieve similar or even better results than modern varieties Sturon and Red Baron when grown under organic farming conditions of South-West Germany. Furthermore, differences between Sturon and landraces demonstrated that parts of the aromatic and flavor properties found in landraces have been lost in modern genotypes (Chapter 3). These results indicate that the maximum potential of the modern onion varieties has not yet been reached and further optimization of their yield and quality parameter could be attained through future breeding programs that include local landraces. Among the studied landraces, Birnförmige, Stunova, and Rijnsburger 4 are the most interesting and promising candidates. For instance, Birnformige demonstrated not only good storability but also high levels of S-containing compounds and fructans. Stunova presented good yield stability and capacity, while Rijnsburger 4 exhibited the highest levels of amino acids suitable as precursors of aromatic substances as well as good storability.
Despite several reports claiming that onions are sensitive to salinity, chapter 4 of this thesis demonstrated there is no reduction in plant growth, quality, or aroma in onion plants after moderate Na+ treatments. Nevertheless, in comparison with the landrace Birnformige, modern variety Sturon showed a slight increase of compatible solutes by Na+ accumulation, demonstrating that the potential of certain varieties for onion production under increased soil salinity is actually much higher than previously assumed.Die Speisezwiebel wird seit mehr als 4000 Jahren kultiviert. Ihr genauer Ursprungsort ist unbekannt, eine Wildform existiert nicht. Über Jahrhunderte haben sich Zwiebeln jedoch an unterschiedliche Klimazonen angepasst, es ist eine Vielzahl an Landsorten entstanden. In der modernen Landwirtschaft liegt der Fokus oft im konventionellen Anbau, dies führt zu einer Limitierung des nutzbaren Sortenspektrums und zur Extensivierung der Erhaltungszüchtung von Populationssorten. Darüber hinaus werden neue Zwiebelsorten benötigt, die an Bedingungen im ökologischen Anbausystem (ohne Anwendungen von Pestiziden und chemischen Düngemitteln) angepasst sind. Ein Weg, um die biologische Vielfalt zu erhalten und das Sortenspektrum des ökologischen Landbaus zu bereichern, besteht darin, traditionelle Landsorten neu zu bewerten und ihre besonderen Charakteristiken herauszuarbeiten.
Zwiebeln zeichnen sich durch eine gute Lagerfähigkeit, ihr besonderes Aroma und ihre gesundheitsfördernde Wirkung, bedingt durch das Vorhandensein nicht-struktureller Kohlenhydraten, Flavonoide und S-haltige Verbindungen, aus. Diese Qualitätsparameter und sensorischen Eigenschaften können jedoch durch Vor- sowie Nacherntefaktoren beeinflusst werden. Zu diesen Faktoren zählen: Genotyp, Bodenbedingungen, und Lagerbedingungen. Vorerntefaktoren, wie beispielsweise ein erhöhter Salzgehalt des Bodens, können auch zu Ertragsminderungen und Qualitätsänderungen von Zwiebeln führen. Ähnlich wie bei anderen Gemüsearten wurden Zwiebeln bisher als salzempfindliche Pflanzen eingestuft. Bisher gibt es jedoch nur sehr wenige Hinweise für diese Behauptung, des Weiteren fehlen Informationen zu Auswirkungen des Salzgehalts auf die Zwiebelqualität sowie deren Physiologie. Das Ziel dieser Arbeit ist es, durch gezielte und nicht zielgerichtete Analyse von Metaboliten (Metabolomics) Zwiebellandsorten zu charakterisieren und diese mit kommerziellen Sorten, die unter ökologischen Landbau-Bedingungen erzeugt wurden, zu vergleichen. Zudem werden in dieser Studie auch die Auswirkungen von fünf-monatiger Kühllagerung und die Veränderung des Metabolitenprofils der Landsorten bewertet. Abschließend wird in der vorliegenden Arbeit der Effekt eines erhöhten Salzgehalts im Boden auf den Stoffwechsel und die Physiologie von Zwiebelpflanzen erörtert.
In Kapitel 2, Ergebnisse von Ertrags- und Qualitätsaspekten der untersuchten Zwiebelsorten zeigen, dass Landsorten teilweise höhere Ertragswerte erreichten, als die modernen Sorten Sturon und Red Baron wenn diese unter Bedingungen des ökologischen Landbaus in Südwestdeutschland angebaut wurden. Außerdem zeigen Unterschiede des Metabolitprofils zwischen Sturon und Landsorten, dass ein Teil der in Landsorten gefundenen Aromaeigenschaften in modernen Genotypen verloren gegangen ist (Kapitel 3). Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass das maximale Potenzial der modernen Zwiebelsorten noch nicht erreicht wurde und eine Optimierung ihrer Ertrags- und Qualitätsparameter durch Züchtungsprogramme unter Einbeziehung der Landsorten noch verbessert werden könnte. Interessante Landsorten sind z. B. Birnförmige, Stunova und Rijnsburger 4. Die Birnförmige hatte z. B. hohe Konzentrationen an S-haltigen Verbindungen und Fructanen. Die Sorte Stunova hatte einen guten Ertrag und Rijnsburger 4 hatte die höchsten Konzentrationen solcher Aminosäuren, die als Vorstufen aromatischer Substanzen dienen, sowie auch eine gute Lagerfähigkeit.
Trotz einiger Studien, die von einer hohen Empfindlichkeit der Zwiebeln gegenüber erhöhtem Salzgehalt in Böden berichten, zeigen die hier vorgelegten Ergebnisse in Kapitel 4, dass nach einer moderaten Na+-Behandlung keine Verringerung des Pflanzenwachstums erfolgte und dass auch die Qualität der Zwiebeln erhalten blieb. Lediglich zeigte die moderne Sorte Sturon, im Vergleich zur Landessorte Birnförmige eine leichte Erhöhung von kompatiblen Soluten durch Na+-Akkumulation. Die Ergebnisse zeigen das das Potenzial für die Zwiebelproduktion unter erhöhter Bodensalinität tatsächlich viel höher als bisher angenommen ist
Opening communication in retail : strategy and effectiveness of communication measures at store openings
No full textDurch den Ausbruch der Corona-Pandemie und der damit verbundenen bundesweiten Beschränkunen steht der Einzelhandel in Deutschland einer besonderen Herausforderung entgegen. Nicht nur Fachhändler, sondern auch große Einkaufsketten kämpfen ums Überleben. Doch dort wo Geschäfte schließen, entstehen auch freie Flächen für die Eröffnung neuer Handelsfilialen. Dies zeigt, dass der Einzelhandel ein besonders dynamischer Markt ist. Immer wieder ist die Handelsbranche von Schließungen und Neueröffnungen betroffen. Doch im Gegensatz zur Schließung eines Standortes, der sich negativ auf die Reputation eines Handelsunternehmens auswirken kann, sind Filialeröffnungen Zeichen eines lebhaften Wettbewerbs. Eröffnungen symbolisierenden den wirtschaftlichen Erfolg und das Wachstum eines Unternehmens. Außerdem regen sie den Wettbewerb im Handel weiter an. Der Einzelhandel in Deutschland ist dynamisch und einer der interessantesten Märkte in Europa. Gerade in den konjunkturstarken Jahren drängten immer mehr Unternehmen in den attraktiven Einzelhandel in Deutschland und eröffneten dort neue Filialen.
Werden neue Filialen eröffnet, findet eine Eröffnungskommunikation statt. Die Kommunikationsform ist eine spezifische Art der Marketingkommunikation und umfasst einen langjährigen Planungs- und Gestaltungsprozess. Dieser integriert informelle Absprachen, die offizielle Verkündung von neuen Standorten sowie breit angelegte Werbekampagnen kurz vor der Eröffnung. Neben dem Markteinstieg (Niemann 2016: 140) ist auch die Eröffnung von Filialen in Deutschland komplex, da diese unter Terminverschiebungen und Protesten leiden können. Der Bereich der Eröffnungskommunikation zeigt, wie einzelne Themen des Einzelhandels, wie z. B. Standortkriterien oder lokale Bezüge, ineinander fließen. Trotz der wirtschaftlichen Relevanz, findet die Kommunikation von Filialeröffnungen in der Forschung bislang keine Beachtung. Doch gerade in der praktischen Anwendung ist eine effektive und effiziente Kommunikationsstrategie für viele Bereiche wichtig. Unternehmen profitieren bei einer hochwertigen Eröffnungskommunikation von einem positiven Image und einem höheren Umsatz. Die Öffentlichkeit wird in die Pläne der Unternehmen und Kommunen integriert. Dadurch erlangt sie Informationen und ein Mitspracherecht. Dies beugt Konflikten und Protesten vor und bestimmt den Erfolg des Projekts. Filialeröffnungen regen die Wirtschaft an, indem sie die Attraktivität eines Standortes erhöhen und die Kaufkraft der Kunden anregen. Politiker instrumentalisieren Filialeröffnungen daher für ihre Zwecke, da ihre Reputation und Umfragewerte bei einer erfolgreichen Eröffnung steigen. Zudem kann eine gute Kommunikation zu einer dauerhaften Ansiedlung eines Unternehmens führen, wodurch die Kommunen von Gewerbesteuern und Arbeitsplätzen profitieren.
Die vorliegende Arbeit untersucht den Bereich der Eröffnungskommunikation mit einer deskriptiven Studie, die sich aus zwei Befragungen zusammensetzt. In der ersten qualitativen Teilstudie wurden leitfadengestützte Interviews mit elf Experten aus der Einzelhandelsbranche durchgeführt. Auf diese Ergebnisse baut die zweite quantitative Umfrage mit 7.668 Teilnehmern auf. In dieser werden Kunden von Filialeröffnungen fokussiert. Zuvor wird als Fallbeispiel das expandierende Unternehmen DECATHLON beschrieben, das in den konjunkturstarken Jahren eine Vielzahl von neuen Standorten in Deutschland eröffnet hat. Die Studien basieren auf der Theorie der kombinierten Kommunikationsansätze, wie der Integrierten Unternehmenskommunikation (IUK), der Integrierten Multichannelkommunikation (IMCK) und der Modernen Marketingkommunikation. Auch werden die Grundlagen aus dem Bereich der erfolgreichen Kommunikation bei Bau- und Infrastrukturprojekten, wie der Richtlinie 7001 des Vereins Deutscher Ingenieure (VDI 2014) angewendet. Die hierin enthaltenen Grundregeln für gute Kommunikation werden außerdem auf ihr Vorhandensein bei der Eröffnungskommunikation des Einzelhandels überprüft.Due to the corona pandemic and the associated nationwide restrictions, German retailers are facing a particularly big challenge: not only specialist retailers but also large shopping chains are fighting for survival. Nevertheless, wherever shops close, there is also free capacity for new stores to open. This example shows how dynamic the retail market is. While location shutdowns can have a negative impact on a company´s reputation, branch openings demonstrate effective and lively competition. In contrast to the closure of a location, which can have negative consequences on the reputation of a retail company, openings are the sign of lively competition and a dynamic retail industry. Additionally, retail openings symbolize the economic success and growth of a company to an incomparable extent. As a result, the German retail industry has a high turnover and is therefore the most interesting market in Europe. That is why more and more international companies are attracted to the German retail trade and enter the market.
