2013 research outputs found
Sort by
Operating strategy to reduce the energy consumption of flat-panel airlift photobioreactors with respect to mixing of thermosynechococcus elongatus suspension cultures : light-specific adaptation of the superficial gas velocity
Get PDFPhotoautotrophic microalgae mass production is limited by light availability due to effects of absorption and reflection, especially throughout outdoor cultivation prohibiting the adjustment of photon-flux density (PFD). Generating turbulence within the cultures in order to minimize photolimiting and photoinhibitive effects is the method of choice to overcome that obstacle. Then again, energy required for its generation represents one of the major drivers contributing to overall production costs of microalgae biotechnology. The present work describes the development of an advanced operating strategy for the mixing of flat-panel airlift loop photobioreactors (FPA-PBRs) that through its application decreases the specific energy consumption, thus the energy requirement per unit of biomass produced, when cultivating phototrophic microorganisms. Experiments were carried out with the thermophilic cyanobacterium Thermosynechococcus elongatus BP-1 utilizing distinct FPA-PBRs equipped with culture-flow directing installations and illuminated by high pressure sodium (HPS) lamps. In the first paper, the impact of utilizing respective FPA-PBRs is investigated. Preliminary experiments were performed in order to eliminate any limitations beyond the sphere of influence of photobioreactor (PBR) design. Apart from the NO3- concentration which had to be retained at 2000 mg L-1 to sustain non-limited growth, special attention was paid to the administration of dissolved inorganic carbon (DIC), inter alia in the form of hydrogen carbonate as CO2 gas solubility was limited by the applied cultivation temperature of 55°C. It is for this reason, in conjunction with a short residence time of the CO2-enriched air bubbles that an increase in CO2 concentration showed only minor effects compared to increasing carbonate concentration that directly correlated to maximum productivity attaining 2.9 gDW L-1 d-1, the highest to be reported for T. elongatus BP-1, using 0.04 g L-1 Na2CO3. When comparing PBRs with and without culture flow directing installations, e.g. static mixers, it was found that the former outperformed the latter as an increase in maximum volumetric productivity and final biomass concentration by a factor of 3.4 and 2.0 was recorded, respectively, whilst the energy input in the form of superficial gas velocity remained unchanged. The enhanced growth performance was attributed to improved specific light availability due to the formation of eddies within cultures induced by static mixers. Thereby, light dependent downregulation of quantum-yield and respiratory losses were reduced, ultimately allowing for a more efficient photon-utilization towards assimilatory photochemistry when compared to randomly mixed cultures. In the second study, the joined impact of PFD, biomass concentration and superficial gas velocity is investigated and an operating strategy for FPA-PBRs deduced. Preliminary experiments were performed in order to establish a modified photosynthesis irradiance (PI) curve at default mixing settings which defined the light compensation point and the irradiance of saturation with 100 μmol m-2 s-1 and 400 μmol m-2 s-1, respectively. Cultivations were then performed at sub-, quasi-, and supra-saturating PFDs (180 .. 780 μmol m-2 s-1) utilizing multiple gas flow velocities (0.11 .. 0.83 vvm). It was found that at a given velocity, productivity and final biomass concentration increased with increasing PFD. Moreover, it was found that in comparison with default mixing settings, the superficial gas velocity during sub-saturating PFD and/or biomass concentrations < 3 gDW L-1 can be reduced to cut operational expenditures (OPEX) on mixing, whilst an increase during supra-saturating PFD and/or higher biomass concentrations enhances productivity and final biomass yield. An operating strategy based on the PFD-triggered adjustment of the superficial gas velocity is proposed and results were mathematically translated to exemplary outdoor diurnal cycles of PFD. By applying the strategy on sunny days, productivity is increased by 24%, while reducing not only energy input but also CO2-demand by 11%. On cloudy days, productivity is only slightly increased but energy input and CO2-demand reduced by 37%. Consequently, the specific energy requirement of FPA-PBRs when cultivating phototrophic microorganisms is reduced significantly, especially at locations with only stochastic light supply, e.g. in temperate latitudes.Die industrielle, photoautotrophe Produktion von Mikroalgen ist auf Grund von Absorption und Reflexion durch eine eminente Limitation der Lichtverfügbarkeit gekennzeichnet. Diese manifestiert sich primär während Freilandkultivierungen, da hier eine Anpassung der Photonenflussdichte (PFD) unmöglich ist. Um dieses Hemmnis zu überwinden ist die Erzeugung von gerichteter Turbulenz zur Minimierung photolimitierender und photoinhibierender Effekte das Mittel der Wahl. Andererseits stellt die Prozessenergie, welche hierfür aufgewendet werden muss, einen der Hauptkostenfaktoren innerhalb der Mikroalgenbiotechnologie dar. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung einer modernen Betriebsstrategie zur Durchmischung von Flat-Panel Airlift Photobioreaktoren (FPA-PBRs), welche während der Kultivierung den spezifischen Energieeintrag lichtabhängig reduziert. Experimente wurden mit dem thermophilen Cyanobakterium Thermosynechococcus elongatus BP1 unter Verwendung spezieller FPA-PBRs durchgeführt, welche ströhmungsführende Einrichtungen enthielten, und mit Natriumdampf-Hochdrucklampen betrieben wurden. In der ersten Veröffentlichung wird der Effekt der Verwendung besagter FPA-PBRs untersucht. Einleitende Versuche dienten zum Ausschluss potentieller Limitationen jenseits des Einflusses der Reaktorgeometrie. Neben der Konzentration von NO3-, welche bei 2000 mg L-1 gehalten werden musste um unlimitiertes Wachstum aufrechtzuerhalten, wurde besonderes Augenmerk auf die Bereitstellung von anorganischem Kohlenstoff, unter anderem in Form von Hydrogencarbonat, gelegt. Auf Grund der hohen Kultivierungstemperatur von 55°C, im Zusammenspiel mit einer kurzen Verweilzeit der mit CO2 angereicherten Luftblasen, zeigte die Veränderung der CO2-Konzentration kaum einen Einfluss, während die Carbonatkonzentration direkt mit der maximalen Produktivität korrelierte. Unter Verwendung von 0,04 g L-1 Na2CO3 erreichte diese 2,9 gTS L-1 d-1, die höchste welche jemals für T. elongatus BP1 beschrieben wurde. Der Vergleich der PBRs mit und ohne ströhmungsführenden Einrichtungen zeigte, dass bei identischem Energieeintrag (gleiche Gasleerrohrgeschwindigkeit) ersterer eine um den Faktor 3,4 gesteigerte maximale Produktivität aufwies und die Biomasseausbeute verdoppelte. Dies wurde der verbesserten Lichtverfügbarkeit zugesprochen, welche aus der Bildung von Wirbeln, induziert durch statische Mischer, resultierte. Limitierende und inhibierende Effekte wurden minimiert und Photonen effizienter der assimilatorischen Photochemie zur Verfügung gestellt. In der zweiten Veröffentlichung wird der kombinierte Einfluss von PFD, Biomassekonzentration und appliziertem Gasvolumenstrom untersucht und eine Betriebsstrategie für FPA-PBRs abgeleitet. Einleitende Untersuchungen dienten der Erstellung einer modifizierten Photosynthese-Lichtintensitäts-Kurve unter Standardbedingungen, welche in einer PFD von 100 μmol m-2 s-1 für den Lichtkompensationspunkt und 400 μmol m-2 s-1 für den Lichtsättigungspunkt resultierte. Weitere Untersuchungen wurden bei sub-, quasi- und suprasättigender PFD (180 .. 780 μmol m-2 s-1) unter Applikation verschiedener Gasvolumenströme (0,11 .. 0,83 vvm) durchgeführt. Hierbei erhöhten sich sowohl maximale Produktivität als auch Biomasseausbeute bei gegebenem Gasvolumenstrom mit steigender PFD. Im Vergleich zur konventionellen Strategie kann die Gasleerrohrgeschwindigkeit bei subsättigender PFD und/oder Biomassekonzentrationen von < 3 gTS L-1 reduziert werden, um Betriebskosten zu minimieren. Während suprasättigender PFD und/oder höheren Konzentrationen steigert ein erhöhter Gasvolumenstrom sowohl die maximale Produktivität als auch die Ausbeute. Eine auf der PFD-gesteuerten Anpassung der Gasleerrohrgeschwindigkeit basierende Betriebsstrategie wird vorgeschlagen und Ergebnisse mathematisch auf beispielhafte Tagesgänge der PFD übertragen. Es zeigte sich, dass so die Produktivität an sonnigen Tagen um 24% gesteigert wird, während sowohl der Energieeintrag als auch der CO2-Bedarf um 11% minimiert werden. An bewölkten Tagen steigt die Produktivität nur marginal, jedoch werden sowohl Energieeintrag als auch CO2-Bedarf um 37% minimiert. Folgerichtig wird der spezifische Energieeintrag von FPA-PBRs während der phototrophen Kultivierung von Mikroorganismen signifikant reduziert, im Speziellen in Regionen mit lediglich stochastischem Lichtangebot, wie z.B. gemäßigten Klimazonen
Nutritional regulation of DNA methylation and gene expression in maize
Get PDFDNA methylation in plants plays a role in transposon silencing, genome stability and gene expression regulation. Environmental factors alter the methylation pattern of DNA and recently nutrient stresses, such as phosphate starvation, were shown to alter DNA methylation. DNA methylation had been frequently addressed in plants with notably small genomes that are poor in transposons. Here, part of the DNA methylome of nitrogen-, phosphorus- and zinc-deficient (-N, -P and -Zn, respectively) maize roots were compared by reduced representation sequencing and their relationship with gene expression under prolonged stresses analyzed. Tremendous DNA methylation loss was encountered in maize under nitrogen and zinc deficiency, but much less under phosphorus deficiency. This