2013 research outputs found
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Data quality and information loss in standardised interpolated path analysis : quality measures and guidelines
Get PDFStandardised interpolated path analysis (SIPA) is a method to
investigate negotiation processes making different negotiation histories
comparable. Due to its interpolation approach, researchers employing SIPA must
take data quality and potential information loss into account to maximise the
methods explanatory power. This paper presents quality measures and applies
them to two negotiation datasets for deriving meaningful boundaries. Using these
quality measures enables researchers to compare SIPA across segmentations,
variables, and datasets also providing outlier analysis
Investigating climate change perception and expectation formation for the advancement of agent-based models applied to agricultural adaptation assessment
Get PDFTo inform more realistic representations of farmer decision making in agent-based simulation models applied to agricultural adaptation assessment at the regional scale, the present thesis investigates three areas of central importance for judgments about farm-level reactions to climate change: (i) perception of changes in local weather conditions and expectations about their effects; (ii) reception of signals from the biophysical environment and their interpretation in terms of socially constructed understandings of climate change, farm-level risks, and perceived adaptation capacity; and (iii) the nature of expectation mechanisms involved in the formation of judgments about climatic changes. For this purpose, three types of empirical approaches were used: questionnaire-based surveys conducted with farmers from two study areas in Southwest Germany, the Central Swabian Jura and the Kraichgau; a questionnaire-based comparative study of farmer school students and pre-first-semester undergraduate university students enrolled in study programs related to agriculture without experience in farming and no study experience; and economic lab experiments conducted with farming practitioners (experienced farmers and farmer school students) and university students from agriculture-related study programs with several semesters of study experience.
Based on these empirical findings, the following recommendations for the agent-based modeling software MPMAS are derived: (i) agent-specific levels of climate change awareness should be accounted for to reflect the effects of personal experiences with climate change outcomes, social norms and individual-specific learning patterns and coping behavior; (ii) the effects of incomplete information assessment and risk aversion should be reflected in the imputed selection mechanism for climate change response, i.e. for the choice of adaptation measures; and (iii) experimental results should be used to inform modeled expectation mechanisms of agents, currently implemented for judgments about future prices and yields.Um eine realistische Abbildung des Entscheidungsverhaltens von Landwirten in agentenbasierten Modellen für die Simulation der Anpassung des Landwirtschaftssektors an die Folgen des Klimawandels auf regionaler Ebene zu ermöglichen, beschäftigt sich diese Dissertation mit drei Bereichen von zentraler Bedeutung für Entscheidungen zu Anpassungsmaßnahmen auf Betriebsebene: 1. Der Wahrnehmung von Veränderungen der lokalen Wetterbedingungen und den Erwartungen zu deren Auswirkungen; 2. Der Wahrnehmung von Signalen aus der biophysikalischen Umwelt und ihrer Interpretation in Form eines gesellschaftlich konstruierten Verständnisses von Klimawandel, Risiken auf Betriebsebene und wahrgenommener Anpassungsfähigkeit; und 3. Der Art von Erwartungsbildungsmechanismen die bei der Beurteilung klimatischer Veränderungen und deren Auswirkungen eine Rolle spielen. Für diese Zielsetzung wurden drei Arten von empirischen Verfahren angewandt: Fragebogenbasierte Erhebungen unter Landwirten aus zwei Untersuchungsregionen in Südwestdeutschland, der Zentralen Schwäbischen Alb und dem Kraichgau; eine fragebogenbasierte, vergleichende Studie zwischen landwirtschaftlichen Techniker- und Meisterschülern und Universitätsstudierenden aus Bachelorstudiengängen mit Agrarbezug, jedoch ohne landwirtschaftlichen Hintergrund und ohne Studienerfahrung; und ein computerbasierter, experimentalökonomischer Ansatz mit landwirtschaftlichen Praktikern (Landwirten, landwirtschaftlichen Techniker- und Meisterschülern) und Universitätsstudierenden aus Studiengängen mit Agrarbezug sowie mehreren Semestern Studienerfahrung.
Basierend auf diesen empirischen Erkenntnissen werden folgende Empfehlungen für die agentenbasierte Modellierungssoftware MPMAS abgeleitet: 1. Klimawandelbewusstsein sollte auf Ebene der Agenten abgebildet werden, um die Effekte persönlicher Erfahrungen mit Klimawandel, sozialer Normen und individueller Lern- und Bewältigungsstrategien abbilden zu können; 2. Die Effekte unvollständiger Informationsakquise und -verarbeitung sowie von Risikoaversion sollten im für Klimareaktionen (d.h. für die Wahl von Anpassungsmaßnahmen) angenommenen Entscheidungsmechanismus widergespiegelt werden; 3. Die mit dem experimentalökonomischen Ansatz gewonnen Erkenntnisse sollten verwendet werden, um die angenommenen Erwartungsbildungsmechanismen, die bisher für zukünftige Preise und Ernten explizit abgebildet sind, zu ergänzen
Stirring up sorghum hybrid breeding targeting West African smallholder farmers low input environments
Get PDFFood supply and income in rural areas of West Africa (WA) depend strongly on the local production, and mostly on farmers field production of root and tuber crops, and cereals. To feed an ever-increasing population in a context of climate-change and low-input cultural conditions, breeding for resilient crops can guarantee smallholder farmers food security and cash income for a sustainable rural development.
Sorghum hybrids for WA were first explored in the early 1970s and hybrid crosses of Malian landraces with introduced Caudatum-race seed parents were evaluated in the early 80s. Although those hybrids exhibited good heterosis for grain yield, their lack of grain quality made them commercially unsustainable. Efforts by the International Crops Research Institute for the Semi-Arid Tropics (ICRISAT) and its partners resulted in the first series of Guinea-race based hybrids. The short statured hybrids were evaluated in several on-farm farmer-managed yield trials, and showed satisfactory grain yield and quality under farmers cultivation conditions. Although taller- relative to shorter- height sorghum can help reduce risks of panicle loss by grazing transhumant cattle, no indication on the yield potential of the tall statured hybrids is available.
The advances achieved by ICRISAT and its partners in hybrid development justified establishing a long-term hybrid breeding program to provide farmers with hybrids with sufficient grain yield and good grain quality under low input conditions. However, the lack of quantitative genetic information about the genetic value of new experimental hybrids and their parents (Guinea-Caudatum to complete Guinea background, from different WA origins), or about the efficiency of alternative selection methods for targeting yield performance in the predominantly low-input and phosphorous-deficient sorghum production conditions hinders sorghum hybrid development for this region.
Sorghum hybrid breeding was commercially feasible only after the identification of a heritable and stable cytoplasmic male sterility (CMS) mechanism. Hybrid breeding in WA can benefit from molecular marker, especially for the fertility restoration/sterility maintenance of the predominant A1-type of CMS.
The major outcomes of this thesis are presented as follow:
Mean yields of tall hybrids were 3 to 17% (ranging from 6 to 28 g m−2) higher than that of the local check across all 37 on-farm farmer-managed environments and were highest (1447%) averaged across the seven trials with the lowest mean yields. The yields of the new set of experimental hybrids were substantially superior to farmers local Guinea-race varieties, with 20 to 80% higher means over all hybrids in both low phosphorus (LP) and high phosphorus (HP) environments. Average mid-parent and better-parent heterosis estimates were respectively 78 and 48% under HP, and 75 and 42% under LP. Direct selection under LP was predicted to be 20 to 60% more effective than indirect selection under HP conditions, for hybrid performance under LP. The combining ability estimates provide initial insights into the potential benefit of germplasm from further east in West and Central Africa for developing a male parental pool that is distinct and complimentary to the Malian female pool.
On chromosome SBI-05, we found a major A1 CMS fertility restorer locus (Rf5) explaining 19 and 14% of the phenotypic variation in either population. Minor quantitative trait loci (QTL) were detected in these two populations on chromosomes SBI-02, SBI-03, SBI-04 and SBI-10. In the third population, we identified one major A1 CMS fertility restorer locus on chromosome SBI-02, Rf2, explaining 31% of the phenotypic variation in the F2 mapping population. Pentatricopeptide repeat genes in the Rf2 QTL region were sequenced, and we detected in Sobic.002G057050 a missense mutation in the first exon, explaining 81% of the phenotypic variation in an F2:3 validation population and clearly separating B- from R-lines.
The Guinea-race hybrids substantial yield superiorities over well adapted local Guinea-race varieties suggests that a strategy of breeding hybrids based on Guinea-germplasm can contribute to improving the livelihood of many smallholder farmers in WA. Although the usefulness of direct selection under LP for hybrid performance in the predominantly P-limited target environments was proven, companion evaluations of hybrids under HP would be desirable to identify also new hybrids that can respond to improved fertility conditions for sustainable intensification. The developed KASP marker stands as a promising tool for routine use in WA breeding programs.Die Nahrungsmittelversorgung und das Einkommen in den ländlichen Gebieten Westafrikas (WA) hängen stark von der lokalen Produktion, vor allem von der Wurzel- und Knollenpflanzen sowie der Getreideproduktion der Landwirte ab. Um eine ständig wachsende Bevölkerung in Anbetracht des Klimawandels und unter Anbaubedingungen mit geringem Produktionsmitteleinsatz zu ernähren, kann die Züchtung widerstandsfähiger Nutzpflanzen den Kleinbauern Ernährungssicherheit und Einkommen für eine nachhaltige ländliche Entwicklung garantieren.
