2013 research outputs found
Sort by
Breeding for resistance to Fusarium ear diseases in maize and small-grain cereals using genomic tools
Get PDFThe worlds human and livestock population is increasing and there is the need to increase quality food production to achieve the global sustainable development goal 3, zero hunger by year 2030 (United Nations, 2015). However, biotic stresses such as Fusarium ear infections pose serious threat to cereal crop production. Breeding for host plant resistance against toxigenic Fusarium spp. is a sustainable way to produce more and safer cereal crops such as maize and small-grain winter cereals. Many efforts have been made to improve maize and small-grain cereals for ear rot (ER) and Fusarium head blight (FHB) resistances, using conventional and genomic techniques.
Among small-grain cereals, rye had the shortest maturity period followed by the descendant, hexaploid triticale while both wheat species had the longest maturity period. In addition, rye and triticale were more robust to Fusarium infection and deoxynivalenol accumulation, making them safer grain sources for human and animal consumption. However, a few resistant cultivars have been produced by prolonged conventional breeding efforts in durum wheat and bread wheat. High genetic variation was present within each crop species and can be exploited for resistance breeding. In this thesis, the genetic architecture of FHB resistance in rye was investigated for the first time, by means of genome-wide association study (GWAS) and genomic prediction (GP). GWAS detected 15 QTLs for Fusarium culmorum head blight severity, of which two had major effects. Both weighted and unweighted GP approaches yielded higher prediction abilities than marker-assisted selection (MAS) for FHB severity, heading stage and plant height. Genomics-assisted breeding can shorten the duration of breeding rye for FHB resistance.
In the past decade, genetic mapping and omics were used to identify a multitude of QTLs and candidate genes for ear rot resistances and mycotoxin accumulation in maize. The polygenic nature of resistance traits, high genotype x environment interaction, and large-scale phenotyping remain major bottlenecks to increasing genetic gains for ear rots resistance in maize. Phenotypic and molecular analyses of DH lines originating from two European flint landraces (Kemater Landmais Gelb, KE, and Petkuser Ferdinand Rot, PE) revealed high variation for Gibberella ear rot (GER) severity and three agronomic traits viz. number of days to female flowering, plant height and proportion of kernels per cob. By employing multi-SNP GWAS method, we found four medium-effect QTLs and many small-effect (10) QTLs for GER severity in combined DH libraries (when PCs used as fixed effects), none co-localized with the QTLs detected for the three agronomic traits analyzed. However, one major QTL was detected within KE DH library for GER severity. Two prioritized SNPs detected for GER resistance were associated with 25 protein-coding genes placed in various functional categories, which further enhances scientific knowledge on the molecular mechanisms of GER resistance. Genome-based approaches seems promising for tapping GER resistance alleles from European maize landraces for applied breeding. After several cycles of backcrossing and sufficient selection for agronomic adaptation traits, the resistant lines identified in this thesis can be incorporated into existing maize breeding programs to improve immunity against F. graminearum ear infection. Breeding progress can be faster using KE landrace than PE.
A successful validation of QTLs identified in this thesis can pave way for MAS in rye and marker-assisted backcrossing in maize. Effective implementation of genomic selection requires proper design of the training and validation sets, which should include part of the current breeding population.Um das Ziel 3 für nachhaltige Entwicklung, das Ende des Hungers bis 2030 (United Nations, 2015) zu erreichen, muss durch den Anstieg der Weltbevölkerung die Nahrungsmittelproduktion deutlich erhöht werden. Gleichzeitig aber bedrohen Pflanzenkrankheiten wie Fusariosen die Getreideproduktion. Die Züchtung von Sorten mit Resistenzen gegen die (für Mensch und Tier) giftigen Pilze der Gattung Fusarium ist ein nachhaltiger Weg, um größere Mengen und weniger toxin-belastetes Getreide zu produzieren. Viele Versuche wurden unternommen, um die Resistenz gegen Kolbenfäule in Mais und gegen Ährenfusariosen (Fusarium head blight, FHB) in kleinkörnigem Getreide mit konventionellen und genomischen Züchtungsmethoden zu verbessern.
In unseren Untersuchungen waren Roggen und Triticale am widerstandsfähigsten gegen Fusarium-Infektionen und hatten die geringste Deoxynivalenol-Kontamination, was sie zu weniger toxischen Nahrungs- und Futtermitteln macht. Aber auch für Hart- und Weichweizen gibt es durch langjährige konventionelle Züchtung einzelne resistente Sorten. Eine hohe genetische Variation konnte bei allen Getreidearten beobachtet werden und kann damit für zukünftige Resistenzzüchtung verwendet werden. In dieser Arbeit wurde zum ersten Mal mit Hilfe einer genomweiten Assoziationsstudie (genome-wide association study, GWAS) und genomischer Vorhersage (genomic prediction, GP) die genetische Architektur der Fusarium-Resistenz in Roggen untersucht. GWAS konnten 15 Loci (quantitative trait loci, QTL) für die Resistenz gegen Fusarium culmorum gefunden werden, zwei davon mit Haupt-Effekten (major effects). Sowohl die gewichtete als auch die ungewichtete genomische Vorhersage erzielten für Fusariumbefall, Ährenschieben und Wuchshöhe höhere Genauigkeiten als die markergestützte Selektion (marker-assisted selection, MAS). Genomische Daten können damit die Züchtung von Fusarium-resistentem Roggen beschleunigen.
In den letzten zehn Jahren wurden genetische Kartierungen und Omics verwendet, um eine Vielzahl von QTLs und Kandidatengenen für Kolbenfäule-Resistenzen und Mykotoxin-Akkumulation in Mais zu identifizieren. Die komplexe Vererbung der Resistenzen, die hohen Genotyp x Umwelt-Wechselwirkungen und der Bedarf großer Versuche zur Phänotypisierung den genetischen Zuchtfortschritt für die Resistenz gegen Kolbenfäule bei Mais. Die phänotypische und genotypische Analyse von doppelt-haploiden Maislinien, die aus zwei europäischen Flint-Landrassen (Kemater Landmais Gelb, KE, and Petkuser Ferdinand Rot, PE) erstellt wurden, zeigte eine hohe genetische Variation für Kolbenfäule (Giberella ear rot, GER) und die drei weiteren agronomischen Merkmale Tage bis zur weiblichen Blüte, Wuchshöhe und Kornansatz. Durch Verwendung einer GWAS-Methode, die mehrere Markerloci gleichzeitig berücksichtigt (multi-SNP), konnten vier QTL mit mittleren Effekten und 10 QTL mit kleinen Effekten für die GER-Befallsstärke in kombinierten DH-Bibliotheken gefunden werden; keine davon war co-lokalisiert mit QTL für die drei analysierten agronomischen Merkmale. Innerhalb der KE DH-Bibliothek wurde jedoch ein Haupt-QTL für die GER-Befallsstärke festgestellt. Zwei ausgewählte SNP-Marker für die GER-Befallstärke waren mit 25 proteincodierenden Sequenzen assoziiert, die unterschiedlichen Funktionen zugeordnet werden konnten und damit das Wissen über die molekularen Mechanismen zur GER-Resistenz erweiterten. Eine genom-basierte Züchtungsmethode erscheint vielversprechend, um die GER-Resistenz in europäischen Mais-Landrassen für die angewandte Züchtung zu erschließen. Nach mehreren Zyklen von Rückkreuzung und Selektion auf agronomische Merkmale, können die resistenten Linien in einem bestehenden Mais-Zuchtprogramm verwendet werden, um die Resistenz gegen Kolbenfusariosen zu erhöhen. Der Zuchtfortschritt dürfte bei Verwendung der Landrasse KE höher sein als bei PE.
Eine erfolgreiche Validierung der QTL, die in dieser Arbeit gefunden wurden, kann den Weg für eine markergestützte Selektion bei Roggen und Mais zur Erhöhung der Fusarium-Resistenz ebnen. Die effiziente Anwendung genomischer Selektionsmethoden bedarf der laufenden Erstellung von aktuellen Trainings- und Validierungssets, die jeweils einen Teil der aktuellen Zuchtpopulationen umfassen sollten
Price discrimination with inequity-averse consumers : a reinforcement learning approach
Get PDFWith the advent of big data, unique opportunities arise for data collection and
analysis and thus for personalized pricing. We simulate a self-learning algorithm
setting personalized prices based on additional information about consumer sensi-
tivities in order to analyze market outcomes for consumers who have a preference
for fair, equitable outcomes. For this purpose, we compare a situation that does
not consider fairness to a situation in which we allow for inequity-averse consumers.
We show that the algorithm learns to charge different, revenue-maximizing prices
and simultaneously increase fairness in terms of a more homogeneous distribution
of prices
The collusive efficacy of competition clauses in Bertrand Markets with capacity-constrained retailers
Get PDFWe study the collusive efficacy of competition clauses (CC) such as the meeting competition clause (MCC) and the beating competition clauses (BCC) in a general framework. In contrast to previous theoretical studies, we allow for repeated interaction among the retailers and heterogeneity in their sales capacities. Besides that, the selection of the form of the CC is endogeneized. The retailers choose among a wide range of CC types - including the conventional ones such as the MCC and the BCCs with lump sum refunds. Several common statements about the collusive (in)efficacy of CCs cannot be upheld in our framework. We show that in the absence of hassle costs, MCCs might induce collusion in homogeneous markets even if they are adopted only by few retailers. If hassle and implementation costs are mild, collusion can be enforced by BCCs with lump sum refunds. Remarkably, these fundings hold for any reasonable rationing rule. However, a complete specification of all collusive CCs is in general impossible without any further reference to the underlying rationing rule
Multi-objective and multi-variate global sensitivity analysis of the soil-crop model XN-CERES in Southwest Germany
Get PDFSoil-crop models enjoy ever-greater popularity as tools to assess the im- pact of environmental changes or management strategies on agricultural production. Soil-crop models are designed to coherently simulate the crop, nitrogen (N) and water dynamics of agricultural fields. However, soil-crop models depend on a vast number of uncertain model inputs, i.e., initial conditions and parameters. To assess the uncertainty in the simulation results (UCSR) and how they can be apportioned among the model inputs of the XN-CERES soil-crop model, an uncertainty and global sensitivity analysis (GSA) was conducted. We applied two different GSA methods, moment-independent and variance-based methods in the sense of the Factor Prioritization and the Factor Fixing setting. The former identifies the key drivers of uncertainty, i.e., which model input, if fixed to its true value, would lead to the greatest reduction of the UCSR. The latter identifies the model inputs that cannot be fixed at any value within their value range without affecting the UCSR. In total we calculated six sensitivity indices (SIs). The overall objective was to assess the cross-sub-model impact of parameters and the overall determinability of the XN-CERES applied on a deep loess soil profile in Southwest Germany. Therefore, we selected 39 parameters and 16 target variables (TGVs) to be included in the GSA. Furthermore, we assessed a weekly time series of the parameter sensitivities. The sub-models were crop, water, nitrogen and flux. In addition, we also compared moment-independent (MI) and variance-based (VB) GSA methods for their suitability for the two settings.