occurred only in the symmetrical cytosine contexts, predominantly in CG context, but also in the CHG context. In contrast to other plants, differential methylation in the more flexible CHH context was essentially absent. For each sample, specific nutrient deficiency-regulated genes were differentially expressed. In -Zn samples the lowest number of differentially expressed genes was found while -N and -P samples contained a similar number of differentially expressed genes. For all samples, differentially methylated regions (DMRs) were predominantly identified in transposable elements (TEs). A minor fraction of such DMRs was associated with altered gene expression of nearby genes in -N and -P. Interestingly, although these TEs were mostly hypomethylated, they were associated with both upand down-regulated gene expression. For -Zn, these associations were not found but a correlation between hypomethylation of gene bodies and expression of some genes. Here again, hypomethylation occurred with up- and downregulation of gene expression. The results suggested a different methylome regulation in maize compared to rice and Arabidopsis upon nutrient deficiencies indicating a nutrient- and species-specific association of genomic DNA methylation and gene expression. The limited correlation between differential DNA methylation and gene expression suggested that heritable regulation of the expression of nutrient deficiency-regulated genes was not the primary function of the methylation loss. Rather, the major function of the DNA methylation loss in this experiment may have been to increase the genetic diversity in the next generation by increased frequency of recombination events, mutations and transposable element movements.DNA Methylierung spielt in Pflanzen eine wichtige Rolle für die Stilllegung von Transposons, für die Genomstabilisierung sowie bei der Regulation der Genexpression. Umweltfaktoren ändern das Methylierungsmuster und inzwischen wurde gezeigt, dass auch Nährstoffstress, wie zum Beispiel Phosphatmangel, das Methylierungsbild ändern kann. DNA Methylierung wurde häufig in Pflanzen mit besonders kleinem Genom und einem geringfügigen Anteil an Transposons untersucht. Hier wurde ein Teil des DNA Methyloms von Maiswurzeln mit Nitrat-, Phosphat- oder Zinkmangel (-N, -P bzw. -Zn) mittels reduced representation Sequenzierung miteinander verglichen und der Zusammenhang mit der Genexpression unter andauerndem Stress analysiert. Unter Nitrat- und Zinkmangel war ein starker Verlust von DNA Methylierung zu verzeichnen, unter Phosphatmangel jedoch nur eine weit schwächere Minderung. Der Verlust trat in den symmetrischen Kontexten des Cytosins auf, vor allem im CG Kontext, aber auch im CHG Kontext. Im Unterschied zu anderen Pflanzen, war eine differenzielle Methylierung im flexibleren CHH Kontext quasi nicht vorhanden. Bei jeder Behandlung lag typische Nährstoffmangel-regulierte differenzielle Genexpression vor. Die niedrigste Anzahl an differenziell exprimierten Genen wurde unter -Zn gefunden, während -N und -P Behandlungen etwa gleich viele differenziell exprimierte Gene aufwiesen. In allen Proben lagen die meisten differenziell methylierten Regionen (DMRs) in Transposons (TEs). Bei einem kleinen Teil der DMRs gab es nahegelegene differenziell exprimierte Gene in -N und -P. Obwohl die meisten der differenziell methylierten TEs hypomethyliert waren, war die Expression der nahen Gene sowohl hoch- als auch runterreguliert. In -Zn gab es keinen signifikanten Zusammenhang zwischen differenziell methylierten TEs und der Expression nahegelegener Gene. Es wurde jedoch ein Zusammenhang zwischen Hypomethylierung einiger Gene und deren Expression gefunden, die auch hier teils hoch-, teils runterreguliert waren. Die Ergebnisse wiesen auf eine andere Methylom-Regulierung bei Nährstoffmängeln in Mais als in Reis und Arabidopsis hin und verwiesen auf eine nährstoff- sowie speziesabhängige Anpassung der genomischen DNA Methylierung im Zusammenhang mit der Genexpression. Die schwache Korrelation zwischen differenzieller Methylierung und Genexpression deutete darauf hin, dass eine vererbbare Regulation der Expression von Nährstoffmangel-regulierten Genen nicht die Hauptfunktion der Änderungen im Methylierungslevel war. Vielmehr könnte dem Verlust der Methylierung eine größere Rolle in der Erhöhung der genetischen Diversität in der nächsten Generation durch Zunahme von Rekombinationsereignissen, Mutationen und Bewegung von Transposons zukommen
Establishment of reverse transcriptase polymerase chain reaction methods for the detection of newly described RNA viruses in reptiles : picornaviruses in tortoises, reptarenaviruses in snakes, and sunshinevirus in snakes
Get PDFThe purpose of this study was to establish conventional reverse-transcriptase PCRs for the detection of recently described RNA viruses in reptiles. The viruses studied included picornaviruses of tortoises (torchivirus or virus X), reptarenaviruses and sunviruses in snakes.
