2013 research outputs found
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Divergence in labour force growth : should wages and prices grow faster in Germany?
Get PDFWe develop a model which shows that wages, prices and real income should grow faster in countries with low increase in their labour force. If not, other countries experience growing unemployment and/or trade deficit. This result is applied to the case of Germany, which has displayed a significantly lower increase in its labour force than its trade partners, except in the moment of the reunification. By assuming that goods are differentiated according to their country of origin (Armingtons hypothesis), a low growth of the working population constrains the production of German goods, which entails an increase in their prices and in German wages. This mechanism is magnified by the low price elasticity of the demand for German goods.Hence,the German policy of wage moderation could severely constrain other countries policy options. The simulations of an extended model which encompasses offshoring to emerging countries and labour market imperfections suggest that (i) the impact of differences in labour force growth upon unemployment in Eurozone countries has been significant and (ii) the German demographic shock following unification could explain a large part of the 1995-2005 German economic turmoil
The heterogeneous effects of Chinas accession to the world trade organization
Get PDFChinas accession to the World Trade Organization (WTO) in 2001 was a massive boostfor the multilateral trading system. We present descriptive evidence on the trade effects of Chinas WTO accession. Moreover, we combine the most recent approaches from the gravity literature of international trade to provide a causal analysis of the effects of Chinas WTO accession on bilateral trade with other WTO members. We find that the trade effectis positive on average. Moreover, we document substantial heterogeneity in the trade ef-fects across Chinas trading partners. These findings seem to be consistent with Chinasposition in global value chains
Testing forecast rationality for measures of central tendency
Get PDFRational respondents to economic surveys may report as a point forecast any measure of the central tendency of their (possibly latent) predictive distribution, for example the mean, median, mode, or any convex combination thereof. We propose tests of forecast rationality when the measure of central tendency used by the respondent is unknown. We overcome an identification problem that arises when the measures of central tendency are equal or in a local neighborhood of each other, as is the case for (exactly or nearly) symmetric distributions. As a building block, we also present novel tests for the rationality of mode forecasts. We apply our tests to survey forecasts of individual income, Greenbook forecasts of U.S. GDP, and random walk forecasts for exchange rates. We find that the Greenbook and random walk forecasts are best rationalized as mean, or near-meanforecasts, while the income survey forecasts are best rationalized as mode forecasts
Investigations on factors influencing the response of broiler chickens to low crude protein diets with specific regard to nonessential amino acids
No full textNitrogen (N) excretion caused by animal husbandry can have negative effects on the environment. Lowering dietary crude protein (CP) concentrations can reduce these negative impacts by lowering the N excretion of the animals. However, reduction of dietary CP concentrations for broiler chickens may be accompanied by reduced growth. This thesis focused on the effects of dietary CP reduction on growth of broiler chickens and influencing factors that need to be considered in low CP diets.
The first study was carried out to investigate to what extent dietary CP concentrations can be reduced when dietary glycine equivalent (Glyequi) and essential amino acid (AA) concentrations are adequately supplied. Further, it was the aim to determine the response of broiler chickens to dietary Glyequi concentrations at varying CP levels. Ten male broiler chickens each were housed in 1 of 84 metabolism units. Diets with three CP levels of 16.3% (CP16.3), 14.7% (CP14.7), and 13.2% (CP13.2) each containing four Glyequi concentrations of 12, 15, 18, and 21 g/kg were used. Quantitative excreta collection was carried out from days 1821. The reduction of dietary CP concentrations decreased average daily gain (ADG) and gain:feed ratio (G:F) from days 721 and increased the nitrogen-utilization efficiency (NUE). Supplementation of Glyequi increased ADG and G:F at CP13.2. The ADG at CP14.7 and G:F at CP14.7 and CP16.3 increased up to 15 g Glyequi/kg. These results indicated that the minimum to which dietary CP concentrations can be reduced in broiler chickens up to three weeks of age is between 16.3 and 14.7% when dietary Glyequi and essential AA are adequately supplied. Further, these findings showed that the growth-response of broiler chickens to dietary Glyequi is influenced by dietary CP concentrations.
The second study was conducted to determine whether supplementation of single nonessential AA (neAA) can diminish or overcome the growth-decreasing effect of a diet with reduced dietary CP and neAA concentrations. Further, the effect of non-protein nitrogen supplementation in a diet with insufficient neAA concentrations was investigated. Nine male broiler chickens each were kept in 1 of 81 metabolism units. Two diets with different neAA concentrations, except Glyequi, and adequate essential AA concentrations were mixed resulting in CP levels of 17.8% (CP17.8), and 15.6% (CP15.6). The dietary Glyequi concentration was 15 g/kg in each diet. Other diets were mixed by supplementing either L-Alanine, L-Proline, L-Aspartic acid, a mix of L-Aspartic acid and L-Asparagine·H2O, L-Glutamic acid, or a mix of L-Glutamic acid and L-Glutamine to CP15.6 to achieve the respective neAA concentration of CP17.8. Ammonium chloride (NH4Cl) was added to CP15.6 to achieve the CP concentration of CP17.8. Excreta were collected quantitatively from days 1821. Highest ADG and G:F from days 721 were found at CP17.8 and decreased at CP15.6. Supplementation of aspartic acid and asparagine (Asp+Asn), glutamic acid (Glu), and glutamic acid and glutamine (Glu+Gln) increased ADG and G:F to a similar extent, but not to the level of CP17.8. The NUE was highest at CP15.6, and CP15.6 supplemented with alanine, proline, and Glu. Lower NUE was observed at CP17.8 than at CP15.6 without and with neAA supplementation. Overall lowest ADG, G:F, and NUE were found upon NH4Cl supplementation. These findings showed that individual supplementation of Asp+Asn, Glu, and Glu+Gln could partly overcome the growth-reducing effect of very low CP diets. NH4Cl was found unsuitable to increase growth.
The aim of the third study was to investigate interactive effects among dietary Glyequi, cysteine (Cys), and choline (Cho) on the growth of broiler chickens. Ten male broiler chickens each were housed in 105 metabolism units. Excretion of N was determined from days 1821. Five levels each of dietary Glyequi, Cys, and Cho were tested in 15 dietary treatments. Another diet was provided to 15 birds each in another 5 metabolism units to measure prececal AA digestibility. The G:F from days 721 increased with digestible Glyequi intake. Differences between low- and high-digestible Cys intake were low. Hardly any effect of Cho intake on G:F was found compared to digestible intake of Glyequi and Cys. The NUE was very high with low variation among treatments. These results showed that the interactive effects among dietary Glyequi, Cys, and Cho on growth were slightly pronounced. This was likely an effect of high NUE and its low variation that caused the Glyequi requirement to be low.
In conclusion, the lowest level to which dietary CP for broiler chickens up to three weeks of age can be reduced is between 16.3 and 14.7%. The growth-decreasing effect of a diet with reduced neAA concentrations can be slightly overcome upon supplementation of Asp+Asn, Glu, and Glu+Gln. Moreover, dietary CP concentrations and the related amounts of excreted N influenced the response of broiler chickens to dietary Glyequi.Der bei der Tierhaltung anfallende Stickstoff (N) kann die Umwelt negativ beeinflussen. Die Absenkung der Rohprotein-(XP)-Konzentration im Futter kann diese negativen Auswirkungen reduzieren. Allerdings kann dies das Wachstum verringern. In der vorliegenden Arbeit wurden Auswirkungen von XP-reduzierten Rationen auf das Wachstum von Masthühnern und Einflussfaktoren, die in Rationen mit reduzierter XP Konzentration berücksichtigt werden müssen, untersucht.
In der ersten Studie wurde bestimmt, in welchem Ausmaß die XP-Konzentration in Rationen für Masthühner abgesenkt werden kann, wenn die Konzentrationen an Glycin-Äquivalenten (Glyequi) und essentiellen Aminosäuren (AS) nicht limitierend sind. Außerdem wurde der Effekt unterschiedlicher XP-Stufen auf die Auswirkung von Glyequi-Konzentrationen auf das Wachstum untersucht. Jeweils 10 männliche Masthühner wurden in 84 Stoffwechseleinheiten gehalten. Rationen mit den XP-Stufen 16,3 (XP16,3), 14,7 (XP14,7) und 13,2 (XP13,2) % wurden verwendet, die jeweils 12, 15, 18 und 21 g Glyequi/kg enthielten. Die Exkremente wurden von Tag 1821 quantitativ gesammelt. Die Reduzierung der XP-Konzentration verringerte die täglichen Zunahmen (TZ) und die Futtereffizienz (FE) von Tag 721 und erhöhte die Stickstoffnutzungseffizienz (NNE). Die Zulage von Glyequi steigerte die TZ und FE bei XP13,2. Die FE bei XP14,7 und XP16,3 wurden bis 15 g Glyequi/kg erhöht. Diese Ergebnisse haben gezeigt, dass die geringste Konzentration, bis zu der XP in Rationen für Masthühner in den ersten 3 Lebenswochen abgesenkt werden kann, zwischen 16,3 und 14,7% liegt. Außerdem wurde festgestellt, dass die Wirkung von Glyequi auf das Wachstum von Masthühnern von der XP-Konzentration im Futter beeinflusst wird.