The results show that the parameters of the TGVs of the four groups cannot be considered independently. Each group is impacted by the parameters of the other groups. Crop parameters are most important, followed by the Mualem van Genuchten (MvG) parameters. The nitrate (NO3-) content and the matric potential are the two TGVs that are most affected by the inter- action of parameters, especially crop and MvG parameters. However, the model output of these two TGVs is highly skewed and leptokrutic. Therefore, the variance is an unsuitable representation of the UCSR, and the reliability of the variance-based sensitivity indices SIVB is curtailed. Nitrogen group parameters play an overall minor role for the uncertainty of the whole XN-CERES, but nitrification rates can be calibrated on ammonium (NH4+) measurements. Considering the initial conditions shows the high importance of the initial NO3-; content. If it could be fixed, the uncertainty of crop groups TGVs, the matric potential and the N content in the soil could be reduced. Hence, multi-year predictions of yield suffer from uncertainty due to the simulated NO3-; content. Temporally resolved parameter show the big dependence between the crops development stage and the other 15 TGVs becomes visible. High temporally resolved measurements of the development stage are important to univocally estimate the crop parameters and reduce the uncertainty in the vegetative and generative biomass. Furthermore, potential periods of water and N-limiting situations are assessed, which is helpful for deriving management strategies. In addition, it become clear that measurement campaigns should be conducted at the simulation start and during the vegetation period to have enough information to calibrate the XN-CERES. Regarding the performance of the different GSA methods and the different SIs, we conclude that the sensitivity measure relying on the Kolmogorov-Smirnov metric (betaks) is most stable. It converges quickly and has no issues with highly skewed and leptokrutic model output distributions. The assessments of the first-effect index and the betaks provide information on the additivity of the model and parameters that cannot be fixed without impacting the simulation results. In summary, we could only identify three parameters that have no direct impact on any TGV at any time and are hence not determinable from any measurements of the TGVs considered. Furthermore, we can conclude that the groups parameters should not be calibrated independently because they always affect the uncertainty of the selected TGV directly or via interacting. However, no TGV is suitable to calibrate all parameters. Hence, the calibration of the XN-CERES requires measurements of TGVs from each group, even if the modeler is only interested in one specific TGV, e.g., yield. The GSA should be repeated in a drier climate or with restricted rooting depth. The convergence of the values for the Sobol indices remains an issue. Even larger sample sizes, another convergence criteria or graphical inspection cannot alleviate the issue. However, we can conclude that the sub-models of the XN-CERES cannot be considered in- dependently and that the model does what it is designed for: coherently simulating the crop, N and water dynamics with their interactions.Boden-Pflanze Modelle erfreuen sich immer größerer Beliebtheit, um die Auswirkungen von Umweltveränderungen und Managementstrategien auf die landwirtschaftliche Produktion zu bestimmen. Boden-Pflanzen Modelle sind so konzipiert, dass sie kohärent die Pflanzen-, Stickstoff- (N) und Wasserdynamik in landwirtschaftlichen Feldern simulieren. Leider hängen Boden-Pflanze Modelle von einer Vielzahl unsicherer Modellinputs wie Anfangs- und Randbedingungen sowie Parametern ab. Zur Bestimmung der Unsicherheit in den Simulationsergebnissen (UCSR) und in welchem Ausmaß diese von den Modellinputs des Boden-Pflanze Modells XN-CERES abhängt, wird in dieser Arbeit eine Unsicherheits- und Global Sensitivitäts Analyse (GSA) durchgeführt. Wir verwendeten zwei verschiedene GSA-Methoden, momentunabhängige und varianzbasierte Methoden, im Sinne der Settings: Faktor Priorisierung und Faktor Fixing. Ersteres identifiziert die Parameter, die durch Fixierung zur größten Reduktion der UCSR führen. Letzteres identifiziert die Parameter, die nicht fixiert werden können, ohne die UCSR zu beeinflussen. Insgesamt haben wir sechs verschiedene Sensitivitäts Indices (SIs) berechnet. Das übergeordnete Ziel der Arbeit war es die Teilmodell-übergreifende Wirkung der Parameter und die allgemeinen Bestimmbarkeit des Boden-Pflanzen Modells XN-CERES auf einem Lössstandort in Südwest Deutschland zu quantifizieren. Wir haben insgesamt 39 Parameter und 16 Zielvariablen (TGV) für die GSA ausgewählt. Darüber hinaus lösen wir die Parametersensitivitäten für die vier Teilmodelle Pflanze, Wasser, Stickstoff und Flüsse wöchentlich auf. Darüber hinaus vergleichen wir Moment unabhängige (MI) und Varianz basierte (VB) GSA Methoden und ihre Eignung für die beiden Settings für ein Boden-Pflanze Model. Die Ergebnisse zeigen, dass die Parameter der vier Gruppen im hohen Maße voneinander abhängen. Die Pflanzenparameter haben einen Einfluss auf jede der 16 TGVs. Es folgen die Mualem van Genuchten (MvG) Parameter. Der Nitrat (NO3-) Gehalt und das Matrixpotential am stärksten von Parameterinteraktionen betroffen sind. Allerdings sind die Verteilungen dieser beiden TGVs schief und leptokurtisch. Daher ist die Varianz eine schlechte Repräsentation für die UCSR und die Zuverlässigkeit der Varianz basierten Sensitivitätsindices (SIVB) entsprechend eingeschränkt. Die Parameter der Stickstoffgruppe spielen insgesamt eine untergeordnete Rolle. Die Betrachtung der Anfangsbedingungen zeigt, dass die Unsicherheit in der Simulation der TGVs der Pflanzengruppen, des Matrixpotentials und des N-Gehalts im Boden durch deren akurate Messung stark reduziert werden kann. Vorhersagen für Fruchtfolgen sind folglich unsicher, da der simulierte Ertrag der Hauptfrucht vom Zustand des Bodens nach der Vorfrucht abhängt. Zeitaufgelöste Parametersensitivitäten zeigen die große Abhängigkeit zwischen dem Entwicklungsstadium der Pflanze und den andern 15 TGVs wird sichtbar. Hochauflösende Messungen des Entwicklungsstadiums der Pflanze sind wichtig, um die Pflanzenparameter eindeutig kalibrieren zu können. Ebenfalls können durch zeitaufgelöste Parametersensitivitäten, Zeiträume von möglicher Wasser- und N-Knappheit identifiziert werden. Dies ist besonders wichtig für die Erstellung von Managementstrategien. Messungen sollten vorrangig zu Simulationsbeginn und während der Vegetationsperiode durchgeführt werden, um genügend Informationen für die Kalibrierung des Modells zu erhalten. Bezüglich der Leistung der verschiedenen GSA Methoden und der unterschiedlichen SIs, kommen wir zu dem Ergebnis, dass das auf der Kolmogorov-Smirnov Metrik basierte Sensitivitätsmaß (betaks) am stabilsten ist. Es konvergiert schnell und hat keine Probleme mit stark schiefen und leptokurtischen Verteilungen. Die Kombination aus First-Effect Index und betaks gibt Aufschluss über die Additivität des Modells und identifiziert Parameter, die nicht fixiert werden können. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass wir nur drei Parameter identifizieren konnten, die keinen direkten Einfluss auf eine der untersuchten TGV haben. Der direkte Einfluss weiterer acht Parameter ist so gering, dass deren Kalibrierung schwierig ist. Darüber hinaus kommen wir zu dem Schluss, dass die Parameter der verschiedenen Gruppen nicht unabhängig voneinander kalibriert werden können. Weiter ist nicht jede TGV zur Kalibrierung aller Parameter geeignet. Für die Kalibrierung der gewählten Modellkombination sind daher Messungen von TGVs jeder Gruppe erforderlich, auch wenn nur Interesse an einer bestimmten TGV wie zum Beispiel dem Ertrag besteht. Aus der Arbeit ergeben sich einige generelle Empfehlungen. So sollte die GSA in einem trockeneren Klima oder mit eingeschränkter Durchwurzelungstiefe durchgeführt werden. Die Konvergenz der Werte für die Sobol-Indizes ist problematisch. Noch größere Stichprobengrößen, weitere Konvergenzkriterien oder grafische Prüfungen könnten hier Abhilfe schaffen
Fertility and microbial functioning of soils of smallholder farming systems under contrasting tropical agro-ecologies
Get PDFSoil fertility in tropical agroecosystems is often subjected to degradation that leads to nutrient depletion with negative effects on land productivity and food security. This challenge is aggravated by the complexity of socio-economic (market distance, farm typology) and biophysical (agro-ecology, site) conditions causing soil fertility variability. Consequently, blanket fertilizer recommendations cannot be applied in areas of high fertility variability. In this PhD study, methods were harmonized to assess drivers of soil fertility status across regions. Despite being pointed as factors contributing to soil fertility variability, market access, farm typology (resource endowment) and agro-ecology have not been subjected to soil fertility assessment. This PhD study aimed mainly at verifying that these factors have to integrated rather than considered in isolation to enable accurate assessments of soil fertility across spatial scales and socio-economic gradients.
It was hypothesized that market distance and farm typology is a determinant of agricultural development in Democratic Republic of Congo (DRC). As market distance is increasing, the soil fertility status of smallholder farming systems decreases despite farmers wealth. In a parallel study conducted in Ethiopia, it was complementarily hypothesized that the soil fertility status is also influenced by inter-related effects of agro-ecology and farm typology. As nitrogen (N) is known to be limiting in smallholder farms, conservation and sustainable provision of this nutrient will be essential to achieve niche-based integrated soil fertility management (ISFM) strategies. Therefore, understanding of the ecological processes (proteolysis, nitrification) that control soil N availability through organic residue management in varying soil fertility variability conditions will be essential. Low concentrations of lignin (L) and polyphenols (PP) relative to N have been acknowledged to facilitate decomposition, hence, stimulate the abundance of proteolytic and nitrifying soil microbial communities. Therefore, it was hypothesized that high quality (low (L+PP)/N)) residue applied to high pH soils have a positive relationship between the functional potential of proteolytic enzymatic activities and abundance of nitrifying communities.
The survey studies in DRC and Ethiopia were guided by the following objectives; 1) To determine the inter-related influence of market distance and farm typology on soil fertility status of smallholder farming systems of South-Kivu, Eastern DRC. 2) To assess the inter-related effects of agro-ecology and farm typology on soil fertility status across crop-livestock systems in Western and Central Ethiopia. Moreover, to better understand the ecological processes (proteolysis, nitrification) that control N through organic residue management in varying soil fertility variability conditions, an incubation study was performed to meet objective 3) To verify that potential proteolytic enzyme activities modulate archaeal and bacterial nitrifier abundance in soils with differing acidity and organic residue treatment.
