2013 research outputs found
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Strategies and mechanisms of cellular interaction between the parasitic weed Orobanche cumana WALLR. and its host Helianthus annuus L.
Get PDFSunflower broomrape, Orobanche cumana WALLR., is a root parasitic plant causing considerable yield losses in sunflower cultivation in Europe, North Africa and Asia. Comprehensive knowledge about early interaction stages between host and parasite is necessary to find new ways of controlling this weed. In this thesis, three aspects regarding the biology of O. cumana were studied: 1) the chemotropism of O. cumana germtubes which bend towards the host root, 2) the development of O. cumana on resistant and susceptible sunflower lines and 3) the development of the phloem connection between the O. cumana haustorium and the sunflower host root.
Sesquiterpene lactones in sunflower root exudates act as germination stimulants for O. cumana. As sesquiterpene lactones are known inhibitors of plant elongation growth and seem to play a role in the phototropic curvature of sunflower hypocotyls, a chemotropism bioassay on water agar was established to test if they also serve as chemotropic signals for the host-finding of O. cumana germtubes. When sesquiterpene lactone containing sunflower root exudate, sunflower seed oil extract or the sesquiterpene lactone reference costunolide were applied on filter discs, 70 % of the germtubes showed orientation towards them. The artificial strigolactone GR24, however, did not induce chemotropism. A concentration gradient of sesquiterpene lactones exudated from the host root is likely to be responsible for a stronger inhibition of elongation growth on the host-facing flank of the germtube. This would confer a double role of sesquiterpene lactones from root exudates in the sunflower-broomrape-interaction, namely as germination stimulants and as chemotropic signals.
One way of controlling O. cumana is the cultivation of resistant sunflower lines. However, this resistance is rapidly overcome by more aggressive pathotypes of the parasite. Therefore, the resistance or tolerance reaction of the sunflower genotype T35001 was investigated in comparison to six other sunflower genotypes with different resistance characteristics. The development of O. cumana was monitored in a root chamber system which allowed permanent assessment of germination, attachment and tubercle formation in the different host-parasite-combinations. All seven tested sunflower lines induced germination and attachment of O. cumana, independent of the expected resistance or susceptibility of the host. A difference between compatibility or incompatibility of the interactions was only observed at the tubercle stage. On T35001, tubercles never occurred, neither in root chamber nor in pot experiments. To find out why the development stopped before the tubercle stage, samples of sunflower roots with attached O. cumana seedlings were analysed by bright field-, fluorescence- and transmission electron microscopy. Histological studies revealed that O. cumana penetrated the host root, but never reached the hosts vascular bundle. The root cortex cells surrounding the Orobanche haustorium showed no ultrastructural changes such as cell wall thickening. Fluorescence microscopy revealed no callose depositions or signs of phytoalexin release. However, ultrastructural examination of the host-parasite-interface showed degeneration processes in both cortex and haustorial cells. Cortex cells were flooded with bacteria, haustorium cells showed degeneration of cytoplasm and nuclei. The resistance mechanism that prevented further development of the O. cumana haustorium did not express itself in a histologically visible way.
As holoparasite, O. cumana acquires its entire demand for water, minerals and organic nutrients from the hosts vascular system. The development of the xylem connection between O. cumana and sunflower had previously been reported, but the phloem connection is far more relevant for the parasite in terms of organic nutrients. Accordingly, the ultrastructure of the phloem connection between the haustorium of young O. cumana tubercles and the sunflower root was examined. Parasite and host tissues were intermingled at the contact site and difficult to distinguish, but sieve-tube elements of O. cumana and sunflower could be differentiated according to their plastid ultrastructure. While sieve-element plastids of O. cumana were larger, often irregular in shape and contained few, small starch inclusions, sieve-element plastids of the host were significantly smaller, always round with more and larger starch inclusions. This made it possible to trace the exact contact site of host and parasite sieve elements to show a direct symplastic phloem connection between the two species. The interspecific sieve plate showed more callose on the host side. This allowed detection of newly formed plasmodesmata between host sieve-tube elements and parenchymatic parasite cells, thus showing that undifferentiated cells of the parasite can connect to fully differentiated sieve elements of sunflower.Die Sonnenblumen-Sommerwurz, Orobanche cumana WALLR., eine wurzelparasitische Pflanze, verursacht beträchtliche Ernteausfälle im Sonnenblumenanbau in Europa, Nordafrika und Asien. Umfassendes Wissen über frühe Interaktionsstadien zwischen Wirt und Parasit sind nötig, um neue Wege zur Bekämpfung des Parasiten zu finden. In dieser Arbeit wurden drei Aspekte der Biologie von O. cumana untersucht: 1) Der Chemotropismus von O. cumana-Keimschläuchen hin zur Wirtswurzel; 2) die Entwicklung von O. cumana auf resistenten und suszeptiblen Sonnenblumen-Linien; und 3) die Entwicklung der Phloem-Verbindung zwischen dem O. cumana-Haustorium und der Sonnenblumen-Wirtswurzel.
Sesquiterpenlactone in Wurzelexsudaten der Sonnenblume induzieren die Keimung von O. cumana-Samen, sind auch als Inhibitoren des pflanzlichen Streckungswachstums bekannt und scheinen eine Rolle in der phototropen Krümmung von Sonnenblumen-Hypokotylen zu spielen. Um zu testen, ob sie auch als chemotrope Signale für die Wirtsfindung von O. cumana-Keimschläuchen verantwortlich sind, wurde ein Chemotropismus-Biotest auf Wasseragar entwickelt. Wenn sesquiterpenlactonhaltiges Sonnenblumenwurzelexsudat, Sonnenblumenölextrakt oder die Sesquiterpenlacton-Referenzsubstanz Costunolid auf Filterplättchen eingesetzt wurden, wuchsen 70 % der Keimschläuche auf diese zu. Das künstliche Strigolacton GR24 induzierte keinen Chemotropismus. Ein Konzentrationsgradient der von der Wirtswurzel exsudierten Sesquiterpenlactone scheint für eine stärkere Inhibierung des Streckungswachstums auf der dem Wirt zugewandten Keimschlauchseite verantwortlich zu sein. Dies würde den Sesquiterpenlactonen in Sonnenblumenwurzelexsudaten eine Doppelrolle in der Interaktion mit O. cumana zukommen lassen, nämlich als Keimstimulanzien und als Signale für den Chemotropismus.
O. cumana kann durch den Anbau resistenter Sonnenblumenlinien bekämpft werden. Diese Resistenz wird jedoch von neuen, aggressiveren Pathotypen des Parasiten überwunden. Ziel war es daher, Resistenz- oder Toleranzreaktionen des Sonnenblumen-Genotyps T35001 im Vergleich zu sechs anderen Sonnenblumengenotypen mit unterschiedlichen Resistenzcharakteristika zu untersuchen. Ein Wurzelkammersystem erlaubte die kontinuierliche Beobachtung der Keimung, Anlagerung und Tuberkelbildung bei den unterschiedlichen Wirt-Parasit-Kombinationen. Alle sieben getesteten Sonnenblumenlinien induzierten die Keimung und Anlagerung von O. cumana, unabhängig von deren erwarteter Suszeptibilität oder Resistenz. Ein Unterschied zwischen kompatiblen und inkompatiblen Interaktionen wurde erst im Tuberkelstadium sichtbar. Auf den Wurzeln von T35001 entwickelten sich nie Tuberkel, weder in Wurzelkammer- noch in Topfversuchen. Warum die Entwicklung von O. cumana vor dem Tuberkelstadium stoppte, wurde licht-, fluoreszenz- und transmissionselektronenmikroskopisch untersucht. Die histologischen Studien zeigten, dass der Parasit zwar in die Wirtswurzel eindrang, aber nicht den Zentralzylinder erreichte. Die Wurzelrindenzellen, die das Orobanche-Haustorium umgaben, wiesen keine ultrastrukturellen Veränderungen auf, wie beispielsweise Zellwandverdickungen. Weder Kalloseablagerungen noch Zeichen für Phytoalexinproduktion waren mittels Fluoreszenzmikroskopie sichtbar. Ultrastrukturelle Untersuchungen der Kontaktstellen von Wirt und Parasit zeigten jedoch Degenerationsprozesse sowohl in den Zellen der Wurzelrinde als auch in denen des Haustoriums. Die Wurzelzellen waren voller Bakterien, auch Zellkerne und Cytoplasma der Haustorienzellen erschienen degeneriert. Der Resistenzmechanismus, der die weitere Entwicklung des Haustoriums verhinderte, war histologisch nicht sichtbar.