Es war das Ziel der zweiten Studie zu untersuchen, ob die Zulage einzelner nichtessentieller AS (neAS) den wachstumsmindernden Effekt einer Ration mit reduzierter neAS-Konzentration verringern oder überwinden kann. Außerdem wurde der Einfluss von Nicht-Protein-Stickstoff in einer Ration mit reduzierter neAS-Konzentration untersucht. Jeweils 9 Masthühner wurden in 81 Stoffwechseleinheiten gehalten. Zwei Rationen mit unterschiedlichen neAS-Konzentrationen, außer Glyequi, und ausreichenden essentiellen AS-Konzentrationen wurden gemischt, was zu Rationen mit 17,8 (XP17,8) und 15,6 (XP15,6) % XP führte. Jede Ration enthielt 15 g Glyequi/kg. Andere Rationen wurden gemischt indem L-Alanin, L-Prolin, L-Asparaginsäure, eine Mischung aus L-Asparaginsäure und L Asparagin·H2O, L-Glutaminsäure oder eine Mischung aus L-Glutaminsäure und L-Glutamin zu XP15,6 gegeben wurden, um die jeweilige neAS-Konzentration von XP17,8 zu erreichen. Ammoniumchlorid (NH4Cl) wurde zu XP15,6 gegeben, um die XP Konzentration von XP17,8 zu erreichen. Die Exkremente wurden von Tag 1821 quantitativ gesammelt. Die höchsten TZ und FE von Tag 721 wurden bei XP17,8 festgestellt und verringerten sich bei XP15,6. Die Zugabe von Asparaginsäure+Asparagin (Asp+Asn), Glutaminsäure (Glu) und Glutaminsäure+Glutamin (Glu+Gln) erhöhte die TZ und FE gleichermaßen, jedoch nicht auf das Niveau von XP17,8. Die NNE war bei XP15,6 und bei XP15,6 mit Alanin, Prolin bzw. Glu am höchsten. Eine geringere NNE wurde bei XP17,8 im Vergleich zu XP15,6 mit und ohne Zulage von neAS festgestellt. Die geringsten TZ, FE und NNE wurden bei Zugabe von NH4Cl festgestellt. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass die Zulage von Asp+Asn, Glu und Glu+Gln den wachstumsreduzierenden Effekt einer Ration mit sehr niedriger XP-Konzentration zum Teil aufheben kann. NH4Cl war ungeeignet, um das Wachstum zu steigern.
Das Ziel der dritten Studie war es die Wechselwirkungen zwischen Glyequi, Cystein (Cys) und Cholin (Cho) auf das Wachstum von Masthühnern zu untersuchen. Jeweils 10 männliche Masthühner wurden in 105 Stoffwechseleinheiten gehalten. Die N Ausscheidungen wurden von Tag 1821 bestimmt. Jeweils 5 Konzentrationen von Glyequi, Cys und Cho wurden in 15 Behandlungen getestet. Eine weitere Ration wurde in 5 Stoffwechseleinheiten verfüttert, um die prececale AS-Verdaulichkeit zu messen. Eine gesteigerte verdauliche Glyequi-Aufnahme erhöhte die FE von Tag 721. Die Unterschiede der FE zwischen niedriger und hoher verdaulicher Cys-Aufnahme waren gering. Die Cho Aufnahme hatte dagegen kaum einen Effekt auf die FE. Die NNE war sehr hoch mit einer geringen Variation zwischen den Behandlungen. Dies führte wahrscheinlich dazu, dass sich die Wechselwirkungen zwischen Glyequi, Cys und Cho kaum auf das Wachstum ausgewirkt haben.
Es kann gefolgert werden, dass die geringste Stufe, bis zu der XP in Rationen für Masthühner in den ersten 3 Lebenswochen abgesenkt werden kann, zwischen 16,3 und 14,7% liegt. Die wachstumsmindernde Wirkung einer Ration mit reduzierter neAS-Konzentration kann durch Zulage von Asp+Asn, Glu und Glu+Gln zum Teil kompensiert werden. Die XP-Konzentration der Ration und die ausgeschiedenen N-Mengen beeinflussten die Wirkung von Glyequi auf das Wachstum von Masthühnern
Combining remote sensing and crop modeling techniques to derive a nitrogen fertilizer application strategy
Get PDFThe crucial question in this thesis was how can remote sensing data and crop models be used to derive a N fertilizer strategy that is capable to lower the environmental side effects of N fertilizer application.
This raised the following detailed objectives: The first objective (i) how N content determination via spectral reflectance is influenced by different leaves and positions on the leaf was investigated in Publication I. Different wheat plants were cultivated under different N levels and under drought stress in two hydroponic greenhouse trials. Spectral reflectance measurements were taken from three leaves and at three positions on the leaf for each plant. In total, 16 vegetation indices broadly used in the literature were calculated based on the spectral reflectance for each combination of leaf and position. The plant N content was determined by lab analyses. Neither the position on the leaf nor leaf number had an impact on the accuracy of plant N determination via spectral reflectance measurements. Therefore measurements taken at the canopy level seem to be a valid approach. However, if other stress symptoms like drought or disease infection occur, a differentiation between leaves and positions on the leaf might play a more crucial role.
Publication II dealt with the second objective on (ii), how to incorporate leaf disease into the DSSAT wheat model to enable the simulation of the impact of leaf disease on yield. An integration of sensor information in crop growth models requires the update of model state variables. A model extension was developed by adding a pest damage module to the existing wheat model. The approach was tested on a two-year dataset from Argentina with different wheat cultivars and on a one-year dataset from Germany with different inoculum levels of septoria tritici blotch (STB). After the integration of disease infection, the accuracy of the simulated yield and leaf area index (LAI) was improved. The Root mean squared error (RMSE) values for yield (1144 kg ha−1) and LAI (1.19 m2 m−2) were reduced by half (499 kg ha−1) for yield and LAI (0.69 m2 m−2). A sensitivity analysis also showed a strong responsiveness of the model by the integration of different STB disease infection scenarios.
Increasing the modeling accuracy even further a MM approach seems to be suitable. Assembling more models increases the complexity of the simulation and the involved calibration procedure especially if the user is not familiar with all models.
To avoid these conflicts, Publication III evaluated the third objective (iii) if an automatic calibration procedure in a MM approach for winter wheat can eliminate the subjectivity factor in model calibration. The model calibration was performed on a 4-yr N wheat fertilizer trial in southwest Germany. The evaluation mean showed satisfying results for the calibration (d-Index 0.93) and evaluation dataset (d-Index 0.81). This lead to the fourth (iv) objective to use a MM approach to improve the overall modeling accuracy. The evaluation of a fertilizer trial showed an improved modeling accuracy in most cases, especially in the drought season 2018.
Based on the combination of a MM approach and the incorporation of sensor data, a Nitrogen Application Prescription System (NAPS) was developed. The initial NAPS setup requires long term recorded data (yield, weather, and soil) to ensure proper MM calibration. After calibration, the current growing season conditions are required (weather, management information) until the N application date. Afterward, the NAPS incorporates remote sensing information and generated weather for running future N application scenarios. The selection of the proper amount of N is determined by economic and ecological criteria. Furthermore, in order to account for differences in in-field variabilities and to deliver a N prescription site-specifically, the NAPS concept has to be applied on a geospatial scale by adjusting soil parameters spatially.
The NAPS concept has the potential to adjust the N application more economically and ecologically by using current sensor data, historical yield records, and future weather prediction to derive a more precise N application strategy. Finally, this concept exhibits the potential for reconciliation of the issue of an economic, agricultural production without harming the environment.In dieser Arbeit wurde eruiert, ob mit Hilfe von Sensordaten und Pflanzenwachstumsmodellen eine N-Düngemittelstrategie abgeleitet werden kann, die in der Lage ist die ökologischen Belastung zu verringern. Dies umfasste die Evaluation folgender Fragestellungen: (I) Wird die spektrale Reflexion und somit die Bestimmung der N-Konzentration durch die Messung an verschiedenen Blattetagen und -Positionen beeinflusst (Publikation I)? Für die Klärung dieser ersten Frage wurden in zwei hydroponischen Gewächshausversuchen Weizenpflanzen bei unterschiedlicher N-Exposition und Trockenstress kultiviert. Für jede Pflanze wurden spektrale Reflexionsmessungen an drei Blattetagen und an drei Positionen auf dem Blatt durchgeführt. Insgesamt wurden die 16 üblichsten auf spektraler Reflexion basierenden Vegetationsindizes für jede Kombination von Blattetage und -Position berechnet. Die N-Konzentration der Pflanze wurde durch Laboranalysen bestimmt. Weder die Position auf dem Blatt noch die Blattetage hatten einen Einfluss auf die Genauigkeit der Bestimmung der N-Konzentration der Pflanze durch spektrale Reflexionsmessungen. Daher sind Messungen auf Bestandsebene ausreichend. Falls jedoch weitere Stressfaktoren wie Trockenheit oder Krankheitsbefall auftreten, kann eine Differenzierung zwischen verschiedenen Blattetagen notwendig oder von Vorteil sein.