Die kleinwüchsigen Hybriden wurden in mehreren, von Landwirten geführten Ertragsversuchen auf landwirtschaftlichen Betrieben evaluiert und zeigten unter den Anbaubedingungen der Landwirte zufriedenstellende Getreideerträge und -qualität. Obwohl größeres, im Vergleich zu kürzerem Sorghum - dazu beitragen kann, das Risiko eines Rispenverlustes durch die Beweidung in Wanderweidewirtschaft gehaltenem Vieh zu verringern, gibt es keine Hinweise auf das Ertragspotenzial der hochwüchsigen Hybriden.
Die Fortschritte, die ICRISAT und seine Partner bei der Hybridentwicklung erzielt haben, rechtfertigten den Aufbau eines langfristigen Hybridzuchtprogramms, um den Landwirten Hybriden mit ausreichenden Getreideerträgen und guter Getreidequalität bei geringem Produktionsmitteleinsatz zur Verfügung zu stellen. Der Mangel an quantitativen genetischen Informationen über den genetischen Wert neuer experimenteller Hybriden und ihrer Eltern (Guinea-Caudatum bis vollständiger Guinea Hintergrund, aus unterschiedlicher WA Herkunft) oder über die Effizienz alternativer Selektionsmethoden zur Ausrichtung der Ertragsleistung unter den überwiegend phosphorarmen Bedingungen mit geringem Produktionsmitteleinsatz behindert jedoch die Hybridentwicklung von Sorghum für diese Region.
Die Sorghum-Hybridzüchtung war erst nach der Identifizierung eines vererbbaren und stabilen zytoplasmatischen männlichen Sterilisationsmechanismus (CMS) kommerziell möglich. Die Hybridzüchtung in WA kann von molekularen Markern, vor allem für die Fruchtbarkeitswiederherstellung/Sterilitätserhaltung des vorherrschenden A1 CMS Typs, profitieren.
Die wichtigsten Ergebnisse dieser Arbeit werden wie folgt dargestellt:
Die mittleren Erträge hoher Hybriden waren 3 bis 17% (im Bereich von 6 bis 28 g m-2) höher als die der lokalen Kontrollsorte in allen 37 von Landwirten verwalteten Umwelten und waren am höchsten (14-47%), gemittelt über die sieben Versuche mit den niedrigsten Durchschnittserträgen. Die Erträge der neuen, experimentellen Hybriden waren mit 20 bis 80% höheren Mittelwerten über alle Hybriden, wesentlich höher als die der lokalen Guinea-Rasse Sorten der Bauern. Sowohl in Umwelten mit niedrigem Phosphorgehalt (LP) als auch mit hohem Phosphorgehalt (HP). Die durchschnittlichen Schätzungen der Heterosis über das Elternmittel sowie über den besseren Elter lagen bei 78 bzw. 48% unter HP und 75 bzw. 42% unter LP. Es wurde berechnet, dass die direkte Selektion unter LP 20 bis 60% effektiver ist als die indirekte Selektion unter HP-Bedingungen für die Hybridleistung unter LP. Die Schätzung der Kombinationsfähigkeit liefern erste Erkenntnisse über den potenziellen Nutzen von Genmaterial aus weiter östlich gelegenen Gegenden West- und Zentralafrikas für die Entwicklung eines männlichen Elternpools, der sich vom malischen weiblichen Pool unterscheidet und ihn ergänzt.
Auf dem Chromosom SBI-05 fanden wir einen großen A1 CMS Fertilitätswiederherstellungs-Locus (Rf5), der 19 und 14% der phänotypischen Variation in beiden Populationen erklärt. Regionen eines quantitativen Merkmals (QTL) mit geringem Effekt wurden in diesen beiden Populationen auf den Chromosomen SBI-02, SBI-03, SBI-04 und SBI-10 nachgewiesen. In der dritten Population identifizierten wir einen großen A1 CMS Fertilitätswiederherstellungs-Locus auf dem Chromosom SBI-02, Rf2, der 31% der phänotypischen Variation in der F2-Kartierungspopulation erklärt. Pentatricopeptid repeat Gene in der Rf2-QTL-Region wurden sequenziert, und wir entdeckten in Sobic.002G057050 eine sinnverändernde Punktmutation im ersten Exon, die 81% der phänotypischen Variation in einer F2:3-Validierungspopulation erklärt und B- von R-Linien klar trennt.
Die erheblichen Ertragsüberlegenheiten der Guinea-Rasse Hybriden gegenüber gut angepassten lokalen Guinea-Rasse Arten deuten darauf hin, dass eine strategische Hybridzüchtung auf der Grundlage von Guinea-Keimmaterial zur Verbesserung der Lebensgrundlage vieler Kleinbauern in WA beitragen kann. Obwohl die Nützlichkeit der direkten Selektion unter LP für die Hybridleistung in den überwiegend P-begrenzten Zielumwelten etabliert wurde, wären Begleitbewertungen von Hybriden unter HP wünschenswert, um auch neue Hybride zu identifizieren, die auf verbesserte Fertilitätsbedingungen für eine nachhaltige Intensivierung reagieren können. Der entwickelte KASP-Marker steht als vielversprechendes Werkzeug für den routinemäßigen Einsatz in WA-Zuchtprogrammen bereit
Essays on pre-commitment in Germany
Get PDFAs a superordinate topic, the thesis analyzes and evaluates selected pre-commitment tools that are available in the German gambling context. Pre-commitment is a form of self-binding that allows gamblers to limit money and time spent on gambling before they start a session. This is based on the underlying idea that gamblers will benefit from the fact that expenses and duration of stay are determined before commencing a gambling session, when they are not yet in a state of emotional arousal and hence more capable of deciding rationally. The most extreme form of limitation is the exclusion from gambling.
While other countries established formalized pre-commitment systems allowing gamblers in arcades to limit time and money spent on gambling and/or self-exclude from establishments, Germany has not established such a comprehensive scheme yet. There are, however, certain types of gambling, for which at least exclusions are regulated, enforced and externally binding. To further improve the exclusion schemes, it is important to understand the drivers of exclusions. Hence, the second and third chapter of this thesis analyze the drivers for the variation of the number of exclusions between municipalities. Next to sociodemographic characteristics, the models also contain availability measures. Other than most countries, Germany distinguishes between casinos and gambling arcades. Casinos offer table games as well as automated gambling, whereas gambling arcades only provide electronic gambling machines (EGMs hereafter). Both establishments naturally attract different clientele, hence, a thorough examination of these two different types of gamblers is important.
Chapter two concentrates on analyzing which variables drive the differences in the number of exclusions from casinos throughout German municipalities. This chapter aims to analyze the degree to which sociodemographic factors and proximity measures can be used to explain the variation in the number of excluded gamblers across German communities. At the time of the analysis, the exclusion file consisted of 31,118 unambiguously assignable entries distributed among 3,091 communities. The results of the study suggest that excluders are more likely to be male, between 30 and 39 years old, and less likely to be single. As only few of the sociodemographic variables yield significant results, we can only partially confirm the well-established risk factors for problematic or pathological gambling. Additionally, the results show that the number of exclusions increases with close proximity to gambling establishments. The distance to the closest casino has a negative impact on exclusions. This is backed up by the finding indicating that in relation, there are more exclusions in communities where casinos are located directly.
Chapter three deals with a similar research question, which this time is tailored to excluders from gambling arcades in Hesse, Germany. The aim of the paper is to identify significant predictors that are useful in explaining the variation of exclusions between different Hessian communities. This data set contains 11,902 exclusions that are distributed among 191 Hessian communities. Next to sociodemographic factors, we control for three different accessibility measures in two models: the number of electronic gambling machines in model I as well as the number of locations and density of gambling machines at a location in model II. Considering the sociodemographic variables, the explanatory power of the cross-sectional models is rather low. Only the age group of 30 to39-year-olds and those who are not in a partnership (in model I) yield significant results. Hence we are again not able to determine a specific sociodemographic background for self-excluders. The accessibility variables, on the other hand, turn out to be significantly associated with the number of exclusions. All three of them are statistically significant and their association is positive.
The fourth chapter deals with self-limitation, which is another type of pre-commitment. As there has existed no formalized limit scheme in Germany, it is left to evaluate voluntary and self-initiated limits that are frequently used as self-management strategies by gamblers, independent of their gambling severity. The analysis yields promising results. 50 percent of gamblers use at least one limit. There are significant differences in most variables concerning gambling behavior. Gamblers with limits consistently spend significantly less time and money in gambling arcades.