Als Holoparasit deckt O. cumana seinen gesamten Bedarf an Wasser, Mineralien und organischen Nährstoffen aus dem Leitbündelsystem des Wirtes. In dieser Arbeit wurde zum ersten Mal die Ultrastruktur der Phloemverbindung zwischen dem Haustorium des jungen Tuberkels und der Wirtswurzel untersucht. Die Gewebe von Wirt und Parasit waren an den Kontaktstellen schwer zu unterscheiden, doch die Siebröhrenelemente konnten aufgrund ihrer Plastidenultrastruktur eindeutig zugeordnet werden. Während die Siebröhrenplastiden von O. cumana meist größer und unregelmäßig geformt waren und wenige kleine Stärkeeinschlüsse enthielten, waren die der Sonnenblume signifikant kleiner, immer rundlich und besaßen mehr und größere Stärkeeinschlüsse. Dies erlaubte es, die exakte Anschlussstelle zwischen Wirt und Parasit zu finden. Direkte symplastische Phloemverbindungen wurden zwischen den beiden Arten entdeckt. Die interspezifische Siebplatte wies auf der Wirtsseite stets mehr Kallose auf und ermöglichte somit die Identifizierung neu gebildeter Plasmodesmen zwischen parenchymatischen Haustorienzellen und Siebröhren der Sonnenblume. Undifferenzierte Orobanche-Zellen konnten sich also mit vollständig differenzierten Siebröhrenelementen der Sonnenblume verbinden
Photosynthesis, quantum requirements, and energy demand for crop production in controlled environments
Get PDFIn this work, energy costs for LED (light emitting diodes) lighting of a virtual plant stand exhibiting C3photosynthesis have been calculated via a model considering the quantum demand to build-up dry matter and energy efficiency of state-of-the art LEDs. Optimistic and pessimistic scenarios have been calculated by taking into account uncertainties regarding the H+/ATP stoichiometry of photosynthesis and different management strategies for indoor plant production. Energy costs were between 265 and 606 kWh for a production cycle ranging over 100 days and resulting in 2500 g dry matter per square meter for the optimistic and the pessimistic scenario respectively. The conversion efficiencies from electrical energy to energy bound in phytomass at the end of the production cycle were 2.07 % and 4.72 % (pessimistic and optimistic scenario, respectively). This was lower than the theoretical maximum values calculated for C3 plants that are given as 9.5 % in the literature. However, when the losses that occur during the conversion from electrical energy to light energy were excluded and only the efficiency of the conversion from incident light energy to phyto-energy was calculated, values increased to 4.0 and 9.1 %. The differences between the optimistic and the pessimistic scenario was caused by decreased photorespiration via carbon dioxide fertilization, which increased the conversion efficiencies by 38 %, followed by different assumptions about the H+ requirement for ATP production (34 %) and an increased rate of active absorption of light energy (24 %). Considering cumulative as well as feedback effects of all of the mentioned parameters, the conversion efficiency in the optimistic scenario was 2.3 times higher than in the pessimistic scenario. A system for measuring gas-exchange of whole plants or plant stands was developed in order to be able to investigate and improve the above mentioned management strategies in the future. CO2 sensors and temperature and humidity sensors were used to detect water loss and CO2. Readily available off-the-shelf electronic and mechanical materials were used in order to build a low-cost system that can be used in high throughput experiments. The results indicate that around 90 % of the transpirational water was detected by the system. We conclude that parts of the transpirational water condensed on the surfaces thus not leaving the chamber. When checking the accuracy of the H2O and CO2 sensors using an industry quality infrared gas analyser (IRGA), we found significant deviations from the values given by the IRGA and used this data for calibration of the CO2 sensors. The responses of the CO2-sensors were also linearly coupled to the H2O concentrations (about -0.1 % ppm CO2 / ppm H2O). A regression analysis was performed and the coefficients were used to correct the sensor readings. Since LEDs exhibit a higher energy-to-light ratio when operated at lower light levels, we tested a very small growing gibberellin (GA) deficient super dwarf rice genotype in a climate chamber experiment under different illumination levels and different levels of nitrogen supply to assess its suitability for crop production in artificial environments. A 25 % reduction in illumination lead to a 75 % reduction in yield, mainly due to a 60 % reduction in formed tillers and 20 % reduction in kernel weight, and an 80 % reduction in illumination caused total yield loss. Whereas leaf area under reduced illumination was significantly lower, only marginal changes in the dimensions of single leaves were observed. Photosynthesis at growing light conditions was not different between control plants and plants under 75 % illumination. This was explained by a higher photochemical efficiency under lower light conditions and a reduced mesophyll resistance. Therefore, we conclude that this genotype is an interesting candidate for crop production in vertical plant production systems, especially because of its short stature and the absence of shade avoidance mechanisms, such as leaf elongation, that would complicate production in small-height growing racks under low-light conditions. Nitrogen concentrations of 2.8 and 1.4 mmol L-1 in the nutrient solution lead to no differences in plant growth. We conclude that a nitrogen concentration of 1.4 mmol L-1 is sufficient for this genotype under the light intensities that were applied here. A software tool for simulations of photosynthesis in the python programming language was developed. The software implements a classical Farquhar-von CaemmererBerry (FvCB) model of leaf photosynthesis coupled with a model for the estimation of stomatal behaviour dependent on environmental conditions. We want to emphasize that the use of such models is essential to understand the complex interactions between plant growth, leaf photosynthesis and the environment. Knowledge on those relationships is the key to improve the efficiency of plant production in controlled environments.In dieser Arbeit wurden die Energiekosten für LED-Beleuchtung (Licht emittierende Dioden) eines virtuellen C3 Pflanzenstandes mit Hilfe eines Modells berechnet, das einerseits den Quantenbedarf für den Aufbau von pflanzlicher Trockenmasse und andererseits die Energieeffizienz von modernen LEDs berücksichtigt. Optimistische und pessimistische Szenarien wurden unter Berücksichtigung von Unsicherheiten bezüglich der H+/ATP-Stöchiometrie der Photosynthese und verschiedener Managementstrategien für die Pflanzenproduktion in kontrollierten Umwelten berechnet. Die Energiekosten lagen zwischen 265 und 606 kWh für einen Produktionszyklus von 100 Tagen Länge und einem finalen Ertrag von 2500 g Trockenmasse pro Quadratmeter für das optimistische bzw. pessimistische Szenario. Die Umwandlungswirkungsgrade von elektrischer Energie in in Phytomasse gebundene Energie am Ende des Produktionszyklus betrugen 2,07 % und 4,72 % (pessimistisches und optimistisches Szenario). Dies war niedriger als die theoretischen Höchstwerte, die für C3-Pflanzen berechnet und in der Literatur mit 9,5 % angegeben werden. Wenn man jedoch die Verluste, die bei der Umwandlung von elektrischer Energie in Lichtenergie auftreten, ausschließt und nur die Effizienz der Umwandlung von einfallender Lichtenergie in Phytoenergie berechnet, stiegen die Werte auf 4,0 und 9,1 %. Die Unterschiede zwischen dem optimistischen und dem pessimistischen Szenario wurden durch eine verminderte Photorespiration durch Kohlendioxiddüngung verursacht, die die Umwandlungseffizienz um 38 % erhöhte, gefolgt von unterschiedlichen Annahmen über den H+-Bedarf für die ATP-Produktion (34 %) und einer erhöhten Rate der aktiven Absorption von Lichtenergie (24 %). Berücksichtigt man sowohl kumulative als auch Rückkopplungseffekte aller genannten Parameter, war der Umwandlungswirkungsgrad im positiven Szenario 2,3 Mal höher als im pessimistischen Szenario. Ein System zur Messung des Gasaustausches von Pflanzen oder Pflanzenbeständen wurde entwickelt, um die oben genannten Managementstrategien in Zukunft zu untersuchen und zu verbessern. Es wurden handelsübliche elektronische und mechanische Materialien verwendet, um ein kostengünstiges System zu entwerfen, das in