Results from the soil survey study in DRC revealed a decreasing soil fertility with increasing market distance across all farm typologies. A significant influence of farm typology was found for exchangeable calcium and magnesium, while factor site resulted in a significant difference of plant available phosphorus. Furthermore, factor site interacted with market distance for soil organic carbon (SOC) quality indexes. In addition, the interaction of market distance and typology became obvious in the medium wealthy and poor farms. Market distance effects were associated with walking distance, while site effects were attributed to factors such as soil type and climatic conditions. In Ethiopia, inter-related effect of agro-ecology and farm typology was found. Higher total carbon and total nitrogen was found in wealthy farmers field compared to poor farmers field in the highlands. As an indication of soil quality, lowest SOC stability indexes were revealed in soils of wealthy compared to that from poor farm typology. These differences in soil fertility were attributed to farm management practices among typology classes and agro-ecological zone distinctions.
The result from the incubation study revealed a significant relationship of proteolytic enzyme activities with the abundance of ammonia oxidizing bacteria and archaea, even though the extent of this relationship was more dependent on soil pH and incubation time, but not residue quality. This suggests that the effect of soil pH is stronger than that of residue quality on enzyme activity and nitrifiers community, reflecting the importance of soil physico-chemical conditions rather than management practices. The incubation study further showed that nitrifying prokaryotes benefitted from the release of N spurred by proteolysis, and indicated a niche specialization between ammonia oxidizing bacteria and archaea depending on soil acidity and resource availability.
Overall, this PhD study showed that market access, typology and agro-ecology were important drivers of soil fertility variability in the study regions of DRC and Ethiopia. However, factor site played a significant role in shaping soil fertility variability, implying that site-specific recommendations could be a way forward for designing soil fertility management in smallholder farmers. It was inferred that prospective niche-based ISFM strategies must consider such contrasting but interrelated factors including, but not limited to agro-ecology, farm typology and market access. This would reduce the effect of soil fertility variability across regions.
This PhD study only considered land size (DRC, Ethiopia), livestock and mineral fertilizers (Ethiopia) as key features to define the wealth status of targeted farms; future studies should consider a wider range of socio-economic and biophysical factors including labor availability, off-farm household income and soil management history for more accuracy of soil fertility variability. This will strengthen the accuracy of prospective soil fertility assessments across socio-economic gradients and spatial scales. Finally, it is suggested to extend the results from the incubation study to field conditions considering soils with a broader soil acidity range and organic residues with more distinct biochemical quality. This will verify the given assumptions about the functional relationships between proteolytic and nitrifying soil communities. Overall, the presented PhD study has contributed to ongoing research on best-fit soil fertility recommendations and knowledge gaps about soil ecological functioning, by providing an advanced understanding of driving factors of soil fertility variability and soil microbial functioning in smallholder farms in tropical environments.Die Bodenfruchtbarkeit in tropischen Agrarökosystemen ist häufig einer Degradation unterworfen, die zu einer Verarmung der Nährstoffe führt, was sich negativ auf die Produktivität des Bodens und die Ernährungssicherheit auswirkt. Diese Herausforderung wird durch die Komplexität der sozioökonomischen (Marktentfernung, Betriebstypologie) und biophysikalischen (Agrarökologie, Standort) Bedingungen, die eine Variabilität der Bodenfruchtbarkeit verursachen, noch verschärft. Folglich können pauschale Düngeempfehlungen in Gebieten mit hoher Fruchtbarkeitsvariabilität nicht angewendet werden. In dieser Studie wurden die Methoden harmonisiert, um die Einflussfaktoren auf den Bodenfruchtbarkeitsstatus in verschiedenen Regionen zu bewerten. Obwohl sie als Faktoren genannt wurden, die zur Variabilität der Bodenfruchtbarkeit beitragen, wurden der Marktzugang, die Betriebstypologie (Ressourcenausstattung) und die Agrarökologie noch nicht einer Bewertung der Bodenfruchtbarkeit unterzogen. Diese Studie zielte hauptsächlich darauf ab, zu verifizieren, dass diese Faktoren integriert und nicht isoliert betrachtet werden müssen, um genaue Bewertungen der Bodenfruchtbarkeit über räumliche Skalen und sozioökonomische Gradienten hinweg zu ermöglichen.
Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass die Marktdistanz und die Betriebstypologie eine Determinante der landwirtschaftlichen Entwicklung in der Demokratischen Republik Kongo (DRC) ist. Mit zunehmender Marktdistanz sinkt der Bodenfruchtbarkeitsstatus kleinbäuerlicher Anbausysteme trotz des Wohlstands der Bauern. In einer parallel durchgeführten Studie in Äthiopien wurde ergänzend die Hypothese aufgestellt, dass der Bodenfruchtbarkeitsstatus auch durch miteinander verbundene Effekte der Agrarökologie und der Betriebstypologie beeinflusst wird. Da Stickstoff (N) in kleinbäuerlichen Betrieben bekanntermaßen limitierend ist, sind der Erhalt und die nachhaltige Bereitstellung dieses Nährstoffs von entscheidender Bedeutung, um nischenbasierte Strategien des integrierten Bodenfruchtbarkeitsmanagements (ISFM) zu erreichen. Daher ist das Verständnis der ökologischen Prozesse (Proteolyse, Nitrifikation), die die N-Verfügbarkeit des Bodens durch die Bewirtschaftung organischer Rückstände unter variierenden Bedingungen der Bodenfruchtbarkeit steuern, unerlässlich. Es ist bekannt, dass niedrige Konzentrationen von Lignin (L) und Polyphenolen (PP) im Verhältnis zu N die Zersetzung erleichtern und somit die Abundanz von proteolytischen und nitrifizierenden mikrobiellen Gemeinschaften im Boden stimulieren. Daher wurde die Hypothese aufgestellt, dass qualitativ hochwertige (niedrige (L+PP)/N)) Rückstände, die auf Böden mit hohem pH-Wert ausgebracht werden, eine positive Beziehung zwischen dem funktionellen Potenzial proteolytischer enzymatischer Aktivitäten und der Abundanz nitrifizierender Gemeinschaften aufweisen.
Die Erhebungen in der DRC und in Äthiopien hatten folgende Ziele: 1) Bestimmung des wechselseitigen Einflusses von Marktdistanz und Betriebstypologie auf den Bodenfruchtbarkeitsstatus von kleinbäuerlichen Anbausystemen in Süd-Kivu, im Osten der DRC. 2) Die Bewertung des wechselseitigen Einflusses von Agrarökologie und Betriebstypologie auf den Bodenfruchtbarkeitsstatus von Ackerbau- und Viehhaltungssystemen in West- und Zentraläthiopien. Darüber hinaus wurde eine Inkubationsstudie durchgeführt, um die ökologischen Prozesse (Proteolyse, Nitrifikation) besser zu verstehen, die den N-Gehalt durch die Bewirtschaftung organischer Rückstände unter variablen Bedingungen der Bodenfruchtbarkeit kontrollieren. 3) Es sollte überprüft werden, ob potenzielle proteolytische Enzymaktivitäten die archäische und bakterielle Nitrifikationshäufigkeit in Böden mit unterschiedlichem Säuregehalt und organischer Rückstandsbehandlung modulieren.
Die Ergebnisse der Bodenuntersuchung in der DRC zeigten eine abnehmende Bodenfruchtbarkeit mit zunehmender Marktentfernung über alle Betriebstypologien hinweg. Ein signifikanter Einfluss der Betriebstypologie wurde für austauschbares Kalzium und Magnesium gefunden, während der Faktor "Standort" zu einem signifikanten Unterschied des pflanzenverfügbaren Phosphors führte. Außerdem interagierte der Faktor "Standort" mit der Marktentfernung für die Qualitätsindizes des organischen Kohlenstoffs im Boden (SOC). Darüber hinaus wurde die Interaktion von Marktdistanz und Typologie bei den mittelreichen und armen Betrieben deutlich. Die Effekte der Marktdistanz wurden mit der Laufdistanz in Verbindung gebracht, während die Standorteffekte auf Faktoren wie Bodentyp und klimatische Bedingungen zurückgeführt wurden. In Äthiopien wurde ein wechselseitiger Effekt von Agrarökologie und Betriebstypologie festgestellt. Höherer Gesamtkohlenstoff und Gesamtstickstoff wurde auf den Feldern wohlhabender Bauern im Vergleich zu den Feldern armer Bauern im Hochland gefunden. Als Hinweis auf die Bodenqualität wurden die niedrigsten SOC-Stabilitätsindizes in den Böden der wohlhabenden im Vergleich zu den Böden der armen Farmtypologie festgestellt. Diese Unterschiede in der Bodenfruchtbarkeit wurden den landwirtschaftlichen Bewirtschaftungspraktiken zwischen den Typologieklassen und den Unterschieden in der agro-ökologischen Zone zugeschrieben.
Insgesamt zeigte diese Studie, dass Marktzugang, Typologie und Agrarökologie wichtige Einflussfaktoren für die Variabilität der Bodenfruchtbarkeit in den Untersuchungsregionen der DRK und Äthiopien waren. Der Faktor Standort spielte jedoch eine bedeutende Rolle bei der Gestaltung der Bodenfruchtbarkeitsvariabilität, was bedeutet, dass standortspezifische Empfehlungen ein Weg für die Gestaltung des Bodenfruchtbarkeitsmanagements bei Kleinbauern sein könnten. Daraus wurde gefolgert, dass zukünftige nischenbasierte ISFM-Strategien solche gegensätzlichen, aber miteinander verknüpften Faktoren berücksichtigen müssen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Agrarökologie, Betriebstypologie und Marktzugang. Dies würde die Auswirkungen der Variabilität der Bodenfruchtbarkeit in verschiedenen Regionen reduzieren.