In der nächsten Fragestellung (Publikation II) wurde untersucht, wie Blattkrankheiten in ein DSSAT-Weizenmodell integriert werden können, um so die Auswirkungen von Blattkrankheiten auf den Ertrag zu simulieren. Eine Modellerweiterung wurde entwickelt, durch die Integration eines Blattkrankheitsmoduls in das bestehende DSSAT Weizenmodell. Das Modul simuliert die Auswirkungen des täglichen Schadens durch die Krankheit auf die Photosynthese und den Blattflächenindex. Der Ansatz wurde an einem zweijährigen Datensatz aus Argentinien mit verschiedenen Weizensorten und an einem einjährigen Datensatz aus Deutschland mit verschiedenen Inokulumniveaus von Septoria tritici-Blotch (STB) getestet. Die Sensitivitätsanalyse zeigte die Möglichkeit des Modells, den Ertrag in einer exponentiellen Beziehung mit zunehmendem Infektionsgrad (0-70%) zu reduzieren. Das erweiterte Modell stellt somit eine Möglichkeit dar, STB-Infektionen standortspezifisch in Verbindung mit verfügbaren Sensordaten zu simulieren.
Um die Modellierungsgenauigkeit noch weiter zu erhöhen, wurde der Einsatz eines MM-Ansatz geprüft. Die Kombination von verschiedenen Modellen erhöht die Komplexität der Simulation und des damit verbundenen Kalibrierungsverfahrens, insbesondere wenn der Benutzer nicht mit allen Modellen vertraut ist. Die dritte Fragestellung (iii) untersuchte daher, ob objektive Kalibrierungsergebnisse gewährleitet werden könnten, wenn die cultivar coefficients im Modell auf Basis tatsächlich gemessener Daten mittels eines neu entwickelten automatischen Calibrator-Programms optimiert wurden. Die Modellkalibrierung wurde an einem 4-jährigen-Weizendüngungsversuch in Südwestdeutschland durchgeführt. Die statistische Auswertung des Kalibrierverfahrens zeigte zufriedenstellende Ergebnisse und führte zur vierten Fragestellung. Die vierte Fragestellung befasste sich mit dem Thema, ob ein MM-Ansatz die Gesamtmodelliergenauigkeit verbessern kann. Die Auswertung des Düngemittelversuchs zeigte in den meisten Fällen eine verbesserte Modellierungsgenauigkeit, insbesondere in einem durch Wasserstress geprägten Versuchsjahr wie 2018.
Unter Verwendung eines MM-Ansatzes, durch Anpassung der Modellvariablen und durch die Integration von Sensordaten wurde ein Nitrogen Application Prescription System (NAPS) entwickelt. Eine Voraussetzung für das NAPS-Konzepts ist das Vorhandensein von Langzeit-Daten (Ertrag, Klima- und Bodenbedingungen), um eine korrekte MM-Kalibrierung zu gewährleisten. Nach der Kalibrierung werden die Bedingungen der aktuellen Wachstumssaison (Wetter, Managementinformationen) bis zum Düngetermin benötigt. Anschließend berechnet das NAPS basierend auf Sensorinformationen und simulierten Wetterbedingungen verschiedene Düngeszenarien. Ökonomische und ökologische Kriterien bestimmen die optimierte Düngemenge. Darüber hinaus muss das NAPS-Konzept auf räumlicher Ebene arbeiten, indem es die Bodenparameter berücksichtigt. So kann unter Beachtung der Feldvariabilität eine standortspezifische N-Ausbringung gewährleistet werden.
In Summe zeigte sich, dass NAPS die Düngung an ökonomische und ökologische Faktoren anpasst, indem es aktuelle Sensordaten, historische Ertragsaufzeichnungen und zukünftige Wettervorhersagen zur Ermittlung einer präziseren N-Ausbringung nutzt. Das Konzept hat so das Potenzial, die nachteiligen Auswirkungen einer Überdüngung zu begrenzen, so dass eine umweltfreundlichere Agrarproduktion gewährleistet wird
Suitability of conventional flowering fields and organic lentil mixed-crops to promote biodiversity on arable land
Get PDFThe rapid agricultural intensification during the last decades is among the main drivers of the dramatic and ongoing biodiversity loss on earth. The decline of species diversity and associated ecosystem services due to highly intensified farming practices and structural simplified agricultural landscapes includes the reduction of species richness and abundance of species. The loss of species and related shifts in species communities can also lead to altered functional traits within species communities. It can also include deteriorated population developments of single species known to be important ecosystem service suppliers for agricultural production. In Europe, billions of euros are spent each year to support farmers for applying environmentally friendly practices, but so far biodiversity continues to decline. This calls for the development of more effective biodiversity conservation measures on agricultural land. Within the framework of agri-environmental measures, agronomically non-productive measures exist such as the establishment of flowering fields, but there are also production integrated measures such as the organic farming of crops. Further, the growing of flowering lentil mixed-crops could be a valuable, but rarely studied option to further increase the biodiversity benefits of organic farming systems. Up to that, little is known about the relative effectiveness of non-productive flowering fields under conventional management and organically farmed mono- as well as lentil mixed-crops for the promotion of biodiversity on arable land.
Within the scope of this thesis, i studied biodiversity effects in response to the establishment of annual flowering fields under conventional management, organically managed winter spelt as well as organic lentil mixed-crops. These three crop-use types were compared to conventional winter wheat (control). Besides, I took into account biodiversity effects of the within-field position (field edge versus interior) as well as the surrounding landscape complexity in 500 m around each study field. To get a comprehensive overview about potential biodiversity effects and related ecosystem functions in response to the four crop-use types, I assessed the abundance, species richness and community composition of wild plants (primary producers), carabids and spiders (ground-dwelling predators) as well as butterflies and wild bees (flower-visiting arthropods). I further assessed the functional diversity of carabids as an important species group for biological pest control. To quantify functional diversity in comparison between the four crop-use types, I used the community weighted means and functional divergence of three ecological traits body size, feeding type, and flight ability. These traits can affect mobility (body size, flight ability) as well as pest and weed seed predation (feeding type, body size) of carabids. Last, I measured the population development of colonies of Bombus terrestris, I observed weight gain, foraging activity, worker body size, queen brood cell number and stored pollen types of colonies exposed at each study field in 2018.
I found clear taxon-specific effects of the total abundance and species richness in response to the studied crop-use types. No distinct differences were found for the community composition, which was similar between crop-use types. Arable wild plants benefited most strongly from organic farming, in particular from lentil mixed-crops, but also from field edges. Ground-dwelling arthropods were also mainly promoted by field edges, whereas flower-visiting arthropods solely benefited from conventional flowering fields and organic lentil mixed-crops. Carabid functional diversity was higher at the field edge than the interior irrespectively of crop-use type. Feeding type diversity (carnivorous, ominovorous, herbivorous) of carabid assemblages did also profit from conventional flowering fields and organic winter spelt. Colonies of Bombus terrestries had higher foraging activity and larger body sizes, if exposed at organic winter spelt fields, whereas weight gain and queen brood cell numbers were unaffected by local crop-use type. Pollen stores within the colonies were dominated by Phacelia (Phacelia tanacetifolia) irrespectively of crop-use type. Phacelia was part of the sown seed-mixture in flowering fields, indicating a landscape-wide attraction of flowering fields as pollen source for Bombus terrestris. Over all studies i found only minor effects of the surrounding landscape, except the negative correlation between flower cover and pollen diversity of Bombus terrestris colonies.