Hochdurchsatzexperimenten eingesetzt werden kann. Die Ergebnisse zeigen, dass etwa 90 % des Transpirationswassers durch das System erfasst wurden. Wir schließen daraus, dass Teile des Transpirationswassers auf den Oberflächen kondensierten und somit das System nicht verließen. Die Reaktionen der CO2Sensoren waren ebenfalls linear an die H2O-Konzentrationen gekoppelt (ca. -0,1 % ppm CO2 / ppm H2O). Da LEDs ein höheres Energie zu Licht-Verhältnis aufweisen, wenn sie bei niedrigeren Lichtstärken betrieben werden, testeten wir einen sehr kleinen wachsenden Gibberellin (GA) defizienten Super-Zwergreis-Genotyp in einem Klimakammerexperiment unter verschiedenen Beleuchtungsstärken und unterschiedlicher Stickstoffzufuhr, um seine Eignung für den Pflanzenbau in künstlichen Umgebungen zu beurteilen. Eine 25 %ige Verringerung der Beleuchtung führte zu einer Ertragsreduzierung von 75 %, hauptsächlich aufgrund einer 60 %igen Verringerung Anzahl an geformten Bestockungstrieben und einer 20 %igen Verringerung des Korngewichts. Eine 80 %ige Verringerung der Beleuchtung verursachte einen Gesamtverlust bezüglich Kornertrag. Während die Blattfläche unter reduzierter Beleuchtung deutlich geringer war, wurden nur marginale Veränderungen in der Morphologie der Blätter beobachtet. Die Photosyntheseleistung in den jeweiligen Wachstumsbeleuchtungsstärken unterschied sich nicht zwischen Kontrollpflanzen und Pflanzen unter 75 % Beleuchtung. Dies wurde durch eine höhere photochemische Effizienz unter geringeren Lichtbedingungen und eine reduzierte Mesophyllresistenz erklärt. Daher kamen wir zu dem Schluss, dass dieser Genotyp ein interessanter Kandidat für die Pflanzenproduktion in Vertikalen Pflanzenproduktionssystemen ist, insbesondere wegen seiner kleinen Statur und dem Fehlen von Mechanismen zur Schattenvermeidung, die die Produktion in niedrigen Produktionssystemen unter Schwachlichtbedingungen erschweren würden. Es wurde ein SoftwareTool zur Simulation der Photosynthese in der Programmiersprache Python entwickelt. Die Software implementiert ein klassisches Farquhar-von-Caemmerer-Berry (FvCB)-Modell der Blattfotosynthese, gekoppelt mit einem Modell zur Abschätzung der stomatären Leitfähigkeit in Abhängigkeit von den Umweltbedingungen. Wir möchten betonen, dass die Verwendung solcher Modelle wesentlich ist, um die komplexen Wechselwirkungen zwischen Pflanzenwachstum, Blattfotosynthese und Umwelt zu verstehen. Kenntnisse über diese Beziehungen ist essentiell bezüglich der Erhöhung der Effizienz von Pflanzenproduktion in künstlichen Umwelten
Innovative propagation techniques in banana and plantain
Get PDFDespite the significant role of banana and plantain (Musa spp.) in the livelihood of millions of people mostly in developing countries and in particular Sub-Saharan Africa, cultivation of these important crops is impeded by numerous challenges. Against this backdrop, research attempts were made to improve shoot proliferation in banana and plantain by employing innovative macropropagation techniques. Banana and plantain suckers were harvested in the greenhouses of the University of Hohenheim, Stuttgart, Germany and research fields of the Crops Research Institute, Ghana. These were subjected to Plants Issus de Fragments de tige technique (PIF), which is a mechanical preparation technique. It involves paring, thus cutting off the roots of the corms with a sharp sterilized knife. Thereafter, the leaf sheaths of the corms were carefully removed, consequently exposing latent axillary buds and the apical shoot meristem. Some of the corms had the exposed meristem destroyed with crosswise incision whiles others had the meristem left intact. Various hormonal treatments with the synthetic plant hormone 6-benzylaminopurine (0, 2.25 and 225.25 mg L-1 BAP) and natural plant hormones derived from coconut water were used. Fresh and autoclaved coconut water and other additives such as papain and root growth biostimulant from seaweed were employed in various combination to treat banana and plantain corms by either soaking or vacuum infiltration. The treated corms were planted in germination beds filled with growth substrates inside growth chambers. Evaluation of solution uptake from the two application methods and subsequently effects on number and growth characteristics of lateral shoots from the treated corms were carried out. Field evaluation of growth and yield of acclimatized plantlets from the PIF technique and hormonally derived plantlets were also undertaken. The hormonal solution application method demonstrated a higher solution uptake with the method of infiltration which was about 33% more compared to the method of soaking. Results revealed an earlier shoot emergence in corms which had the apical meristem destroyed with crosswise incision, demonstrating the breakdown of apical dominance. Nonetheless, this did not contribute to significantly higher shoot numbers when compared to corms with intact apical meristem. BAP treated corms had triggered greater number of strong shoots with comparatively higher number of roots than untreated controls, however, the effect was independent of the concentration applied. The study further revealed the importance of natural growth hormones particularly the application of autoclaved coconut water as an alternative to the expensive plant growth hormone, 6-benzylaminopurine. There was a marked effect of autoclaved coconut water, resulting in earlier shoot development characterized with higher root numbers compared to corms subjected to 6-benzylaminopurine and the PIF technique, respectively. Moreover, the addition of the proteolytic enzyme papain and the root growth biostimulant seaweed extract to coconut water did not influence the growth performance of the treated corms. Vegetative growth performance, specifically pseudostem length of the main crop, was significantly influenced by the treatment at 6 and 9 months of growth in the field. BAP and seaweed extract recorded the highest numbers of suckers. Uniformity of acclimatized plantlets with well-developed roots and active leaves at the nursery stage might have contributed immensely for the uniform vegetative growth. Treating the corms with BAP and seaweed significantly influenced the bunch weight of the main crop resulting in a bunch weight of about 11 kg. However, there was no significant difference among treatments regarding bunch weight of the first sucker crop with each treatment recording a bunch weight of 11 kg.Trotz der wichtigen Rolle von Bananen und Kochbananen (Musa spp.) als Lebensgrundlage für Millionen von Menschen in Entwicklungsländern, insbesondere in Subsahara-Afrika, ist der Anbau dieser Kulturen von verschiedensten Problemen geprägt. Vor diesem Hintergrund wurden Forschungsanstrengungen unternommen um durch den Einsatz innovativer Makrovermehrungstechniken die Schösslingsvermehrung in Bananen und Kochbananen zu verbessern. Schösslinge von Bananen und Kochbananen wurden in den Gewächshäusern der Universität Hohenheim, Stuttgart und auf den Versuchsfeldern des Crops Research Institute, Ghana gesammelt. Die Schösslinge wurden mit der Methode Plants Issus de Fragment de tige technique (PIF) vorbereitet. Bei dieser mechanischen Behandlung werden zunächst die Wurzeln des Rhizoms mit einem scharfen, sterilisierten Messer abgeschnitten. Dann werden vorsichtig die Blattscheiden der Rhizome entfernt um die latenten Seitenknospen und das apikale Sprossmeristem freizulegen. Bei einem Teil der Rhizome wurde das freigelegte Meristem mit einem Kreuzschnitt zerstört. Anschließend wurden verschiedene Hormonbehandlungen mit dem synthetischen Pflanzenhormon 6-Benzylaminopurin (0, 2.25 und 225.25 mg L-1 BAP) und mit natürlichen Pflanzenhormonen aus Kokosnusswasser angewendet. Die Rhizome der Bananen und Kochbananen wurden durch Einlegen oder Vakuuminfiltrierung mit frischem und autoklavierten Kokosnusswasser und weiteren Additiven wie Papain und einem Wurzelstimulanz aus Seegras behandelt. Die behandelten Rhizome wurden in Klimakammern in Pflanzsubstrat eingebracht. Im Anschluss wurde die verschiedene Aufnahme der Lösungen durch die zwei Anwendungsmethoden gemessen und der Einfluss auf Anzahl und Wachstum der lateralen Sprosse der behandelten Rhizome evaluiert. Außerdem wurde das Wachstum und der Ertrag der akklimatisierten Pflanzen aus der PIF Methode und aus der hormonbasierten Behandlung getestet. Das Infiltrieren mit der Hormonlösung erzielte eine etwa 33% höhere Aufnahme im Vergleich zum Einlegen in die Lösung. Ergebnisse zeigen außerdem, dass die apikale Dormanz