Diese Studie berücksichtigte nur die Landgröße (DRC, Äthiopien), den Viehbestand und Mineraldünger (Äthiopien) als Schlüsselmerkmale, um den Wohlstandsstatus der Zielfarmen zu definieren; zukünftige Studien sollten eine größere Bandbreite an sozioökonomischen und biophysikalischen Faktoren berücksichtigen, einschließlich der Verfügbarkeit von Arbeitskräften, des Haushaltseinkommens außerhalb der Farm und der Geschichte der Bodenbewirtschaftung, um die Variabilität der Bodenfruchtbarkeit genauer zu bestimmen. Dies wird die Genauigkeit der prospektiven Bodenfruchtbarkeitsbewertung über sozioökonomische Gradienten und räumliche Skalen hinweg verbessern. Schließlich wird vorgeschlagen, die Ergebnisse der Inkubationsstudie auf Feldbedingungen auszudehnen, wobei Böden mit einem breiteren Bodensäurebereich und organische Rückstände mit unterschiedlicher biochemischer Qualität berücksichtigt werden. Dies wird die gegebenen Annahmen über die funktionellen Beziehungen zwischen proteolytischen und nitrifizierenden Bodengemeinschaften verifizieren. Insgesamt hat die vorgestellte Studie einen Beitrag zur laufenden Forschung über bestmögliche Bodenfruchtbarkeitsempfehlungen und Wissenslücken über die ökologische Funktionsweise des Bodens geleistet, indem sie ein fortgeschrittenes Verständnis der treibenden Faktoren für die Variabilität der Bodenfruchtbarkeit und der mikrobiellen Funktionsweise des Bodens in kleinbäuerlichen Betrieben in tropischer Umgebung liefert
PEP7 is a ligand for receptor kinase SIRK1 to regulate aquaporins and root growth
Get PDFReceptor kinases constitute the largest protein family in regulating various responses to external and internal biotic and abiotic signals. Functional characterization of this large protein family and particularly the identification of their ligands remains a major challenge in plant biology. Previously, we identified SIRK1 and QSK1 as a receptor / co-receptor pair involved in regulation of aquaporins in response to osmotic changes induced by sucrose. Here, we now identify a member of the Elicitor Peptide (PEP) family, namely PEP7, as a ligand to receptor kinase SIRK1. PEP7 was shown to bind to the extracellular domain of SIRK1 with a binding constant of 19 µM. PEP7 was secreted to the apoplasm specifically in response to sucrose. Formation of a signaling complex involving SIRK1, QSK1 as well as aquaporins as substrates was induced by sucrose or external PEP7 treatment. PEP7 induced aquaporin phosphorylation and water influx activity. The knock-out mutant of receptor SIRK1 was not responsive to external PEP7 treatment. Binding to receptor SIRK1 and induction of physiological responses was specific to PEP7, neither other members of the PEP-family (PEP6, PEP4), nor other small signaling peptides (CLEs, IDA, RALFs) induced SIRK1 kinase activity, aquaporin phosphorylation, or protoplast water influx activity.Rezeptorkinasen sind die größte Proteinfamilie, die verschiedene Reaktionen auf externe und interne biotische und abiotische Signale reguliert. Die funktionelle Charakterisierung dieser großen Proteinfamilie und insbesondere die Identifizierung ihrer Liganden bleibt eine große Herausforderung in der Pflanzenbiologie. Zuvor hatten wir SIRK1 und QSK1 als ein Rezeptor/Co-Rezeptor-Paar identifiziert, das an der Regulierung von Aquaporinen als Reaktion auf osmotische Veränderungen durch Saccharose beteiligt ist. Jetzt haben wir ein Mitglied der Familie der Elicitor-Peptide (PEP), nämlich PEP7, als Liganden für die Rezeptor-Kinase SIRK1 identifiziert. Es wurde gezeigt, dass PEP7 mit einer Bindungskonstante von 19 µM an die extrazelluläre Domäne von SIRK1 bindet. PEP7 wurde speziell als Reaktion auf Saccharose in das Apoplasma sezerniert. Die Bildung eines Signalkomplexes, an dem SIRK1, QSK1 sowie Aquaporine als Substrate beteiligt sind, wurde durch Saccharose oder externe PEP7-Behandlung induziert. PEP7 induzierte die Aquaporin-Phosphorylierung und die Aktivität des Wassereinstroms. Die Knock-out-Mutante des Rezeptors SIRK1 reagierte nicht auf eine externe PEP7-Behandlung. Die Bindung an den Rezeptor SIRK1 und die Induktion physiologischer Reaktionen war spezifisch für PEP7. Weder andere Mitglieder der PEP-Familie (PEP6, PEP4) noch andere kleine Signalpeptide (CLEs, IDA, RALFs) induzierten die Kinaseaktivität von SIRK1, die Aquaporin-Phosphorylierung oder die Wassereinstromaktivität in Protoplasten
New approaches in salami manufacture with in-situ exopolysaccharide-forming starter cultures
Get PDFLactic acid bacteria have always been of great importance in the production of fermented sausages such as salami, as they contribute not only to microbial stability but also to acidity and flavor profiles of such products. Recently, exopolysaccharide (EPS)-forming starter cultures have attracted the interest of the food industry. EPS have water-binding, gelling, viscosity-increasing, as well as emulsifying properties and, due to these technofunctionalities, can contribute to the improvement of existing products as well as to new product developments. However, compared to hydrocolloids, which have similar functionalities, in-situ formed EPS do not have to be legally declared as ingredients on a package. Initial studies looking at the use of such cultures in spreadable, short-ripened raw sausages showed that the use of EPS-forming starter cultures can lead to a significant improvement in the spreadability of fat-reduced tea sausage and deeper acidified onion mettwurst (pH 5.1 instead of 5.6). However, no study to date has comprehensively addressed the use of in-situ EPS-forming starter cultures in sliceable, raw fermented sausage products such as salami, which differ significantly from spreadable raw sausage products in terms of product matrix. Since growth kinetics and acidification depend on the microorganism and the food matrix used, the growth and acidification behavior of selected homo- and heteropolysaccharide (HePS)-forming lactic acid bacteria as a function of different sugar concentrations (2.5 - 10 g/kg) was initially investigated. This was done to obtain an indication of the sugar concentration required in the raw sausage mass to achieve a target pH of 4.8-5.3 in the final product. Subsequently, the performance of two HePS-producing strains L. plantarum TMW 1.1478, and 1.25; and the two homopolysaccharide-producing lactic acid bacteria L. curvatus TMW 1.624 and L. sakei TMW 1.411 was investigated in a raw sausage model system (inoculation concentration 106 CFU/g), which, in addition to 25% pork back fat, 75% lean pork meat, also contained ascorbic acid (0.5 g/kg), nitrite curing salt (28 g/kg), and dextrose or sucrose (5 g/kg). Thereby, the strains to be used were specifically analyzed with regard to their suitability for EPS-formation under typical fermentation conditions prior to use in salami production. The latter was done qualitatively by confocal laser microscopy (CLSM), followed by semi-quantitative data interpretation using MATLAB. The results showed that all selected strains were able to produce EPS in the raw sausage model matrix. There, EPS were located on the surfaces of the proteins. Since presence of HePS, which are more complex in terms of chemical structure and are often charged, can lead to changes in the organization of protein matrices even when used in very small amounts due to e.g. electrostatic interactions, sausages were subsequently prepared with a HePS-forming (L. plantarum 1.1478) and a non-EPS-forming starter culture (L. sakei 1.2037; control). Moreover, the influence of different inoculation concentrations (107 and 109 CFU/g) on fermentation and associated HePS-formation, as well as their effect on quality parameters of the final products, were investigated. The selection of inoculation concentrations was governed by the hypothesis that higher inoculation concentrations could lead to a higher in-situ formed HePS amount in the raw sausage matrix and therefore to enhanced structural and thus organoleptic relevant effects. For this purpose, pork meat and fat-based raw sausages were prepared by adding and mixing spices, 0.5 g/kg Na-ascorbate, 5 g/kg sugar, the appropriate starter culture (107-109 CFU/g), and in the end 28 g/kg nitrite curing salt. Afterwards, the mass was filled, fermented (24 °C), smoked, and dried to a weight loss of 31%. In addition to pH and bacterial plate counts, the formed EPS were detected by CLSM and the influence of the formed HePS on the texture of the raw sausages was analyzed by texture profile analysis (at 16, 23, 27, and 31% weight loss) and further evaluated in a sensory evaluation for the attributes of consistency and taste. Although no significant differences were found with respect to the detected HePS and the inoculation concentration used, dependencies emerged with respect to product quality. Raw sausages produced with the HePS-producing starter culture L. plantarum 1.1478 were significantly (p < 0.05) softer than the corresponding control samples. This effect was more pronounced the higher the inoculation concentrations, which was also reflected in the sensory evaluation of samples. Semi-quantitative data interpretation of the CLSM images revealed that the HePS were predominantly formed during the first 72 h of fermentation at 24 °C, until the final pH of 4.95 ± 0.05 was reached. Although there was no clear preference in the sensory analysis performed, raw sausages with a firmer consistency are generally preferred in Germany. Accordingly, the use of an EPS-forming culture could, depending on the market, also have a negative impact on product properties. To gain a better understanding of the observed results and the influence of process conditions on in-situ HePS-formation and its effects on the quality of sliceable raw fermented sausages, the temperatures of the fermentation phase were varied in a further study. In addition to the 24 °C already examined, an additional incubation temperature of 16 °C, commonly used in the production of raw sausages, and a low temperature incubation of 10 °C were chosen, since increased stress conditions are often associated with increased EPS formation. Raw sausages inoculated with L. plantarum 1.1478 or L. sakei 1.2037 (108 CFU/mL) were fermented at 10, 16, or 24 °C within the first 7 days and then dried under the same conditions (14 °C, controlled relative humidity) until a weight loss of 31% was reached. Microbial growth, pH, and weight loss development were monitored, EPS detected with CLSM, and products further characterized by texture profile analysis and a sensory test. Here, texture profile analysis was performed not only from the final product, but also after 21% and 26% weight loss to better understand the influence of the in-situ produced HePS. Differences were found depending on the starter culture used as well as on the fermentation temperature. Products manufactured with the non-EPS-forming strain L. sakei 1.2037 reached the target weight loss of 31% slightly faster than products manufactured with the HePS-former L. plantarum 1.1478. In both products, the final weight loss of 31% was reached faster at an initial fermentation temperature of 24 °C than at the lower fermentation temperatures. A correlation of temperatures with the amount of HePS formed could not be conclusively proven using semi-quantitative data analysis of CLSM images because matrix effects complicated the determination. However, texture profile analysis results showed a difference between products fermented at 24 °C and those fermented at cooler temperatures. In addition, significant (p < 0.05) differences were again observed between products with (softer) and without (harder) HePS-forming starter cultures at weight losses at or above 21%. These results were confirmed in the final sensory evaluation of the products (pH 4.89 - 5.01; 31% weight loss). In summary, the results of this thesis show that the use of a HePS-forming starter culture in sliceable raw fermented sausage can induce specific structural and textural changes. HePS-formation and associated quality attributes may be modulated via the inoculation concentration and control of processing parameters such as fermentation temperature. The texture softening observed in the present work, can be positively or negatively associated with the product depending on the target country and market. Taken together, results of this work underline the importance of a suitable starter culture selection for the production of fermented sausages.