In summary, this thesis revealed that the establishing of annual flowering fields can be an appropriate measure to enhance biodiversity in conventional farming systems. Organic lentil mixed-crops are appropriate to further increase biodiversity benefits of organic farming systems. Within the conducted studies, different crop-use types promoted specific species groups and thereby different components of biodiversity. Hence, the results of this thesis reveal, that there is no single best measure for the promotion of biodiversity on arable land. Instead, the additive effects of non-productive and productive measures as well as field edge habitats underline, that a mosaic of different types of measures hold the greatest potential to benefit overall biodiversity in agricultural landscapes. Therefore, future agri-environmental schemes should provide particular incentives for individual farmers to apply a diversity of different measures on their farmland and should foster the collaboration and spatially coordinated implementation of complementary biodiversity measures between multiple farmers at the landscape scale.Die Intensivierung der Landwirtschaft im Laufe der letzten Jahrzehnte ist eine der Hauptursachen für den dramatischen Verlust der globalen Biodiversität. Er kann sich im Rückgang von Arten und deren Häufigkeit zeigen. Der Rückgang von Arten kann jedoch auch eine Verschiebung von funktionellen Eigenschaften innerhalb von Artengemeinschaften bedeuten. Ebenso können Populationen wichtiger Ökosystemdienstleister für die landwirtschaftliche Produktion beeinträchtigt werden. In der EU werden jährlich Milliarden von Euro dafür ausgegeben, Landwirte für die Umsetzung von umweltfreundlichen Bewirtschaftungsweisen zu unterstützen, bisher jedoch ohne den Biodiversitätsverlust aufhalten zu können. Im Rahmen von Agrarumweltmaßnahmen werden im Ackerbau produktionsseparierte, landwirtschaftlich unproduktive Maßnahmen wie die Anlage von Blühflächen gefördert. Darüber hinaus gibt es aber auch produktionsintegrierte Ansätze, wie die Bewirtschaftung von Ackerkulturen nach den Kriterien des ökologischen Landbaus. Die Bedeutung des ökologischen Landbaus für die Biodiversität könnte durch den Anbau von Linsen-Mischkulturen weiter erhöht werden. Bisher mangelt es jedoch an wissenschaftlichen Vergleichsstudien bezüglich der Biodiversitätseffekte von einjährigen Blühflächen im Rahmen einer konventionellen Bewirtschaftung, im Vergleich zu einer ökologischen Bewirtschaftung von Mono-, wie auch Linsen-Mischkulturen.
In der vorliegenden Dissertation habe ich die Biodiversitätseffekte von einjährigen, konventionell bewirtschafteten Blühflächen, ökologisch bewirtschafteten Winterdinkelkulturen, sowie ökologisch bewirtschafteten Linsen-Mischkulturen untersucht. Diese drei Kulturen wurden mit konventionell bewirtschafteten Winterweizenkulturen verglichen (Kontrollgruppe). Daneben habe ich die Biodiversitätseffekte der Lage der Untersuchungsflächen im Ackerschlag (Feldrand versus Feldinnenbereich) und die Komplexität der umgebenden Landschaft in einem Radius von 500 m um jedes Untersuchungsfeld untersucht. Es wurden die Abundanz, der Artenreichtum und die Komposition der Artengemeinschaften der Artengruppen Ackerwildpflanzen (Primärproduzenten), Laufkäfer und Spinnen (epigäische Prädatoren) sowie Tagfalter und Wildbienen (blütenbesuchende Insekten) erfasst. Für die Gruppe der Laufkäfer als wichtige Träger der natürlichen Schädlingskontrolle, wurde die funktionale Diversität betrachtet. Die funktionale Diversität im Vergleich der untersuchten Kulturen wurde durch die Berechnung von gewichteten Mittelwerten (community weighted means) und der funktionellen Divergenz von drei ökologischen Eigenschaften gemessen, nämlich der Körpergröße, des Ernährungstyps und der Flugfähigkeit. Schließlich habe ich die Populationsentwicklung von Erdhummelvölkern (Bombus terrestris) untersucht. Dafür habe ich die Gewichtszunahme, die Futterflug-Aktivität, die Körpergröße der Arbeiterinnen, die Anzahl von Königinnenbrutzellen, sowie die gesammelten Pollentypen der an jedem Untersuchungsfeld ausgebrachten Erdhummelkolonien im Jahre 2018 analysiert.
Bezüglich der Abundanz und des Artenreichtums konnte ich Artengruppen-spezifische Unterschiede zwischen den untersuchten Kulturen feststellen. Keine klaren Unterschiede ergaben sich bei der Zusammensetzung der Artengemeinschaften zwischen den untersuchten Kulturen. Ackerwildkräuter profitierten am stärksten von einer ökologischen Bewirtschaftung, insbesondere von Linsen-Mischkulturen, aber auch der Lage am Feldrand. Bodenbewohnende Arthropoden wurden ebenfalls hauptsächlich am Feldrand gefördert. Blütenbesuchende Arthropoden profitieren von konventionellen Blühflächen und ökologischen Linsen-Mischkulturen. Die funktionelle Diversität von Laufkäfern war am Feldrand höher als im Feldinnenraum unabhängig von der jeweiligen Kultur. Die Diversität an unterschiedlichen Ernährungstypen (karnivor, omnivor, herbivor) innerhalb der Laufkäfergemeinschaften wurde zudem durch konventionelle Blühflächen und ökologische Winterdinkelkulturen gefördert. Am ökologischen Winterdinkel exponierte Erdhummelkolonien zeigten eine höhere Futterflug Aktivität und hatten größere Arbeiterinnen als an anderen Kulturen exponierte Völker. Die Gewichtszunahme und die Anzahl der Königinnenbrutzellen wurde dagegen nicht vom lokalen Kulturtyp bestimmt. Unabhängig vom Standort der Exposition wurden die Pollenspeicher der Kolonien vom Pollen der Phacelia (Phacelia tanacetifolia) dominiert. Phacelia war Teil der ausgesäten Saatmischung auf Blühflächen, was auf eine landschaftsweite Anziehungswirkung von Blühflächen auf Erdhummeln hinweist. Über alle Studien hinweg habe ich nur sehr geringe Effekte der umgebenden Landschaft festgestellt, mit Ausnahme der negativen Korrelation des Blühbedeckungsgrades mit der Pollendiversität bei Kolonien von Bombus terrestris.
Die Doktorarbeit zeigt, dass die Anlage konventioneller Blühflächen eine geeignete Maßnahme sein kann, um die Biodiversität in der konventionellen Landwirtschaft zu steigern. Ökologische Linsen-Mischkulturen sind geeignet die Biodiversitätswirkungen des ökologischen Landbaus weiter zu stärken. Die Ergebnisse zeigen, dass es nicht die eine Optimalkultur zur Förderung der Biodiversität im Ackerbau gibt. Die additiven Effekte von nicht-produktiven und produktiven Maßnahmen, wie auch Feldrand-Habitaten verdeutlichen, dass ein Mosaik aus unterschiedlichen Maßnahmentypen das größte Potential hat, um die Gesamtbiodiversität in Agrarlandschaften zu fördern. Zukünftige Agrarumweltprogramme sollten daher stärkere Anreize schaffen, dass Landwirte eine Diversität von unterschiedlichen Maßnahmen auf ihren Flächen umsetzen
Eco-physiological studies on False Horn plantain
Get PDFWest Africa suffers from climate uncertainty, high levels of variability, lack of access to real-time and future climate information, and poor predictive capacity are common barriers to adaptation though the region is identified as climate-change hotspot. The regions vulnerability is heightened by its overdependence on rain-fed agriculture, with its sensitivity to climate change and variability. Rain-fed agriculture contributes 30% of GDP and employs about 70% of the population, and it is the main safety net of the rural poor.
Drought affects plantain production in West Africa resulting in high level of food insecurity among the vulnerable. Under rain-fed production, achievable yield of plantain landraces are 11.0t/ha while the potential yield is 20t/ha. Plantain breeding is limited due to the complex nature of the breeding process. Plantain plant itself is a giant herbaceous plant occupying 6m2 of land hence only 1667 could occupy a hectare of land. The production system is faced with a myriad of challenges from inadequate healthy planting materials at the time of plantain through the production system to post-harvest. Unlike bananas which are mainly produce by multinational companies under irrigation, plantain production is mainly by smallholder farmers under rain-fed agriculture.
Whereas banana production under irrigation is efficient, plantain production under rainfed production is haphazard and unsustainable. Farm sizes range between 0.4 to 5ha. Major limiting factors of the rainfed system is drought resulting in low yields and economic loses. Our study seeks to understand the effects of drought on the physiological responses of plantain crop under rainfed production. Different experiments were conducted to study the responses of various cultivars to on-farm rapid production of healthy planting materials. The results revealed that drought seriously affects natural regeneration of plantain planting materials as such new approaches need to be used for sufficient production. As each plantain plant produces averagely 42 leaves before flowering and each leaf has at least one axillary bud, it presupposes that 42 suckers should be produced at harvest. However, at harvest only 12 healthy suckers are produced around each plantain plant. The approach is able to exploit the full potential of every sucker to generate healthy planting materials. This technique therefore could be used to set up commercial propagation system for plantain planting material production. The study revealed Apantu and hybrid plantain FHIA-21 to show same responses. Plantain farmers can easily produce in large quantities healthy plantain planting materials using sawdust and building their own humidity chambers near water source. The study also showed that there is the potential for farmers to use this technique for establishing commercial propagation centres to generate healthy planting materials. We also studied the physiological responses of Apantu crop to water regimes and natural mycorrhization of plantains. Also, study was conducted on the fruit maturity index and the effect of climate variability on fruit micronutrient content. The natural mycorrhization of plantain roots was the first to be reported on plantain in Ghana. During the study it was observed that plantain roots were naturally colonised by mycorrhizae. However, this phenomenon was cultivar specific; with Apantu roots more colonised compared to Apem. Sustainable intensification of plantain production could be achieved through the use of beneficial soil microbes in production. Conventional production systems, however, do not promote the survival of these microbes. The study further revealed that plantains respond to water stress by reduction in stomatal density, movement and reduction in leaf area. In addition, early stages of water stress had little effect on the final yield of the crop. The anatomical and physiological studies were challenges faced in laticiferous plant like the plantain. However, drought stress at advance stage of growth of plantain adversely affect yields. Our study also showed that fruit maturity index could vary with seasons. The various maturity indices used in plantain production could not be used under rain-fed conditions; especially angularity. The angularity index used was observed not to be appropriate in the dry season. The study also revealed high α-carotene levels with seasonality and maturity in plantain. The high levels of provitamin A in plantain fruits during the dry season coincided with high incidence of suns UV index. This finding could play a significant role in the plantain industry as a food security crop the vulnerable who could not afford the high provitamin A foods especially for children under five years. However, the retention and bioavailability of the carotenoid after cooking need to be studied.