Whenever new stores open, a special opening communication takes place. This specific type of marketing communication includes a longterm planning and design process, which includes the informal arrangements, the official announcement of the new location and the wideranged advertising campaign shortly before the final opening. In addition to entering the German retail market (Niemann (2016: 140), opening a branch in Germany is also complex. Sometimes store openings are accompanied by protests and postponements. The area of the opening communication shows how the individual retail topics, such as location criteria or local references, affect each other and how diverse different actors are involved. Despite its economic relevance, the communication of store openings has not received any attention in research so far. Nevertheless, an effective and efficient communication strategy as well as practical applications are important in many different areas.
Companies benefit from a positive image and higher sales when applying a highquality communication strategy for store openings. The public is involved in the plans of the retail companies and municipalities. More information is published and citizens are having a say. This prevents conflicts and protests and determines the success of the new project. Store openings stimulate the economy by increasing the attractiveness of a location and stimulating the purchasing power of customers. Politicians therefore exploit retail openings for their own purposes, as their reputation and survey ratings increase with successful openings in their district. In addition, good communication can lead to a permanent establishment of a company, whereby the council benefits from trade taxes and new jobs.
With this research paper, the company DECATHLON is described in the form of a case study. DECATHLON has opened a large number of new German locations during the economically strong years and has therefore expanded its business. The present work examines the area of opening communication with a descriptive study, which consists of two surveys. The first part of the study is a guided interview with eleven retail industry experts. The second study is a quantitative survey which targets 7.668 visitors of store opening events. The structure of the quantitative survey is based on the results of the expert interviews, which have been analysed beforehand. The studies build on the theoretical basis of combined communication approaches, such as Integrated Corporate Communication (IUK), Integrated Multi-channel Communication (IMCK) and Modern Marketing Communication. In addition, the basics of the theoretical field of successful communication in construction and infrastructure projects, such as the guideline 7001 from the Association of German Engineers (VDI 2014), as well as the basic rules for good communication which are contained within the guideline, are applied and checked in reference to opening communication in retail
Integration of hyperspectral, genomic, and agronomic data for early prediction of biomass yield in hybrid rye (Secale cereale L.)
Get PDFCurrently, the combination of a growing bioenergy demand and the need to diversify the dominant cultivation of energy maize opens a highly attractive scenario for alternative biomass crops. Rye (Secale cereale L.) stands out for its vigorous growth and increased tolerance to abiotic and biotic stressors. In Germany, less than a quarter of the total harvest is used for food production. Consequently, rye arises as a source of renewables with a reduced bioenergy-food tradeoff, emerging biomass as a new breeding objective.
However, rye breeding is mainly driven by grain yield while biomass is destructively evaluated in later selection stages by expensive and time-consuming methods. The overall motivation of this research was to investigate the prospects of combining hyperspectral, genomic, and agronomic data for unlocking the potential of hybrid rye as a dual-purpose crop to meet the increasing demand for renewable sources of energy affordably. A specific aim was to predict the biomass yield as precisely as possible at an early selection stage. For this, a panel of 404 elite rye lines was genotyped and evaluated as testcrosses for grain yield and a subset of 274 genotypes additionally for biomass. Field trials were conducted at four locations in Germany in two years (eight environments). Hyperspectral fingerprints consisted of 400 discrete narrow bands (from 410 to 993 nm) and were collected in two points of time after heading for all hybrids in each site by an uncrewed aerial vehicle.
In a first study, population parameters were estimated for different agronomic traits and a total of 23 vegetation indices. Dry matter yield showed significant genetic variation and was stronger correlated with plant height (r_g=0.86) than with grain yield (r_g=0.64) and individual vegetation indices (r_g: =<|0.35|). A multiple linear regression model based on plant height, grain yield, and a subset of vegetation indices surpassed the prediction ability for dry matter yield of models based only on agronomic traits by about 6 %.
In a second study, whole-spectrum data was used to indirectly estimate dry matter yield. For this, single-kernel models based on hyperspectral reflectance-derived (HBLUP) and genomic (GBLUP) relationship matrices, a multi-kernel model combining both matrices, and a bivariate model fitted also with plant height as a secondary trait, were considered. HBLUP yielded superior predictive power than the models based on vegetation indices previously tested. The phenotypic correlations between individual wavelengths and dry matter yield were generally significant (p < 0.05) but low (r_p: =< |0.29|). Across environments and training set sizes, the bivariate model yielded the highest prediction abilities (0.56 0.75). All models profited from larger training populations. However, if larger training sets cannot be afforded, HBLUP emerged as a promising approach given its higher prediction power on reduced calibration populations compared to the well-established GBLUP. Before its incorporation into prediction models, filtering the hyperspectral data available by the least absolute shrinkage and selection operator (Lasso) was worthwhile to deal with data dimensionally.
In a third study, the effects of trait heritability, as well as genetic and environmental relatedness on the prediction ability of GBLUP and HBLUP for biomass-related traits were compared. While the prediction ability of GBLUP (0.14 - 0.28) was largely affected by genetic relatedness and trait heritability, HBLUP was significantly more accurate (0.41 - 0.61) across weakly connected datasets. In this context, dry matter yield could be better predicted (up to 20 %) by a bivariate model. Nevertheless, due to environmental variances, genomic and reflectance-enabled predictions were strongly dependant on a sufficient environmental relationship between data used for model training and validation.
In summary, to affordably breed rye as a double-purpose crop to meet the increasing bioenergy demands, the early prediction of biomass across selection cycles is crucial. Hyperspectral imaging has proven to be a suitable tool to select high-yielding biomass genotypes across weakly linked populations. Due to the synergetic effect of combining hyperspectral, genomic, and agronomic traits, higher prediction abilities can be obtained by integrating these data sources into bivariate models.Die Kombination eines wachsenden Bioenergiebedarfs und die Notwendigkeit, den vorherrschenden Anbau von Energiemais zu diversifizieren, eröffnen ein äußerst attraktives Szenario für alternative Biomassekulturen. Roggen (Secale cereale L.) zeichnet sich, durch ein kräftiges vegetatives Wachstum und eine erhöhte Toleranz gegenüber abiotischen und biotischen Stressfaktoren. In Deutschland wird weniger als ein Viertel der gesamten Roggenernte für die Lebensmittelproduktion verwendet. Daher gewinnt Roggen durch einen geringeren Zielkonflikt zwischen Bioenergie- und Lebensmittelnutzung an Bedeutung als Quelle für erneuerbare Energien, wobei Biomasse als neues Züchtungsziel auftaucht.
Die Roggenzüchtung konzentriert sich derzeit jedoch hauptsächlich auf den Kornertrag, während die Biomasse in späteren Selektionsstadien durch teure und zeitaufwändige Methoden destruktiv erfasst wird. Die übergeordnete Motivation dieser Arbeit war es, die Aussichten der Kombination von hyperspektralen, genomischen und agronomischen Daten für die Erschließung des Potenzials von Hybridroggen als Zweinutzungspflanze zu untersuchen, um den steigenden Bedarf an erneuerbaren Energiequellen kostengünstig zu decken. Das spezifische Ziel war es, den Biomasseertrag in einem frühen Selektionsstadium so genau wie möglich vorherzusagen. Dazu wurde ein Panel von 404 Elitelinien genotypisiert und als Testkreuzungen für Kornertrag - eine Teilmenge von 274 Genotypen auch für Biomasse-Ertrag ausgewertet. Feldversuche wurden an vier Standorten in zwei Jahren in Deutschland (entspricht acht Umwelten) durchgeführt. Die hyperspektralen Daten (400 diskreten Banden; 410-993 nm) wurden zu zwei Zeitpunkten nach dem Ährenschieben für alle Testkreuzungen an jedem Ort von einer Drohne gesammelt.
In einer ersten Studie wurden Populationsparameter für verschiedene agronomische Merkmale und insgesamt 23 Vegetationsindizes geschätzt. Der Trockenmasseertrag zeigte eine signifikante genetische Variation und korrelierte stärker mit der Wuchshöhe (r_g=0.86) als mit dem Kornertrag (r_g=0.64) und den einzelnen Vegetationsindizes (r_g: =<|0.35|). Ein multiples lineares Regressionsmodell, welches auf Wuchshöhe, Kornertrag und den besten Vegetationsindizes basierte, übertraf die Vorhersagefähigkeit für den Trockenmasseertrag von Modellen, die nur auf agronomischen Merkmalen basierten, um etwa 6%.
In einer zweiten Studie wurde das ganze Wellenlängenspektrum verwendet, um den Trockenmasseertrag indirekt abzuschätzen. Hierzu wurden Einzelkernmodelle (single-kernel models) basierend auf genomischen (GBLUP) oder hyperspektralen (HBLUP) Beziehungsmatrizen, ein Mehrkernmodell (multi-kernel model), das beide Matrizen kombiniert, sowie ein bivariates Modell, welches auch Wuchshöhe als ein sekundäres Merkmal enthielt, analysiert. HBLUP lieferte eine bessere Vorhersagekraft als die Modelle, die auf Vegetationsindizes basierten. Die phänotypische Korrelationen zwischen einzelnen Wellenlängen und dem Trockenmasseertrag waren im Allgemeinen signifikant (p<0,05), jedoch geringfügig (r_p: =<|0.29|). Über alle Umwelten und Trainingssatzgrößen hinweg ergab das bivariate Modell die höchsten Vorhersagefähigkeiten (0,56-0,75). Alle Modelle profitierten von größeren Trainingspopulationen. Wenn jedoch keine größeren Trainingssätze bereitgestellt werden können, zeigte HBLUP eine höhere Vorhersagefähigkeit als das etablierte GBLUP. Vor der Einbeziehung in Vorhersagemodelle hat sich das Filtern der verfügbaren Hyperspektraldaten durch den least absolute shrinkage and selection operator (Lasso) als notwendig erwiesen, um die Dimensionalität der Daten zu verringern.
In einer dritten Studie wurden die Auswirkungen der Heritabilität sowie der Ähnlichkeit innerhalb von Genotypen und Umwelten auf die Vorhersagefähigkeit von GBLUP und HBLUP für biomassebezogene Merkmale verglichen. Während die Vorhersagefähigkeit von GBLUP (0,14-0,28) weitgehend durch genetische Verwandtschaft und die Merkmalsheritabilitäten beeinflusst wurde, war HBLUP in wenig verwandten Datensätzen signifikant genauer (0,41-0,61). In diesem Zusammenhang konnte der Trockenmasseertrag durch ein bivariates Modell bis zu 20% besser vorhergesagt werden. Aufgrund hoher Genotyp-Umwelt-Interaktionen waren genomische und reflexionsbasierte Vorhersagen nur schlecht geeignet, um die Leistung fehlender Umwelten vorherzusagen.
Zusammenfassend ist es für eine kostengünstige Züchtung von Roggen als Zweinutzungspflanze zur Deckung des steigenden Bioenergiebedarfs entscheidend, die Biomasse über Selektionszyklen hinweg frühzeitig vorherzusagen. Die hyperspektrale Bildgebung hat sich als geeignetes Instrument zur Auswahl ertragreicher Biomasse-Genotypen auch in wenig verwandten Populationen erwiesen. Dank des synergetischen Effekts der Kombination von hyperspektralen, genomischen und agronomischen Merkmalen können durch die Integration dieser Datenquellen in bivariaten Modelle höhere Vorhersagefähigkeiten erzielt werden
Mathematical optimization of sterile supply in medical facilities considering disposable and reusable instruments
No full textAufgrund des demographischen Wandels sehen sich die Gesundheitssysteme der Industrieländer konfrontiert mit Leistungsmengen- und Kostensteigerungen bei gleichzeitig hohen Qualitäts- und Versorgungsansprüchen. Effizienzsteigerungen stellen ein wichtiges wenn nicht sogar das wichtigste Mittel zur Bewältigung dieser Herausforderung dar. Einen Ansatzpunkt für Effizienzsteigerungen im Krankenhaus bieten Logistikprozesse, auf die bis zu 30 % der gesamten Kosten entfallen. Durch die Optimierung logistischer Prozesse können Kosteneinsparungen von bis zu 50 % erreicht werden. Insbesondere bietet die Optimierung im Bereich der Krankenhauslogistik die Möglichkeit Kosten bei gleichzeitiger Qualitätssicherung zu senken. Diese Arbeit betrachtet den logistischen Prozess der Sterilgutversorgung, der die Bereitstellung und Aufbereitung steriler chirurgischer Instrumente zur Aufgabe hat. Er ist als Hilfsprozess des OP-Prozesses sowohl aus Wirtschaftlichkeits- als auch Qualitätsgesichtspunkten von wesentlicher Bedeutung.