The overarching goal of this doctoral thesis is to provide insights considering pre-commitment tools that can be used in the German gambling context. It shows that pre-commitment is an accepted and widely used instrument with positive consequences for gamblers. It is therefore worthwhile in any case to further expand the existing programmes.Als übergeordnetes Thema analysiert und evaluiert die Dissertation ausgewählte Pre-Commitment-Instrumente, die auf dem deutschen Glücksspielmark zur Verfügung stehen. Pre-Commitment ist eine Form der Selbstbindung, die es den Spielern ermöglicht, Geld und Zeit, die sie für das Spielen aufwenden, zu begrenzen, bevor sie mit dem Spielen beginnen. Dem liegt die Idee zugrunde, dass Spieler davon profitieren, wenn sie die Ausgaben und die Aufenthaltsdauer vor Beginn einer Spielsitzung festlegen. Zu diesem Zeitpunkt befinden sie sich noch nicht in einem Zustand emotionaler Erregung und sind daher eher in der Lage, rational zu entscheiden. Die extremste Form der Limitation stellt dabei die Spielersperre dar.
Während andere Länder formalisierte Pre-Commitment-Systeme eingeführt haben, die es Spielern in Spielhallen ermöglichen, Zeit und Geld für das Spielen zu begrenzen und/oder sich selbst zu sperren, gibt es in Deutschland noch keine vergleichbaren Möglichkeiten. Es gibt nur bestimmte Glücksspielformen, für die wiederum lediglich die Sperre durchsetzbar und nach außen hin verbindlich ist.
Um die Sperrsysteme weiter zu verbessern, ist es wichtig, die Treiber für die Sperren zu verstehen. Deshalb liegt der Fokus der Kapitel zwei und drei dieser Arbeit auf der Analyse von Faktoren, die die Variation der Anzahl der Sperren zwischen deutschen Gemeinden beeinflussen. Neben soziodemographischen Merkmalen wird jeweils auch der Effekt von Verfügbarkeit auf die Anzahl der Sperren untersucht.
Anders als in den meisten Ländern wird in Deutschland zwischen Spielbanken und Spielhallen unterschieden. Spielbanken bieten sowohl Tischspiele als auch automatisiertes Glücksspiel an, während in Spielhallen nur elektronische Geldspielgeräte (im Folgenden: GSG) zur Verfügung stehen. Beide Einrichtungen ziehen naturgemäß eine unterschiedliche Klientel an, daher ist eine gründliche Untersuchung dieser beiden unterschiedlichen Arten von Spielern wichtig.
Kapitel zwei konzentriert sich auf die Analyse der Faktoren, die die Unterschiede in der Anzahl der Spielbankensperren zwischen deutschen Kommunen treiben. Es wird analysiert, inwieweit soziodemographische Faktoren und Distanzmaße zur Erklärung der Variation der Anzahl gesperrten Spieler in deutschen Gemeinden herangezogen werden können. Zum Zeitpunkt der Analyse enthielt die Sperrdatei 31.118 eindeutig zuordenbaren Einträge, die sich auf 3.091 Gemeinden verteilten. Die soziodemographischen Variablen weisen nur vereinzelt einen signifikanten Einfluss auf. Allerdings zeigen die Ergebnisse, dass die Zahl der Sperren mit sinkender Distanz zu Glücksspieleinrichtungen zunimmt. Dies wird dadurch bestätigt, dass es durchschnittlich mehr Sperren in Gemeinden gibt, in denen Spielbanken direkt ansässig sind.
Der Beitrag in Kapitel drei befasst sich mit einer ähnlichen Forschungsfrage, diesmal jedoch mit Fokus auf in Spielhallen in Hessen gesperrte Spieler. Ziel ist es, signifikante Prädiktoren zu identifizieren, die die Anzahl Sperren in hessischen Gemeinden treiben. Der hierbei verwendete Datensatz enthält 11.902 Sperren, die sich auf 191 Gemeinden verteilen. Neben den soziodemographischen Faktoren wird für drei verschiedene Verfügbarkeitsmaße in zwei Modellen kontrolliert: die Anzahl der GSG in Modell I sowie die Anzahl der Standorte und die Dichte der Spielautomaten an einem Standort in Modell II. Der Erklärungsgehalt der soziodemographischen Variablen ist gering. Es lässt sich erneut kein soziodemographischen Profil für selbst-gesperrte Spieler bestimmen. Die Verfügbarkeitsvariablen hingegen erweisen sich als signifikante Treiber für die Anzahl der Sperren. Alle drei sind statistisch signifikant und ihr Zusammenhang ist positiv.
Das vierte Kapitel befasst sich mit monetären und zeitlichen Limits. Da es in Deutschland kein formalisiertes, also extern bindendes Limitsystem gibt, können lediglich Aussagen über freiwillige und selbst initiierte Limits, die von Spielern häufig als Selbstverwaltungsstrategien eingesetzt werden, getroffen werden. Der Fokus dieses Kapitels liegt auf der Frage, ob ein signifikanter Unterschied in bestimmten Spielverhaltensvariablen zwischen Spielern gefunden werden kann, die sich Limits setzen und denen, die dies nicht tun. Die Analyse liefert vielversprechende Ergebnisse. 50 Prozent der Spieler nutzen mindestens ein Limit. Zudem gibt es gibt signifikante Unterschiede in den meisten Variablen, die das Spielverhalten betreffen. Spieler mit Limits verbringen durchweg deutlich weniger Zeit in Spielhallen und geben weniger Geld aus.
Das übergreifende Ziel dieser Doktorarbeit ist es, Pre-Commitment Instrumente zu untersuchen, die im deutschen Glücksspielkontext genutzt werden können. Die Ergebnisse zeigen, dass Pre-Commitment ein akzeptiertes und vielfach genutztes Instrument ist, das mit positiven Konsequenzen für die Spieler einhergeht. Daher lohnt es sich in jedem Fall, die bestehenden Programme weiter auszubauen
Profiling of physiological responses and quality aspects in Vitis vinifera L. as influenced by aspects of N application
Get PDFViticulture and the vinification of vines (Vitis vinifera L.) to wine is an important branch in agriculture world-wide. Berry quality and the associated wine quality are the driving factors here. Nitrogen (N) is the most important plant nutrient for the grapevine. In addition to its influence on vegetative and generative growth, it determines significantly the metabolite composition and the oenological parameters of the grape berry. Nitrogen is present in various forms, such as nitrate, ammonium or amino acid, in the individual plant organs and is used differently by the grapevine. Grapevines are believed to have the ability to assimilate N in various forms, which in turn may affect the quality of berries and the resulting wine.
For a better understanding of the effects of N on berry and wine quality, knowledge of which N-form can be assimilated by the vine and the way that this affects oenological parameters and quality-giving metabolites is essential. To this end, several investigations were carried out at various test levels, starting with hydroponic experiments, a pot experiment and a further field experiment, and on the matured wine. The various N-forms of nitrate, ammonium, urea and the amino acids arginine and glutamine were applied, following which the plant-physiological reactions of the grapevine and quality-determining parameters in berry and wine were measured. Furthermore, a metabolite profile with a focus on phenolic components was prepared and a sensory analysis of the wine was performed.
The grapevines in the hydroponics and pot experiments were treated with 4 mM total N. The grapevines in the field experiment were fertilized with 60 kg N ha-1, calculated in relation to the block size. The rootstocks SO4 and RU140 showed similar patterns of N assimilation with respect to the N-form but differed significantly with regard to the level of growth and N content among all N-forms. The N-sensitive rootstock SO4 reacted more strongly than the rootstock RU140 and, therefore, SO4 was used for further experiments. This suggests that grapevines are able to assimilate the amino acids glutamine and arginine, as also shown by the enzymatic nitrate reductase activity and the increased abundance of the transcripts of nitrate reductase and nitrite reductase. Nevertheless, the N-forms NO3- and NH4+ were preferentially assimilated. The assimilation under urea treatment was significantly reduced. In addition to the N-form, the amount of N applied had an influence on N assimilation in the grapevine. With increasing amounts, the vegetative and generative growth increased up to a threshold. However, if this threshold was exceeded, both were significantly reduced. If the grapevine is overfertilized, the sink : source ratio changes, which will lead to a change in the biomass production and furthermore to a saturation and storage of N. In addition, competition for assimilates occurs, this alters the N distribution and N availability within the plant and the berries. The N-form has no influence on berry yield.