 Milchsäurebakterien sind von großer Bedeutung bei der Herstellung von fermentierten Wurstwaren wie z. B. Rohwurst, da sie nicht nur zur mikrobiellen Sicherheit, sondern auch zur Bildung charakteristischer Säure- und Geschmacksprofile derartiger Produkte beitragen. In jüngster Zeit haben Exopolysaccharid (EPS)-bildende Starterkulturen das Interesse der Lebensmittelindustrie geweckt. EPS haben wasserbindende, gelierende, viskositätserhöhende, sowie emulgierende Eigenschaften und können aufgrund dieser Technofunktionalitäten sowohl zur Verbesserung bestehender Produkte als auch zu neuen Produktentwicklungen beitragen. Im Vergleich zu Hydrokolloiden, die ähnliche Funktionalitäten aufweisen, müssen in-situ gebildete EPS jedoch nicht auf der Verpackung als Inhaltsstoffe deklariert werden. Fermentierte Produkte werden von Verbrauchern als natürlich, sicher und qualitativ hochwertig wahrgenommen. Erste Studien, die sich mit dem Einsatz derartiger Kulturen in streichfähigen, kurz gereiften Rohwürsten beschäftigt haben, zeigten, dass der Einsatz von EPS-bildenden Starterkulturen zu einer signifikanten Verbesserung der Streichfähigkeit von fettreduzierter Teewurst und hochgesäuerter Zwiebelmettwurst (pH 5,1 statt 5,6) führen kann. Bislang beschäftigte sich allerdings noch keine Studie umfassend mit dem Einsatz von in-situ EPS-bildenden Starterkulturen in schnittfesten Rohwurstprodukten. Schnittfeste Rohwürste unterscheiden sich grundsätzlich von streichfähigen Rohwurstprodukten. Strukturell bestehen sie aus einem kontinuierlichen Proteinnetzwerk in das Fettpartikel eingelagert sind, Da die Wachstumskinetik und Säurebildung der eingesetzten Mikroorganismen von der Struktur und Zusammensetzung der Lebensmittelmatrix abhängt, wurde zu Beginn der Dissertation das Wachstums- und Säuerungsverhalten von selektierten, Homo- und Heteropolysaccharid (HePS)-bildenden Milchsäurebakterien in Abhängigkeit verschiedener Zuckerkonzentrationen (2,5 10,0 g/kg) untersucht. Das Ziel war, Selektionskriterien für die Auswahl geeigneter Zuckerkonzentrationen in der Rohwurstmasse zu erarbeiten, so dass pH-Werte von 4,8-5,3 im Endprodukt erzielt werden können. Darüber hinaus wurden die beiden HePS-bildenden Stämmen L. plantarum TMW 1.1478, und 1.25; sowie die beiden Homopolysaccharid-bildenden Milchsäurebakterien L. curvatus TMW 1.624 und L. sakei TMW 1.411 in einem Rohwurstmodellsystem eingesetzt (Ausgangskonzentration jeweils 106 KBE/g), das neben 25% Schweinerückenspeck und 75% magerem Schweinefleisch, auch Ascorbinsäure (0,5 g/kg), Nitrit Pökelsalz (NPS; 28 g/kg), sowie Dextrose oder Saccharose (5 g/kg basierend auf den Untersuchungen in MRS Medium) enthielt. So konnten die zu verwendeten Stämme vor dem Einsatz in der Salamiproduktion hinsichtlich ihrer Eignung zur EPS-Bildung unter typischen Fermentationsbedingungen bewertet werden. Die EPS Bildung wurde qualitativ mittels konfokaler Lasermikroskopie (CLSM) charakterisiert, gefolgt von einer semi-quantitativen Dateninterpretation mittels MATLAB. Die Ergebnisse belegten, dass alle ausgewählten Stämme grundsätzlich in der Lage waren, EPS in der Rohwurstmodellmatrix zu produzieren, wobei sich die EPS an den Oberflächen der Proteinpartikel akkumulierten. Da die in ihrer Struktur komplexeren und oftmals geladenen HePS aufgrund von beispielsweise elektrostatischen Wechselwirkungen bereits in sehr kleinen Mengen zu Veränderungen in der Proteinmatrix führen können, wurden anschließend schnittfeste Rohwürste mit einer HePS-bildenden (L. plantarum 1.1478) und einer nicht EPS-bildenden Starterkultur (L. sakei 1.2037; Kontrolle) hergestellt und der Einfluss verschiedener Inokulationskonzentrationen (107 und 109 KbE/g) auf die Fermentation und die assoziierte HePS-Bildung, sowie deren Auswirkung auf Qualitätsparameter der Endprodukte bestimmt. Der Auswahl der Inokulationskonzentrationen ging die Hypothese voraus, dass höhere Inokulationskonzentrationen zu einer höheren in-situ gebildeten HePS-Menge in der Rohwurstmatrix und somit zu verstärkten strukturellen und somit sensorisch-relevanten Effekten führen. Dazu wurden Rohwurstmassen unter Zugabe von Gewürzen, 0,5 g/Kg Na-Ascorbat, 5 g/Kg Zucker, der zu untersuchenden Starterkultur (107-109 KbE/g) und 28 g/Kg NPS hergestellt, die Massen in Hüllen gefüllt, fermentiert (24 °C), geräuchert, und bis zu einem Gewichtsverlust von 31% getrocknet. Neben pH und anaeroben Keimzahlen, wurden die gebildeten EPS mit CLSM detektiert und der Einfluss der gebildeten HePS auf die Textur der Rohwürste mittels Texturprofilanalyse (bei 16, 23, 27 und 31% Gewichtsverlust) analysiert sowie in einer sensorischen Evaluierung auf die Attribute Konsistenz und Geschmack hin bewertet. Obwohl keine signifikanten Unterschiede in Bezug auf die detektierten HePS und die verwendete Inokulationskonzentration festgestellt werden konnte, ergaben sich Abhängigkeiten hinsichtlich der Produktqualität. Rohwürste, welche mit der HePS-produzierenden Starterkultur L. plantarum 1.1478 hergestellt wurden, waren signifikant (p < 0,05) weicher als die entsprechenden Kontrollproben. Dieser Effekt war im Falle höherer Inokulationskonzentrationen noch stärker ausgeprägt, was sich auch in der sensorischen Bewertung der Produktproben widerspiegelte. Die semiquantitative Dateninterpretation der CLSM-Bilder ergab, dass die HePS überwiegend während der ersten 72 h der Fermentation bei 24 °C, bis zum Erreichen des End-pH-Wertes von 4,95 ± 0,05 gebildet wurden. Auch wenn es in der durchgeführten Sensorik keine eindeutige Präferenz gab, werden in Deutschland allgemein eher Rohwürste mit fester Konsistenz bevorzugt. Der Einsatz einer EPS-bildeten Kultur könnte sich demnach, je nach Markt, auch negativ auf die Produkteigenschaften auswirken. Um ein besseres Verständnis hinsichtlich des Einflusses von Prozessbedingungen auf die in-situ HePS-Bildung und deren Auswirkungen auf die Qualität von schnittfester Rohwurst zu erhalten, wurden die Temperaturen der Fermentationsphase variiert. Neben der bereits verwendeten Fermentationstemperatur von 24 °C wurde eine in der Produktion von Rohwürsten übliche Inkubationstemperatur von 16 °C, und mit 10 °C eine niedrige Temperatur gewählt, da erhöhte Stressbedingungen zu einer gesteigerten EPS-Bildung führen könnten. Die mit L. plantarum 1.1478 oder L. sakei 1.2037 beimpften (108 KbE/mL) Rohwürste wurden innerhalb der ersten 7 Tage bei 10, 16 oder 24 °C fermentiert und anschließend unter gleichen Bedingungen bis zum Erreichen eines Gewichtsverlusts von 31% getrocknet. Das mikrobielle Wachstum, der pH-Wert und der Gewichtsverlust wurden über den Studienzeitraum von 7 Tagen bestimmt, EPS mit CLSM detektiert und die Produkte mittels Texturprofilanalyse und einem sensorischen Test charakterisiert. Eine Texturprofilanalyse wurde nicht nur am Endprodukt, sondern auch in Proben, die einen Gewichtsverlust von 21% und 26% hatten, durchgeführt um die Kinetik der in-situ HePS Wirkung zu verstehen. Es konnten sowohl Unterschiede je nach eingesetzter Starterkultur als auch Fermentationstemperatur festgestellt werden. Produkte, die mit dem nicht-EPS bildenden Stamm L. sakei 1.2037 hergestellt wurden, erreichten den angestrebten Gewichtsverlust von 31% schneller, als die Produkte, die mit dem HePS-Bildner L. plantarum 1.1478 produziert wurden. In beiden Produkten wurde ein Gewichtsverlust von 31% bei einer Fermentationstemperatur von 24 °C schneller erreicht, als bei den niedrigeren Temperaturen. Eine Korrelation zwischen Temperaturen und HePS-Bildungsmenge konnte mittels der semiquantitativen Datenanalyse der CLSM Bilder jedoch nicht herbeigeführt werden, da Bestimmungen der Menge mit großen Schwankungen verbunden waren. Allerdings zeigten die Ergebnisse der Texturprofilanalyse tendenziell einen Unterschied zwischen Produkten die bei 24 °C oder bei geringeren Temperaturen fermentiert wurden. Darüber hinaus konnten signifikante (p < 0.05) Unterschiede zwischen Produkten mit und ohne HePS-bildender Starterkultur bereits bei 21% Gewichtsverlust festgestellt werden. Die Ergebnisse konnten in der abschließenden sensorischen Evaluierung der schnittfesten Rohwürste (pH 4.89 5.01; 31% Gewichtsverlust) bestätigt werden. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse dieser Dissertation, dass der Einsatz einer HePS-bildenden Starterkultur in schnittfester Rohwurst spezifische Struktur- bzw. Texturveränderungen hervorrufen kann. Hierbei ist es möglich, über die Inokulationsmenge und die Steuerung der Fermentationstemperatur, Einfluss auf die HePS-Bildung und assoziierte Qualitätsattribute zu nehmen. Die in der vorliegenden Arbeit beobachteten texturellen Veränderungen könnten abhängig von der Präferenz der Verbraucher positiv oder negativ mit dem Produkt assoziiert werden. Die Ergebnisse der Arbeit unterstreichen damit die große Bedeutung einer geeigneter Starterkulturselektionen für die Herstellung fermentierter Wurstwaren
Demand-oriented nitrogen nutrition of hops (Humulus lupulus L.) through fertilization systems with fertigation
No full textStickstoff stellt bei Hopfen (Humulus lupulus L.) den mengenmäßig wichtigsten und am stärksten ertragslimitierenden Pflanzennährstoff dar, wobei überschüssiger nicht von der Hopfenpflanze aufgenommener Stickstoff unterschiedlichen Verlustprozessen unterliegt. Trotzdem ist für die aktuell in der Hallertau, dem weltweit bedeutendsten Hopfenanbaugebiet, kultivierten Hopfensorten und genutzten Anbausysteme nur wenig über die exakten Auswirkungen eines in Zeit und Höhe variierten N-Angebots bekannt. Die auszubringende Menge an Stickstoff wird in der Hallertau zum Großteil durch oberflächiges Streuen granulierter N-Düngemittel zugeführt, wohingegen in semiariden Anbauregionen der Welt hohe Anteile über das Bewässerungswasser (Fertigation) appliziert werden.