Ziel der Arbeit ist es, einen Optimierungsansatz für den Sterilgutversorgungsprozess zu entwickeln, der mit Hilfe eines mathematischen Modells, die Entscheidung über die Gruppierung von Mehrweginstrumenten in Siebe und die Entscheidung zwischen der Nutzung eines Einweg- oder eines Mehrweginstruments kombiniert. Durch die Kombination soll Optimierungspotential aus Synergien der interdependenten Entscheidungen erschlossen werden.
Der Forschungsbeitrag der Arbeit besteht zum einen in einem systematischen Literaturüberblick zum State of the Art der Sieboptimierung und der Einweg-Mehrweg-Entscheidung, zum anderen in der Entwicklung einer neuen Problemstellung, die in der Literatur bisher noch nicht aufgegriffen wurde, in der Praxis aber von hoher Relevanz ist. Die Problemstellung wird in Form eines mathematischen Modells abgebildet und ein mathematischer Optimierungsansatz zur Lösung des Problems entwickelt. Das Optimierungsmodell wird in der Optimierungssoftware GAMS implementiert und mit dem Solver CLPEX auf ein praxisorientiertes Fallbeispiel angewendet. Zum Zweck einer effizienten Implementierung wird zudem ein Algorithmus zur Linearisierung von Modellvariablen entworfen. Anhand des Fallbeispiels kann das Einsparpotential des Optimierungsansatzes für die Frauenklinik eines Maximalversorgers auf knapp 80.000 Euro jährlich geschätzt werden.Due to demographic change, healthcare systems in industrialized countries are confronted with increases in service volumes and costs combined with high quality and care demands. Increased efficiency is an important - if not the most important - means of meeting this challenge. Logistics processes, which account for up to 30% of total costs, offer a starting point for efficiency improvements in hospitals. Cost savings of up to 50% can be achieved by optimizing logistics processes. In particular, optimization in the area of hospital logistics offers the opportunity to reduce costs while maintaining quality assurance. This thesis considers the logistical process of sterile supply, which has the task of providing and preparing sterile surgical instruments. As an sub-process of the surgical process, it is of essential importance both from the point of view of economy and quality.
The aim of this work is to develop an optimization approach for the sterile supply process which, with the aid of a mathematical model, combines the decision on the grouping of reusable instruments in trays and the decision between the use of a disposable or a reusable instrument. The combination is intended to unlock optimization potential from synergies of the interdependent decisions.
The research contribution of the thesis consists, on the one hand, in a systematic literature review on the state of the art of sieve optimization and the disposable-reusable decision, and, on the other hand, in the development of a new problem, which has not been addressed in the literature before, but is highly relevant in practice. The problem is represented in the form of a mathematical model and a mathematical optimization approach is developed to solve the problem. The optimization model is implemented in the optimization software GAMS and applied to a practical case study using the solver CLPEX. For the purpose of an efficient implementation, an algorithm for the linearization of model variables is also designed. Based on the case study, the savings potential of the optimization approach for the gynecological clinic of a maximum care provider can be estimated at almost 80,000 euros per year
Strategic network planning in biomass-based supply chains
Get PDFFossil resources are limited and will run short. Moreover, the extensive usage of fossil resources is discussed as a key driver for climate change which means that a changeover in basic economic and ecological thinking is necessary. Especially for energy production, there has to be a movement away from the usage of fossil resources and towards renewable resources like wind, water, sun, or biomass. Within the first part of this work a structured review of recent literature on the long-term, strategic planning of biomass-based supply chains is provided. Therefore, in the first step, the overall research field bioeconomy by means of the various utilization pathways of biomass is structured and the demand-oriented view of supply chain management models and the supply-oriented view of bioeconomy are combined. In the second step, a literature review of operations research models and methods for strategic supply chain planning in biomass-based industries are provided. Thirdly, trends are identified and conclusions about research gaps are drawn. One of the identified research gaps is to make biomass-based supply chains profitable on their own, i.e., without governmental subsidies. Therefore, new optimization models are necessary, which should be as close to reality as possible, by for example considering risks and actual surrounding constraints concerning the legal framework. Within the second part of this work, an approach for strategic optimization of biogas plants considering increased flexibility is developed. Biogas plants can produce their energy flexibly and on-demand if their design is adjusted adequately. In order to achieve a flexibly schedulable biogas plant, the design of this plant has to be adapted to decouple the biogas and electricity production. Therefore, biogas storage possibilities and additional electrical capacity are necessary. The investment decision about the size of the biogas storage and the additional electrical capacity depends on the fluctuation of energy market prices and the availability of governmental subsidies. This work presents an approach supporting investment decisions to increase the flexibility of a biogas plant by installing gas storages and additional electrical capacities under consideration of revenues out of direct marketing at the day-ahead market. In order to support the strategic, long-term investment decisions, an operative plant schedule for the future, considering different plant designs given as investment strategies, using a mixed-integer linear programming (MILP) model in an uncertain environment is optimized. The different designs can be evaluated by calculating the net present value (NPV). Moreover, an analysis concerning current dynamics and uncertainties within spot market prices is executed. Furthermore, the influences concerning the variation of spot market prices compared to the influence of governmental subsidies, in particular, the flexibility premium, are revealed by computational results. Besides, the robustness of the determined solution is analyzed concerning uncertainties. The focus of the third part of the work is to consider variable substrate feeding in the mentioned optimization approach because it is expected that variable substrate feeding and thus a demand-oriented biogas production can influence the optimized plant design. In order to support this extension, an operative plant schedule for the future, considering (non-) linear technical characteristics of the biogas plant and the legal framework is optimized. Therefore, mixed-integer linear programming models with integrated approximation approaches of non-linear parts, representing the biogas production rates, are constructed. Furthermore, the influences of fluctuating spot market prices, governmental subsidies, and biomass feedstock prices on the decisions are analyzed for a fictional case example, which is based on a biogas plant in southern Germany. These numerical experiments show that variable substrate feeding can play a decisive role during the optimization of a biogas plant schedule as part of a long-term design optimization. However, the size of the strategic optimization problem makes the use of a heuristic solution algorithm necessary.Fossile Ressourcen sind begrenzt und werden zur Neige gehen. Darüber hinaus wird über die extensive Nutzung fossiler Ressourcen als wesentlicher Treiber des Klimawandels diskutiert, so dass ein Umdenken in der ökonomischen und ökologischen Grundhaltung notwendig ist. Insbesondere bei der Energieerzeugung muss eine Abkehr von der Nutzung fossiler Ressourcen und eine Ausrichtung auf erneuerbare Ressourcen wie Wind, Wasser, Sonne oder Biomasse erfolgen. Im ersten Teil dieser Arbeit wird ein strukturierter Überblick über die aktuelle Fachliteratur zur langfristigen, strategischen Planung von biomassebasierten Supply Chains gegeben. Dazu wird in einem ersten Schritt das gesamte Forschungsfeld "Bioökonomie" anhand der verschiedenen Nutzungspfade von Biomasse strukturiert und die nachfrageorientierte Sichtweise von Supply Chain Management Modellen und die angebotsorientierte Sichtweise der Bioökonomie zusammengeführt. Im zweiten Schritt wird ein Literaturüberblick über Operations-Research-Modelle und Methoden zur strategischen Supply-Chain-Planung in biomassebasierten Branchen gegeben. Im dritten Schritt werden Trends identifiziert und Schlussfolgerungen über Forschungslücken gezogen. Eine der identifizierten Forschungslücken besteht darin, biomassebasierte Supply Chains selbständig, d.h. ohne staatliche Subventionen, profitabel zu machen. Hierfür sind neue Optimierungsmodelle notwendig, die möglichst realitätsnah sein sollten, indem sie z.B. Risiken und tatsächliche Rahmenbedingungen bezüglich der rechtlichen Vorgaben berücksichtigen. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird ein Ansatz zur strategischen Optimierung von Biogasanlagen unter Berücksichtigung einer Flexibilitätserhöhung entwickelt. Biogasanlagen können bei geeigneter Auslegung ihre Energie flexibel und bedarfsgerecht produzieren. Um eine Biogasanlage flexibel planbar zu betreiben, muss das Design dieser Anlage so angepasst werden, dass die Biogas- und Stromproduktion entkoppelt werden. Dazu sind Biogasspeichermöglichkeiten und zusätzliche elektrische Kapazität notwendig. Die Investitionsentscheidung über die Größe des Biogasspeichers und der zusätzlichen elektrischen Kapazität hängt von der Schwankung der Energiemarktpreise und der Verfügbarkeit staatlicher Fördermittel ab. Diese Arbeit stellt einen Ansatz zur Unterstützung von Investitionsentscheidungen zur Erhöhung der Flexibilität einer Biogasanlage durch die Installation von Gasspeichern und zusätzlichen elektrischen Kapazitäten unter Berücksichtigung von Erlösen aus der Direktvermarktung am Day-Ahead-Markt vor. Um die strategischen, langfristigen Investitionsentscheidungen zu unterstützen, wird ein operativer Anlagenfahrplan für die Zukunft unter Berücksichtigung verschiedener Anlagendesigns, die als Investitionsstrategien vorgegeben sind, mit Hilfe eines gemischt-ganzzahligen linearen Optimierungsmodells (MILP), unter Berücksichtigung von Unsicherheit, optimiert. Die verschiedenen Designs können durch die Berechnung des Kapitalwerts (NPV) bewertet werden. Darüber hinaus wird eine Analyse der aktuellen Dynamik und der Unsicherheiten der Spotmarktpreise durchgeführt. Darüber hinaus werden die Einflüsse der Varianz der Spotmarktpreise im Vergleich zum Einfluss staatlicher Subventionen, insbesondere der Flexibilitätsprämie, durch Berechnungsergebnisse aufgezeigt. Außerdem wird die Robustheit der ermittelten Lösung hinsichtlich der Unsicherheiten analysiert. Der Fokus des dritten Teils der Arbeit liegt auf der Berücksichtigung eines variablen Substratmanagements in dem entwickelten Optimierungsansatz, da erwartet wird, dass eine variable Substrateinspeisung und damit eine bedarfsgerechte Biogasproduktion das optimierte Anlagendesign beeinflussen kann. Um diese Erweiterung umzusetzen, wird ein operativer Anlagenfahrplan für die Zukunft unter Berücksichtigung (nicht-) linearer technischer Eigenschaften der Biogasanlage und der gesetzlichen Rahmenbedingungen optimiert. Dazu werden gemischt-ganzzahlige lineare Optimierungsmodelle mit integrierten Approximationsansätzen der nichtlinearen Anteile, welche die Biogasproduktionsraten repräsentieren, konstruiert. Des Weiteren werden die Einflüsse von schwankenden Spotmarktpreisen, staatlichen Förderungen und Biomasse-Rohstoffpreisen auf die Entscheidungen für ein fiktives Fallbeispiel, das auf einer Biogasanlage aus Süddeutschland basiert, analysiert. Die numerischen Experimente zeigen, dass die variable Substrateinspeisung bei der Optimierung des Fahrplans einer Biogasanlage im Rahmen einer langfristigen Anlagenoptimierung eine entscheidende Rolle spielen kann. Die Größe des strategischen Optimierungsproblems macht jedoch den Einsatz eines heuristischen Lösungsalgorithmus notwendig
An economic analysis of fish demand and livelihood outcomes of small-scale aquaculture in Myanmar
Get PDFGiven that capture fishery production has either remained stagnant or declined globally, aquaculture has been responsible for the massive growth in the supply of fish to fulfill increasing demand and has also improved livelihoods. The development of the fishery sector, particularly aquaculture, has the potential to contribute to the Sustainable Development Goals (SDGs). New technologies and effective fishery management policies play critical roles in achieving this sectors contribution to the SDGs. Although aquaculture in Myanmar is dominated by large-scale fish farming, a larger number of small-scale aquaculture (SSA) households exist either legally or illegally because profitability and employment opportunities have enticed them to enter the sector. However, the potential of SSA farmers and their challenges are still overlooked. Even though Myanmar is one of the major consumers of fish and producers of aquaculture fish worldwide, to date, a holistic approach that considers the demand and supply side of Myanmars aquaculture sector is rare.