The oenological and chemical parameters of the must and the wine are of enormous importance for product quality. The key components include pH and acidity, which contribute significantly to the organoleptic properties of wine. Both factors are influenced by the N-form and the amount of N offered. As the amount of N increases, the pH increases and the acidity decreases. The N-forms NO3- and urea and, the zero application (without additional N) show the highest influences. The must weight is a defining factor reflecting the berrys maturity and thus the time of harvest. As the amount of N increases, the must weight decreases. On the one hand, an increased N amount leads to lower acidity in the berry, indicating that more sugar is being stored and that the berry is in an advanced stage of maturity. On the other hand, an increased N amount leads to a decreasing must weight, which leads further to a maturation delay. The total phenolic content increases with increasing N amount, but is highest following zero N application. Tentative phenols measured in the metabolite profile are markedly down-regulated after urea treatment and are upregulated with NO3- following NH4+ treatment. This result might arise from reduced N assimilation in the root and thus reduced N availability for the berries.
The influence of N on the aroma and sensory aspects of wine is controversial. The individual aroma attributes show both an increase and a decrease in their intensity attributable to N, mainly urea and NO3-. A marked influence between N-treated vines and the zero application is also apparent. However, these contrasting results clearly show that aroma and thus the sensory characteristics of wine can be influenced both positively and negatively.
The results of the aroma and sensory evaluation in the agroforestry system underline once again the controversial influence of N on the sensory features of wine; no significant influence was measured.
In summary, N has a significant influence on the vegetative and generative growth of the grapevine. The influence of N can be both positive and negative and is in part directly or indirectly linked to wine quality and should therefore not be ignored.Der Weinbau und der Ausbau von Weinreben (Vitis vinifera L.) zu Wein ist ein bedeutender Zweig in der Landwirtschaft weltweit. Die Beerenqualität und die damit verbundene Weinqualität gelten hierbei als treibende Faktoren. Stickstoff (N) ist der wichtigste Pflanzennährstoff für die Weinrebe. Neben seinem Einfluss auf das vegetative und generative Wachstum, bestimmt er maßgeblich die Metabolitenzusammensetzung und die oenologischen Parameter der Weinbeere. Stickstoff liegt in diversen Formen, zB. als Nitrat, Ammonium oder Aminosäuren in einzelnen Pflanzenorgangen vor und wird von der Weinrebe unterschiedlich genutzt. Es wird vermutet, dass die Rebe die Fähigkeit besitzt, N in verschiedenen Formen zu assimilieren, das sich wiederrum auf die Beeren- und Weinqualität auswirkt. Für ein besseres Verständnis, wie N die Beeren- und Weinqualität beeinflusst, ist es von enormer Bedeutung zu wissen, welche N-Form von der Rebe assimiliert werden kann. Um dies zu erreichen, wurden mehrere Versuche auf verschiedenen Versuchsebenen, von der Hydrokultur, über einen Topfversuch, bis hin zum Feldversuch und dem ausgebauten Wein, durchgeführt. Die N-Formen Nitrat, Ammonium, Harnstoff sowie die Aminosäuren Arginin und Glutamin wurden appliziert und pflanzenphysiologische Reaktionen der Weinrebe sowie qualitätsbestimmende Parameter in Beere und Wein gemessen. Des Weiteren wurde ein Metabolitenprofil mit dem Fokus auf phenolische Komponenten erstellt und eine sensorische Analyse des Weins durchgeführt. In den hydroponischen Kulturen als auch im Topfversuch wurden die Weinreben und die Unterlagsreben mit 4 mM reinem N behandelt. Im Feldversuch wurden die Weinreben mit 60 kg N ha-1 versorgt und auf die jeweilige Parzellengröße berechnet. Die Unterlagsreben SO4 und RU140 zeigten gleiche Muster in der N-Assimilation in Bezug auf Biomassebildung und N-Gehalt unter allen N-Formen, unterschieden sich jedoch deutlich in der Höhe der Ausprägung. Die N sensitive Unterlage SO4 reagierte stärker als die Unterlage RU140, daher wurde SO4 auch für die weiteren Versuche verwendet. Es konnte gezeigt werden, dass Weinreben in der Lange sind, auch die Aminosäuren Glutamin und Arginin zu assimilieren. Die enzymatische Nitratreduktaseaktivität sowie die gesteigerte Abundanz der Transkripte von Nitratreduktase und Nitritreduktase zeigten dies ebenfalls. Dennoch wurden die N-Formen NO3- und NH4+ präferiert assimiliert, deutlich verringert war die Assimilation unter Harnstoff. Neben der N-Form hatte vor allem die Menge an appliziertem N einen Einfluss auf die N-Assimilation. Mit steigender N-Menge, stiegen vegetatives und generatives Wachstum bis zu einem Schwellenwert an. Wurde dieser Schwellenwert jedoch überschritten, wurde beides signifikant reduziert. Wird die Weinrebe überdüngt, kommt es zu einer Veränderung im sink : source Verhältnis, dies führt zu einer Veränderung in der Biomassebildung und weiterhin zu einer Übersättigung und Einlagerung von N. Des Weiteren kommt es zu einer Konkurrenzsituation um Assimilate, dies verändert die N-Verteilung und die N-Verfügbarkeit in der Pflanze und in den Beeren. Die N-Form hatte auf den Beerenertrag keinen Einfluss. Die oenologischen und chemischen Parameter des Mostes und des Weins sind von enormer Bedeutung für die Qualität. Zu den wichtigsten Komponenten gehören der pH-Wert und der Säuregehalt, sie tragen maßgeblich zu den organoleptischen Eigenschaften des Weins bei. Beide Faktoren wurden von der N-Form und der angebotenen N-Menge beeinflusst. Mit steigender N-Menge, stieg der pH-Wert und der Säuregehalt sank. Die N-Formen NO3- und Harnstoff, sowie die unbehandelte Variante (keine N Applikation) zeigten den größten Einfluss. Das Mostgewicht gilt als definierender Faktor für die Reife der Beeren und bestimmt somit den Lesezeitpunkt. Mit steigender N-Menge sank das Mostgewicht. Einerseits führt eine erhöhte N-Menge zu einem geringeren Säuregehalt in der Beere, dies ist ein Indikator dafür, dass mehr Zucker eingelagert wird und die Beere sich in einem fortgeschrittenen Reifestadium befindet. Andererseits führt eine erhöhte N-Menge zu einem sinkenden Mostgewicht, das zu einer Reifeverzögerung führt. Der Gesamtphenolgehalt stieg mit steigender N-Menge, doch war er am höchsten bei der unbehandelten Variante. Die Phenole im Metabolitenprofil waren deutlich runterreguliert bei einer Behandlung mit Harnstoff und hochreguliert bei einer Behandlung mit NO3- und NH4+. Dies könnte aus einer verringerten N-Assimilation in der Wurzel und einer damit verringerten N-Verfügbarkeit für die Beeren resultieren. Der Einfluss von N auf das Aroma und die Sensorik im Wein ist ein kontrovers diskutiertes Thema. Die einzelnen Aromaattribute zeigen sowohl eine Erhöhung, als auch eine Verringerung der Intensität durch den Einfluss von N, hauptsächlich durch Harnstoff und NO3-. Außerdem gibt es einen deutlichen Einfluss, zwischen N behandelten Weinreben und der unbehandelten Variante. Diese kontrastierenden Ergebnisse zeigen jedoch deutlich, dass Aroma und somit auch die Sensorik von Wein sowohl positiv als auch negativ beeinflussbar ist. Die Ergebnisse der Sensorik im Agroforstsystem unterstreichen nochmals den kontroversen Einfluss von N auf die Sensorik, es konnte kein signifikanter Einfluss gemessen werden.
Zusammenfassend kann man sagen, dass Stickstoff einen deutlichen Einfluss auf das vegetative und generative Wachstum der Weinrebe hat. Diese Einflüsse können sowohl positiv als auch negativ (Überdüngung) sein und sind teilweise direkt oder indirekt mit der Weinqualität verbunden und sollten deshalb nicht außer Acht gelassen werden
Membrane targeting and insertion of the sensor protein KdpD and the C-tail anchored protein SciP of Escherichia coli
Get PDFIn E. coli, most inner membrane proteins are targeted in a co-translational manner by the universally conserved signal recognition particle (Bernstein et al. 1989; Valent et al. 1998; Schibich et al. 2016). SRP scans the translating ribosomes and binds with high affinity to an exposed SRP signal sequence, present in the nascent chain (Bornemann et al. 2008; Holtkamp et al. 2012; Saraogi et al. 2014). After targeting to the membrane-associated SRP receptor FtsY, the nascent membrane protein is forwarded to the Sec translocase or to the YidC insertase to be integrated into the bilayer (Miller et al. 1994; Cross et al. 2009; Welte et al. 2012; Akopian et al. 2013).