bei den eingeschnittenen Rhizomen erfolgreich gebrochen wurde da bei diesen Rhizomen die Sprosse früher austrieben. Allerdings wurde die Anzahl der Sprosse im Vergleich zu den nicht-eingeschnittenen Rhizomen nicht erhöht. Rhizome, welche mit BAP behandelt wurden, brachten mehr Sprosse mit einer stärkeren Bewurzelung hervor als die unbehandelten Kontrollen; allerdings war dieser Effekt unabhängig von der Konzentration der Lösungen. Die Studie bestärkte außerdem die Rolle natürlicher Wachstumshormone; insbesondere stellte sich autoklaviertes Kokosnusswasser als Alternative zu dem teuren Wachstumshormon 6-Benzylaminopurin heraus. Rhizome, die mit autoklaviertem Kokosnusswasser behandelt wurden, zeigten ein früheres Sprosswachstum mit einer größeren Wurzelanzahl als Rhizome, die mit 6-Benzylaminopurin oder der PIF Methode behandelt wurden. Die Beigabe des proteolytischen Enzyms Papain und dem Wurzelstimulanz aus Seegras Extrakt zum Kokosnusswasser beeinflusste das Wachstumsverhalten der behandelten Rhizome nicht. Das vegetative Wachstumsverhalten, insbesondere die Länge des Scheinstammes der Hauptpflanze, wurde durch die Behandlung nach 6 und 9 Monaten im Feld signifikant beeinflusst. Die Behandlungen mit BAP und Seegras Extrakt erzielten die höchste Anzahl an Schösslingen. Die Homogenität der akklimatisierten Pflanzen mit gut entwickelten Wurzeln und Blättern bereits im Jungstadium förderte wahrscheinlich das gleichförmige vegetative Wachstum. Die Behandlungen der Rhizome mit BAP und Seegras Extrakt beeinflussten das Gewicht der Fruchtstände der Hauptpflanze signifikant und brachten Fruchtstandgewichte von 11 kg hervor. Das Fruchtstandgewicht der Folgetriebe wurde von den Behandlungen nicht signifikant beeinflusst und betrug ebenfalls 11 kg
Nutrient seed treatments to improve abiotic stress tolerance in Brassica napus L.
Get PDFPoor germination and limitations during early plant growth are widespread constraints for oilseed rape (OSR; Brassica napus L.) with increasing importance due to a rising frequency of weather extremes related with global climate change. In this study, efforts have been made to improve health and stress resistance of OSR by exploring perspectives of cost-effective application techniques for micronutrients with stress- protective functions to cover increased demands of these nutrients under stress conditions. After preliminary screening experiments, special emphasis was placed on zinc (Zn) seed treatments including seed priming (SP) and seed dressing (SD). Effects on seedling performance during early growth were recorded at optimal conditions for plant growth in terms of temperature, nutrient and water supply and also under drought stress for winter OSR and under low root zone temperature (RZT) stress in spring OSR.
Accordingly, both, ZnSP and ZnSD may offer practical, economically low-cost application methods to improve early seedling establishment particularly under challenging environmental conditions, to improve the perspectives for conversion into higher economic yields and could be equally attractive for small-scale on-farm use and rape seed industry.Reduzierte Keimung und Einschränkungen in der Jugendentwicklung sind weitverbreitete Probleme im Rapsanbau, die aufgrund einer durch den Klimawandel bedingten Erhöhung der Häufigkeit von Witterungsextremen zunehmend an Bedeutung gewinnen. In der vorliegenden Arbeit wurden daher Perspektiven für die kostengünstige Anwendung von Mikronährstoffen mit Schutzwirkungen gegen Stressfaktoren untersucht, um einen erhöhten Bedarf dieser Nährstoffe unter Stressbedingungen nach Möglichkeit auszugleichen. Basierend auf den Ergebnissen einführender Screeningversuche. wurden bevorzugt Ansätze zur Saatgutbeizung und zum Saatgutpriming, sowohl unter optimalen Anzuchtbedingungen im Hinblick auf Temperatur, Wasser und Nährstoffangebot sowie Trockenstressbehandlungen bei Winterraps untersucht, während der Einfluss niedriger Wurzelraumtemperaturen bei Sommerraps betrachtet wurde.
Sowohl Zn-Saatgutpriming als auch Zn-Saatgutbeizung könnten also praktische und ökonomisch günstige Ansätze bieten, um die Keimlingsentwicklung besonders unter abiotischen Stressbedingungen zu fördern, als Grundlage für eine optimierte Bestandsentwicklung und verbesserte Ertragsbildung. Die Methoden bieten Perspektiven sowohl für direkte On-Farm Anwendungen als auch für großtechnische Ansätze in der Saatgutindustrie
Spatial data analysis in economics
Get PDFSpatial data analysis has become a widely used tool among economists and social scientists. Improved availability of georeferenced social and economic data, a rising interest in data visualisation, spatial pattern recognition, and spatial interactions as well as improved statistical techniques increased the popularity of spatial data analysis techniques. The purpose of this work is to study spatial data analysis techniques and apply those techniques on social and economic issues.
This work consists of three articles on applied spatial data analysis in economics. The first article studies the determinants of local supply differences in the market for election gambling machines (EGM). We study, whether a certain social and economic milieu (e.g. high unemployment) is associated with higher EGM supply. The second article studies spillover effects in the EGM market. The article explains why the EGM supply clusters in certain regions which results in hot spots with high gambling supply. Article three evaluates the impact of immigration on the voting behaviour in Germany. As an example, we use the 2015/2016 refugee crisis and study how refugee presence affected the regional election outcomes in the 2016 elections in Germany.Die Räumliche Datenanalyse findet zunehmende Verwendung bei Ökonomen und Sozialwissenschaftlern. Die steigende Beliebtheit lässt sich vor allem auf eine höhere Verfügbarkeit von geographisch kodierten Wirtschafts- und Sozialdaten sowie ein zunehmendes Interesse an Datenvisualisierung, Mustererkennung, räumlichen Interaktionen sowie verbesserten statistischen Methoden zur Analyse dieser Daten zurückführen. Das Ziel dieser Arbeit besteht darin die Räumliche Datenanalyse zur Klärung aktueller Fragen der Wirtschafts- und Sozialwissenschaften anzuwenden.
Die Arbeit setzt sich aus drei Artikeln zusammen. Der erste Artikel erforscht die Determinanten von lokalen Angebotsunterschieden im Markt für elektronische Geldspielgeräten (EGM). Dabei wird untersucht, ob ein Zusammenhang zwischen dem soziökonomischen Milieu (z.B. hohe Arbeitslosigkeit) und höherem Angebot von Geldspielgeräten besteht. Der zweite Artikel untersucht Spillover Effekte im Markt für elektronische Geldspielgeräte. Es wird die Frage untersucht, warum sich in manchen Regionen Hotspots mit hohem Angebot von elektronischen Geldspielgerären bilden. Der dritte Artikel bewertet den Einfluss von Migration auf das Wahlverhalten in Deutschland. Wir betrachten die Flüchtlingskrise von 2015/2016 und untersuchen wie sich die Präsenz von Flüchtlingen auf das lokale Wahlverhalten während der Landtagswahlen 2016 auswirkte
Identification of markers for dietary intake and health status by GC-MS based metabolite profiling approaches
Get PDFMarkers are compounds that can be used as indicators of an exposure, a metabolic state, or any other effect. Metabolomics and metabolite profiling approaches for marker discovery will increasingly gain significance. In the context of food, diet, and health, these approaches allow among others the identification of dietary intake markers, which can complement and verify traditional dietary assessment methods in epidemiologic studies. Consequently, the investigation of associations between diet and health status in general, and also in particular diet-related diseases will be improved. Compared to classical biomarker studies, metabolomics enables a more comprehensive investigation of clinical markers for diagnosis, prognosis and monitoring of diseases, such as type 2 diabetes mellitus. Especially, early diagnosis in pre-disease states, where symptoms are not yet evident, are of particular interest. The aim of this thesis was to evaluate the application of GC-MS based metabolite profiling approaches for the identification of markers for dietary intake and health status. In this respect, volatile organic compounds and sugar compounds were analyzed to discover marker candidates in urine and plasma samples from a cross-sectional study with 300 participants, as well as from a human intervention study with diabetic, prediabetic and healthy participants.