The thesis focuses on two main topics. One topic is an analysis of the disaggregated fish demand system. Empirical evidence on whether the aquaculture sector can meet household demand through adequate availability of and accessibility to fish is vital to ensure household food and nutrition security and understand the future of the fish demand. The second main topic focuses on the two aspects of production based on SSA farms; production efficiency and impacts on welfare outcomes from the adoption of sustainable aquaculture (SA) technologies. To fulfill fish demand by increasing the supply of fish from farms, production efficiency of the farmers needs to improve to generate profitable in the face of lower fish prices that will accompany an increase in supply. In addition, traditional aquaculture production practices are risky and are not a long-term option for SSA farmers. Therefore, renewing or modifying productive resources and implementing new technologies may play critical roles in the development of a sustainable SSA sector. The study on the fish demand analysis in Chapter 2 relies on nationally representative data from the "Myanmar Poverty and Living Conditions survey (MPLCS) in 2015,". For the production side analysis in Chapters 3 and 4, primary survey data originate from 440 SSA households collected in three townships in Phyapon District, Ayeyarwady Delta region, Myanmar.
Chapter 2 estimates the demand parameters differentiated by fish supply sources (aquaculture, freshwater capture, marine capture, and dried fish) and household groups (wealth group and household location) in Myanmar using a three-stage budgeting framework, combined with a Quadratic Almost Ideal Demand System (QUAIDS). The results reveal that fish demand from all sources of fish and household groups increases with income because fish is the second most crucial food commodity after rice in Myanmar. A substantial share of the increasing demand for all sources of fish is likely to come from poor and rural households with growing incomes due to their higher-income elasticity for all sources of fish. Moreover, less elastic price elasticity of demand in most cases for poor and rural households indicates that those households have less animal protein substitutes for fish available and accessible because fish is the cheapest form of an animal protein source in Myanmar. Due to the income responsiveness of aquaculture fish, its demand will grow faster than that of other fish sources. This study confirms that the rapidly growing aquaculture sector can compensate for the concurrent stagnation of capture fisheries production to fulfill the increase in the fish demand. The studys findings suggest that effective management policies and new technologies are essential to sustain the fish supply from capture fisheries and aquaculture. Intervention programs that sustainably increase aquaculture production will generate the most effective and significant effects on securing households food and nutrition security in the long-run.
Chapter 3 analyzes the current technical efficiency level of SSA farms and the link between womens level of participation in decision-making (WPDM) activities and the technical efficiency of fish farming using the two-stage double bootstrap data envelopment analysis (DEA) method. The results show that most SSA farming households are not technically efficient, performing in a range of 45%-60% below the production frontier. All the inputs used contain slacks, such that all of them are over-utilized in inappropriate ratios. This study reveals that while some of the households socio-economic and production characteristics are significant shifters to enhance efficiency of fish farming, decision-making power of women at the household-level is found to significantly improve the level of technical efficiency through its effects on the ability of household members to allocate and organize resources optimally. This study highlights the vital need to promote intervention programs targeted at improving the technical efficiency of SSA farming households. Policies and intervention programs aimed at increasing productivity in the aquaculture sector would benefit by including women empowerment programs to reduce gender inequality and promote equity.
Chapter 4 evaluates the determinants and the impacts of SA technologies adoption on SSA households welfare outcomes using the endogenous switching regression (ESR) model. The significant value of the correlation coefficients between the error terms of the adoption decision and the outcome equations, as well as heterogeneity in the outcome variables between adopters and non-adopters, confirm that the ESR model is more appropriate than data pooling in a regression model. The models actual and counterfactual results highlight that the adoption of SA technologies increases the SSA households welfare outcomes, measured by fish yield per ha, Household Dietary Diversity Score (HDDS), and Total Food Consumption Score (TFCS). However, the actual adopters would benefit the most in terms of fish yield per ha and TFCS from adopting SA technologies because the average treatment effects of adoption on adopters are larger than that of non-adopters for these variables. The results highlight that household knowledge about aquaculture production and information sources are main drivers for the adoption decision and improving welfare outcomes. Therefore, appropriate policies targeting SSA development should emphasize the promotion of farmers awareness and adoption of SA technologies by providing improved extension services.
This thesis findings contribute to the current debate that the development of the aquaculture sector can help achieve some of the SDGs. In particular, aquaculture can help end hunger through increased food security by making fish more widely available and accessible by increasing the supply of fish. Moreover, aquaculture can improve gender equality and womens empowerment through creating employment opportunities linked to the aquaculture sector. Given the lower technical efficiency level and positive welfare impacts of SA technologies, it is recommended that the government and other development organizations disseminate information on the improved aquaculture practices and suitable input use through improved extension services to SSA farmers. Due to the dominance of a single fish species in the aquaculture sector, the government needs to support research and development programs in the hatchery sector for a new generation of species. Another recommendation is to reformulate the current "Farmland Law 2012" because it puts restrictions on converting agricultural land to fish ponds, which is preventing farmers entering the aquaculture sector legally. The above policy recommendations are crucial to achieve growth in the SSA sector and increase womens intra-household decision-making power, thereby opening the door to improve livelihoods.Während die Fangfischerei weltweit entweder stagniert oder zurück geht, ist es mittels Fischproduktion in Aquakulturen gelungen, die wachsende Nachfrage durch massive Steigerung des Fischangebots zu decken und eine Verbesserung der Lebensbedingungen zu ermöglichen. Die Entwicklung des Fischereisektors, insbesondere der Aquakultur, kann maßgeblich zur Erreichung der Sustainable Development Goals (SDGs, englisch für nachhaltige Entwicklungsziele) beitragen. Wie hoch dieser Beitrag ausfällt, wird von neuen Technologien und Fischereimanagementpolitiken abhängen. In Myanmar sind große Fischfarmen die vorherrschende Form von Aquakultur, doch gibt es auch eine wachsende Anzahl an Haushalten, die wegen der hohen Rentabilität und der Arbeitsplatzsituation sowohl legal als auch illegal Aquakultur in kleinem Maßstab (SSA, englische Abkürzung für small scale aquaculture) betreiben. Potenziale sowie Herausforderungen der SSA-Kleinbauern werden jedoch oft verkannt. Obwohl Myanmar einer der größten Fischkonsumenten und Produzenten von Aquakulturfischen weltweit ist, fehlt ein ganzheitlicher Ansatz, der sowohl die Nachfrage- als auch die Angebotsseite des Aquakultursektors berücksichtigt.
Die Arbeit konzentriert sich auf zwei Hauptthemen. Zuerst steht die Analyse des Fischnachfragesystems, disaggregiert nach verschiedenen Kriterien, im Fokus. Empirische Erkenntnisse darüber, ob der Aquakultursektor die Nachfrage der Haushalte durch eine angemessene Verfügbarkeit und Zugänglichkeit von Fisch befriedigen kann, sind entscheidend, um die Ernährungssicherheit der Haushalte zu gewährleisten und die Zukunft der Fischnachfrage zu verstehen. Das zweite Hauptthema konzentriert sich auf zwei Aspekte der Produktion von Fisch in kleinen Aquakulturen: Produktionseffizienz und Wohlfahrtseffekte durch die Einführung von nachhaltigen Aquakulturtechnologien. Um die Fischnachfrage durch ein höheres Angebot von Fisch aus Aquakultur zu befriedigen, muss die Produktionseffizienz von SSA verbessert werden. Nur so können die SSA-Kleinbauern trotz der niedrigeren Fischpreise, die mit einer Erhöhung des Angebots einhergehen, profitabel bleiben. Darüber hinaus sind die traditionellen Produktionsmethoden risikoreich und daher langfristig keine rentable Option für die SSA-Kleinbauern. Deswegen können Erneuerungen oder Modifizierungen von aktuellen Produktionsmitteln sowie die Einführung neuer Technologien eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung eines nachhaltigen Aquakultursektors mit SSA-Kleinbauern spielen. Die Studie zur Analyse der Nachfrage nach Fisch in Kapitel 2 stützt sich auf national repräsentative Daten aus der "Myanmar Poverty and Living Conditions survey (MPLCS) in 2015". Für die produktionsseitige Analyse in den Kapiteln 3 und 4 wurden Primärdaten erhoben mittels einer Befragung von 440 Haushalten, die Aquakultur in kleinem Maßstab in drei Gemeinden im Phyapon-Distrikt (Ayeyarwady-Delta-Region, Myanmar) betreiben.
Kapitel 2 schätzt die Nachfrageparameter aufgeteilt nach Fischversorgungsquellen (Aquakultur, Süßwasserfang, Meeresfang und Trockenfisch) und Haushaltsgruppen (Wohlstandsgruppe und Haushaltsstandort) in Myanmar unter Verwendung eines dreistufigen Budgeting Frameworks, kombiniert mit einem quadratischen fast idealen Nachfragesystem (QUAIDS, englische Abkürzung für quadratic almost ideal demand system). Die Ergebnisse zeigen, dass die Nachfrage nach Fisch aus allen Fischquellen und Haushaltsgruppen mit dem Einkommen steigt, da Fisch in Myanmar nach Reis das zweitwichtigste Nahrungsmittel ist. Ein wesentlicher Anteil der steigenden Nachfrage nach allen Fischquellen wird wahrscheinlich von armen und ländlichen Haushalten mit steigendem Einkommen kommen. Grund dafür ist deren höhere Einkommenselastizität für Fisch aus allen Produktionsformen. Außerdem deutet die geringere Preiselastizität der Nachfrage in den meisten Fällen für arme und ländliche Haushalte darauf hin, dass diesen Haushalten weniger tierische Eiweißsubstitute für Fisch zur Verfügung stehen, da Fisch die kostengünstigste Form einer tierischen Eiweißquelle in Myanmar ist. Durch diese starke Einkommensabhängigkeit wird erwartet, dass die Nachfrage nach Fisch aus Aquakultur deutlich schneller wachsen wird als die nach anderweitig produziertem Fisch. Diese Studie bestätigt, dass der schnell wachsende Aquakultursektor die gleichzeitige Stagnation des Fischfangs kompensieren und damit die gestiegene Nachfrage decken kann. Die Ergebnisse legen außerdem nahe, dass eine effektive Managementpolitik und neue Technologien notwendig sind, um das Fischangebot aus Fangfischerei und Aquakultur aufrechtzuerhalten. Besonders weitreichende Auswirkungen auf die langfristige Ernährungssicherung werden von Interventionsprogrammen erwartet, die die Aquakulturproduktion nachhaltig steigern.