In conclusion all the chapters showed clear understanding of the behaviour of plantain under severe adverse environmental conditions and conclusions drawn to guide future production of the crop. Under climate change with its complexities, further studies on plantain is needed to improve productivity to achieve food security in West Africa.Westafrika leidet unter Klimaunsicherheit, hoher Veränderlichkeit, fehlendem Zugang zu Echtzeit- und zukünftigen Klimainformationen und mangelnder Vorhersagefähigkeit. Dies sind häufige Hindernisse für die Anpassung, obwohl die Region als Hotspot des Klimawandels identifiziert wurde. Die Anfälligkeit der Region wird durch ihre übermäßige Abhängigkeit von der Regenfeldbau-Landwirtschaft mit ihrer Empfindlichkeit gegenüber dem Klimawandel und ihrer Unbeständigkeit noch verstärkt. Regenfeldbau trägt 30% zum BIP bei und beschäftigt etwa 70% der Bevölkerung, und er ist das wichtigste Sicherheitsnetz der armen Landbevölkerung.
Die Dürre beeinträchtigt die Kochbananenproduktion in Westafrika und führt zu einem hohen Maß an Ernährungsunsicherheit unter den verwundbaren Bevölkerungsgruppen. Bei Regenfeldbau liegt der erzielbare Ertrag von Kochbananen-Landrassen bei 11,0 t/ha, während der potenzielle Ertrag bei 20 t/ha liegt. Die Kochbananenzüchtung ist aufgrund der komplexen Natur des Züchtungsverfahrens begrenzt. Die Kochbananenpflanze selbst ist eine riesige krautartige Pflanze, die 6m2 Land einnimmt, so dass nur 1667 einen Hektar Land einnehmen könnten.Das Produktionssystem ist mit unzähligen Herausforderungen konfrontiert, von unzureichendem, gesundem Pflanzmaterial zum Zeitpunkt der Pflanzung über das Produktionssystem bis hin zur Nachernte. Im Gegensatz zu Bananen, die hauptsächlich von multinationalen Konzernen unter Bewässerung produziert werden, wird die Bananenproduktion hauptsächlich von Kleinbauern im Regenfeldbau betrieben.
Während die Bananenproduktion unter Bewässerung effizient ist, ist die Kochbananenproduktion unter Regenfeldbau ungezielt und nicht nachhaltig. Die Betriebsgrößen liegen zwischen 0,4 und 5 ha. Ein wichtiger limitierender Faktor des Regenfeldsystems ist die Trockenheit, die zu niedrigen Erträgen und wirtschaftlichen Verlusten führt. Unsere Studie versucht, die Auswirkungen von Dürre auf die physiologischen Reaktionen der Kochbananenproduktion im Regenfeldbau zu verstehen. Es wurden verschiedene Experimente durchgeführt, um die Reaktionen verschiedener Sorten auf die schnelle Produktion von gesundem Pflanzmaterial im Betrieb zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigten, dass Dürre die natürliche Regeneration von Kochbananenpflanzmaterial ernsthaft beeinträchtigt. Solche neuen Ansätze sollen für eine ausreichende Produktion genutzt werden. Da jede Kochbananenpflanze vor der Blüte durchschnittlich 42 Blätter produziert und jedes Blatt mindestens eine axillare Knospe hat, setzt dies voraus, dass bei der Ernte 42 Ableger produziert werden sollten. Bei der Ernte werden jedoch nur 12 gesunde Ableger um jede Kochbananenpflanze herum produziert. Dieser Ansatz ist in der Lage, das volle Potenzial jedes einzelnen Ablegers auszuschöpfen, um gesundes Pflanzmaterial zu erzeugen. Diese Technik könnte daher zur Einrichtung eines kommerziellen Vermehrungssystems für die Kochbananenpflanzmaterialproduktion genutzt werden. Die Studie ergab, dass Apantu und die Hybridsorte FHIA-21 dieselben Reaktionen zeigen. Kochbananen-Bauern können problemlos gesundes Kochbananen-Pflanzmaterial in großen Mengen produzieren, indem sie Sägemehl verwenden und ihre eigenen Feuchtigkeitskammern in der Nähe von Wasserquellen bauen. Die Studie zeigte auch, dass es ein Potenzial für Landwirte gibt, diese Technik für den Aufbau kommerzieller Vermehrungszentren zu nutzen, um gesundes Pflanzmaterial zu erzeugen. Wir untersuchten auch die physiologischen Reaktionen der Apantu-Pflanze auf Wasserregime und die natürliche Mykorrhizierung von Kochbananen Ausserdem wurden der Fruchtreife-Index und die Auswirkung der Klimavariabilität auf den Mikronährstoffgehalt von Früchten untersucht. Die natürliche Mykorrhizierung von Kochbananenwurzeln war die erste, über die über Kochbananen in die Ghana berichtet wurde. Während der Studie wurde beobachtet, dass Kochbananenwurzeln auf natürliche Weise von Mykorrhizapilzen besiedelt werden. Dieses Phänomen war jedoch kulturspezifisch, wobei Apantu-Wurzeln im Vergleich zu Apem stärker kolonisiert waren. Eine nachhaltige Intensivierung der Kochbananenproduktion könnte durch den Einsatz von nützlichen Bodenmikroben in der Produktion erreicht werden. Herkömmliche Produktionssysteme fördern jedoch nicht das Überleben dieser Mikroben. Die Studie ergab ferner, dass Kochbananen auf Wasserstress durch Verringerung der Stomataldichte, Bewegung und Verringerung der Blattfläche reagieren. Darüber hinaus hatten frühe Stadien von Wasserstress wenig Einfluss auf den Endertrag der Pflanze. Die anatomischen und physiologischen Studien stellten Herausforderungen dar, denen sich latiziferische Pflanzen wie der Kochbanane stellen mussten. Dürrestress im frühen Wachstumsstadium des Wegerichs beeinträchtigte jedoch die Erträge. Unsere Studie zeigte auch, dass der Fruchtreife-Index mit den Jahreszeiten variieren kann. Die verschiedenen Reifeindizes, die bei der Kochbananenproduktion verwendet werden, konnten unter regenreichen Bedingungen nicht verwendet werden; insbesondere die Winkligkeit. Es wurde festgestellt, dass der verwendete Winkligkeitsindex in der Trockenzeit nicht geeignet ist. Die Studie zeigte auch hohe α -Carotin-Gehalte mit Saisonalität und Reife bei Kochbananen. Die hohen Provitamin-A-Gehalte in Kochbananenfrüchten während der Trockenzeit fielen mit dem hohen Auftreten des UV-Index der Sonne zusammen. Dieser Fund könnte eine bedeutende Rolle in der Kochbananenindustrie als Nahrungsmittelsicherheitskultur für bedürftige Menschen spielen, die sich die Nahrungsmittel mit hohem Provitamin-A-Gehalt nicht leisten konnten, insbesondere für Kinder unter fünf Jahren. Allerdings muss die Rückhaltung und Bioverfügbarkeit des Carotinoids nach dem Kochen untersucht werden.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass alle Kapitel ein klares Verständnis des Verhaltens von Kochbananen unter ernsthaft widrigen Umweltbedingungen und Schlussfolgerungen für die zukünftige Produktion der Kulturpflanze aufzeigten. Angesichts des Klimawandels und seiner Komplexität sind weitere Studien über Kochbananen erforderlich, um die Produktivität zu verbessern und die Ernährungssicherheit in Westafrika zu erreichen
Impact of protein intake during weight loss on preservation of fat-free mass, resting energy expenditure and physical function in overweight postmenopausal womenA randomised controlled trial
No full textHintergrund und Ziel
Eine Gewichtsreduktion im Alter birgt das Risiko, eine durch die altersabhängige Reduktion der fettfreien Masse (FFM) bedingte Sarkopenie noch zusätzlich zu erhöhen. Aufgrund des Zusammenhangs zwischen FFM und Ruheenergieumsatz (REE) ist es ebenfalls notwendig eine Reduktion dessen zu vermeiden. Zudem ist es von besonderer Bedeutung, die physische Funktion (PF) der Betroffenen zu erhalten. Ziel der Studie war deshalb zu prüfen, ob durch eine Reduktionsdiät mit erhöhter Proteinzufuhr die FFM, der REE und die PF besser erhalten bleiben als bei einer Diät mit normaler Proteinzufuhr.