In the past, the search for markers of dietary intake mostly focused on non-volatile metabolites. To explore the potential of the volatilome, urine samples of a cross-sectional study were analyzed aiming to exemplary identify markers of coffee consumption using an untargeted HS-SPME-GC×GC-MS method. Six marker candidates were identified from a profile of 138 volatile organic compounds with the most robust represented by 3,4-dimethyl-2,5-furandione. Moreover, the correlation with the general dietary intake data highlighted the volatilome as a particularly interesting source for the detection of new dietary markers.
The chromatographic separation of sugar compounds is often insufficient due to the high structural similarities. Therefore, in most studies common and well-known sugar compounds are analyzed in human body fluids. Within the scope of this thesis, a semitargeted GC-MS sugar profiling method was developed, which revealed a more complex sugar profile, both in urine and plasma, than described so far or expected. Rare sugar compounds such as psicose and trehalose were detected. However, the knowledge about their origin and presence in urine or plasma is limited to date. Moreover, the maltose concentration in urine was shown to be dependent on sex and menopause status (pre- and post-menopausal) a relationship with the vaginal microbiota is suggested here. In addition, the association of the urinary sugar profile with dietary intake data enabled the identification and confirmation of several new and also known marker candidates as for example, for consumption of avocado, dairy products and alcohol.
The plasma sugar profiles of healthy, prediabetic and diabetic volunteers after an oral glucose tolerance test could be clearly distinguished, independent of glucose. Remarkably, a variety of sugar compounds showed marked postprandial differences dependent on health status. For example, trehalose showed a profile similar to the insulin-dependent profile of glucose. However, the origin and underlying biological mechanism for those sugar compounds remain to be elucidated.
During the application of the one-dimensional GC-MS sugar profiling method to urine and plasma samples, it became evident that even more sugar compounds might be present, although in low concentrations, but were not detected due to limitations of the analytical method. Therefore, the one-dimensional method was transferred into a two-dimensional GC×GC-MS method. Improved sensitivity and separation finally enabled the detection of 84 instead of 55 sugar compounds in urine. The two-dimensional method was applied in an intervention study with apples, and revealed marker candidates for apple consumption for future validation. Overall, the results illustrate the benefit of a comprehensive analysis of sugar compounds in urine and plasma, including minor and rare sugar derivatives.
The GC-MS based metabolite profiling approaches addressing the volatilome and the sugar profile, respectively, were demonstrated to be promising approaches for the identification of markers for dietary intake and health status. Future work should address the identification of unknown compounds, the adaptation of the GC×GC-MS sugar profiling method for quantitative purposes, and especially the validation of the identified marker candidates with respect to their suitability to more accurately assess dietary intake or diabetic state. High priority should also be given to the biochemical mechanisms and the origin of the compounds as well as their physiological or pathophysiological function in human metabolism.Marker sind Substanzen, die als Indikatoren für eine Exposition, einen metabolischen Zustand oder einen Effekt herangezogen werden. Metabolomics und Metabolite profiling-Ansätze gewinnen in der Markerforschung zunehmend an Bedeutung. Metabolomics ermöglicht die Identifizierung von Markern für den Lebensmittelverzehr, die in Zukunft unter anderem in epidemiologischen Studien zur Ergänzung und Überprüfung traditioneller Ernährungserhebungsmethoden Verwendung finden werden. In der Konsequenz können Zusammenhänge zwischen Ernährung und Gesundheit im Allgemeinen, sowie ernährungsabhängigen Erkrankungen im Speziellen, besser beschrieben werden. Außerdem können mittels Metabolomics auch Marker identifiziert werden, die im klinischen Rahmen eine Diagnose, Prognose oder Überwachung von Behandlungsmaßnahmen für eine Erkrankung ermöglichen, wie z.B. bei Typ 2 Diabetes mellitus. Von besonderem Interesse sind dabei Marker, die eine frühzeitige Diagnose, das heißt vor der Manifestation von Symptomen, ermöglichen. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Verwendung von GC-MS basierten Metabolite profiling-Ansätzen zur Identifizierung von Markern für den Lebensmittelverzehr und den Gesundheitsstatus zu prüfen. Einen besonderen Schwerpunkt bildeten dabei volatile organische Verbindungen und Zuckerverbindungen, die in Urin- und Plasmaproben einer Querschnittsstudie mit 300 Probanden sowie einer humanen Interventionsstudie mit Diabetikern, Prädiabetikern und Gesunden analysiert wurden.
Bei der bisherigen Suche nach Markern für den Lebensmittelverzehr lag das Augenmerk vor allem auf nicht-volatilen Metaboliten. Um das Potential des Volatiloms zu eruieren, wurden Urinproben einer Querschnittsstudie mithilfe einer ungerichteten HS-SPME-GC×GC-MS Methode analysiert und darin beispielhaft nach Markern für den Kaffeekonsum gesucht. Aus dem Urinprofil mit 138 volatilen Verbindungen wurden sechs plausible Kandidaten identifiziert, von denen sich 3,4-Dimethyl-2,5-furandion als der robusteste Marker erwies. Mittels einer Korrelationsanalyse anhand von Verzehrsdaten weiterer Lebensmittel wurde darüber hinaus gezeigt, dass das Volatilom eine vielversprechende Quelle neuer Marker für den Lebensmittelverzehr ist.
Zucker lassen sich aufgrund ihrer strukturellen Ähnlichkeit häufig nur unzureichend chromatographisch trennen, daher werden in humanen Matrices bisher mehrheitlich nur wenige bekannte Zuckerverbindungen erfasst. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine semi-gerichtete GC-MS Zuckerprofiling-Methode entwickelt, mit der gezeigt werden konnte, dass das humane Zuckerprofil im Urin und im Plasma erheblich komplexer ist, als bisher beschrieben und angenommen. Verschiedene Zuckerverbindungen, wie beispielsweise Psicose oder Trehalose, über deren Herkunft und Vorhandensein im Urin oder in Plasma fast nichts bekannt ist, wurden nachgewiesen. Im Urin zeigten sich darüber hinaus Unterschiede in der Maltosekonzentration in Abhängigkeit vom Geschlecht sowie dem prä- und postmenopausalen Status, die vermutlich im Zusammenhang mit der vaginalen Mikrobiota stehen. Die Assoziation der Zuckerprofile mit dem Lebensmittelverzehr ermöglichte zudem die Identifizierung neuer und Bestätigung bekannter Marker, beispielsweise für den Verzehr von Avocado und Milchprodukten, sowie für Alkoholkonsum.
Im Plasma von Gesunden, Prädiabetikern und Diabetikern wurden nach einem oralen Glucosetoleranztest deutliche Unterschiede im Zuckerprofil festgestellt. Interessanterweise zeigten eine Reihe neuer Zuckerverbindungen markante postprandiale Unterschiede abhängig vom Gesundheitszustand. Beispielsweise zeigte Trehalose ein ähnliches Profil wie die insulinabhängige Glucose. Jedoch ist weder über den Mechanismus noch zur Herkunft dieser Zucker etwas bekannt.
Bereits die bisherigen Ergebnisse des Zuckerprofilings in Urin und Plasma zeigten, dass zusätzliche Zuckerverbindungen, wenn auch in sehr geringer Konzentration, vorhanden sind. Daher wurde die eindimensionale Methode zu einer zweidimensionalen GC×GC-MS-Methode mit verbesserter Sensitivität und Trennung weiterentwickelt, was nun die Erfassung von 84 statt 55 Zuckerverbindungen in Urin ermöglicht. Erste Auswertungen der Messdaten einer Interventionsstudie mit Äpfeln zeigten, dass diese Methode die Identifizierung von potentiellen Markern für den Verzehr von Äpfeln ermöglicht. Die Ergebnisse verdeutlichen, welches Potential in der umfassenden Analyse von Zuckern, einschließlich seltener Verbindungen, steckt.