Im dritten Kapitel wird das aktuelle technische Effizienzniveau der SSA-Kleinbauern und der Zusammenhang zwischen demselben und der Beteiligung von Frauen an Entscheidungsprozessen mit Hilfe einer zweistufigen Double-Bootstrap-Data-Envelopment-Analyse Methode analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die meisten landwirtschaftlichen Haushalte, die kleinere Aquakulturen unterhalten, technisch nicht effizient sind und zwischen 45 % und 60 % unterhalb der Produktionsgrenze arbeiten. Zudem wird deutlich, dass einige der sozioökonomischen und produktionstechnischen Merkmale der Haushalte die Effizienz der Fischzucht signifikant beeinflussen. Auch das Mitspracherecht der Frauen auf Haushaltsebene verbessert signifikant das Niveau der technischen Effizienz, indem Ressourcen optimal verteilt und organisiert werden. Diese Studie unterstreicht die dringende Notwendigkeit, Interventionsprogrammen zu fördern, die auf die Verbesserung der technischen Effizienz von SSA-Kleinbauern abzielen. Strategien und Interventionsprogrammen mit dem Ziel die Produktivität in der Aquakultur zu steigern würden davon profitieren, wenn sie auch die Stärkung der Frauen zum Ziel machen und damit Ungleichheiten zwischen den Geschlechtern verringern.
Im vierten Kapitel werden die Determinanten und die Wohlfahrtseffekte auf Haushaltsebene der Einführung von nachhaltigen Aquakulturtechnologien mit Hilfe des endogenen Switching-Regressionsmodells (ESR) bewertet. Dass das ESR-Modell besser geeignet ist als eine gepoolte Regression, wird durch die folgenden zwei Aspekte deutlich; zum einen durch den signifikanten Korrelationskoeffizienten zwischen den Fehlertermen der Entscheidung, die neuen Technologien einzusetzen, und den Ergebnisgleichungen und zum anderen durch die Heterogenität in den Ergebnisvariablen zwischen Haushalten, die die Technologien einsetzen und denen die sich dagegen entscheiden. Die tatsächlichen und kontrafaktischen Ergebnisse des Modells zeigen, dass die Annahme von nachhaltigen Aquakulturtechnologien zu positiven Wohlfahrtseffekten auf alle SSA-Haushalte führt, gemessen am Fischertrag pro ha, dem Household Dietary Diversity Score (englisch für Score für die Ernährungsdiversität eines Haushalts) und dem Total Food Consumption Score (englisch für Score für den gesamten Lebensmittelkonsum eines Haushalts). Die Studie stellt auch heraus, dass das Wissen der Haushalte über Aquakulturproduktion und auch die Informationsquellen einen starken Einfluss auf die Entscheidung für oder wider die neue Technologie haben und auch für die Wohlfahrtseffekte entscheidend sind. Folglich sollten die Förderung des Bewusstseins der SSA-Kleinbauern und die Bereitstellung verbesserter Beratungsdienste fester Bestandteil von Politikstrategien sein, die auf die Entwicklung von Aquakulturen in kleinerem Maßstab abzielen.
Die Ergebnisse dieser Arbeit leisten einen Beitrag zur Debatte um die Frage, wie die Entwicklung des Aquakultursektors darauf hinwirken kann, einige der SDGs zu erreichen. Insbesondere kann die Aquakultur die Ernährungssicherung verbessern, indem sie durch erhöhtes Angebot Fisch in größerem Umfang verfügbar und zugänglich macht. Darüber hinaus kann die Aquakultur Geschlechtergleichstellung und die Rolle der Frau durch Schaffung von Beschäftigungsmöglichkeiten, die mit dem Aquakultursektor zusammenhängen, stärken. Akteuren wie der Regierung und Entwicklungsorganisationen wird empfohlen über optimale, angepasste Aquakulturpraktiken und den geeigneten Einsatz von Produktionsmitteln mittels verbesserter Beratungsdienste zu informieren. Da der Aquakultursektor bisher von nur einer Fischart dominiert wird, wird zudem geraten, Forschungs- und Entwicklungsprogramme zum Brüten und Züchten anderer, geeigneter Arten zu unterstützen. Eine weitere Empfehlung ist das aktuelle "Farmland Law 2012" neu zu formulieren, da es aktuell Einschränkungen für die Umwandlung von landwirtschaftlichen Flächen in Fischteiche vorsieht. Das hindert Landwirte daran, legal in den Aquakultursektor einzusteigen. Diese politischen Empfehlungen sind essentiell, um ein Wachstum im SSA-Sektor zu erreichen und das Mitspracherecht von Frauen innerhalb des Haushalts zu erhöhen und damit die Tür zu höheren Lebensstandards zu öffnen
Banana weevil borer (Cosmopolites sordidus) : plant defense responses and control options
Get PDFEach year 25-75% of banana yields are lost to Cosmopolites sordidus, one of the major pests of banana/plantain plants. This loss is common with resource-limited farmers who cannot afford the frequent application of insecticides due to their cost and developed resistance by weevils. Larvae, the most destructive life stage, occupy ecologically different microenvironments from adult weevils, thus least affected by synthetic insecticides. Feeding of larvae on banana rhizomes interferes with the established and emerging roots which reduce water and nutrient uptake and consequently weaken the plant stability during windy weather. Integrated pest management (IPM) is being promoted, for a single control strategy produces limited and or unsustainable results. IPM options for banana weevils include habitat management (cultural control), biological control, host resistance, botanical control and chemical control as last resort. Of the above IPM strategies, this research evaluated host resistance, botanical plant extracts and entomogenous fungi to contribute to the overall goal of reducing synthetic insecticides use. In the evaluation of host resistance, physiochemical of phenolic origin; lignin, and suberin were considered. Comparably, weevil and methyl jasmonate treatment, induced higher deposits of lignin and suberin, cellular modifications, and high total phenolic content as well as antioxidant capacity in Km5 than Mbwazirume banana cultivars. Induced polyphenols reduced weevil damage to less than 5% in Km5 compared to 11% damage in the Mbwazirume cultivar. However, with the onetime application of 0.01% methyl jasmonate, Mbwazirume, had 50% reduced weevil damage compared to untreated control.
Extracts from dried clove buds (Syzygium aromaticum), pepper fruits (Piper guineense) and neem seeds (Azadirachta indica) and their synthetic analogs were evaluated as botanical control option to Carbofuran against C. sordidus in the laboratory and infested field experiments. Efficacy of plant extracts and their synthetic analogs, revealed egg hatch inhibitory effect, larvicidal toxicity and adult repellency variation. For instance, clove extracts and its synthetic analogs had the lower egg inhibitory dose (ID50) of 0.08 to 0.22% than black pepper (0.24 to 0.75%), and half the ID50 value caused 50% larvae mortality. However, in 6 to 48 hours pepper repelled 80 - 98%, clove 78 - 90% and neem 63 - 75% adult weevils, an effect that significantly (P =0.001) reduced field weevil population.
Lastly, three Entomogenous fungi; Curvularia senegalensis, Fusarium verticillioides, and Fusarium oxysporum species complex (FOSC) were also evaluated for their ability to infect weevil eggs, larvae and adult weevils, and to reduce weevil damage in potted plants. C. senegalensis and F. verticillioides greatly affected egg hatching and larval survival, for instance, they caused 75 to 90% eggs hatch inhibition, unlike the 25 to 55% egg hatch inhibition for Beauveria bassiana and FOSC. Besides that, fungal treated plants 14 days before weevils, had significantly high SPAD value (P <0.0001), less than 20% rhizome damage and predictive weevil mortality R2 = 0.46. Rhizome damage was greatly reduced by C. senegalensis, followed by B. bassiana and F. verticillioides, and it is the first record to demonstrate that C. senegalensis and F. verticillioides are pathogenic to C. sordidus. In conclusion, an IPM that combines host resistance with locally available botanic extracts and effective entomogenous fungi may provide a sustainable intervention in the management of the weevil population and their damages to benefit both commercial and resource-limited farmers.Jedes Jahr gehen 25-75% der Bananenerträge an Cosmopolites sordidus verloren, einen der Hauptschädlinge von Bananen- / Wegerichpflanzen. Dieser Verlust tritt häufig bei Landwirten mit begrenzten Ressourcen auf, die sich die häufige Anwendung von Insektiziden aufgrund ihrer Kosten und der entwickelten Resistenz von Rüsselkäfern nicht leisten können. Larven, das zerstörerischste Lebensstadium, besetzen eine ökologisch andere Mikroumgebung als erwachsene Rüsselkäfer und sind daher am wenigsten von synthetischen Insektiziden betroffen. Die Fütterung von Larven mit Bananen-Rhizomen stört die etablierten und entstehenden Wurzeln, wodurch die Wasser- und Nährstoffaufnahme verringert wird, und schwächt folglich die Pflanzenstabilität bei windigem Wetter. Das integrierte Schädlingsmanagement (IPM) wird gefördert, da eine einzige Bekämpfungsstrategie nur begrenzte und / oder nicht nachhaltige Ergebnisse liefert. IPM-Optionen für Bananenrüsselkäfer umfassen Habitatmanagement (kulturelle Kontrolle), biologische Kontrolle, Wirtsresistenz, botanische Kontrolle und chemische Kontrolle als letztes Mittel. Von den oben genannten IPM-Strategien bewertete diese Studie die Resistenz des Wirts, botanische Pflanzenextrakte und entomogene Pilze mit dem Ziel, zum Gesamtziel der Reduzierung des Einsatzes synthetischer Insektizide beizutragen. Bei der Bewertung der Wirtsresistenz werden Physiochemikalien phenolischen Ursprungs; Lignin und Suberin wurden berücksichtigt. Vergleichsweise induzierte die Behandlung mit Rüsselkäfern und Methyljasmonat höhere Ablagerungen von Lignin und Suberin, zelluläre Modifikationen und einen hohen Gesamtphenolgehalt sowie eine höhere Antioxidationskapazität in Km5 als in Bananensorten mit Mbwazirume. Induzierte Polyphenole reduzierten den Rüsselkäferschaden in Km5 auf weniger als 5% im Vergleich zu 11% in der Sorte Mbwazirume. Bei einmaliger Anwendung von 0,01% Methyljasmonat hatte "Mbwazirume" jedoch eine um 50% verringerte Schädigung des Rüsselkäfers im Vergleich zur unbehandelten Kontrolle.