In general, the targeting and insertion pathways of inner membrane proteins in E. coli are already well studied. However, there is a special class of proteins, the C-tail anchored proteins with only a few members in E. coli, whose insertion mechanisms are unknown in prokaryotes to date. To study those insertion mechanisms, the C-tail anchored protein SciP was used as a model protein. SciP from the enteroaggregative E. coli is a structural component of the type 6 secretion system and contains a transmembrane domain (TMD) at the extreme C-terminal part from amino acid 184 to 206. This results in a large N-terminal cytoplasmic domain of 183 amino acids. In E. coli, there is another protein, the potassium sensor protein KdpD which shares with SciP the commonality of a large N-terminal cytoplasmic domain. KdpD is a four-spanning membrane protein with the first TMD starting at amino acid position 400. For both proteins, with the TMD being located far away from the cytoplasmic N-terminal part, it was thought that they cannot use the co-translational SRP pathway. However, it was shown that KdpD is targeted co-translationally by SRP and a cytoplasmic targeting signal located between amino acids 22-48 was identified (Maier et al. 2008).
In this study it was shown that the C-tail anchored protein SciP is also targeted early during translation by SRP. With fluorescence microscopy studies and sfGFP-SciP fusion constructs, two short hydrophobic regions in the N-terminal cytoplasmic domain (amino acids 12-20 and 62-71) were identified as being important for membrane targeting. With artificially stalled ribosomes exposing each of the targeting signal, microscale thermophoresis meausurements decoded that both signals bind to SRP and to a preincubated SRP-FtsY complex, mimicking the next targeting step. Cysteine-accessibilty assays demonstrated that SciP is the first described protein with two targeting signals since the deletion of one of the hydrophobic regions was compensated by the other remaining one in vivo.
To decipher the crucial features of the novel cytoplasmic SRP signal sequences of KdpD and SciP alterations in the signal sequences were analyzed with fluorescence microscopy using sfGFP fusion constructs and microscale thermophoresis measurements using stalled ribosomes. These studies revealed that the novel signal sequences have to exceed a threshold level of hydrophobicity to be recognized and bound by SRP and target sfGFP to the membrane. In addition, three positively charged amino acids in the KdpD SRP signal sequence were identified to promote SRP binding. To characterize the binding mechanism of SRP to the signal sequences, in vitro disulphide cross-linking studies with synthesized KdpD22-48, SciP1-27 and SciP54-85 peptides were performed. All three peptides could be cross-linked to the hydrophobic groove of SRP formed by the M domain, which correlates with the binding of SRP to other substrates. Taken together, the results show that SRP binding is not limited to the TMDs of proteins. SRP is also able to recognize short hydrophobic stretches in the cytoplasmic domain of inner membrane proteins.
Cysteine-accessibility assays with the C-tail anchored protein SciP decoded that not only SRP is involved in the delivery pathway but also the insertase YidC. With only 11 amino acids in the periplasmic domain SciP matches with the characteristics of other known YidC only substrates. By extending the C-tail of SciP it was found out that a critical length of 20 amino acids exists and that the exceed of this limit makes the insertion of SciP dependent on the Sec translocase. The studies with the extended C-tails of SciP helped to gain more general information about the YidC dependent insertion of proteins. The results obtained with the protein SciP are first indications about how the insertion of C-tail anchored proteins occurs in E. coli. It is assumed that the SRP system and the insertase YidC compensate the absence of the eukaryotic Get system, responsible for the insertion of eukaryotic tail-anchored proteins.In E. coli werden die meisten integralen Proteine co-translational durch das universell konservierte SRP an die Membran geleitet (Bernstein et al. 1989; Valent et al. 1998; Schibich et al. 2016). SRP scannt translatierende Ribosomen und bindet mit hoher Affinität an eine exponierte SRP Signalsequenz der naszierenden Proteinkette (Bornemann et al. 2008; Holtkamp et al. 2012; Saraogi et al. 2014). Nach dem Transport zum Membran-assoziierten SRP Rezeptor FtsY wird das naszierende Membranprotein an die Sec Translokase oder YidC zur Insertion in den Bilayer übergeben (Miller et al. 1994; Cross et al. 2009; Welte et al. 2012; Akopian et al. 2013). Allgemein sind die Transport- und Insertionswege von Membranproteinen in E. coli bereits sehr gut untersucht. Zu einer speziellen Proteinklasse, mit nur wenigen Proteinen in E. coli, gehören die sogenannten C-tail anchored Proteine, deren Insertionsweg in Prokaryoten bislang jedoch unbekannt ist. Um den Insertionsweg zu erforschen, wurde das C-tail anchored Protein SciP als Modellprotein ausgewählt. SciP aus dem enteroaggregativen E. coli stellt eine strukturelle Komponente des Typ 6 Sekretionssystems dar und besitzt eine Transmembrandomäne (TMD) am C-Terminus von Aminosäure (AS) 184 bis 206. Somit weist SciP eine große N-terminale cytoplasmatische Domäne von 183 AS auf. Ein weiteres E. coli Protein, das Sensorprotein KdpD, teilt mit SciP die Gemeinsamkeit einer großen N-terminalen cytoplasmatischen Domäne. KdpD ist ein vier-spänniges Membranprotein, bei dem die erste TMD nach 400 AS beginnt. Zunächst wurde angenommen, dass die spezielle Topologie dieser beiden Proteine einen co-translationalen SRP-abhängigen Transport ausschließt. Dennoch konnte gezeigt werden, dass KdpD durch ein cytoplasmatisches Transportsignal zwischen den AS 22 und 48 durch SRP erkannt und co-translational an die Membran gebracht wird (Maier et al. 2008). In dieser Studie wurde gezeigt, dass ebenfalls das C-tail anchored Protein SciP bereits zu Beginn der Translation durch SRP an die Membran geleitet wird. Mit Hilfe der Fluoreszenzmikroskopie und sfGFP-SciP Fusionskonstrukten wurden zwei kurze hydrophobe Bereiche in der N-terminalen cytoplasmatischen Domäne (AS 12-20 und 62-71) identifiziert, die wichtig für den Transport sind. Mit translations-pausierten Ribosomen, die jeweils eines der beiden Transportsignale von SciP exponieren, konnte durch Microscale Thermophorese entschlüsselt werden, dass beide Transportsignale während der Translation von SRP und einem SRP-FtsY Komplex gebunden werden. Über Cystein-Modifikationsstudien wurde bestätigt, dass SciP das erste beschriebene Protein mit zwei SRP-Signalen darstellt, da die Deletion eines der beiden Signale durch die Anwesenheit des jeweils anderen in vivo ausgeglichen werden kann.
Um die ausschlaggebenden Merkmale der neuartigen cytoplasmatischen SRP-Signalsequenzen von KdpD und SciP zu identifizieren, wurden die Signalsequenzen modifiziert. Die Auswirkungen wurden mit Hilfe von sfGFP-Fusionskonstrukten und der Fluoreszenzmikroskopie sowie mit der Microscale Thermophorese und künstlich pausierten Ribosomen analysiert. Damit wurde gezeigt, dass auch die neuartigen Signalsequenzen ein kritisches Hydrophobizitätslevel überschreiten müssen, um von SRP erkannt und gebunden zu werden und daraufhin zum Transport von sfGFP an die Membran führen. Desweiteren konnte gezeigt werden, dass drei positiv geladene AS in der SRP Signalsequenz von KdpD die SRP Bindung verstärken. Um den Bindemechanismus von SRP an die Signalsequenzen zu charakterisieren, wurden in vitro Disulfid-Crosslinking-Studien mit synthetisierten KdpD22-48, SciP1-27 und SciP54-85 Peptiden durchgeführt. Alle drei Peptide konnten an die hydrophobe Bindetasche der M-Domäne von SRP gebunden werden, was mit der Bindung anderer SRP Substrate übereinstimmt. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass die SRP Bindung nicht auf eine TMD eines Proteins beschränkt ist, sondern dass auch kurze hydrophobe Bereiche in cytoplasmatischen Domänen als SRP Signale agieren können. Cystein-Modifikationsstudien mit dem Protein SciP zeigten, dass nicht nur SRP sondern auch YidC am Insertionsprozess beteiligt ist. Mit nur 11 AS in der periplasmatischen Domäne stimmt diese Charakteristik mit anderen YidC Substraten überein. Durch die Verlängerung der periplasmatischen Domäne von SciP zeigte sich, dass es eine kritische Länge von 20 AS gibt und dass die Überschreitung die Insertion Sec-abhängig werden lässt. Anhand der Studien mit den verlängerten periplasmatischen Domänen von SciP konnten allgemeine Informationen über den YidC Insertionsprozess erlangt werden. Die Ergebnisse mit SciP sind die ersten Anhaltspunkte, wie die Insertion der speziellen C-tail anchored Proteine in E. coli stattfinden könnte. Es wird angenommen, dass das SRP System und die YidC Insertase das Fehlen des eukaryotischen Get-Systems, welches eukaryotische tail-anchored Proteine inseriert, ersetzen kann
Weighting methods for variance heterogeneity in phenotypic and genomic data analysis for crop breeding
Get PDFIn plant breeding programmes MET form the backbone for phenotypic selection, GS and GWAS. Efficient analysis of MET is fundamental to get accurate results from phenotypic selection, GS and GWAS. On the other hand inefficient analysis of MET data may have consequences such as biased ranking of genotype means in phenotypic data analysis, small accuracy of GS and wrong identification of QTL in GWAS analysis. A combined analysis of MET is performed using either single-stage or stage-wise (two-stage) approaches based on the linear mixed model framework. While single-stage analysis is a fully efficient approach, MET data is suitably analyzed using stage-wise methods. MET data often show within-trial and between-trial variance heterogeneities, which is in contradiction with the homogeneity of variance assumption of linear models, and these heterogeneities require corrections. In addition it is well documented that spatial correlations are inherent to most field trials. Appropriate remedial techniques for variance heterogeneities and proper accounting of spatial correlation are useful to improve accuracy and efficiency of MET analysis.