Methoden
In einer zwölfwöchigen Interventionsphase mit einer Reduktion des individuellen Gesamtenergiebedarfs von 750 kcal/d wurden 54 postmenopausale Frauen (BMI 30,9 ± 3,4 kg/m²; 59 ± 7 Jahre) in die Gruppen mit 0,8 g Protein/kg Körpergewicht (KG)/d (Gruppe K) bzw. 1,5 g/kg KG/d (Gruppe P) doppelt verblindet randomisiert. Die Proteindosis wurde gleichmäßig auf zwei Trinkmahlzeiten und eine feste Mahlzeit verteilt. Die Shakes der P-Gruppe wurden zusätzlich mit reinem Molkeneiweiß angereichert. Begleitend wurden in vier Schulungen Informationen bezüglich des Ablaufes der Studie und insbesondere zu gesunder Ernährung vermittelt. Die Probandinnen führten jeweils zu Beginn und am Ende des Interventionszeitraums ein 7-Tage Ernährungsprotokoll. Die Parameter FFM (mittels bioelektrischer Impedanzanalyse), REE (mittels indirekter Kalorimetrie), PF (Kraft, Ausdauer, Balance mittels short shysical performance battery SPPB, 400 m Gehgeschwindigkeit und Handkraft mittels Handdynamometer), Blutparameter (Lipid- und Kohlenhydratprofil, Harnstoff, Vitamin D, Calcium, Magnesium, Leber- und Nierenwerte aus dem Serum) und Blutdruck wurden vor der Intervention (t0), nach der Intervention (t1) und nach einer Follow-Up Phase von sechs Monaten (t2) erhoben. Die Auswertung erfolgte primär als Intention to treat Analyse mit Korrelations- und Regressionsanalysen, gepaarten und ungepaarten t-Tests, wobei das Signifikanzlevel auf p ≤ 0,05 gesetzt wurde. Angegeben sind durchgehend Mittelwert ± Standardabweichung.
Ergebnisse
46 (P: n = 21, K: n = 25) Frauen beendeten den RCT und 29 die Follow-Up Phase. Der mittlere Gewichtsverlust belief sich auf -4,6 ± 3,6 kg (P) bzw. -5,2 ± 3,4 kg (K) (beide p < 0,001), der anschließende Gewichtsanstieg auf 1,3 ± 2,8 kg (P) (p = 0,028) und 0,4 ± 2,5 kg (K) (p = 0,392). Ebenfalls ähnliche Verluste zeigten sich in der FFM (-0,9 ± 1,1 kg (P) vs. -1,0 ± 1,3 kg (K)) und im REE (-206 ± 136 kcal/d (P) vs. -239 ± 134 kcal/d (K)) (beide p < 0,001). Zum Follow-Up gab es keine weiteren Veränderungen der FFM, dagegen stieg der REE in der K-Gruppe wieder an (33 ± 71, p = 0,02). Die Hauptdeterminanten des FFM Verlusts waren das Energiedefizit und die Geschwindigkeit der Gewichtsabnahme. Die K-Gruppe verbesserte durch den Gewichtsverlust ihre Punktezahl beim SPPB Test (0,6 ± 0,8, p < 0,001), verlor jedoch im Gegensatz zur P-Gruppe an Handgriffstärke (-1,7 ± 3,4 kg, p < 0,001), was zu einem signifikanten Gruppenunterschied führte (p = 0,041). Die Blutwerte verbesserten sich insbesondere hinsichtlich der Parameter des Kohlenhydratstoffwechsels durch die Gewichtsabnahme, ebenfalls der Blutdruck.
Schlussfolgerung
Durch eine zwölfwöchige Reduktionsdiät mit hohen Proteindosen konnte im Vergleich zur Kontrolldiät die Reduktion der FFM und des REE bei postmenopausalen Frauen nicht verringert werden. Dagegen konnte die PF in der P-Gruppe, gemessen an der Handgriffstärke, im Vergleich zur K-Gruppe aufrechterhalten werden. Da die Handgriffstärke ein sensitiver Parameter für eine beginnende Sarkopenie sein kann, noch bevor die Muskelmasse merklich abnimmt, kann hieraus gefolgert werden, dass eine erhöhte Proteinzufuhr während einer Gewichtsabnahme dem Risiko der Sarkopenie entgegenwirken werden kann. Energiedefizit und Geschwindigkeit der Gewichtsabnahme sollten in künftigen Studien als Confounder berücksichtigt werden. Zudem müssen weitere Strategien zur Erhaltung der FFM bei einer Gewichtsreduktion im Alter verfolgt werden.Aim
Weight loss in old age increases the risk of sarcopenia caused by the age-related reduction of fat-free mass (FFM). Due to the strong correlation between FFM and resting energy expenditure (REE), the maintenance of this must also be considered. In addition, the physical function (PF) must be maintained. The objective was to investigate the impact of protein intake on changes in fat-free mass (FFM), resting energy expenditure (REE), and physical function (PF) during weight loss.
Methods
54 postmenopausal women (BMI 30.9 ± 3.4 kg/m²; 59 ± 7 years of age) were randomized into two groups with 0.8 g (K) or 1.5 g protein/kg body weight/d (P) energy-restricted diets (- 750 kcal of individual energy requirements) for 12 weeks, followed by six months weight maintenance with ad libitum food intake. The protein dose was evenly distributed to two liquid and one solid meal. The shakes of the P group were additionally enriched with pure whey protein. Four seminars were held to provide information on the course of the study and in particular on healthy nutrition. At the beginning and at the end of the study, the subjects kept a 7-day nutrition protocol. FFM (by bioelectrical impedance analysis), REE (by indirect calorimetry), PF (strength, endurance, and balance by short physical performance battery test (SPPB), 400 m walking speed and handgrip strength by hand dynamometer), blood parameters (lipid and carbohydrate profile, urea, vitamin D, calcium, magnesium, liver and kidney values from serum) and blood pressure were measured at baseline, after weight loss, and after follow up. The evaluation was primarily based on an intention to treat analysis with correlation and regression analysis, paired and unpaired t-tests, whereby the significance level was set ≤ at 0.05. The values given are continuous mean values ± standard deviation.
Results
46 women completed the weight loss intervention and 29 were followed up after weight maintenance. Weight loss was -4.6 ± 3.6 kg (P) and -5.2 ± 3.4 kg (K) (both p < 0.001) and weight regain during follow up was 1.3 ± 2.8 kg (P, p = 0.028) and 0.4 ± 2.5 kg (K) (p = 0.392) with no differences between protein groups. Similar losses in FFM (-0.9 ± 1.1 kg (P) vs. -1.0 ± 1.3 kg (K)) and REE (-206 ± 136 kcal/d (P) vs. -239 ± 134 kcal/d (K), both p < 0.001) were observed in both groups. At follow-up, no changes in FFM were detected in both groups whereas in the NP group the REE increased again (138 ± 296, p = 0.02). The main determinants of the FFM loss were the energy deficit and the speed of weight loss. In the NP group, SPPB score improved with weight loss (0.6 ± 0.8, p < 0.001) and handgrip strength decreased (-1.7 ± 3.4 kg, p < 0.001) whereas no changes were observed in the HP group. The blood profile improved, especially regarding the carbohydrate profile, due to weight loss, and blood pressure.
Conclusion
A high protein weight loss diet without exercise had no impact on preserving FFM and REE but may help maintain muscle strength in postmenopausal women. As the handgrip strength can be a sensitive parameter for incipient sarcopenia even before the muscle mass decreases noticeably, it can be concluded that an increased protein intake during weight loss can counteract the risk of sarcopenia. Energy deficit and speed of weight loss should be considered as confounders in future studies. In addition, further strategies must be pursued to maintain FFM in weight loss in old age
Micronutrients, silicon and biostimulants as cold stress protectants in maize
Get PDFMitigation of abiotic stress in crops is a feature attributed to various so-called biostimulants based on plant growth-promoting microorganisms (PGPMs) plant-, compost- and seaweed extracts, protein hydrolylates, chitosan derivatives etc. but also to mineral nutrients with protective functions, such as zinc (Zn), manganese (Mn), boron (B), calcium (Ca) and silicon (Si), recommended as stress protectants in commercial formulations. This study focussed on the effects of selected biostimulants on cold stress mitigation during early growth in maize, as a major stress factor for cultivation of tropical and subtropical crops in temperate climates.