Extrakte aus getrockneten Nelkenknospen (Syzygium aromaticum), Pfefferfrüchten (Piper guineense) und Neemsamen (Azadirachta indica) und ihre synthetischen Analoga wurden im Labor und in befallenen Feldversuchen als botanische Kontrolloption für Carbofuran gegen C. sordidus bewertet. Die Wirksamkeit von Pflanzenextrakten und ihren synthetischen Analoga zeigte eine hemmende Wirkung auf das Schlüpfen von Eiern, eine larvizide Toxizität und eine Variation der Abstoßungsfähigkeit bei Erwachsenen. Zum Beispiel hatten Nelkenextrakte und ihre synthetischen Analoga die niedrigere Eihemmungsdosis (ID50) von 0,08 bis 0,22% als schwarzer Pfeffer (0,24 bis 0,75%), und die Hälfte des ID50-Wertes verursachte eine 50% ige Larvensterblichkeit. In 6 bis 48 Stunden stieß Pfeffer jedoch 80 - 98%, Gewürznelke 78 - 90% und Neem 63 - 75% erwachsene Rüsselkäfer ab, ein Effekt, der die Feldrüsselkäferpopulation signifikant (P = 0,001) reduzierte.
Zuletzt drei entomogene Pilze; Curvularia senegalensis, Fusarium verticillioides und Fusarium oxysporum species complex (FOSC) wurden ebenfalls auf ihre Fähigkeit hin untersucht, Rüsselkäfereier, Larven und erwachsene Rüsselkäfer zu infizieren und Rüsselkäferschäden in Topfpflanzen zu verringern. C. senegalensis und F. verticillioides beeinflussten das Schlüpfen von Eiern und das Überleben der Larven stark. Beispielsweise verursachten sie eine Hemmung des Schlupfes von 75 bis 90%, im Gegensatz zu der Hemmung des Schlupfens von 25 bis 55% bei Beauveria bassiana und FOSC. Außerdem hatten mit Pilzen behandelte Pflanzen 14 Tage vor Rüsselkäfern einen signifikant hohen SPAD-Wert (P <0,0001), weniger als 20% Rhizomschaden und eine prädiktive Rüsselkäfersterblichkeit R2 = 0,46. Der Rhizomschaden wurde durch C. senegalensis, gefolgt von B. bassiana und F. verticillioides, stark reduziert, und es ist die erste Aufzeichnung, die demostratiert, dass C. senegalensis und F. verticillioides für C. sordidus pathogen sind. Zusammenfassend kann ein IPM, das Wirtsresistenz mit lokal verfügbaren Pflanzenextrakten und wirksamen entomogenen Pilzen kombiniert, ein nachhaltiges Eingreifen in das Management der Rüsselkäferpopulation und ihrer Schäden zum Nutzen sowohl kommerzieller als auch ressourcenbeschränkter Landwirte ermöglichen
Genomics-assisted breeding strategies for quantitative resistances to Northern corn leaf blight in maize (Zea mays L.) and Fusarium diseases in maize and in triticale (× Triticosecale Wittm.)
Get PDFFusarium head blight (FHB) in triticale (× Triticosecale Wittm.), Gibberella ear rot (GER) and Northern corn leaf blight (NCLB) in maize (Zea mays L.) are devastating crop diseases causing yield losses and/or reducing grain quality worldwide. Resistance breeding is the most efficient and sustainable approach to reduce the damages caused by these diseases. For all three pathosystems, a quantitative inheritance based on many genes with small effects has been described in previous studies. Hence, this thesis aimed to assess the potential of genomics-assisted breeding strategies to reduce FHB, GER and NCLB in applied breeding programs. In particular, the objectives were to: (i) Dissect the genetic architecture underlying quantitative variation for FHB, GER and NCLB through different quantitative trait loci (QTL) and association mapping approaches; (ii) assess the potential of genomics-assisted selection to select superior triticale genotypes harboring FHB resistance; (iii) phenotype and characterize Brazilian resistance donors conferring resistance to GER and NCLB in multi-environment trials in Brazil and in Europe; and (iv) evaluate approaches for the introgression and integration of NCLB and GER resistances from tropical to adapted germplasm.
The genome-wide association study (GWAS) conducted for FHB resistance in triticale revealed six QTL that reduced damages by 5 to 8%. The most prominent QTL identified in our study was mapped on chromosome 5B and explained 30% of the genotypic variance. To evaluate the potential of genomic selection (GS), we performed a five-fold cross-validation study. Here, weighted genomic selection increased the prediction accuracy from 0.55 to 0.78 compared to the non-weighted GS model, indicating the high potential of the weighted genomic selection approach. The successful application of GS requires large training sets to develop robust models. However, large training sets based on the target trait deoxynivalenol (DON) are usually not available. Due to the rather moderate correlation between FHB and DON, we recommend a negative selection based on genomic estimated breeding values (GEBVs) for FHB severity in early breeding stages. In the long-run, however, we encourage breeders to build and test GS calibrations for DON content in triticale.
The genetic architecture of GER caused by Fusarium graminearum in maize was investigated in Brazilian tropical germplasm in multi-environment trials. We observed high genotype-by-environment interactions which requires trials in many environments for the identification of stable QTL. We identified four QTL that explained between 5 to 22% of the genotypic variance. Most of the resistance alleles identified in our study originated from the Brazilian tropical parents indicating the potential of this exotic germplasm as resistance source. The QTL located on chromosome bin 1.02 was identified both in Brazilian and in European trials, and across all six biparental populations. This QTL is likely stable, an important feature for its successful employment across different genetic backgrounds and environments. This stable QTL is a great candidate for validation and fine mapping, and subsequent introgression in European germplasm but possible negative linkage drag should be tackled.
NCLB is another economically important disease in maize and the most devastating leaf disease in maize grown in Europe. Virulent races have already overcome the majority of known qualitative resistances. Therefore, a constant monitoring of S. turcica races is necessary to assist breeders on the choice of effective resistances in each target environment. We investigated the genetic architecture of NCLB in Brazilian tropical germplasm and identified 17 QTL distributed along the ten chromosomes of maize explaining 4 to 31% of the trait genotypic variance each. Most of the alleles reducing the infections originated from Brazilian germplasm and reduced NCLB between 0.3 to 2.5 scores in the 1-9 severity scale, showing the potential of Brazilian germplasm to reduce not only GER but also NCLB severity in maize. These QTL were identified across a wide range of environments comprising different S. turcica race compositions indicating race non-specific resistance and most likely stability. Indeed, QTL 7.03 and 9.03/9.04 were identified both in Brazil and in Europe being promising candidates for trait introgression.
These major and stable QTL identified for GER and NCLB can be introgressed into elite germplasm by marker-assisted selection. Subsequently, an integration step is necessary to account for possible negative linkage drag. A rapid genomics-assisted breeding approach for the introgression and integration of exotic into adapted germplasm has been proposed in this thesis.
Jointly, our results demonstrate the high potential of genomics-assisted breeding strategies to efficiently increase the quantitative resistance levels of NCLB in maize and Fusarium diseases in maize and in triticale. We identified favorable QTL to increase resistance levels in both crops. In addition, we successfully characterized Brazilian germplasm for GER and NCLB resistances. After validation and fine mapping, the introgression and integration of the QTL identified in this study might contribute to the release of resistant cultivars, an important pillar to cope with global food security.Ährenfusariosen (Fusarium head blight, FHB) in Triticale (× Triticosecale Wittm.), sowie Kolbenfusariosen (Gibberella ear rot, GER) und Turcicum-Blattdürre (Northern corn leaf blight, NCLB) im Mais (Zea mays L.), sind weltweit verheerende Schaderreger, die zu Ertragseinbußen und verminderter Erntegutqualität führen können. Die Resistenzzüchtung ist die effizienteste und nachhaltigste Methode, um die auftretenden Schadwirkungen dieser Pflanzenkrankheiten zu minimieren. Für alle drei Pathosysteme wurden bereits quantitative Resistenzen in der Literatur beschrieben. Die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit war daher, das Potenzial genomisch unterstützter Zuchtstrategien zur Reduktion von FHB, GER und NCLB zu untersuchen. Insbesondere wurden dabei die nachfolgenden Ziele verfolgt: (i) die genetische Architektur von FHB, GER und NCLB mit verschiedenen QTL- und Assoziationskartierungsansätzen zu untersuchen; (ii) das Potential genomisch unterstützter Zuchtstrategien zur Selektion von Triticale Genotypen mit verbesserter FHB Resistenz zu bewerten; (iii) die Charaktierisierung und Phänotypisierung brasilianischer Resistenzdonoren für GER und NCLB in mehreren Umwelten in Brasilien und Europa; und (iv) Ansätze für die Einkreuzung und Intergration von tropischen NCLB und GER Resistenzquellen in europäisches Zuchtmaterial zu bewerten.
Die genomweite Assoziationskartierung (GWAS) für FHB Resistenz in Triticale identifizierte sechs QTL, die eine Reduktion im Befallswert zwischen 5 und 8% erklärten. Der vielversprechendste QTL wurde auf Chromosome 5B identifizert und erklärte 30% der genotypischen Varianz. Um das Potenzial der genomischen Selektion (GS) zu evaluieren, wurde eine fünffache Kreuzvalidierung durchgeführt. Hier zeigte eine gewichtete genomische Selektion (wGS) einen Anstieg in der Vorhersagegenauigkeit von 0.55 auf 0.78, verglichen zum ungewichteten GS Modell. Dies unterstreicht das Potenzial der wGS Methode. Eine erfolgreiche Implementierung von GS benötigt eine ausreichend große Trainingspopulationen, um robuste Modelle zu kalibrieren. Hierfür ist die Datengrundlage für das Zielmerkmale Deoxynivalenol (DON) üblicherweise jedoch nicht ausreichend. Aufgrund der eher moderaten Korrelation zwischen FHB und DON empfehlen wir zunächst eine Negativselektion basierend auf genomischen Zuchtwerten für FHB Anfälligkeit in frühen Generationen. Langfristig möchten wir jedoch Züchtungsunternehmen motivieren GS Kalibrationen für DON Gehalt in Triticale zu entwickeln und testen.
Die genetische Architektur von GER, hervorgerufen durch Fusarium graminearum im Mais, wurde in brasilianischem Zuchtmaterial in mehreren Umwelten untersucht. Wir beobachteten eine große Genotyp-Umwelt Interkation, was Versuche in vielen Umwelten zur Identifikation von stabilen QTL voraussetzt. Wir identifizierten vier QTL die zwischen 5 und 22% der genetischen Varianz erklärten. Die meisten der identifizierten Resistenzallele hatten ihren Ursprung in den tropischen brasialinschen Eltern, was das Potenzial dieses Materials als Resistenzquelle unterstreicht. Der QTL auf dem Chromosom Bin 1.02 wurde in allen sechs Bi-parentalen Populationen sowohl in Brasilien als auch in Europa dentifiziert. Dieser QTL tendiert zu einer hohen Stabilität, was eine sehr wichtige Eigenschaft für die erfolgreiche Anwendung in verschiedenen genetischen Hintergünden und Umwelten ist. Dieser stabile QTL ist daher ein Kandidat für weitere Validierungen, für eine mögliche Feinkartierung und die anschließende Einkreuzung in europäisches Zuchtmaterial. Mögliche negative Einflüsse durch Linkage Drag müssen jedoch berücksichtigt werden.