Chapter 2 studies methods for simultaneous handling of within-trial variance heterogeneity and within-trial spatial correlation. This study is conducted based on three maize trials from Ethiopia. To stabilize variance Box-Cox transformation was considered. The result shows that, while the Box-Cox transformation was suitable for stabilizing the variance, it is difficult to report results on the original scale. As alternative variance models, i.e. power-of-the-mean (POM) and exponential models, were used to fix the variance heterogeneity problem. Unlike the Box-Cox method, the variance models considered in this study were successful to deal simultaneously with both spatial correlation and heterogeneity of variance.
For analysis of MET data, two-stage analysis is often favored in practice over single-stage analysis because of its suitability in terms of computation time, and its ability to easily account for any specifics of each trial (variance heterogeneity, spatial correlation, etc). Stage-wise analyses are approximate in that they cannot fully reproduce a single-stage analysis because the variancecovariance matrix of adjusted means from the first-stage analysis is sometimes ignored or sometimes approximated and the approximation may not be efficient. Discrepancy of results between single-stage and two-stage analysis increases when the variance between trials is heterogeneous. In stage-wise analysis one of the major challenges is how to account for heterogeneous variance between trials at the second stage. To account for heterogeneous variance between trials, a weighted mixed model approach is used for the second-stage analysis. The weights are derived from the variances and covariances of adjusted means from the first-stage analysis. In Chapter 3 we compared single-stage analysis and two-stage analysis. A new fully efficient and a diagonal weighting matrix are used for weighting in the second stage. The methods are explored using two different types of maize datasets. The result indicates that single-stage analysis and two-stage analysis give nearly identical results provided that the full information on all effect estimates and their associated estimated variances and covariances is carried forward from the first to the second stage.
GWAS and GS analysis can be conducted using a single-stage or a stage-wise approach. The computational demand for GWAS and GS increases compared to purely phenotypic analysis because of the addition of marker data. Usually researchers compute genotype means from phenotypic MET data in stage-wise analysis (with or without weighting) and then forward these means to GWAS or GS analysis, often without any weighting. In Chapter 4 weighted stage-wise analysis versus unweighted stage-wise analysis are compared for GWAS and GS using phenotypic and genotypic maize data. Fully-efficient and a diagonal weighting are used. Results show that weighting is preferred over unweighted analysis for both GS and GWAS.
In conclusion, stage-wise analysis is a suitable approach for practical analysis of MET, GS and GWAS analysis. Single-stage and two-stage analysis of MET yield very similar results. Stage-wise analysis can be nearly as efficient as single-stage analysis when using optimal weighting, i.e., fully-efficient weighting. Spatial variation and within-trial variance heterogeneity are common in MET data. This study illustrated that both can be resolved simultaneously using a weighting approach for the variance heterogeneity and spatial modeling for the spatial variation. Finally beside application of weighting in the analysis of phenotypic MET data, it is recommended to use weighting in the actual GS and GWAS analysis stage.In Pflanzenzüchtungsprogrammen bilden Versuchsserien die Grundlage für die phänotypische Selektion, genomische Selektion (GS) und genomweite Assoziationsstudien (GWAS). Eine effiziente Analyse der Versuchsserien ist grundlegend, um genaue Ergebnisse der phänotypischen Auswahl von GS und GWAS zu erhalten. Andererseits kann eine ineffiziente Analyse von Versuchsserien-Daten zu einer verzerrten Bewertung von Genotyp-Mitteln bei der Analyse phänotypischer Daten, einer geringen Genauigkeit der GS und einer falschen Identifizierung von QTL in der GWAS-Analyse führen. Eine kombinierte Analyse der Versuchsserien wird auf der Grundlage von linearen gemischten Modellen entweder einstufig oder stufenweise (zweistufig) durchgeführt. Während die einstufige Analyse ein vollständig effizienter Ansatz ist, werden die Versuchsserien-Daten in geeigneter Weise mit stufenweisen Methoden analysiert. Versuchsserien-Daten zeigen häufig Varianzheterogenitäten innerhalb von und zwischen Versuchen, die der Annahme der Varianzhomogenität für linearer Modelle widersprechen und Korrekturen erfordern. Darüber hinaus ist gut dokumentiert, dass räumliche Korrelationen in den meisten Feldversuchen vorhanden sind. Geeignete Abhilfemethoden für Varianzheterogenitäten und eine korrekte Berücksichtigung der räumlichen Korrelation sind hilfreich, um die Genauigkeit und Effizienz der versuchsserien-Analyse zu verbessern.
In Kapitel 2 werden Methoden zum gleichzeitigen Umgang mit Varianzheterogenitat zwischen und räumlicher Korrelation innerhalb der Versuche untersucht. Diese Studie basiert auf drei Maisversuchen aus Äthiopien. Um die Varianz zu stabilisieren, wurde die Box-Cox-Transformation in Betracht gezogen. Das Ergebnis zeigt, dass, obwohl die Box-Cox-Transformation zur Stabilisierung der Varianz geeignet war, es schwierig ist, Ergebnisse auf der ursprünglichen Skala darzustellen. Als alternative Varianzmodelle wurden Power-of-the-mean (POM) und Exponentialmodelle verwendet, um das Varianzheterogenitätsproblem zu beheben. Im Gegensatz zur Box-Cox-Methode gelang es den in dieser Studie betrachteten Varianzmodellen, sowohl räumliche Korrelation als auch Heterogenität der Varianz gleichzeitig zu berücksichtigen.
Bei der Analyse von MET-Daten wird die zweistufige Analyse in der Praxis häufig gegenüber der einstufigen Analyse bevorzugt, da sie die Berechnungszeit kürzer ist und die Besonderheiten der einzelnen Versuche (Varianzheterogenität, räumliche Korrelation usw.) leicht berücksichtigt werden können. Stufenweise Analysen sind insofern approximierend, als sie eine einstufige Analyse nicht vollständig reproduzieren können, da die Varianz-Kovarianz-Matrix der angepassten Mittelwerte aus der ersten Analyse-Phase manchmal ignoriert oder manchmal approximiert wird und die Approximation möglicherweise nicht effizient ist. Die Diskrepanz der Ergebnisse zwischen einstufiger und zweistufiger Analyse nimmt zu, wenn die Varianzen zwischen den Studien heterogen sind. Bei der stufenweisen Analyse besteht eine der größten Herausforderungen darin, die heterogene Varianz zwischen den Versuchen auf der zweiten Stufe zu berücksichtigen. Um die heterogene Varianz zwischen den Studien zu berücksichtigen, wird für die Analyse der zweiten Stufe ein gewichteter gemischter Modellansatz verwendet. Die Gewichtungen werden aus den Varianzen und den Kovarianzen der angepassten Mittel aus der Analyse der ersten Stufe abgeleitet. In Kapitel 3 haben wir die einstufige Analyse und die zweistufige Analyse verglichen. In der zweiten Stufe wird eine neue voll effiziente und eine diagonale Gewichtungsmatrix für die Gewichtung verwendet. Die Studien werden anhand zweier verschiedener Arten von Mais-Datasätze untersucht. Das Ergebnisse zeigen, dass die einstufige Analyse und die zweistufige Analyse nahezu identische Ergebnisse liefern, vorausgesetzt, die vollständigen Informationen zu allen Effektschätzungen und den damit verbundenen geschätzten Varianzen und Kovarianzen werden von der ersten zur zweiten Stufe übertragen.
Die GWAS- und GS-Analyse kann nach einem einstufigen oder einem stufenweisen Ansatz durchgeführt werden. Der rechnerische Bedarf an GWAS und GS steigt im Vergleich zur rein phänotypischen Analyse aufgrund der Hinzufügung von Markerdaten. In der Regel berechnen Forscher Genotyp-Mittel aus phänotypischen Versuchsserien-Daten in stufenweisen Analysen (mit oder ohne Gewichtung) und leiten diese dann in die GWAS- oder GS-Analyse weiter, oft ohne Gewichtung. In Kapitel 4 wird die gewichtete stufenweise Analyse gegen die ungewichtete stufenweise Analyse für GWAS und GS anhand von phänotypischen und genotypischen Maisdaten verglichen. Es werden volleffiziente und diagonale Gewichtungen verwendet. Die Ergebnisse zeigen, dass die gewichtete gegenüber der nicht gewichteten Analyse sowohl für GS als auch für GWAS besser ist.