Ziel dieser Arbeit war es N-Düngesysteme mit Fertigation unter den Bedingungen in der Hallertau im Hinblick auf eine bedarfsgerechtere Stickstoffernährung der Hopfenpflanze zu untersuchen. Hierzu wurden vier Forschungsfragen mit jeweils verschiedenen Teilaspekten formuliert, die nachfolgend erläutert werden. Die experimentelle Prüfung und Gewinnung empirischer Daten erfolgte im Zeitraum von 2017 bis 2019 in unterschiedlich konzeptionierten Feldversuchen in drei Versuchsserien auf verschiedenen Standorten mit den wichtigsten Hopfensorten. Dabei wurde sowohl der Zeitpunkt und die Höhe der N-Düngung variiert, als auch die Düngerapplikationsform (Oberflächige Applikation granulierter Dünger und ober- bzw. unterirdische Fertigation). Neben der Ermittlung von Ertrag, Qualität und N-Aufnahme zum Zeitpunkt der Ernte, wurden in einzelnen Feldversuchen weiterführende Untersuchungsmethoden wie die 15N-Tracer-Technik, Chlorophyllwertmessungen (SPAD-Meter) oder passive Reflexionsmessungen eingesetzt, um die N-Aufnahme und N-Verteilung in unterschiedliche Pflanzenorgane zu charakterisieren.
a) Wie wirkt sich ein in Zeit und Höhe variiertes N-Angebot aus?
Es wurde ermittelt, dass eine Hopfenpflanze mehr als zwei Drittel des gesamten Stickstoffs in einem 7- bis 8-wöchigen Zeitraum zwischen Anfang Juni und Ende Juli, während der Phase der Hauptbiomassebildung, aufnimmt. Obwohl vor dieser Phase relativ geringe Mengen an Stickstoff in der Pflanze akkumuliert werden, zeigte sich bei den Aromasorten Perle und Tradition, dass eine N-Unterversorgung in frühen Wachstumsphasen bis Ende Mai bereits zu einer Verringerung des Ertragspotenzials führt. Ursächlich hierfür war eine Veränderung des Habitus der Pflanzen, denn je später eine definierte Menge an Stickstoff ausgebracht wurde, desto stärker reduzierte sich die Ausbildung der Seitentriebe von unten beginnend bis in höhere Pflanzenabschnitte. Eine ausschließliche Ausrichtung des Zeitpunkts der N-Applikation an der N-Aufnahmekurve der Hopfenpflanze ist somit weder im Hinblick auf die Ertragsbildung noch die Stickstoffverwertung als sinnvoll anzusehen. Stattdessen ist bei frühreiferen Sorten wie Perle und Tradition die frühzeitige Applikation einer ersten N-Gabe bereits im April von entscheidender Bedeutung. Spätreifere Sorten wie Herkules weisen durch die verlängerte Wachstumsphase hingegen ein höheres Kompensationspotenzial auf, wodurch eine stärkere Anpassung der N-Düngung an die N-Aufnahmekurve möglich ist.
Die ertragsoptimale Höhe der N-Düngung wurde vom sorten-, witterungs- und standortabhängigen Wachstumsverlauf und damit der N-Aufnahme des Pflanzenbestands sowie dem Vorrat an mineralischem Stickstoff im Boden und dem standortspezifischen N-Nachlieferungspotenzial bestimmt. Erfolgte eine Reduktion der N-Düngung auf ein Niveau deutlich unter dem N-Entzug der Pflanze, führte dies im selben Anbaujahr nicht zwingend zu einer Einschränkung der Biomasse- und Ertragsbildung, jedoch zu einer beschleunigten Reife und einer Verschlechterung der äußeren Doldenqualität. Darüber hinaus zeigte sich bei einem stark reduzierten N-Düngeniveau, dass die N-Einlagerung in die Speicherwurzeln abnimmt, wodurch die Pflanzen im Frühjahr des Folgejahres eine geringere Vitalität aufwiesen und die Entwicklung wie auch Ertragsbildung limitiert waren. Hinsichtlich der perennierenden Eigenschaften einer Hopfenpflanze und dem Ziel einer möglichst bedarfsgerechten Stickstoffernährung des Hopfens besteht somit die Notwendigkeit auch die Speicherwurzeln ausreichend mit Stickstoff zu ernähren.
Im Hinblick auf den wertgebenden Inhaltsstoff Alphasäure wurde ermittelt, dass ein hohes N-Versorgungsniveau während der Phase der Alphasäuresynthese (ab Anfang August) bei der Sorte Herkules zu einer Reduktion des Alphasäuregehalts führen kann. Dazu führen kann sowohl eine späte und übermäßige N-Düngung, als auch ein hoher Vorrat an mineralischem Stickstoff im Boden und ein erhöhtes N-Nachlieferungspotenzial. Bei den untersuchten Aromasorten Perle und Tradition wurde dieser Effekt hingegen nicht beobachtet.
b) Kann der aktuelle N-Ernährungszustandes nicht-invasiv erfasst werden?
Die Messung des Chlorophyllwertes mit einem SPAD-Meter an den unteren Blättern des Haupttriebs bildete den N-Gehalt und N-Versorgungszustand der Hopfenpflanze grundsätzlich ab. Kurzfristige Änderungen des N-Ernährungszustandes konnten jedoch, vor allem während der Phase der Hauptbiomassebildung, an diesem Messpunkt nicht hinreichend genau erfasst werden, da erhöhte Anteile des ausgebrachten Stickstoffs in höher liegende Pflanzenabschnitte transportiert wurden, wie sich im Rahmen des 15N-Einsatzes zeigte. Hinsichtlich der Festlegung von Schwellenwerten wird unabhängig vom Messpunkt eine Unterteilung der Pflanzenentwicklung in vor, während und nach der Hauptbiomassebildung als sinnvoll erachtet, da eine Abhängigkeit des Chlorophyllwertes vom Entwicklungszustand der Pflanze besteht.
Vegetationsindices, berechnet auf Basis von Reflexionsspektren, bilden neben dem N-Gehalt auch die tatsächliche N-Aufnahme des Pflanzenbestands ab, weshalb passive Reflexionsmessungen im Vergleich zu Chlorophyllwertmessungen eine höhere Aussagekraft hinsichtlich des aktuellen N-Versorgungszustandes der Pflanze haben. Diese Technologie könnte deshalb zukünftig genutzt werden, um eine standortspezifische Optimierung von Höhe und Zeitpunkt der N-Düngung und dadurch eine bedarfsgerechtere Stickstoffernährung der Hopfenpflanze zu erreichen.
c) Welche Effekte hat eine ober- bzw. einer unterirdischer Tropfbewässerung?
Im Untersuchungszeitraum von 2017 bis 2019 führte die zusätzliche Bewässerung der Aromasorte Perle auf einem sandigen Boden in jedem Anbaujahr zu einer Stabilisierung der agronomischen Kennzahlen Doldenertrag und Alphasäuregehalt. Darüber hinaus wurde durch Bewässerung auch die Stickstoffverwertung verbessert. Bei einer aufgrund hydraulischer Bodeneigenschaften limitierten horizontalen Verteilung des ausgebrachten Wassers erreichte die oberirdische Tropfbewässerung eine höhere Effizienz als die unterirdische. Ursächlich hierfür ist, dass sich das Feinwurzelwerk einer Hopfenpflanze zu hohen Anteilen im aufgeschütteten Bifang und in den darunter liegenden Bodenschichten befindet.
d) Welche Auswirkungen hat eine Stickstoffernährung über das Bewässerungswasser?
Es wurde ein Systemvergleich zwischen N-Düngesystemen mit Fertigation und ausschließlicher N-Applikation in granulierter Form angestellt. Dabei führte die Nutzung von Fertigation nicht nur zu einer Verbesserung des Doldenertrags und Alphasäuregehalts, sondern auch zu einer Steigerung des Stickstoffentzugs und Reduktion des Nmin-Gehalts im Boden, wodurch auch eine Verringerung des Risikos einer Nitrat-Auswaschung ins Grundwasser einhergeht. Düngesysteme mit Fertigation erreichten vor allem bei einem niedrigen N-Düngeniveau eine höhere Stickstoffverwertung. Bei Applikation von zwei Drittel der gesamten N-Menge über das Bewässerungswasser erwies sich unter Bedingungen eines limitierten N-Angebots die Konzentration des über Fertigation auszubringenden N-Anteils auf einen 6-wöchigen Zeitraum sortenunabhängig als positiv, da ein höherer N-Anteil während der Hauptbiomassebildung und der Phase des Seitentriebwachstums appliziert wurde. Für eine effiziente Düngung mit Fertigation sollte die Applikation zwischen Mitte Juni und Ende Juli stattfinden und ab Anfang August keine wesentlichen Mengen an Stickstoff mehr ausgebracht werden. Bei frühreiferen Sorten wie Perle und Tradition besteht die Gefahr einer nicht rechtzeitigen N-Applikation, da eine Verlegung des Tropfschlauches vor KW25 kaum zu realisieren ist. Deshalb sollte bei diesen Sorten ein höherer N-Anteil in früheren Wachstumsphasen ausgebracht werden und die über Fertigation ausgebrachte N-Menge kleiner zwei Drittel der Gesamt-N-Düngermenge sein. Als wesentlicher Vorteil von Düngesystemen mit Fertigation konnte belegt werden, dass über das Bewässerungswasser ausgebrachter Stickstoff von den Pflanzen unmittelbar aufgenommen wird, wodurch kurzfristig und effektiv in die Stickstoffernährung der Hopfenpflanze eingegriffen werden kann. Auf Basis einer zuverlässigen Erfassung des aktuellen N-Versorgungszustands während der Hauptwachstumsphase könnte durch Fertigation eine Korrektur der N-Düngung erfolgen und somit eine standortangepasste bedarfsgerechte Stickstoffernährung des Hopfens erreicht werden.In terms of quantity, nitrogen is the most important and most yield limiting plant nutrient in hops (Humulus lupulus L.), whereby excess nitrogen not taken up by the hop plant is subject to various loss processes. Despite that, little is known about the exact effects of an N supply varying in rate and timing for the hop varieties and cultivation systems currently used in the Hallertau, the worlds most important hop-growing region. In the Hallertau, the required amount of nitrogen is largely supplied by surface spreading of granulated N fertilizers, whereas in semi-arid growing regions, high proportions are applied via irrigation water (fertigation).
The aim of this thesis was to examine nitrogen fertilization systems with fertigation under the conditions in the Hallertau region with regard to a nitrogen nutrition that is based on the hop plants needs. Therefore, four research questions with different sub-aspects have been formulated, as explained below. From 2017 to 2019 the experimental research and the acquisition of empirical data has been conducted in various field trials consisting of three trial series examining the most important hop varieties at different locations. Apart from a variation in rate and timing of N fertilization, different fertilizer application forms (surface application of granulated fertilizer and above- or below-ground fertigation) have also been examined. In addition to the determination of yield, quality and N-uptake at the time of harvest, further analysis methods such as the 15N-Tracer-Technique, chlorophyll value measurements (SPAD-Meter) or passive reflection measurements were used in individual field trials to depict the N-uptake and N-distribution in different parts of the plant.
a) Which effects have different nitrogen treatments varied in rate and timing?