NCLB ist eine weitere wichtige Krankheit mit hoher ökonomischer Bedeutung im Mais. In Europa ist es die wichtigste Blattkrankeit im Mais. Virulente Rassen haben viele der identifizierten qualitativen Resistenzen bereits überwunden. Daher ist ein kontinuierliches Monitoring der S. turcica Rassen notwendig, um Züchter in der Wahl von effektiven Resistenzen für die jeweilige Zielumwelt zu unterstützen. Daher haben wir die genetische Architektur von NCLB in tropischen brasilianischem Zuchtmaterial untersucht und identifizierten insgesamt 17 QTL, verteilt auf allen 10 Chromosomen, die zwischen 4 und 30% der genotypischen Varianz erklärten. Die meisten dieser QTL mit einem reduzierenden Effekt hatten braislianschen Ursprung und reduzierten NCLB zwischen 0.3 und 2.5 Boniturnoten auf einer Skala von 1-9. Dies unterstreicht das hohe Potenzial des brasilianischen Zuchtmaterials zur Reduktion nicht nur von GER aber auch von NCLB im Mais. Die gefundenen QTL wurden in vielen Umwelten mit verschiedenen S. turcica Rassen identifiziert, was eine rassenunabhängige und stabile Resistenzwirkung nahelegt. Die QTL 7.03 und 9.03/9.04 wurden sowohl in Brasilien als auch in Europa identifiziert und sind daher vielversprechende Kandidaten für Einkreuzungen.
Die identifizierten stabilen QTL, mit großen Effekten für GER und NCLB, können mit Hilfe Marker gestützter Selektion (MAS) in Elitematerial eingekreuzt werden. Ein anschließender Integrationsschritt ist jedoch nötig, um negativen Effekten durch Linkage Drag zu begegnen. Aus diesem Grund wurde ein schnelles genomisch unterstütztes Zuchtschema zur Einkreuzung und Integration von exotischen Resistenzquellen in den Elitehintergrund in dieser Arbeit vorgestellt.
Zusammenfassend zeigen unsere Ergebnisse das hohe Potenzial von genomisch unterstützten Zuchtstrategien zur effizienten Steigerung der quantitativen Resistenz von NCLB im Mais und Fusariumerkrankungen im Mais und in Triticale. Wir identifizierten vielversprechende QTL, um das resistenzniveau in beiden Kulturarten zu erhöhen. Wir waren erfolgreich in der Charakterisierung des brasilianischen Zuchtmaterials für GER und NCLB Resistenz. Nach einer weiteren Validierung und Feinkartierung kann die Einkreuzung und Integration der identifizierten QTL einen signifikanten Beitrag zur Züchtung von Sorten mit verbesserten Resistenzeigenschaften leisten. Dies ist ein wichtiger Baustein, um die globale ernährungssicherheit zu gewährleisten
Statistical methods for analysis of multienvironment trials in plant breeding : accuracy and precision
Get PDFMultienvironment trials (MET) are carried out every year in different environmental conditions to evaluate a vast number of cultivars, i.e., yield, because different cultivars perform differently in various environmental conditions, known as genotype×environment interactions. MET aim to provide accurate information on cultivar performance so that a recommendation of which cultivar performs the best in a growers field condition can be available. MET data is often analysed via mixed models, which allow the cultivar effect to be random. The random effect of cultivar enables genetic correlation to be exploited across zones and considering the trials heterogeneity. A zone can be viewed as a larger target of population environments. The accuracy and precision of the cultivar predictions are crucial to be evaluated. The prediction accuracy can be evaluated via a cross-validation (CV) study, and the model selection can be done based on the lowest mean squared error prediction (MSEP). Also, since the trials locations hardly coincide with growers field, the precision of predictions needs to be evaluated via standard errors of predictions of cultivar values (SEPV) and standard errors of the predictions of pairwise differences of cultivar values (SEPD). The central objective of this thesis is to assess the model performance and conduct model selection via a CV study for zone-based cultivar predictions.
Chapter 2 assessed the performance between empirical best linear unbiased estimations (EBLUE) and empirical best linear unbiased predictions (EBLUP) for zone-based prediction. Different CV schemes were done for the single-year and multi-year datasets to mimic the practice. A complex covariance structure such as factor-analytic (FA) was imposed to account for the heterogeneity of cultivar×zone (CZ) effect. The MSEP showed that the EBLUP models outperformed the EBLUE models. The zonation was necessary since it improved the accuracy and was preferable to make cultivar recommendations. The FA structure did not improve the accuracy compared to the simpler covariance structure, and so the EBLUP model with a simple covariance structure is sufficient for the single and multi-year datasets.
Chapter 3 assessed the single-stage and stagewise analyses. The three weighting methods were compared in the stagewise analysis: two diagonal approximation methods and the fully efficient method with the unweighted analysis. The assessment was based on the MSEP instead of Pearsons and Spearmans correlation coefficients since the correlation coefficients are often very close between the compared models. The MSEP showed that the single-stage EBLUP and the stagewise weighting EBLUP strategy were very similar. Thus, the loss of information due to diagonal approximation is minor. In fact, the MSEP showed a more apparent distinction between the single-stage and the stagewise weighting analyses with the unweighted EBLUE compared to the correlation coefficients. The simple compound-symmetric covariance structure was sufficient for the CZ effect than the more complex structures. The choice between the single-stage and stagewise weighting analysis, thus, depends on the computational resources and the practicality of data handling.
Chapter 4 assessed the accuracy and precision of the predictions for the new locations. The environmental covariates were combined with the EBLUP in the random coefficient (RC) models since the covariates provide more information for the new locations. The MSEP showed that the RC models were not the model with the smallest MSEP, but the RC models had the lowest SEPV and SEPD. Thus, the model selection can be done by joint consideration of the MSEP, SEPV, and SEPD. The models with EBLUE and covariate interaction effects performed poorly regarding the MSEP. The EBLUP models without RC performed best, but the SEPV and SEPD were large, considered unreliable. The covariate scale and selection are essential to obtain a positive definite covariance matrix. Employing unstructured covariance int the RC is crucial to maintaining the RC models invariance feature. The RC framework is suitable to be implemented with GIS data to provide an accurate and precise projection of cultivar performance for the new locations or environments. To conclude, the EBLUP model for zoned-based predictions should be preferred to obtain the predictions and rankings closer to the true values and rankings. The stagewise weighting analysis can be recommended due to its practicality and its computational efficiency. Furthermore, projecting cultivar performances to the new locations should be done to provide more targeted information for growers. The available environmental covariates can be utilised to improve the predictions accuracy and precision in the new locations in the RC model framework. Such information is certainly more valuable for growers and breeders than just providing means across a whole target population of environments.Multi-Umwelt-Versuche (MET) werden unter verschiedenen Umweltbedingungen durchgeführt, um eine große Anzahl von Sorten, d.h. den Ertrag, zu bewerten, da verschiedene Sorten unter verschiedenen Umweltbedingungen unterschiedlich abschneiden, was als Genotyp×Umwelt-Interaktionen bekannt ist. Ziel der MET ist es, genaue Informationen über die Leistung der Sorten zu liefern, damit den Landwirten eine Empfehlung gegeben werden kann. MET-Daten werden häufig mit Hilfe von gemischten Modellen analysiert, bei denen der Effekt der Sorte zufällig ist. Der Zufallseffekt der Sorte ermöglicht es, die genetische Korrelation zwischen den Zonen zu nutzen und die Heterogenität der Versuche zu berücksichtigen. Eine Zone kann als ein größeres Ziel von Populationsumgebungen betrachtet werden. Die Genauigkeit und Präzision der Sortenvorhersagen müssen unbedingt bewertet werden. Die Vorhersagegenauigkeit kann durch eine Kreuzvalidierungsstudie (CV) bewertet werden, und die Modellauswahl kann auf der Grundlage der Vorhersage mit dem niedrigsten mittleren quadratischen Fehler (MSEP) erfolgen. Da die Versuchsstandorte kaum mit den Feldern der Landwirte übereinstimmen, muss auch die Genauigkeit der Vorhersagen anhand der Standardfehler der Vorhersagen der Sortenwerte (SEPV) und der Standardfehler der Vorhersagen der paarweisen Unterschiede der Sortenwerte (SEPD) bewertet werden. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Bewertung der Modellleistung und die Durchführung einer Modellauswahl mittels einer CV-Studie für zonenbasierte Sortenvorhersagen.
In Kapitel 2 wurde die Leistung der empirisch besten linearen unvoreingenommenen Schätzungen (EBLUE) und der empirisch besten linearen unvoreingenommenen Vorhersagen (EBLUP) für die zonenbasierte Vorhersage bewertet. Für die ein- und mehrjährigen Datensätze wurden verschiedene CV-Schemata angewandt, um die Praxis zu imitieren. Eine komplexe Kovarianzstruktur wie die faktorenanalytische (FA) wurde eingeführt, um die Heterogenität des Effekts von Sorte×Zone (CZ) zu berücksichtigen. Der MSEP zeigte, dass die EBLUP-Modelle die EBLUE-Modelle übertrafen. Die Zonierung war notwendig, da sie die Genauigkeit verbesserte und bevorzugt zu Anbauempfehlungen führte. Die FA-Struktur verbesserte die Genauigkeit nicht im Vergleich zur einfacheren Kovarianzstruktur. Somit ist das EBLUP-Modell mit einer einfachen Kovarianzstruktur ausreichend.
In Kapitel 3 wurden die einstufigen und stufenweisen Analysen bewertet. Bei der stufenweisen Analyse wurden die drei Gewichtungsmethoden miteinander verglichen. Die Bewertung erfolgte anhand des MSEP anstelle der Korrelationskoeffizienten von Pearson und Spearman, da die Korrelationskoeffizienten zwischen den verglichenen Modellen oft sehr eng beieinander liegen. Der MSEP zeigte, dass die einstufige EBLUP- und die stufenweise gewichtete EBLUP-Strategie sehr ähnlich waren. Der Informationsverlust durch die diagonale Approximation ist also gering. Der MSEP zeigte einen deutlicheren Unterschied zwischen den einstufigen und den stufenweisen gewichteten Analysen mit dem ungewichteten EBLUE im Vergleich zu den Korrelationskoeffizienten. Die einfache compound-symmetrische Kovarianzstruktur reichte für den CZ-Effekt besser aus als die komplexeren Strukturen. Die Wahl zwischen der einstufigen und der stufenweisen Gewichtungsanalyse hängt also von den Rechenressourcen und der Praktikabilität der Datenverarbeitung ab.
In Kapitel 4 wurden die Genauigkeit und Präzision der Vorhersagen für die neuen Standorte bewertet. Die Umweltkovariaten wurden mit dem EBLUP in den Zufallskoeffizientenmodellen (RC) kombiniert, da die Kovariaten mehr Informationen für die neuen Standorte liefern. Der MSEP zeigte, dass die RC-Modelle nicht das Modell mit dem kleinsten MSEP waren, aber die RC-Modelle hatten den niedrigsten SEPV und SEPD. Daher kann die Modellauswahl durch eine gemeinsame Betrachtung von MSEP, SEPV und SEPD erfolgen. Die Modelle mit EBLUE und Kovariaten-Interaktionseffekten schnitten in Bezug auf den MSEP schlecht ab. Die EBLUP-Modelle ohne RC schnitten am besten ab, aber der SEPV und SEPD waren groß und wurden als unzuverlässig angesehen. Die Skalierung und die Auswahl der Kovariaten sind wesentlich, um eine positiv definite Kovarianzmatrix zu erhalten. Die Verwendung einer unstrukturierten Kovarianz in der RC ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der Invarianz der RC-Modelle. Der RC-Rahmen eignet sich für die Implementierung mit GIS-Daten, um eine genaue und präzise Projektion der Leistung von Kulturpflanzen für neue Standorte oder Umgebungen zu erhalten. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Analyse von MET durch EBLUP-Modelle und die Einbeziehung von Umweltkovariaten in die Modelle verbessert werden kann
Influence of cultivation techniques and environmental factors on yield, quality and agronomic characteristics of soybean (Glycine max L. Merrill)
No full textSoja (Glycine max L. Merril) ist mit einem Gehalt von ca. 40 % Rohprotein sowie ca. 20 % Rohfettgehalt im Korn und vielseitigen Verwendungsmöglichkeiten eine der wichtigsten Kulturpflanzen weltweit. Das hochwertige Sojaeiweiß ist wichtiger Bestandteil von Tierfutter bei der Milch- und Fleischerzeugung. Sojaöl wird in der menschlichen Ernährung oft eingesetzt, und mit zunehmender vegetarischer oder veganer Ernährungsweise sind proteinreiche Lebensmittel aus Soja sehr nachgefragt. Pflanzenbaulich gesehen ist Soja ein vorteilhaftes Fruchtfolgeglied, weil sie durch Symbiose mit Knöllchenbakterien den atmosphärischen Stickstoff fixieren kann, sich damit gut selbst versorgen kann und einen hohen Vorfruchtwert hat. Da Soja in Deutschland keine Anbautradition hat, ist eine Optimierung der Anbautechnik erforderlich.