GC-MS basierte Metabolite profiling-Ansätze, wie hier für das Volatilom und das Zuckerprofil gezeigt, sind geeignete Methoden für die Identifizierung von Markern des Lebensmittelverzehrs und des Gesundheitsstatus. Die Identifizierung bisher unbekannter Verbindungen, die Weiterentwicklung der Zuckeranalytik zu einer quantitativen Methode und insbesondere die Validierung der identifizierten Marker bezüglich ihrer Eignung, den Lebensmittelverzehr bzw. den diabetischen Status akkurater zu erfassen, sind zukünftige Ziele. Besonders herausfordernd ist es dabei, die mechanistischen Zusammenhänge aufzuklären, insbesondere im Hinblick auf Herkunft, Vorhandensein und Funktion der detektierten Zuckerverbindungen im menschlichen Metabolismus
Fertilization strategies to improve the plant growth-promoting potential of microbial bio-effectors
Get PDFThe use of plant growth-promoting microorganisms (PGPMs) as inoculants to support nutrient acquisition of crops is discussed as a promising strategy for improving fertilizer use efficiency, to enable crop production with less input of fertilizers, and to reduce detrimental environmental side effects related with high inputs of mineral fertilizers. However, the efficiency of PGPM-assisted cropping systems is still biased by the limited reproducibility of the expected effects under real production conditions. This can be attributed to the sensitivity of plant-PGPM interactions to environmental stress factors particularly during the phase of establishment and to limited knowledge on positive or negative interactions with the native soil microbiome and the application conditions required for successful rhizosphere colonization as a pre-requisite for beneficial plant PGPM interactions.
This study demonstrated that the combination with compatible fertilizers offers an option to promote the establishment of PGPM effects as a potential management option to improve the performance of PGPM-assisted production strategies. In a range of model experiments with maize with a limited inherent potential for root-induced P-solubilization, it was demonstrated that the acquisition of sparingly soluble Ca-phosphates could be synergistically improved by a combination of PGPM inoculants with ammonium fertilizers, stabilized with nitrification inhibitors (Chapter 4). The effect was demonstrated for PGPMs based on 15 different fungal (genus: Trichoderma, Penicillium) and bacterial (genus: Bacillus, Paenibacillus, Pseudomonas, Streptomyces) strains and strain combinations, which were largely ineffective in combination with nitrate fertilization. On average over all experiments, the PGPM-ammonium combinations with sparingly soluble Ca-P supply reached about 84% of the shoot biomass production and 80% of the shoot P accumulation as compared with positive controls fertilized with soluble P. The soil pH-buffering capacity, particularly on neutral to alkaline soils, was identified as a limiting factor, counteracting the plant growth-promoting potential of the selected inoculants with a proven ability for Ca-P solubilization on artificial growth media. Accordingly, plants supplied with nitrate fertilization were severely P deficient and the weak host plants were unable to establish a functional association with the microbial inoculants. By contrast, stabilized ammonium fertilization triggered root extrusion of protons for charge balance of ammonium uptake, associated with rhizosphere acidification, contributing to P solubilization. This increased the P-nutritional status and vitality of the host plants, which enabled the establishment of PGPMs in the rhizosphere. Interestingly in this scenario, the contribution of the PGPM inoculants to plant P acquisition was only marginally expressed but the PGPMs stimulated root development, contributing to an improved nutrient acquisition in general (Chapter 4.1).
A closer look on the related modes of action (Chapter 4.2) revealed that ammonium fertilization stimulated the production of auxin as a key regulator for root growth, both, by the bacterial inoculants and by the roots of the host plants. While ammonium supply without PGPM inoculants had no effects on total root length, the length of the root hairs and the diameter of rhizosheaths formed by root hair-adhering soil was increased, leading to an extension of the root surface area involved in rhizosphere acidification and spatial acquisition of nutrients. Moreover, root hairs have been reported as preferential infection sites for various inoculants investigated in this study, and accordingly increased root colonization of the fungal inoculant Trichoderma harzianum OMG16 was recorded in combination with ammonium fertilization. By contrast, there was no evidence for increased organic acid production or a contribution of the inoculants to the acquisition of organic P sources by the release of phosphohydrolases in the investigated strains. Increased rhizosphere acidification after PGPM inoculation in combination with ammonium fertilization was observed exceptionally only in one experiment conducted on a moderately acidic sandy soil with a low buffering capacity. However, soil pH was identified as a critical factor determining the expression of the synergistic PGPM-ammonium effects on Ca-P solubilization, which declined with increasing soil pH (Chapter 4.3). Highly-buffered calcareous soils counteracted ammonium-induced rhizosphere acidification and P mobilization as a pre-requisite for PGPM-establishment in the rhizosphere. Under these conditions, successful experiments with applications of granulated fertilizers, based on stabilized di-ammonium phosphate and PGPM inoculants, suggest that placement of starter fertilizers leading to a more concentrated ammonium effect may offer an option to overcome this problem. First field experiments suggested that beneficial effects of ammonium-assisted PGPM inoculation on P acquisition can be expected particularly on soils with low P availability and the approach was patented in 2018.
As a second approach, the combination of PGPMs with fertilizers based on products of organic waste recycling, such as municipal waste compost or composted poultry manure (PM compost), applied with the same P dose, were investigated with tomato as model plant on low P soils with contrasting pH in Ghana (Chapter 5). Interestingly, on both soils, PGPM inoculation increased the P use efficiency and early plant growth only in the combination of compost with PM but not with sole compost application. Additional supplementation with ammonium on the moderately acidic soil increased plant biomass production in PGPM inoculated plants to the same level as soluble superphosphate fertilization. Similar to the ammonium-PGPM combinations, root growth stimulation was a major PGPM effect, which improved nutrient acquisition in general. Large-scale greenhouse and open-field tomato production trials conducted in Romania and Hungary revealed reproducible effects on yield and fruit quality over three years by PGPM combinations with manure-based fertilizers (Chapter 6).
Taken together, the thesis demonstrated that the selection of compatible combinations of fertilizers and PGPM inoculants is an essential factor for the successful establishment of beneficial plant-PGPM interactions in the rhizosphere. Combinations with stabilized ammonium fertilizers or with products based on organic waste recycling, such as composted manures, have been identified as two promising examples with potential for the development of PGPM-assisted production systems.Der Einsatz pflanzenwachstums-stimulierender Mikroorganismen zur Unterstützung der Nährstoffaneignung von Kulturpflanzen wird als vielversprechender Ansatz diskutiert, deren Nährstoffaneignungseffizienz zu verbessern, um den Düngemitteleinsatz zu reduzieren und schädliche Umweltwirkungen in Verbindung mit intensivem Mineraldüngereinsatz zu minimieren. Allerdings ist die erfolgreiche Anwendung von PGPMs unter Praxisbedingungen nach wie vor durch mangelnde Reproduzierbarkeit der erwarteten Effekte limitiert. Dies kann zum einen auf eine hohe Sensitivität pflanzlicher PGPM-Wechselwirkungen gegenüber umweltbedingten Stressfaktoren, besonders in der sensiblen Etablierungsphase, zurückgeführt werden, aber auch auf einen noch unzureichenden Kenntnisstand im Hinblick auf förderliche oder hemmende Wechselwirkungen mit dem nativen Bodenmikrobiom, die Wurzelexsudation verschiedener Wirtspflanzenarten und die Anwendungsbedingungen, welche eine erfolgreiche Besiedelung der Rhizosphäre begünstigen, als Voraussetzung für die Etablierung pflanzenwachstums-fördernder PGPM-Wechselwirkungen.