Chilling stress and micronutrient supplementation
Chilling stress, induced by moderately low soil temperatures (8-14°C) in a controlled root cooling system, was associated with inhibition of shoot growth, oxidative leaf damage (chlorosis, necrosis accumulation of stress anthocyanins) and a massive decline in root length (Chapter 4 and 5). Due to inhibition of root growth, nutrient acquisition in general was impaired. However, nutrient deficiencies were recorded particularly for the micronutrients zinc (Zn) and manganese (Mn). The impaired Zn and Mn status was obviously related with the observed limitations in plant performance, which were reverted by exogenous Zn and Mn supplementation (0.5 mg plant-1), finally leading to restored nutrient acquisition and improved plant recovery after termination of the cold stress period. Zinc and manganese deficiency was mainly related with impaired uptake of the micronutrients, since the cold stress-induced deficiency symptoms persisted even in hydroponic culture when all nutrients were freely available. Beneficial effects of Zn/Mn supplementation were only detectable when the micronutrients were supplied prior to the onset of the stress period via seed soaking, seed dressing or fertigation, when uptake and internal translocation was still possible.
A transcriptome analysis of the shoot tissue (Chapter 5) revealed 1400 differentially expressed transcripts (DETs) after 7-days exposure of maize seedlings to chilling stress of 12°C, mostly associated with down-regulation of selected functional categories (BINs), related with photosynthesis, synthesis of amino acids, lipids and cell wall precursors, transport of mineral nutrients (N, P, K,), metal handling and synthesis of growth hormones (auxins, gibberellic acid) but also of jasmonic (JA) and salicylic acids (SA) involved in stress adaptations. In accordance with the impaired micronutrient status and oxidative leaf damage in response to the cold stress treatments, downregulation was also recorded for transcripts related with oxidative stress defence (superoxide dismutases SOD, catalase, peroxidases POD, synthesis of phenylpropanoids and lignification), particularly dependent on the supply of micronutrients as co-factors. Upregulation was recorded for BINs related with degradation of lipids, of cell wall precursors, synthesis of waxes and certain flavonoids and of stress hormones, such as abscisic acid (ABA) and ethylene but degradation of growth-promoting cytokinins (CK). Accordingly, supplementation of Zn and Mn increased the accumulation of anthocyanins and antioxidants, the activities of superoxide dismutase and peroxidases, associated with reduced ROS accumulation (H2O2), mitigation of oxidative leaf damage and improved plant recovery at the end of the cold stress period (Chapter 5 and 6).
Effects of seaweed extracts
Cold-protective properties similar to Zn/Mn supplementation, associated with an improved Zn/Mn-nutritional status and reduced oxidative damage, were recorded also after fertigation with seaweed extracts prior to the onset of the stress treatments (Chapter 4). However, this effect was detectable only with seaweed extract formulations rich in Zn/Mn (Algavyt+Zn/Mn; Algafect; 6-70 mg kg DM-1) but not with a more highly purified formulation (Superfifty) without detectable micronutrient contents. This finding suggests that the cold-protective effect by soil application of seaweed extracts is based on an improved micronutrient supply and not to an elicitor effect, frequently reported in the literature for stress-protective functions after foliar application of seaweed extracts.
Silicon fertilization
Similar to seaweed extracts, also silicon (Si), applied by seed soaking or fertigation with silicic acid, mimicked the cold-protective effects of Zn/Mn supplementation in maize seedlings (Chapter 5). The Zn/Mn status of the Si-treated plants was improved although, in this case no additional micronutrient supply was involved. However, Si application significantly reduced leaching losses of Zn/and Mn by 50-70%, as a consequence of cold stress-induced membrane damage in germinating maize seeds and favoured the root to shoot translocation of Zn. This was associated with a restoration of gene expression, similar to the profiles recorded for unstressed control plants. However, the expression of genes related with synthesis and signal transduction of ABA, as central regulator of adaptive cold stress responses in plants, was even more strongly upregulated than in the cold-stressed controls. Accordingly, expression of cold stress adaptations involved in oxidative stress defence (SOD, peroxidases, phenolics, antioxidants) and the reduction of oxidative leaf damage and improved plant recovery were similar to the plants with Zn/Mn supplementation.
Plant growth promoting microorganisms
Cold-protective functions were recorded also for selected microbial inoculants (Chapter 6). However, out of five tested inoculant formulations, based on strains of Pseudomonas sp., DSMZ13134, Bacillus amyloliquefaciens FZB42, Bacillus atrophaeus ABI05, Penicillium sp. PK112 (BFOD) and a consortium of Trichoderma harzianum OMG16 and five Bacillus strains (Combi-A), a significant protective effect was detectable only for Penicillium sp. and particularly for CombiA. The CombiA consortium significantly increased root length and reduced oxidative leaf damage of cold-stressed plants, associated with increased SOD and POD activities and accumulation of phenolics and antioxidants. Root growth stimulation was related with increased IAA (indole acetic acid) tissue contents and increased expression of genes involved in IAA biosynthesis (ZmTSA) transport (ZmPIN1A) and perception (ZmAFR12). The tissue concentrations of ABA were not affected by the microbial inoculants, but the shoot concentrations of JA and SA increased, suggesting an effect by induced systemic resistance (ISR). Moreover, root concentrations of cytokinins (CKs) as ABA antagonists and expression of IPT genes involved in CK biosynthesis declined, leading to an increased ABA/cytokinin ratio and accordingly to increased expression of ABA responsive genes (ZmABF2). These findings suggest that CombiA mainly acted via improvement of root growth and nutrient acquisition by activation of the plant auxin metabolism and activation of cold protective metabolic responses by induction of ISR via JA/SA signalling and ABA-mediated responses, due to inhibition of CK biosynthesis.
Synergistic interactions
While the different cold-stress protectants investigated in this study induced similar protective plant responses, synergistic effects were obtained by combined applications (Chapter 6). The combination of CombiA inoculation with Zn/Mn supplementation further increased the plant micronutrient status and the cold-protective effects of CombiA. For all treatments, generally the expression of cold-protective effects was further improved by use of DMPP-stabilized ammonium fertilizers instead of nitrate fertilization. Ammonium fertilization promoted micronutrient acquisition via root-induced rhizosphere acidification, increased the ABA shoot concentrations with a moderate activation of metabolic cold stress responses and stimulated root colonization of Trichoderma harzianum OMG16 (CombiA).
Field performance
A comparative evaluation of the various cold protectants under field conditions with stabilized ammonium starter fertilization, revealed a severely reduced seedling emergence at six weeks after sowing (44%) due to extremely cold and wet soil conditions by the end of April in 2016, associated with a low Zn-nutritional status (32 mg kg-1 shoot DM). Significant improvements were recorded particularly for starter treatments including Zn/Mn seed dressing (emergence 56%) or seed priming with K2SiO4 (emergence 72%) and also by inoculation with the fungal PGPM strain Penicillium sp. BFOD (emergence 49%) associated with a doubling of the Zn tissue concentrations. Even after re-sowing, a significant yield increase for silo maize was recorded exclusively for the K2SiO4 treatment (Chapter 5). Taken together, the findings suggest that exploitation of synergistic interactions by combined starter applications of protective nutrients with selected biostimulants, could offer a cost-effective option for cold-stress prophylaxis in sensitive crops.Der Einsatz sogenannter Biostimulanzien auf Basis pflanzenwachstums-stimulierender Mikroorganismen, verschiedener Pflanzen-, Kompost- oder Algenextrakten, Protein-hydrolysaten oder Chitosanderivaten etc., aber auch Mineralstoffe mit Schutzfunktionen, wie z.B. Zink (Zn), Mangan (Mn), Bor (B), Calcium (Ca) oder Silizium (Si) wird in zahlreichen kommerziellen Formulierungen zur Erhöhung der pflanzlichen Stresstoleranz empfohlen. Die vorliegende Arbeit befasst sich daher exemplarisch mit der Charakterisierung der Wirkungen ausgewählter Biostimulanzien zur Erhöhung der Kältetoleranz in der Jugendentwicklung von Mais, als einer der Hauptstressfaktoren beim Anbau tropischer und subtropischer Kulturpflanzen in gemäßigten Klimazonen.