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit den Möglichkeiten, eine effiziente Anbautechnik für Soja in Deutschland auszuarbeiten. In drei Publikationen, die auf drei mehrjährigen sowie mehrortigen und orthogonalen Feldversuchen basieren, werden die Einflüsse von Saatstärke und Saatverfahren bei mehreren Sorten aus verschiedenen Reifegruppen auf Ertrag, Protein- und Ölgehalt sowie agronomische Eigenschaften von Soja untersucht. Außerdem wird der Frage nachgegangen, welche Auswirkungen Temperatur, Niederschlag und Sonnenstrahlung auf Ertrag, Ölgehalt und Proteingehalt haben, um potenzielle Standorte für bestimmte Produktionsschwerpunkte identifizieren zu können.
In der ersten Publikation (veröffentlicht in Agronomy Journal MDPI) sind die Ergebnisse aus den zweijährigen Versuchen über zwei Jahre und zwei Standorte in Süddeutschland mit vier Sojasorten unterschiedlicher Reifegruppen (00, 000) und Wuchstypen entweder mit Drillsaat (Reihenabstand 14 cm) oder mit Einzelkornsaat (Reihenabstand 28 cm) dargestellt. Um die Frage zu beantworten, welches Saatverfahren effizienter ist, sind folgende Parameter wie Kornertrag und Ertragsstruktur, Protein- und Ölgehalt, LAI, Pflanzenlänge und Höhe des untersten Hülsenansatzes, Lager und Knöllchenanzahl untersucht worden. Das Saatverfahren beeinflusste die geprüften Merkmale nicht signifikant, und die Erträge und Qualitäten unterschieden sich kaum (3,6 t ha-1 TS, 40,9 % TS Proteingehalt, 18,8 % TS Ölgehalt bei Drillsaat; 3,8 t ha-1 TS, 40,1 % TS Proteingehalt, 19,1 % TS Ölgehalt bei Einzelkornsaat). Diese Erkenntnis ist sehr hilfreich für die Sojaproduzenten, denn sie brauchen keine Investitionen in neue Saattechnik tätigen, sondern können mit der vorhandenen Technik (in der Regel Drillmaschine) aussäen.
Die zweite Publikation (veröffentlicht in Plant, Soil and Environment) befasst sich mit Effekten der Saatstärke für Soja mit vier Sorten der Reifegruppen 00 und 000. Vier Saatstärken (30, 50, 70 und 90 Kö m-²) wurden über zwei Jahre und zwei Standorte in Süddeutschland getestet. Der niedrigste Kornertrag (3,2 t ha-1 TS) wurde bei einer Saatstärke von 30 Kö m-² und der höchste bei 90 Kö m-² (4,4 t ha-1 TS) erzielt. Dabei waren die 00 Sorten (3,6 t ha-1 TS) ertragreicher als die 000 Sorten (3,4 t ha-1 TS). Die Saatstärke beeinflusste die Qualitätsmerkmale nicht. Die dichteren Bestände waren lageranfälliger als die weniger dichten. Der unterste Hülsenansatz lag 4 cm höher bei einer Saatstärke von 90 Kö m-² (13,4 cm) als bei 30 Kö m-2 (9,4 cm). Mit der Erhöhung der Saatstärke ließen sich Ertragseinbußen durch Druschverluste reduzieren, weil beim Drusch die untersten Hülsen besser erfasst werden könnten. Daraus folgend liegt die optimale Sojasaatstärke unter Berücksichtigung produktionstechnischer Aspekte (Saatgutqualität, Auflaufbedingungen) und Standort-eigenschaften zwischen 50 und 70 Kö m-² für 00 und 000 Sorten an den geprüften Standorten und ähnlichen Regionen in Deutschland.
In der dritten Publikation (veröffentlicht in Agronomy Journal MDPI) sind die Einflüsse von Umweltfaktoren auf Ertrag, Protein- und Ölgehalt sowie Protein- und Ölertrag von Soja in Deutschland untersucht worden. In den zweijährigen Feldversuchen wurden 13 Sojasorten aus den Reifegruppen 00 und 000 auf mehreren Standorten in ganz Deutschland (vier im Jahr 2016 und fünf im 2017) geprüft. Die 000 Sorten reagieren weniger sensibel auf die Veränderung der Umweltfaktoren im Vergleich zu den 00 Sorten. Unabhängig von der Reifegruppe förderte eine hohe Sonneneinstrahlung und ausreichend Niederschlag tendenziell die Kornerträge (r Kornertrag / Sonneneinstrahlung = 0,32 und r Kornertrag / Niederschlag = 0,33). Hohe Temperaturen zur Abreife senkten die Produktivität, könnten aber bei 000 Sorten tendenziell zu höherem Proteingehalt führen (r Proteingehalt / CHU zur Abreife = 0,23). Standorte, die nicht Wasserstress gefährdet sind, wären geeignet für den Sojaanbau, wenn Protein- oder Ölertrag im Vordergrund steht.
Die gesamte Arbeit zeigt, dass eine angepasste Saatstärke von 50-70 Kö m-2 kombiniert mit Sorten aus geeigneten Reifegruppen für den Sojaanbau in Deutschland grundsätzlich zu empfehlen ist. In Trockengebieten ist eine geringerer Saatstärke ratsam in Gegensatz zu Gebieten mit mehr Niederschlag. Ein zusätzlicher Aufwand für die technische Ausstattung bei der Saat ist nicht erforderlich, weil sowohl Drillsaat als auch Einzelkornsaat durchgeführt werden können. Durch die Abstimmung der Nutzungsrichtung (Eiweiß oder Öl; menschliche Ernährung oder Viehfutter) mit den standortspezifischen klimatischen Bedingungen lässt sich Soja effizient und mit der gewünschten Rückverfolgbarkeit zur Qualitätssicherung produzieren.
Die mit dem Klimawandel einhergehende Erwärmung bietet eine Chance, die Sojaproduktion in Deutschland weiter auszudehnen. Dazu liefert diese Arbeit Ergebnisse, aus denen sich Empfehlungen ableiten lassen, die unmittelbar in die Praxis umsetzbar sind.With a crude protein content of approximately 40% and a crude fat content of approximately 20% in the seeds, soybean (Glycine max L. Merril) is one of the worlds most important crops with a wide range of uses. The high-quality soybean protein is an important component of animal feed in dairy and meat production. Soybean oil is often used in human nutrition, and with increasing vegetarian or vegan diets, protein-rich foods made from soybean are in high demand. In practical farming, soybean is a beneficial crop in crop rotations because it can fix atmospheric nitrogen through symbiosis with rhizobia, making the plant self-sufficient in nitrogen supply. Since soybean cultivation has no tradition in Germany, optimization of the cultivation technique is required.
The present work is about the elaboration of efficient cultivation techniques for soybean in Germany. In three publications, based on three multi-year as well as multi-location and orthogonal field trials, the effects of sowing density and sowing system on yield, protein, and oil content as well as on agronomic properties of soybean are investigated in several varieties from different maturity groups. In addition, the effects of temperature, precipitation and solar radiation on yield, oil content, and protein content have been investigated to identify potential locations for specific production priorities.
In the first publication (published in Agronomy Journal MDPI), the results from trials over two years and two locations in southern Germany with four soybean varieties of different maturity groups (00, 000) and growth types with either drill seeding (row spacing 14 cm) or precision seeding (row spacing 28 cm) are presented. To answer the question of which seeding method is more efficient, the following characteristics have been investigated, namely seed yield and yield structure, protein and oil content, LAI, plant height, height of the first pod set, lodging, and nodule numbers. The sowing system did not significantly affect the tested traits, and there was little difference in yield and qualities (seed yield: 3.6 t ha-1 DM, protein content: 40.9 % DM, oil content: 18.8 % DM for drill seeding; seed yield: 3.8 t ha-1 DM, protein content: 40.1 % DM, oil content: 19.1 % DM for precision seeding). These results are very helpful for soybean producers, because they do not need to invest in new sowing technique but can sow with sowing machines which are already available on the farm.
The second publication (published in Plant, Soil and Environment) is about the effects of sowing density of soybean with four varieties of maturity groups 00 and 000. Four sowing densities (30, 50, 70, and 90 seeds m-2) were tested over two years and two locations in southern Germany. The lowest seed yield (3.2 t ha-1 DM was obtained at a sowing density of 30 seeds m-2 and the highest at 90 seeds m-2 (4.4 t ha-1 DM). The 00 varieties (3.6 t ha-1 DM) were higher yielding than the 000 varieties (3.4 t ha-1 DM). Sowing density did not affect seed quality characteristics. Plants were more susceptible to lodging with increasing sowing density. The lowest pod set was 4 cm higher at a sowing density of 90 seeds m-2 (13.4 cm) than at 30 seeds m-2 (9.4 cm). Increasing sowing density could reduce yield losses due to threshing because the height of the first pod set was increased at high sowing densities. Consequently, the optimum soybean seed rate would be between 50 and 70 seeds m-2 for 00 and 000 varieties at the tested locations and similar regions in Germany.
In the third publication (published in Agronomy Journal MDPI), the influences of environmental factors on yield, protein and oil content, and protein and oil yield of soybean in Germany have been investigated. In the two-year field trials, 13 soybean varieties from maturity groups 00 and 000 were tested at several locations across Germany (four in 2016 and five in 2017). The 000 varieties were less sensitive to environmental factors compared to the 00 varieties. Regardless of maturity group, high solar radiation and appropriate precipitation tended to increase seed yields (r seed yield / solar radiation = 0.32 and r seed yield / solar radiation = 0.33). High temperatures at maturity reduced the productivity but provided slightly higher protein contents in 000 varieties (r protein content / CHU at maturity = 0.23). The locations that are not at risk for water stress would be suitable for soybean production if protein or oil yield is the primary concern.
Overall, this study indicates that a sowing density of 50-70 seeds m-2 in combination with varieties of appropriate maturity groups could promote soybean cultivation in Germany. In dry locations, a lower sowing density is advisable in contrast to locations with more precipitation. Additional costs for the adaptation of technical equipment would not be incurred, because both drill seeding and precision seeding can be applied. By matching the direction of use (protein and/or oil production) of soybean to the climatic conditions of specific regions, soybeans for food and feed can be produced in Germany with sufficient traceability for quality and food safety.
Climate warming offers opportunities to extend soybean production in Germany. This thesis provides results from which recommendations can be derived that are immediately applicable in agricultural practice