These studies found that the hop plant absorbs more than two thirds of the total amount of nitrogen over a period of 7 to 8 weeks between early June and end of July - during formation of main biomass. Despite the fact that only a low amount of nitrogen is accumulated in the plant prior to this stage, the varieties Perle and Tradition showed that a nitrogen deficit in early growth stages until end of May already leads to a decrease of yield potential. This is due to a change in the variety-characteristic formation of lateral shoots (side arms) - the later the application of nitrogen, the greater the formation of side arms was reduced, starting from the bottom to higher plant sections. Consequently, a nitrogen fertilization solely based on the hop plants N uptake curve cannot be recommended, neither regarding yield formation nor nitrogen utilization. Instead, an early application of the first nitrogen treatment in April is of vital importance for early maturing varieties such as Perle and Tradition. Late maturing varieties like Herkules show a higher potential of compensation due to prolonged growth phases which enables a higher adaption of N-Fertilization to the plants N uptake curve.
The ideal amount of nitrogen fertilization with regard to yield optimization has been determined by the growth pattern - depending on variety, weather conditions and location - and therefore by the N uptake, the supply of mineral nitrogen in the soil as well as the location-specific N mineralization potential. A reduction of the nitrogen fertilization to a level significantly below the plants N uptake not necessarily led to a limitation of biomass and yield formation in the same year, however, it resulted in an accelerated ripening and a negative impact on external cone quality. Furthermore, it showed that the storage of nitrogen in specific storage roots declines if N levels are significantly reduced, leading to lower vitality as well as limited plant development and yield formation in the following year. With regard to the hop plants perennial properties as well as the goal to achieve a demand-oriented nitrogen nutrition of the hop plant it is also necessary to supply the storage roots with enough nitrogen.
With respect to valuable contents of alpha acid it has been found that high N supply levels during the stage of alpha acid synthesis (starting from early August) can result in a reduction of alpha acid concentration in the variety Herkules. This decrease can be caused by late and excessive N fertilization as well as by high mineral N contents in the soil. However, this effect has not been observed in the aroma varieties Perle and Tradition.
b) Is it possible to determine the current nitrogen nutritional status through non-invasive methods?
The measurement of the chlorophyll value with a SPAD-Meter on the lower leaves of the main shoot generally reflected the N content and N supply status of the hop plant. However, short-term changes in the N nutritional status could not be recorded with sufficient accuracy at this measuring point, especially not during the stage of main biomass formation, since increased proportions of the applied nitrogen were transported to higher plant sections, as was shown by the use of 15N. Regarding the determination of threshold values a classification of the plant development into before, during and after main biomass formation independent of the measuring point, is considered appropriate, since the chlorophyll value correlates with the plants development stage.
Vegetation indices, calculated on the basis of reflectance spectra, represent not only the N content but also the actual N uptake of the crop, which is why passive reflectance measurement methods have a higher informative value with regard to the current N supply status of the plant compared to chlorophyll value measurements. Therefore, this technology could be used to achieve a site-specific optimization of rate and timing of N fertilization and thus a more demand-oriented nitrogen nutrition of the hop plant in the future.
c) What are the effects of surface and subsurface drip irrigation?
In the period from 2017 to 2019, additional irrigation of the aroma variety Perle on sandy soil led to a stabilization of the agronomic parameters cone yield and alpha acid content every year. In addition, irrigation also achieved an improvement of nitrogen utilization. Compared to subsurface systems, surface drip irrigation achieved a higher efficiency if the horizontal water distribution was limited by hydraulic soil properties. It was shown that this is due to the fact that the majority of the hop plants fine root system is located in the hill formed along the hop rows and the soil layers beneath it.
d) What are the effects of a nitrogen nutrition via irrigation water?
A system comparison was made between N fertilization systems with fertigation and a solely granulated N application. The use of fertigation resulted not only in an improvement of cone yield and alpha acid content, but also in an increase of the plants nitrogen uptake and a reduction of Nmin content in the soil, which is also associated with a reduction of the risk of nitrate leaching into the groundwater. Fertilization systems with fertigation achieved a higher nitrogen utilization especially at low N-fertilization rates. If two thirds of the total amount of nitrogen were applied via irrigation water, the concentration over a 6-week period proved to have a positive impact on all analyzed varieties, especially under conditions of a limited N supply, since a higher proportion of N has been applied during main biomass formation and the stage of lateral shoot growth. For an efficient N-fertilization with fertigation the application should take place between mid-June and late July while no significant amounts of nitrogen should be applied after early August. For early maturing varieties such as Perle and Tradition, there is a risk of a late N application as it is hardly possible to lay out the drip tubes before the 25th week of the year. Therefore, in early maturing varieties, a higher proportion of N should be applied in earlier growth stages while the amount of N applied via fertigation should be less than two-thirds of the total amount of N fertilizer. A substantial advantage of fertilization systems with fertigation is that nitrogen applied via the irrigation water is immediately absorbed by the plants, which allows an effective short-term intervention in the plants nitrogen nutrition. On the basis of a reliable recording of the current N supply status with sensors during the main growth stage, fertigation could be used to adjust the N fertilization in order to achieve a site-specific and demand-oriented nitrogen nutrition of the hop plant
Analysis of phosphorus utilization using the host genome and microbiota variability in Japanese quail
Get PDFPhosphorus (P) is an essential element for growth and performance of avian species. It is predominantly bound as phytic acids and salts (phytate) in plant seeds. Phytases and other phosphatases can harness P by cleaving P groups. Nonruminants have low endogenous phytase activity in the gastrointestinal tract, and thus, the requirement of this element is not met from exclusive plant-based diets. Therefore, mineral P or phytase enzymes are supplemented in poultry feed. Due to the finite quantities of high quality mineral P worldwide, it is of great economic interest. P supplementation is increasingly causing environmental problems. Past studies investigated the P utilization (PU) of different poultry species. They revealed a high phenotypic variation in PU among individuals. Moderate heritabilities indicates that breeding for this trait is in principle possible.
The overall aim of this thesis was to gain a deeper understanding of the variability of P utilization in relation to host genetics, ileal microbiota composition and their interaction in the model species Japanese quail.
The objective of chapter two was to verify whether variation in PU in quail is a heritable trait conditioned by a few quantitative trait loci (QTL) with detectable effects. For this purpose, individuals were genome-wide genotyped with a 4k SNP chip, and a linkage map was generated. Based on this map, QTL linkage analysis was performed using multimarker regression analysis in a line-crossing model to map QTL for PU. We identified a few QTL regions with significant effects. Among them was a QTL peak at Coturnix japonica chromosome (CJA) 3 for PU. Several genes were found in the region surrounding this peak, which requires further functional gene analysis. Based on these results, we hypothesized that these traits are polygenically determined due to several small QTL effects, which we could not detect significantly. The overlap of the QTL regions indicated linkage of the traits and confirmed their genetic correlations.
With the aim of predicting microbiota-related host traits, chapter three examined the composition of the ileum microbiota and differential abundance analysis (DAA). Based on this study, it was shown that a sex-specific influence on microbiota composition exists. The digesta samples of all animals were dominated by five genera, which contributed to more than 70% of the total ileum microbial community. In examining the microbiota composition of each of the 50 animals with the highest and lowest PU, DAA revealed genera significantly associated with PU.
In chapter four, we characterized the influence of performance-related gut microbiota to unravel the microbial architecture of the traits evaluated. The aim of this study was to determine whether the variation in PU is partly driven by the microbial community in the ileum. We used microbial mixed linear models to estimate microbiabilities (m^2). This determines the fraction of phenotypic variance that can be explained by the gut microbiota. The estimation of m^2 was 0.15 for PU and was highly significant. It was also highly significant for feed intake, body weight gain and feed per gain. This model was bivariately extended and showed a high microbial correlation of the traits. Based on both results, the ileum microbiota composition plays a substantial role in PU as well as in performance traits, and there is a considerable animal microbiota correlation, showing that the microbiota affects multiple traits. The microbial drivers of this microbial fraction were identified by applying microbiome-wide association studies (MWAS). By back-solving the microbial linear mixed model, we approximated the effect of single OTUs on the phenotypic traits from the microbial model solutions. An MWAS at the genus level uncovered several traits associated with bacterial genera.
Subsequently, we assessed whether the microbial community in the ileum is a heritable host trait that can be used for breeding individuals with improved PU. In chapter five we applied QTL analysis using specific genera to examine whether they are linked with genomic SNP markers. These QTL analyses revealed a link between some microbiota species and host genomic regions of chromosomes and SNP markers. By estimating significant heritabilities for some genera, we were able to provide evidence for the hypothesis that the microbial community and microbial features are at least partially related to host genetics. We predicted the animal microbial effects on PU and correlated performance traits by applying microbial best linear unbiased predictions (M-BLUP). In addition, genomic best linear unbiased predictions (G-BLUP) were used to predict the SNP effect for the predicted animal microbial effect. A combination of those two may help to predict genomic breeding values of the microbiota effects for future hologenomic breeding programs.Phosphor (P) ist ein essentielles Element für das Wachstum und die Leistung von Vogelspezies. Es ist in Pflanzensamen vorwiegend als Phytinsäure und dessen salze (Phytat) gebunden. Phytasen und andere Phosphatasen können P durch Abspaltung von P Gruppen nutzbar machen. Nichtwiederkäuer haben eine geringe endogene Phytaseaktivität im Magen-Darm-Trakt, sodass der Bedarf dieses Elements nicht ausschließlich durch pflanzliche Futtermittel gedeckt werden kann. Demzufolge werden mineralischer P oder Phytase-Enzyme im Geflügelfutter supplementiert. Aufgrund der weltweit begrenzten Menge an hochwertigem mineralischem P ist es von großem wirtschaftlichem Interesse. Die P-Supplementierung verursacht zunehmend Umweltprobleme. Vergangene Studien untersuchten die P-Verwertung (PU) verschiedener Geflügelarten. Sie zeigten eine hohe phänotypische Variation der PU zwischen Individuen. Moderate Heritabilitäten deuten darauf hin, dass eine Zucht auf dieses Merkmal möglich ist.
Im zweiten Kapitels wurde überprüft, ob die Variation der PU bei Wachteln ein erbliches Merkmal ist, das durch einige wenige quantitative trait loci (QTL) mit größeren Effekten bedingt ist. Zu diesem Zweck wurden Individuen genomweit mit einem 4k SNP-Chip genotypisiert und eine Kopplungskarte erstellt. Um QTL für PU zu kartieren, wurde eine QTL-Kopplungsanalyse unter Verwendung einer Multimarker Regressionsanalyse in einem Linienkreuzungsmodell durchführt. Wir kartierten einige QTL Regionen mit signifikanten Effekten, unteranderem auf dem Wachtelchromosom (CJA) 3. In der Region um dieses Signal wurden mehrere Gene gefunden, die eine weitere funktionelle Genanalyse erfordern. Basierend auf diesen Ergebnissen stellten wir die Hypothese auf, dass diese Merkmale aufgrund mehrerer kleinerer QTL Effekte, die wir nicht signifikant nachweisen konnten, polygenetisch bestimmt sind. Die Überlappung der QTL Regionen deutet auf eine Kopplung der Merkmale hin und bestätigt deren genetische Korrelationen.