Kältestress und Mikronährstoff-Supplementierung
Kältestress, der durch moderat erniedrigte Bodentemperaturen von 8-14°C in einem kontrollierten Wurzelraumkühlungssystem induziert wurde, führte zu einer Hemmung des Sprosswachstums, oxidativen Blattschäden (Chlorosen, Nekrosen, Bildung von Stress-anthocyanen) und einem drastischen Rückgang des Wurzelwachstums (Kapitel 4 und 5). Durch die Wurzelwachstumshemmung wurde die Nährstoffaneignung generell beeinträchtigt. Jedoch wurde physiologischer Nährstoffmangel explizit für Zn und Mn diagnostiziert, der offensichtlich wesentlich für die beobachteten Beeinträchtigungen der Pflanzenentwicklung verantwortlich war, und durch Zn und Mn Supplementierung behoben werden konnte, verbunden mit einer allgemein verbesserten Nährstoffaufnahme und einer effizienteren Erholung nach Beendigung der Kälteperiode. Zink und Manganmangel beeinträchtigten hauptsächlich die Mikronährstoffaufnahme, denn die Mangelsymptome traten sogar in Nährlösungskultur auf, wenn alle Nährstoffe frei verfügbar waren. Die Schutzwirkung einer Zn/Mn Supplementierung war nur nachweisbar, wenn die Mikronährstoffe vor Beginn der Stressperiode über Einquellen des Saatgutes mit Mikronährstofflösung, Saatgutbeizung oder Fertigation appliziert wurden, solange eine Aufnahme und Verlagerung innerhalb der Pflanze noch möglich war. Eine Transkriptomanalyse im Sprossgewebe (Kapitel 7) ergab 1400 differenziell exprimierte Transkripte (DETs) nach 7-tägiger Kältebehandlung von Maiskeimlingen bei 12°C, die hauptsächlich im Zusammenhang mit verminderter Expression bestimmter funktioneller Kategorien (BINs) standen, in Verbindung mit der Photosynthese, Synthese von Aminosäuren, Lipiden und Zellwandvorstufen, Transport von Mineralstoffen (N,P,K), Interaktionen mit metallischen Kationen, der Synthese von Wachstumshormonen (Auxine, Gibberellinsäure) aber auch von Jasmon-, (JA) und Salicylsäure (SA) mit Beteiligung an der Regulation von Stressanpassungen. In Übereinstimmung mit dem beeinträchtigten Mikronährstoffstatus und der Ausbildung oxidativer Blattschäden als Folge der Kältebehandlung, wurde auch eine verminderte Expression von Transkripten in Verbindung mit der oxidativen Stressabwehr beobachtet (Superoxiddismutasen SOD, Katalase, Peroxidasen POD, Synthese von Phenylpropanoiden und Lignifizierung), die besonders auf eine ausreichende Versorgung mit Mikronährstoffen als Co-Faktoren angewiesen ist. Erhöhte Expression wurde für BINs in Verbindung mit dem Abbau von Lipiden und Zellwandvorstufen, der Synthese von Wachsen und bestimmter Flavonoide sowie von Stresshormonen wie Abscisinsäure (ABA) und Ethylen und dem Abbau wachstumsfördernder Cytokinine (CK) beobachtet. Entsprechend erhöhte die Supplementierung von Zn und Mn die Bildung von Anthocyanen und Antioxidanzien, die Aktivitäten von Superoxiddismutase und Katalase, verbunden mit verminderter Akkumulation freier Radikale (H2O2), einer Verminderung oxidativer Blattschäden und einer verbesserten Erholung nach Ende der Kältestressperiode (Kapitel 5 und 6).
Wirkung von Algenextrakten Die Fertigation mit Algenextrakten vor Beginn der Kältebehandlung zeigte ähnliche Kälteschutzwirkungen wie die Zn/Mn Supplementierung (Kapitel 4). Jedoch war diese Wirkung nur bei Algenextraktformulierungen mit hohem Zn/Mn Konzentrationen nachweisbar (Algavyt+Zn/Mn; Algafect; 6-70 mg kg TM-1), jedoch nicht bei einer stärker aufereinigten Formulierung (Superfifty) ohne nachweisbaren Mikronährstoffgehalt. Dies weist auf eine Mikronährstoffwirkung der Algenextrakte bei Bodenapplikation hin und nicht auf Elicitoreffekte, die in der Literatur häufig für Blattapplikationen beschrieben werden.
Silizium Düngung Ähnlich wie die Algenextrakte zeigte auch Siliziumapplikation über Saatgutbehandlung oder Fertigation mit Kieselsäure die typischen Kälteschutzeffekte einer Zn/Mn-Supplementierung bei Maiskeimlingen (Kapitel 5). Der Zn/Mn-Status Si-behandelter Pflanzen wurde signifikant erhöht, obwohl keine zusätzliche Mikronährstoffdüngung erfolgt war. Allerdings verminderte die Si Behandlung die durch Membranschäden induzierten Mikronährstoffverluste keimender Maissamen unter Kältestress signifikant um 50-70% und förderte die Zinkverlagerung in den Spross. Dabei traten Genexpressionsprofile vergleichbar mit ungestressten Kontrollpflanzen auf. Allerdings wurde die Expression von Genen in Verbindung mit der Synthese und Signaltransduktion von ABA, als zentraler Regulator pflanzlicher Anpassungen an Kältestress, sogar noch stärker erhöht als bei kältegestressten Kontrollpflanzen. Entsprechend wurde die Expression von Kältestressanpassungen im Zusammenhang mit der oxidativen Stressabwehr (SOD, POD, Phenole, Antioxidanzien) in ähnlicher Weise erhöht wie nach Zn/Mn Supplementierung und oxidative Blattschäden entsprechend vermindert.
Pflanzenwachstums-stimulierende Mikroorganismen Für einige mikrobielle Inokulanzien auf Basis von Pilz-, und Bakterienstämmen konnten Kälteschutzfunktionen nachgewiesen werden (Kapitel 6). Jedoch traten signifikante Schutzwirkungen nur bei zwei von fünf getesteten Formulierungen auf (Pseudomonas sp., DSMZ13134, Bacillus amyloliquefaciens FZB42, Bacillus atrophaeus ABI05, Penicillium sp. PK112 (BFOD) und ein Konsortium aus Trichoderma harzianum OMG16 und 5 Bacillus Stämme (Combi-A) mit signifikanten Effekten für BFOD und besonders für CombiA. Das CombiA-Konsortium erhöhte die Wurzellänge signifikant und verminderte oxidative Blattschäden in Verbindung mit erhöhter Aktivität von SOD und POD, sowie Akkumulation von Phenolen und Antioxidanzien, Die Förderung des Wurzelwachstums war mit erhöhten Gewebekonzentrationen von Indolessigsäure (IAA) und erhöhter Expression von Genen der IAA-Synthese (ZmTSA), IAA-Transport (ZmPIN1A) und der IAA Signalperzeption (ZmAFR12) verbunden. Die Konzentrationen von ABA wurden durch die Inokulanzien nicht beeinflusst aber die Sprosskonzentrationen von JA und SA stiegen an, was auf eine induzierte systemische Resistenzreaktion (ISR) hindeutet. Darüber hinaus wurden die Konzentrationen von Cytokininen (CKs) als ABA-Antagonisten verringert was zu einem erhöhten ABA/CK Verhältnis und einer erhöhten Expression ABA-responsiver Gene (ZmABF2) führte. Diese Beobachtungen weisen auf eine wurzelwachstumsfördernde Wirkung von CombiA über Interaktionen mit dem pflanzlichen Auxinstoffwechsel hin, sowie auf eine Aktivierung von Kältestressanpassungsreaktionen durch ISR-Induktion über JA/SA-vermittelte Signaltrans-duktion und ABA-abhängige Stressantworten, in Folge der gehemmten CK Synthese.
Synergistische Interaktionen Während die verschiedenen, in dieser Arbeit getesteten Kälteschutzapplikationen ähnliche Schutzwirkungen induzierten, konnten durch kombinierte Anwendungen auch synergistische Effekte induziert werden. Die kombinierte Inokulation von CombiA mit Zn/Mn Supplementierung führte zu einem erhöhten Zn/Mn Ernährungsstatus, der die Schutzwirkung von CombiA noch weiter verbesserte. Bei allen Behandlungen konnte die Kälteschutzwirkung durch die Verwendung DMPP-stabilisierter Ammoniumdünger an Stelle von Nitratdüngung weiter erhöht werden. Ammonium Düngung verbesserte die Mikronährstoffaneignung durch wurzelinduzierte pH-Absenkung in der Rhizosphäre, erhöhte die Sprosskonzentrationen von ABA verbunden mit einer moderaten Aktivierung der Kälteschutzanpassungen und verbesserte die Wurzelbesiedelung mit Trichoderma harzianum OMG16 (CombiA).
Anwendung unter Feldbedingungen, Eine vergleichende Untersuchung der Wirkung der verschiedenen Kälteschutzanwendungen mit stabilisierter Ammonium Starterdüngung im Feldversuch, ergab einen drastisch verminderten Feldaufgang sechs Wochen nach Aussaat (44%) als Folge von extrem hoher Bodenfeuchte und niedriger Bodentemperaturen nach Aussaat Ende April 2016, verbunden mit einem niedrigen Zink-Ernährungsstatus (32 mg kg-1 Spross TM). Eine signifikante Verbesserung des Feldaufgangs wurde besonders durch Zn/Mn Saatgutbeizung (56%) Saatgutbehandlung mit K2SiO4 (72%) aber auch durch Inokulation mit dem Penicillium-Stamm BFOD (49%) erreicht. Dabei wurden die Zn-Sprosskonzentrationen verdoppelt. Selbst nach Lückennachsaat in Folge der massiven Kälteschäden, zeigte die K2SiO4 Behandlung noch eine signifikante Ertragserhöhung im Vergleich zur unbehandelten Kontrolle (Kapitel 5). Zusammenfassend weisen die Ergebnisse darauf hin, dass besonders durch synergistische Wirkungen kombinierter Applikationen von Mineraldüngern mit Schutzfunktionen und ausgewählten Biostimulanzien, kostengünstige Anwendungen für die Kältestressprophylaxe bei kälteempfindlichen Kulturpflanzen entwickelt werden könnten