Die vorliegende Untersuchung hat gezeigt, dass die Auswahl kompatibler PGPM-Düngerkombinationen offensichtlich Möglichkeiten bietet, die Etablierung von PGPM Effekten zu unterstützen, als mögliche Managementoption zur Optimierung PGPM-basierter Anbausysteme. Im Rahmen verschiedener Modellversuche mit Mais als Kulturpflanzenart mit limitiertem Potenzial zur wurzelinduzierten Phosphatmobilisierung, konnte gezeigt werden, dass die Aneignung schwerlöslicher Ca-Phosphate (Ca-P) in synergistischer Weise durch die kombinierte Anwendung von PGPMs mit stabilisierten Ammoniumdüngern verbessert werden konnte (Kapitel 4). Dieser Effekt konnte für PGPM Produkte auf der Basis von 15 Stämmen pilzlicher (Gattung: Trichoderma, Penicillium) und bakterieller (Gattung: Bacillus, Paenibacillus, Pseudomonas, Streptomyces) Herkunft bestätigt werden, die sich dagegen in Kombination mit Nitratdüngern als weitgehend ineffektiv erwiesen. Im Durchschnitt über alle Experimente erreichten die PGPM-Ammoniumkombinationen mit Applikation schwerlöslicher Ca-Phosphate etwa 84% der Sprossbiomasse und 80% der Spross P-Gehalte im Vergleich zu Positivkontrollen mit löslichen P Düngern. Die pH-Pufferungskapazität, besonders bei neutralen bis alkalischen Böden, wurde als limitierender Faktor identifiziert, der das pflanzenwachstums-fördernde Potenzial der ausgewählten Inokulanzien begrenzte, obwohl in allen Fällen die Lösung schwerlöslicher Ca-Phosphate auf artifiziellen Kulturmedien nachweisbar war. Wirtspflanzen mit Nitratdüngung entwickelten entsprechend deutlichen P-Mangel, und die so geschwächten Pflanzen waren offensichtlich nicht in der Lage, eine PGPM- Assoziation in der Rhizosphäre zu etablieren. Durch die stabilisierte Ammoniumdüngung wurde dagegen die wurzelinduzierte Protonenabgabe zum Ladungsausgleich der Ammoniumaufnahme stimuliert, was eine Ansäuerung der Rhizosphäre, verbunden mit der Mobilisierung schwerlöslicher Ca-Phosphate zur Folge hatte und so den P-Ernährungsstatus und damit die Vitalität der Wirtspflanzen verbesserte, die dadurch in der Lage waren, die Wurzelbesiedelung durch PGPMs zu unterstützen. Interessanterweise war dabei der direkte Beitrag der PGPMs zur P-Mobilisierung nur gering ausgeprägt. Die PGPM Inokulation führte dagegen hauptsächlich zu einer Stimulierung des Wurzelwachstums, was die Nährstoffaufnahme im Allgemeinen begünstigte (Kapitel 4.1).
Ein genauerer Blick auf die beteiligten Wirkmechanismen (Kapitel 4.2) ergab eine Ammonium-induzierte Förderung der Auxinproduktion, als hormonellen Hauptfaktor für die Regulation des Wurzelwachstums, sowohl bei den bakteriellen Inokulanzien, als auch bei der Wirtspflanze. Während die Ammoniumdüngung bei den Pflanzen ohne PGPM Inokulation jedoch keinen Effekt auf die Wurzellängenentwicklung hatte, stimulierte sie doch das Längenwachstum der Wurzelhaare und die Bildung von Wurzelscheiden aus anhaftenden Bodenpartikeln, was zu einer Vergrößerung der Wurzeloberfläche führte, die an der Ammonium-induzierten Ansäuerung der Rhizosphäre beteiligt war und eine räumliche Erweiterung der Rhizosphäre für die Nährstoffaneignung bedingte. Darüber hinaus wurden Wurzelhaare als präferenzielle Infektionsorte für zahlreiche der untersuchten PGPMs identifiziert und entsprechend wurde z.B. bei der Inokulation mit Trichoderma harzianum OMG16 eine verbesserte Wurzelbesiedelung unter Ammoniumdüngung festgestellt.
Im Gegensatz dazu gab es keine Hinweise auf eine verstärkte Abgabe organischer Säuren oder einen Beitrag der untersuchten PGPM-Inokulanzien zur Aneignung organischer P Formen über die Abgabe von Phosphohydrolasen. Eine verstärkte Ansäuerung der Rhizosphäre nach PGPM-Inokulation in Kombination mit Ammoniumdüngung wurde nur in einem Ausnahmefall auf einem leicht sauren Sandboden mit geringer Pufferkapazität nachgewiesen. Jedoch wurde der Boden pH-Wert als kritischer Faktor identifiziert, der die Ausprägung der synergistischen Wirkung der PGPM-Ammonium-Kombinationen beeinflusste, deren Ausprägung mit ansteigendem Boden-pH abnahm (Kapitel 4.3). Stark gepufferte Kalkböden wirkten dabei der Ammonium-induzierten Ansäuerung der Rhizosphäre zur Verbesserung der P-Aneignung entgegen, die eine Voraussetzung für eine Etablierung der PGPM-Interaktionen darstellte. Unter diesen Bedingungen zeigten erfolgreiche Experimente mit der Applikation stabilisierter Diammoniumphosphat-Granulate mit PPGP-Inokulation einen möglichen Ansatz, diesem Problem durch platzierte Applikation als Starterdüngung zu begegnen, die einen konzentrierteren Ammoniumeffekt begünstigt. Erste Feldversuche weisen darauf hin, dass Ammonium-PGPM Kombinationen besonders auf Böden mit limitierter P Verfügbarkeit zur Aneignung schwerlöslicher Ca-Phosphate wie z.B. Rohphosphat eingesetzt werden können (Kapitel 4.1 und 6), und die Anwendung wurde im Jahr 2018 patentiert.
Als weiterer Ansatz wurde die Kombination von PGPMs mit Düngern auf Basis von Recyclingprodukten organischer Abfälle, wie Haushaltskompost und kompostiertem Geflügelmist (PM-Kompost) untersucht, die mit derselben P Dosierung appliziert wurden. Tomate wurde hier als Modellpflanze auf P armen Böden mit unterschiedlichen pH Werten in Gewächshausversuchen in Ghana verwendet (Kapitel 5). Interessanterweise verbesserte die PGPM-Inokulation die P-Nutzungseffizienz und das Pflanzenwachstum auf beiden Böden ausschließlich in der Kombination von Haushaltskompost mit PM-Kompost, aber nicht bei alleiniger Verwendung von Haushaltskompost. Auf dem moderat-sauren Sandboden (pH 5.6) führte die zusätzliche Verwendung von stabilisiertem Ammonium zu einer erhöhten Biomasseproduktion, die mit der Verwendung löslicher Superphosphatdüngung vergleichbar war. Ähnlich wie bei den Versuchen mit PGPM-Ammonium-Kombinationen wurde durch Stimulierung des Wurzelwachstums die Nährstoffaneignung im Allgemeinen gefördert. Versuche zur Gewächshauskultur und zum Feldanbau von Tomaten in Rumänien und Ungarn ergaben über drei Jahre signifikant reproduzierbare PGPM Effekte im Hinblick auf Ertragsbildung und Fruchtqualität in Kombination mit organischen Düngern auf Stallmist-, Guano-, Haar-, Feder-, und Fleischmehlbasis (Kapitel 6).
Zusammenfassend hat die vorliegende Arbeit gezeigt, dass die Auswahl kompatibler Düngemittel-PGPM-Kombinationen essentiell für die erfolgreiche Etablierung pflanzen-wachstumsfördernder PGPM-Interaktionen in der Rhizosphäre ist. PGPM-Kombinationen mit stabilisierten Ammoniumdüngern oder mit Düngern auf Basis organischer Abfallprodukte, wie z.B. Stallmistkompost wurden als zwei aussichtsreiche Beispiele mit Potenzial zur Entwicklung PGPM-unterstützter Produktionssysteme identifiziert
Forebrain development and morphogenesis - the role of the microtubule-associated protein Hmmr in Xenopus laevis
Get PDFDie Anlage des zentralen Nervensystems wird während der frühen Embryonalentwicklung gebildet. Aus dem Neuroektoderm entwickelt sich die Neuralplatte, welche sich durch seitliche Auffaltungen und umfängliche Zellumordnungen zum Neuralrohr schließt. Aus dem Neuralrohr entsteht in der weiteren Embryogenese anterior das Gehirn und posterior das Rückenmark. Störungen beim Neuralrohrschluss führen zu schwerwiegenden Fehlentwicklungen. Das Auftreten differenzieller Neuralrohrdefekte, welche spezifische Abschnitte des Neuralrohrs betreffen, deutet darauf hin, dass der Neuralrohrschluss entlang der anterior-posterioren Achse verschieden reguliert wird. So liegt z.B. bei der schwerwiegenden Fehlbildung Kraniorachischisis die gesamte Länge des Neuralrohrs ab dem Rautenhirn offen, wobei die Region des Vorderhirns jedoch normal geschlossen wird. Im Wildtyp zeigt sich diese unterschiedliche Regulierung auch in einer zeitlichen Verzögerung zwischen dem Schluss des kranialen und des kaudalen Neuralrohrs. Während die Mechanismen, die zum posterioren Neuralrohrschluss führen, recht gut erforscht sind, sind die anterioren morphologischen Prozesse im Bereich des zukünftigen Vorderhirns weitgehend unverstanden.