Zusammenfassend ist die stufenweise Analyse ein geeigneter Ansatz für die praktische Versuchsserien-, GS- und GWAS-Analyse. Einstufige und zweistufige Versuchsserien-Analysen führen zu sehr ähnlichen Ergebnissen. Eine stufenweise Analyse kann wie eine einstufige Analyse effizient sein, indem eine optimale Gewichtung verwendet wird, d. h. eine vollständig effiziente Gewichtung. In Versuchsserien-Daten sind räumliche Variation und Varianzheterogenität innerhalb der Versuche üblich. Diese Studie zeigte, dass beide gleichzeitig unter Verwendung eines Gewichtungsansatzes die Varianzheterogenität und räumliche Korrelation berücksichtigen können. Neben der Anwendung der Gewichtung bei der Analyse phänotypischer MET-Daten wird empfohlen, die Gewichtung in der eigentlichen GS- und GWAS-Analysestufe zu verwenden
Prospects of genomic selection for disease resistances in winter wheat (Triticum aestivum L.)
Get PDFThe aims of this study were to improve selection for FHB and STB resistances by (i) evaluating the effect of the recently described dwarfing locus Rht24 in comparison to the widely used Rht-D1 on FHB and STB resistances, plant height, and heading date for the first time, (ii) investigating the potential of the non-adapted QTL Fhb1 and Fhb5 for breeding semi-dwarf wheat, (iii) analyzing the prediction accuracy achieved by within- and among-family prediction comparing the models ridge regression-best linear unbiased prediction (RR-BLUP) and weighted RR-BLUP (wRRBLUP), and (iv) computing the advantage from genomic selection and determine the percentage of correctly selected top 10 % individuals for FHB and STB resistances.
The results of this study demonstrated that the most recently described gibberellic acid sensitive dwarfing gene Rht24 on chromosome 6A reduces plant height by 8.96 cm without adverse effects on FHB and STB resistances. Further, no association with heading date was observed. In contrast, Rht-D1b decreased FHB resistance by 10.05 percentage points. This work has further shown, that the resistance alleles of Fhb1 and Fhb5 reduced FHB severity by 6.54 and 11.33 percentage points, respectively, and that the non-adapted allele Fhb5b alone was able to counterbalance the negative impact of Rht-D1b on FHB resistance in a population consisting of eight bi-parental families segregating for these resistance loci. This indicates that in breeding programs the choice of semi-dwarfing and FHB resistance genes is of crucial importance where improvement of FHB resistance is a relevant breeding goal and breeders must select the appropriate dwarfing source that may confer resistance. In this study, furthermore, the potential of GS within and among families was investigated. The prediction accuracies evaluated within individual families were higher than those among families for all traits and differed between families and prediction constellations. The upweighting of significant markers by using the wRR-BLUP model was superior to the commonly used RR-BLUP model when large effect loci like Rht-D1 or Fhb5 were present. In this study, the genomic estimated breeding values (GEBVs) of 2,500 untested genotypes were calculated based on a partially related training population of 1,120 genotypes and the 10 % most resistant FHB and STB individuals were selected as well as a random sample under consideration of plant height. The best linear unbiased estimators (BLUES) of the selected genotypes were evaluated at four ecologically different locations relative to a randomly selected sample of genotypes. For FHB resistance, a genomic selection advantage of 10.62 percentage points relative to the random sample was achieved. However, GS improved resistance to STB only by 2.14 percentage points. The results of this study indicate that a rigorous selection of breeding parents based on GEBVs for high FHB resistance seems not to be sufficiently reliable as the percentage of correctly selected individuals of the observed 10 % top individuals for the whole selection population was only 19 %.
In summary, GS has shown to be a valuable tool to support the breeding progress for the complex inherited FHB resistance over short cycles and increased population sizes. Increased resistance to FHB in winter wheat could be achieved by that approach in combination with the choice of the appropriate dwarfing source and the potential use of the non-adapted QTL Fhb5.Die Ziele dieser Arbeit waren (i) die erstmalige Evaluierung des Effekts des Zwerggens Rht24 auf FHB- und STB-Resistenzen, Wuchshöhe und Ährenschieben im Vergleich zum weit genutzten Locus Rht-D1, (ii) die Untersuchung des Potenzials der nichtadaptierten QTL Fhb1 und Fhb5 für die Entwicklung von Kurzstrohweizen, (iii) die Analyse der Vorhersagegenauigkeit von GS innerhalb und zwischen Familien durch die Anwendung der beiden Modelle RR-BLUP (ridge-regression best linear unbiased prediction) und wRR-BLUP (weighted RR-BLUP) und (iv) die Berechnung des Selektionsgewinns bzw. die Bestimmung der korrekt selektierten Top-10 %-Genotypen für FHB- und STB-Resistenzen durch GS.
Die Ergebnisse dieser Studie zeigten, dass das gibberellinsäuresensitive Zwerggen Rht24 auf Chromosom 6 die Wuchshöhe um durchschnittlich 8,96 cm senkte, ohne dabei die FHB- und STB-Resistenzen oder den Zeitpunkt des Ährenschiebens ungünstig zu beeinflussen. Demgegenüber senkte das weitläufig verwendete Allel Rht-D1b die FHB-Resistenz um durchschnittlich 10,05 Prozentpunkte in einer Winterweizenpopulation bestehend aus acht biparentalen Familien, die für diese Resistenzloci segregierten. Diese Arbeit hat zusätzlich aufgezeigt, dass die Resistenzallele von Fhb1 und Fhb5 die FHB-Anfälligkeit um 6,54 bzw. 11,33 Prozentpunkte reduzierten und somit bereits allein das nicht-adaptierte Allel Fhb5b in der Lage ist, den negativen Effekt von Rht-D1b auf die FHB-Resistenz im untersuchten Material auszugleichen. Das verdeutlicht, dass die Wahl der Zwerg- und Resistenzgene in Zuchtprogrammen, in denen FHB-Resistenz ein Selektionsmerkmal ist, von entscheidender Bedeutung ist. In dieser Studie wurde des Weiteren das Potenzial der GS innerhalb und zwischen Familien untersucht. Die Vorhersagegenauigkeiten innerhalb einer Familie waren für alle Zielmerkmale höher als die zwischen Familien und unterschieden sich zwischen den einzelnen Familien und Vorhersagekonstellationen. Die stärkere Gewichtung von signifikanten Markern durch das wRR-BLUP-Modell führte zu einer Verbesserung der
Vorhersagegenauigkeit im Vergleich zum weit genutzten RR-BLUP-Modell, wenn einzelne Gene, wie Rht-D1, oder Major-QTL, wie Fhb5, vorhanden waren. In dieser Studie wurden die genomisch geschätzten Zuchtwerte (GEBVs) von 2.500 ungeprüften Genotypen bestimmt, basierend auf einer partiell verwandten Trainingspopulation von 1.120 Genotypen. Die 10 % FHB- und STB-resistentesten Linien und eine zufällige Stichprobe wurden unter Berücksichtigung der Wuchshöhe genomisch selektiert und phänotypisch in einem vierortigen Feldversuch evaluiert. Für die FHB-Resistenz wurde ein Selektionserfolg von 10,62 Prozentpunkten relativ zur zufällig selektierten Populationsstichprobe ermittelt. Die GS erhöhte die STB-Resistenz allerdings nur um 2,14 Prozentpunkte. Auch die Selektion von neuen Kreuzungseltern auf der Basis von GS erscheint nicht ausreichend zuverlässig, da nur 19 % der Top-10 %-Individuen korrekt selektiert wurden.
Zusammenfassend stellt die GS ein wertvolles Werkzeug dar, um den Zuchtfortschritt für die komplex vererbte FHB-Resistenz über kürzere Zyklen und größere Populationen zu unterstützen. In Kombination mit der Nutzung geeigneter Zwerggene und des nicht adaptierten QTL Fhb5 kann dadurch eine Steigerung der FHB-Resistenz im Winterweizen erzielt werden
Nutrition and tuberculosis in Ethiopia : the role of vitamin D2 derived from sun exposed oyster mushroom on the treatment outcomes of tuberculosis
Get PDFTuberculosis (TB) is an old infectious disease which causes ill-health among millions of people each year. Effective anti-TB drugs are available since 1950s, but still the global burden of TB remains enormous. The disease is very complex and there is a need to look for supportive treatment to the standard anti-TB drugs. Cognizant of this, the present doctoral study was undertaken by giving emphasis on nutrition and TB in Ethiopia. The aim of this doctoral dissertation thesis was to deal with the nutritional situation of people with and without TB and come-up with solutions that could support the effort of combating TB. In this thesis, five papers (four published and one submitted) were included.