Um mikrobiota-bezogene Wirtsmerkmals vorherzusagen, wurde in Kapitel drei die Zusammensetzung der Ileum Mikrobiota und die differentielle Abundanzanalyse (DAA) untersucht. Anhand dieser Studie konnte gezeigt werden, dass ein geschlechtsspezifischer Einfluss auf die Mikrobiotazusammensetzung besteht. Die Digesta-Proben aller Tiere wurden von fünf Gattungen dominiert, welche zu mehr als 70% der gesamten mikrobiellen Gemeinschaft im Ileum beitrugen. Bei der Untersuchung der Mikrobiotazusammensetzung der 50 Tiere mit der höchsten und niedrigsten PU, konnte die DAA eine signifikante Assoziation von Gattungen mit PU zeigen.
In Kapitel vier haben wir den Einfluss der leistungsbezogenen Darmmikrobiota charakterisiert, um die mikrobielle Architektur der untersuchten Merkmale zu entschlüsseln. Wir verwendeten mikrobielle gemischte lineare Modelle, um Microbiabilities (m^2) zu schätzen. Diese bestimmen den Anteil der phänotypischen Varianz, der durch die Darmmikrobiota erklärt werden kann. Die Schätzung von m^2 betrug 0,15 für PU und war hoch signifikant. Sie waren ebenfalls hochsignifikant für die Futteraufnahme, die Körpergewichtszunahme und Futter pro Zunahme. Dieses Modell wurde bivariat erweitert und zeigte eine hohe mikrobielle Korrelation der Merkmale. Basierend auf beiden Ergebnissen spielt die Zusammensetzung der Ileum Mikrobiota sowohl bei PU, als auch bei den Leistungsmerkmalen eine wesentliche Rolle und es besteht eine beträchtliche Tier-Mikrobiota-Korrelation, die zeigt, dass die Mikrobiota mehrere Merkmale beeinflusst. Die mikrobiellen Treiber dieser Mikrobiotafraktion identifizierten wird durch die Anwendung von mikrobiomweiten Assoziationsstudien (MWAS). Eine MWAS auf Gattungsebene deckte mehrere Merkmale auf, die mit Bakteriengattungen assoziierten sind.
Anschließend untersuchten wir, ob die mikrobielle Gemeinschaft im Ileum ein erbliches Wirtsmerkmal ist, das für die Zucht von Individuen mit verbesserter PU genutzt werden kann. In Kapitel fünf wendeten wir für spezifische Gattungen eine QTL-Analyse an, um zu untersuchten, ob sie mit genomischen SNP-Markern verknüpft sind. Diese Analysen zeigten eine Verbindung zwischen einigen Mikrobiotaspezies, genomischen Regionen von Chromosomen und SNP-Markern des Wirts. Durch die Schätzung signifikanter Heritabilitäten für einige Gattungen konnten wir Nachweise für die Hypothese liefern, dass die mikrobielle Gemeinschaft und mikrobielle Merkmale zumindest teilweise mit der Wirtsgenetik zusammenhängen. Wir schätzten die mikrobiellen Effekte der Tiere auf PU und korrelierte Leistungsmerkmale voraus, indem wir microbial best linear unbiased predictions (M-BLUP) anwendeten. Zusätzlich wurden genomic best linear unbiased predictions (G-BLUP) verwendet, um den SNP-Effekt für den vorhergesagten tierischen mikrobiellen Effekt zu schätzen. Eine Kombination dieser beiden kann helfen, genomische Zuchtwerte der Mikrobiota-Effekte für zukünftige hologenomische Zuchtprogramme vorherzusagen
Behavioral economic impact on animal health surveillance system in Thailand (correct version of the dissertation)
No full textZoonotic diseases are a continuously significant threat to global human and livestock health (causing millions of deaths yearly). Zoonotic diseases are not only a human health threat, but also a threat to animal health and welfare. Moreover, they have a high impact on national economies and food security due to productivity and production reduction. Expanding worldwide travel and global trade increases the importance of the threat of zoonotic diseases. The increase in global meat consumption contrasts with the escalating instability of the global meat market, which is affected by the increase of livestock densities, changes in production intensity, and slaughtering systems, causing animal disease outbreaks to spread widely. This study focuses on the animal disease surveillance system in Thailand as an important world meat exporter. In 2014, the Participatory One Health Disease Detection project, or PODD was set up by the veterinary inspection authorities to test animal epidemic control systems using smartphone applications in the Chiang Mai province in northern Thailand
The main objectives of this study are (i) to evaluate the economic impact of the PODD system on farmers by impact assessment (n = 177) (ii) to demonstrate the impact of monetary and non-monetary incentives on the PODD reporters by the experimental approach (n = 17), (iii) and to present the effect of the socioeconomic factors and behavioral bias on farmers animal disease reporting behavior with the logit model (n = 467).
Focusing on the first objective, the results of this study concluded that there is an impact on the farmers. The technology alone cannot improve animal health security in the short-term. In the second objective, the results concluded that, in the case of the PODD reporters, the decision of using monetary incentives to motivate most of the PODD reporters has a negative impact in the long-term. Losing reporter motivation and effort reflected to the low efficiency of the digital surveillance system of PODD and no impact on farmers. Concerning In the last objective, the results concluded that the optimistic bias of farmers has a very high impact on their decision making about reporting animal diseases on their farm. Just one infected farm in the case of dairy milk farmers can spread the foot-and-mouth disease to other farms. The new digital animal health surveillance system alone is not enough to reduce the impact of animal diseases of farmers. Suitable motivation for the reports and awareness of farmers optimistic bias in animal disease reporting cannot be neglected in digital animal disease surveillance system improvement.
Overall, it can be concluded that the digital animal disease surveillance system is a powerful instrument for reducing the impact of animal diseases and increasing food safety and security. However, application of this advanced technology still needs time to demonstrate the impact and to be broadly adopted by users. In terms of motivation, the monetary incentive can increase the effort of report in the short run but it comes at a high cost and has a negative impact in the long-term. While the social incentive costs less and is more effective in the long-term. Where farmers animal disease reporting behavior is concerned, the optimistic bias is the highest influential factor on the farmers reporting decisions, in an inverse correlation.Zoonotische Krankheiten stellen eine anhaltend große Bedrohung für die Gesundheit von Mensch und Tier dar (sie verursachen jährlich Millionen von Todesfällen). Zoonosen stellen nicht nur eine Gefahr für die menschliche Gesundheit dar, sondern auch für die Gesundheit und das Wohlergehen der Tiere. Darüber hinaus haben sie aufgrund von Produktivitätseinbußen einen hohen Einfluss auf die Volkswirtschaften und die Ernährungssicherheit. Der Anstieg des weltweiten Reiseverkehrs und des globalen Handels erhöht die Bedeutung der Bedrohung durch Zoonosen. Die Zunahme des weltweiten Fleischkonsums steht im Gegensatz zur eskalierenden Instabilität des globalen Fleischmarktes, der durch die gesteigerten Viehbestandsdichten, Veränderungen der Produktionssyteme und der Schlachtsysteme beeinflusst wird, was zu einer weiten Verbreitung von Tierseuchenausbrüchen führt. Diese Studie konzentriert sich auf ein Tierseuchenüberwachungssystem in Thailand, einem weiltweit wichtigen Fleischexporteur. Im Jahr 2014 wurde von den Veterinärinspektionsbehörden das Projekt Participatory One Health Disease Detection (PODD) ins Leben gerufen, um Tierseuchenkontrollsysteme mit Smartphone-Anwendungen in der Provinz Chiang Mai im Norden Thailands zu testen.
Die Hauptziele dieser Studie sind (i) die Bewertung der wirtschaftlichen Auswirkungen des PODD-Systems auf die Landwirte durch eine Folgenabschätzung (n = 177), (ii) der Nachweis des Einflusses von monetären und nicht-monetären Anreizen auf die PODD-Berichterstatter durch einen experimentellen Ansatz (n = 17), (iii) und die Darstellung des Einflusses der sozioökonomischen Faktoren und Verhaltensverzerrungen auf das Meldeverhalten der Landwirte bei Tierseuchen mit dem Logit-Modell (n = 467).
Gemäß dem erste Ziel kamen die Ergebnisse dieser Studie zu dem Schluss, dass es eines Einflusses auf die Landwirte gibt. Die Technologie allein kann die Sicherheit der Tiergesundheit kurzfristig nicht verbessern. Bezüglich des zweiten Ziels, konnte gefolgert werden, dass die Entscheidung, PODD-Berichterstatter durch monetäre Anreize zu motivieren, langfristig negative Auswirkungen hat. Der Verlust der Motivation und des Einsatzes der Berichterstatter konnte auf die geringe Effizienz des digitalen Überwachungssystems des PODD zurückgeführt werden. Beim letzten Ziels 105 kamen die Ergebnisse zu dem Schluss, dass die optimistische Voreingenommenheit der Landwirte einen sehr großen Einfluss auf ihre Entscheidungsfindung bei der Meldung von Tierkrankheiten auf ihrem Betrieb hat. Nur ein infizierter Betrieb kann im Falle von Milchviehhaltern die Maul- und Klauenseuche auf einen anderen Betrieb übertragen. Das neue digitale Tiergesundheitsüberwachungssystem allein reicht dabei nicht aus, um die Auswirkungen von Tierkrankheiten der Landwirten zu verringern. Bei der Verbesserung des digitalen Tierseuchenüberwachungssystems dürfen die Motivation für die Berichterstattung und das Bewusstsein für die optimistische Voreingenommenheit der Landwirte bei der Meldung von Tierseuchen nicht vernachlässigt werden.
Insgesamt ist zu schlussfolgern, dass das digitale Tierseuchenüberwachungssystem ein wirksames Instrument zur Verringerung der Auswirkungen von Tierseuchen und zur Erhöhung der Lebensmittelsicherheit und -sicherheit darstellt. Allerdings wird noch Zeit benötigt, bis die Auswirkungen dieser fortschrittlichen Technologie abgeschätzt werden können und sie von den Anwendern adoptiert wird. Was die Motivation betrifft, kann der monetäre Anreiz die Motivation für die Berichterstattung erhöhen, aber er ist mit hohen Kosten verbunden und hat langfristig negative Auswirkungen. Der soziale Anreiz kostet hingegen weniger und ist auf lange Sicht wirksamer. Bezüglich des Meldeverhaltens der Landwirte auf Tierseuchen, ist die optimistische Verzerrung in umgekeheter Korrelation und der höchste Einflussfaktor auf die Meldeentscheidungen der Landwirte