Der Fokus dieser Arbeit lag darauf, zell- und gewebemorphologische Vorgänge zu identifizieren, die für die Entstehung und Entwicklung des Neuralrohrs im Bereich des Vorderhirns wichtig sind. Für Zellformänderungen sowie Zellwanderung ist die Regulation des Cytoskeletts von großer Bedeutung. Aus diesem Grund wurde in dieser Arbeit die Rolle des mit Mikrotubuli assoziierten Proteins Hmmr im embryonalen Modellorganismus Xenopus laevis untersucht. Im Menschen erhöhen Mutationen in HMMR die Wahrscheinlichkeit an Brustkrebs zu erkranken. In diesem Zusammenhang wurde Hmmr bisher vor allem eine Rolle bei der Regulierung von Zellmotilität sowie bei der Aufrechterhaltung der Spindel-Integrität zugeschrieben.
In Xenopus verlangsamte eine gestörte Modulation von hmmr durch Funktionsverlust- und Funktionsgewinnexperimente den Neuralrohrschluss und führte zu Defekten in der weiteren Vorderhirnentwicklung. Der hmmr Funktionsverlust verhinderte die Trennung der beiden Hemisphären des Telencephalons und glich phänotypisch der humanen Fehlbildung mittlere interhemisphärische Fusionsvariante der Holoprosenzephalie. Die Ursache für die unterbundene Ventrikeltrennung ließ sich auf eine gestörte Bildung der Dachplatte zurückführen, hervorgerufen durch eine Beeinträchtigung des Neuralrohrschlusses aufgrund fehlender Konvergenz neuraler Zellen. Die Konvergenz des Gewebes im Bereich des Vorderhirns wird durch radiäre Interkalation (RI) der neuralen Zellen vollbracht. Bei der hierfür notwendigen Regulierung von Zellpolarisierung und -elongation durch das Mikrotubuli-Cytoskelett kooperierte hmmr mit der Kern-Komponente des Signalwegs für planare Zellpolarität (engl. planar cell polarity; PCP) vangl2, die bisher nur als Faktor für den posterioren Neuralrohrschluss charakterisiert war. Weiterhin konnte durch die Verwendung von hmmr Deletionskonstrukten, denen funktionelle Domänen am Amino- und/oder Carboxy-Terminus fehlen, gezeigt werden, dass es sich bei der Elongation und der Interkalation um distinkte Prozesse handelt, welche differenziell durch die unterschiedlichen Domänen von Hmmr reguliert wurden. Für RI war die direkte Bindung von Hmmr an Mikrotubuli erforderlich. Dies deutet darauf hin, dass Hmmr Interkalationsbewegungen beeinflusst, indem es die dynamische Instabilität von Mikrotubuli reguliert.
Radiäre Interkalationsprozesse sind essentiell für mesenchymal-epitheliale Transition (MET), ein physiologischer morphogenetischer Prozess, der aber auch im pathologischen Kontext die Etablierung von Tumormetastasen ermöglicht. MET wird durch das Zusammenspiel von kanonischer Wnt / beta-Catenin und nicht-kanonischer Wnt / PCP- Signalwegsaktivität gesteuert. Durch weitere gewebespezifische Funktionsverlustexperimente wurde für hmmr eine grundsätzliche Rolle bei durch Wnt gesteuerten RI / MET-Prozessen während der Gastrulation sowie der Entwicklung der Niere und der Schwanzknospe von Xenopus identifiziert. Die Ergebnisse legen nahe, dass Hmmr die Dynamik von Mikrotubuli beeinflusst. Da sowohl der kanonische wie auch der nicht-kanonische Wnt-Signalweg mit Mikrotubuli assoziiert ist, könnte Hmmr als molekularer Schalter die Aktivität und das Zusammenspiel der beiden Signalwege regulieren.
Mit dieser Arbeit konnte somit eine neue physiologische Funktion des bisher hauptsächlich im Tumor-Kontext untersuchten Mikrotubuli-bindenden Proteins Hmmr bei der Entwicklung und Morphogenese des Vorderhirns identifiziert werden. Es wurde gezeigt, dass durch Hmmr vermittelte RI eine treibende Kraft des anterioren Neuralrohrschlusses ist. Darüber hinaus gelang es, Hmmr als essentiellen Regulator Mikrotubuli-abhängiger Wnt-Signalwegsaktivität in MET-Prozessen zu identifizieren.The anlage of the central nervous system is formed during early embryonic development. The neuroectoderm establishes the neural plate which folds up to form the neural tube, a process that requires extensive cell rearrangements. During further embryogenesis the anterior part of the neural tube develops into the brain while the posterior part forms the spinal cord. Disturbances during neural tube closure (NTC) lead to severe developmental aberrations. Occurrence of specific neural tube defects indicates a distinct regulation of NTC along the anterior-posterior axis. For example, the severe malformation craniorachischisis is characterized by a failure to close the neural tube from hindbrain levels onwards, while the forebrain region develops normally. This distinct regulation presents itself in the wildtype in a delay between cranial and caudal NTC. While the mechanisms leading to posterior NTC are quite well understood, the morphological processes at the future forebrain level are largely unknown.
The aim of this dissertation was to identify cell and tissue morphogenetic processes which are required for the formation and development of the anterior neural tube. As the underlying changes in cell shape as well as cell migration depend on the regulation of the cytoskeleton, the role of the microtubule-associated protein Hmmr was analyzed in the model organism Xenopus laevis. HMMR is a breast cancer susceptibility gene with described roles mainly in the tumor context, regulating cell motility and maintenance of mitotic spindle integrity. In Xenopus, gain as well as loss of function of hmmr delayed NTC and led to defects during further forebrain development. Loss of hmmr impaired separation of telencephalic hemispheres, resembling the human malformation middle interhemispheric variant of holoprosencephaly. Failure of ventricle separation could be traced back to disturbed roof plate formation. This was due to impaired NTC resulting from a lack of neural cell convergence. Tissue convergence at the forebrain level is mediated by radial intercalation (RI). During the required regulation of cell polarization and elongation via the microtubule cytoskeleton, hmmr cooperated with the core component of the planar cell polarity (PCP) pathway vangl2, which had been solely characterized as a factor for posterior NTC so far. In addition, experiments with hmmr deletion constructs missing functional domains at the amino- and/or carboxyl-terminus, revealed that elongation and intercalation are distinct processes which are regulated differentially via specific domains of Hmmr. RI required direct binding of Hmmr to microtubules, suggesting that Hmmr influences intercalation movements by regulating dynamic instability of microtubules.
RI is essential for mesenchymal to epithelial transition (MET), a physiological morpho- genetic process, which is also involved in establishing tumor metastases in a pathological context. MET is regulated by concerted interaction of canonical Wnt / beta-Catenin and non- canonical Wnt / PCP signaling. Further tissue-specific loss of function experiments uncovered a general role for hmmr in Wnt-modulated RI / MET processes during gastrulation as well as during pronephros and tailbud development in Xenopus. The results suggest that Hmmr regulates microtubule dynamics. Since canonical as well as non-canonical Wnt signaling have been associated with microtubules, hmmr could act as a molecular switch to regulate the activity and interplay of two signaling pathways.
This thesis thus identified a new physiological role for the microtubule-binding protein Hmmr, which up to now had been mainly studied in the cancer context. It was shown that Hmmr-mediated RI is a major driving force for anterior NTC. In addition, Hmmr was identified as an essential regulator of microtubule-dependent Wnt signaling in MET processes