The first paper encompassed the study of dietary and nutritional assessment. In this study, dietary inadequacy, poor nutritional quality and high risk of micro nutrient deficiencies were identified. The main dietary pattern included cereals, vegetables and legumes. About one-third of the population consumed animal source food (ASF). Malnutrition was the common problem in people with and without TB. This suggested that malnutrition may pave the way for TB.
The case-control study in the second paper revealed that more than one-half of TB patients had vitamin A and zinc deficiencies. More than three-fourth of TB patients had below half of the energy fulfillment. The protein intake was above the average fulfillment, but most TB patients relied on cereal-based diets. Patients with TB used a larger proportion of proteins from oral feeding for oxidation and hence for energy production. About half of the patients were undernourished. Thus, vitamin A and zinc deficiencies along with protein-energy malnutrition need to be addressed in the management program of TB.
The third paper included systematic review which explored the existence of vitamin D deficiency (VDD). Sunshine, which is very important for the synthesis of vitamin D under the
skin is widely available in Africa throughout the year. Surprisingly, more than three-fourth of TB patients in Africa had VDD and vitamin D insufficiency (VDI). Statistically significant variables such as use of sun protection (lack of sun-exposure), inadequate dietary intake, low
body mass index (BMI), high skin pigmentation, use of drugs (anti-retro viral and /or anti-TB), low socioeconomic status, rainy season, covering body skin with clothes, old age and co-morbidity were identified as the main predictor variables that hampered the status of vitamin D.
Vitamin D can be obtained from dietary intakes apart from endogenous synthesis after sun exposure. Mushroom as such, is a potential non-animal source of vitamin D. The experimental study in the fourth paper revealed that sun-exposure significantly increased the content of vitamin D2 in oyster mushroom. Increasing the surface area for sun-exposure enhanced the production of vitamin D2. Other factors such as duration of sun-exposure and moisture content determined the production of vitamin D2. Exposing slices of oyster mushroom to direct sun for brief period provided enough vitamin D2 that could satisfy the current recommended dietary allowance (RDA) of vitamin D without any visible changes in color and texture.
The study in the fifth paper was a randomized controlled trial and demonstrated for the first time the role of mushroom-derived vitamin D2 on the treatment outcomes of TB. Intervention with vitamin D2 derived from sun-exposed oyster mushrooms brought significant improvement in vitamin D status, clinical outcomes and immunological responses, but not in sputum smear and culture conversion. The intervention corrected VDD in more than one-third of TB patients. About one-third of the variability in TB score in the intervention group was accounted for by the change in the serum 25 hydroxy (OH) vitamin D level. There were also significant improvements in the serum IFN-gamma and cathelicidin LL-37 peptide levels after intervention. The balance of cytokines was skewed to TH1 responses due to high level of IFN-gamma. Thus, mushroom-derived vitamin D2 could serve as potential, safe, easily available and cost-effective adjunctive therapy for TB. Taken collectively, foods enriched with vitamin D need to be included in the national TB control program to support the first line anti-TB drugs, increase the cure rate and reduce the infectiousness of TB.Tuberkulose (TB) ist eine alte Infektionskrankheit, an der jedes Jahr Millionen von erkranken. Wirksame Medikamente gegen Tuberkulose sind seit den 1950er Jahren erhältlich, aber die enorme Bürde durch Tuberkulose ist weltweit immer noch groß. Die Krankheit ist sehr komplex und es besteht die Notwendigkeit, eine unterstützende Behandlung für die Standard- Anti-TB-Medikamente zu suchen. In Anbetracht dessen legte die vorliegende Doktorarbeit ihren Fokus auf die Ernährung von Tuberkulose patienten in Äthiopien. Ziel dieser Dissertation war es, sich mit der Ernährungssituation von Menschen mit und ohne Tuberkulose zu befassen und Lösungen zu finden, die den Kampf gegen Tuberkulose unterstützen können. Die Ergebnisse dieser Arbeit resultierten in fünf Artikel (vier veröffentlicht und einer eingereicht).
Das erste Artikl befasste sich mit der Bewertung der Ernährung und des Ernährungsstatuses. In dieser Studie wurden unzureichende Ernährung, eine schlechte Ernährungsqualität und ein hohes Risiko für Mikronährstoffmangel festgestellt. Das Hauptnahrungsmuster beinhaltete Getreide, Gemüse und Hülsenfrüchte. Etwa ein Drittel der Bevölkerung konsumierte tierische Nahrung (TN). Unterernährung war das häufigste Problem bei Menschen mit und ohne TB.Dies deutet darauf hin, dass Mangelernährung den Weg für TB ebnen könnte. Die Fall-Kontroll-Studie in der zweiten Veröffentlichung ergab, dass mehr als die Hälfte der TB-Patienten einen Mangel an Vitamin A und Zink aufwies. Mehr als drei Viertel der TB Patienten nahmen weniger als die Hälfte der empfohlenen Energie zu sich. Die Proteinaufnahme lag über dem Durchschnitt, aber die meisten TB-Patienten wiesen eingetreidebasiertes Ernährungsmuster auf. Patienten mit TB verwendeten einen größeren Anteil an Nahrungsprotein zur Oxidation und damit zur Energiegewinnung. Etwa die Hälfte der Patienten war unterernährt. Daher, müssen Vitamin A und Zinkmängel zusammen mit Protein-Energie Mangelernährung im Behandlungs programm für TB angegangen werden.
Der dritte Artikel beinhaltete eine systematische Übersicht über die Prävalenz eines Vitamin-D-Mangel (VDD) bei TB-Patienten. Sonnenschein, der für die Synthese von Vitamin D in der Haut sehr wichtig ist, ist in Afrika das ganze Jahr verfügbar.
Überraschenderweise hatten mehr als drei Viertel der TB-Patienten in Afrika eine VDD- und Vitamin-D-Insuffizienz (VDI). Statistisch signifikante Variablen wie Sonnenschutz (fehlende Sonnenexposition), unzureichende Nahrungsaufnahme, niedriger Body Mass Index (BMI), hohe Hautpigmentierung, Medikamenteneinnahme (antiretroviral und / oder anti-TB), geringer sozioökonomischer Status, Regenzeit, Bedeckung der Körperhaut durch Kleidung, Alter und Begleiterkrankungen wurden als HauptPrädiktorvariablen identifiziert, die den Status von Vitamin D beeinträchtigten.
Vitamin D kann neben der körpereigenen Synthese durch Sonnenexposition auch über die Nahrung aufgenommen werden. Pilz stellen eine potenzielle nicht-tierische Vitamin-D-Quelle dar. Die experimentelle Studie in der vierten Veröffentlichung ergab, dass die Sonnenexposition den Vitamin-D2-Gehalt in Austernpilzen signifikant erhöht. Eine Steigerung der bestrahlten Oberfläche erhöhte die Produktion von Vitamin D2. Andere Faktoren wie die Dauer der Sonneneinstrahlung und der Feuchtigkeitsgehalt beeinflussen die Produktion von Vitamin D2 ebenfalls. Wenn Austernpilzscheiben für kurze Zeit direkter Sonneneinstrahlung ausgesetzt wurden, war der Vitamin D2 Gehalt ausreichend um die derzeit empfohlene Tagesdosis (RDA) für Vitamin D ohne sichtbare Änderungen der Farbe und Textur zu erreichen.
Die Studie in der fünften Veröffentlichung war eine randomisierte kontrollierte Studie und zeigte zum ersten Mal die Rolle von aus Pilzen stammendem Vitamin D2 für die Behandlungsergebnisse bei TB. Die Intervention mit Vitamin D2 aus sonnenexponierten Austernpilzen führte zu einer signifikanten Verbesserung des Vitamin D-Status, der klinischen Ergebnisse und der immunologischen Reaktionen, jedoch nicht zu einer Verbesserung des Sputumabstrichs und der bakteriellen Kulturumwandlung. Die Intervention korrigierte VDD bei mehr als einem Drittel der TB-Patienten. Etwa ein Drittel der Variabilität des TB-Scores in der Interventionsgruppe war auf die Veränderung des Serum-25-Hydroxy (OH) -Vitamin-D Spiegels zurückzuführen. Es gab auch signifikante Verbesserungen bei den Serum-IFN-gamma und Cathelicidin-LL-37-Peptidspiegeln nach der Intervention. Das Gleichgewicht der Zytokine wurde aufgrund des hohen IFN-gamma-Spiegels auf TH1 Antworten verzerrt. Somit könnte aus Pilzen gewonnenes Vitamin D2 als potenzielle, sichere, leicht verfügbare und kostengünstige Zusatztherapie für TB dienen. Zusammengenommen müssen mit Vitamin D angereicherte Lebensmittel in das nationale TB-Bekämpfungsprogramm aufgenommen werden, um die ersten Medikamente gegen TB zu unterstützen, die Heilungsrate zu erhöhen und die Infektiosität von TB zu verringern