Picornaviruses are detected frequently in tortoises of various species in Europe. Until recently, tortoise picornaviruses (previously designated as virus X) could only be detected by isolation in Terrapene heart (TH1) cells in which they cause cell lysis, and nothing was known about the relationships of various isolates to one another. Clinical signs that have been described in picornavirus infected tortoises include softening of the shell in juvenile tortoises, rhinitis, conjunctivitis, kidney failure, and sudden death, but these viruses have also been detected in clinically healthy animals. This group of picornaviruses is able to infect a wide range of species in the family Testudinidae and has been detected in tortoises in many different European countries.
In this study, a conventional RT-PCR was developed and established for the detection and identification of picornaviruses in clinical samples. To test the reliability of this RT-PCR as a diagnostic method and the several primer sets which were designed for this purpose (Table 4.7), 37 picornaviruses isolated from swabs and tissue samples collected in Germany and Italy between 1997 and 2012 were screened. The primer pair FKei2 (CTACCATCAGGATGCAGTT) - RKei2 (AAGCCAATCCTGCAACACT) gave the highest number of positive results from the chosen isolates (70%). 308 nucleotide long sequences of the amplified products of 26 picornavirus isolates were obtained which represent a small part of the viral polyprotein gene. Alignment of the obtained sequences from the amplified products revealed a close genetic relationship among the detected tortoise picornavirus isolates confirmed by the high identity values between 79.2 100% (Table 11.3 in appendix). Phylogenetic analysis clearly shows two main clusters, which together form a single monophyletic cluster. The obtained viral sequences of the polyprotein gene were compared with previously described picornaviruses and the highest similarities were observed with the corresponding gene sequences of picornavirus family members including: Canine picornavirus, Human enterovirus 109, Human rhinovirus C, and Human coxsackievirus A13. Based on sequence analysis, no association was observed between the geographic distribution and genetic relatedness. BLASTn analysis of the sequences confirmed that each of the PCRs with the different primer sets was specific. Furthermore, no strict host specificity was indicated. The PCR-based diagnosis may provide a time-saving and sensitive method to detect tortoise picornaviruses and to help prevent viral spread among animal collections.
A conventional RT-PCR was also established for the detection of arenaviruses in snakes and used to screen clinical samples from live and dead animals for these viruses. The reptarenaviruses are considered to be the causative agent of inclusion body disease (IBD) which is a chronic progressive disease affecting captive boas and pythons worldwide. Samples from animals screened for virus detection were also screened for the presence of IBD typical inclusions in blood smears or histological preparations of 63 organs. The primer combinations MDS-400 (5-TTCATTTCTTCATGRACTTTRTCAATC-3) and MDS-402 (5-GGSATAACAAAYTCACTTCAAATATC-3) targeting part of the glycoprotein gene were used for the detection of reptarenavirus. 49 of 170 snakes tested (28.8%) were arenavirus positive. While 17 of 20 IBD positive snakes (85%) were arenavirus positive by RT-PCR, 17 of 43 IBD negative animals (39.5%) were arenavirus positive. Arenavirus was found in both boas (Boa constrictor) and pythons (Python regius, Malayopython reticulatus, Python molurus, and Morelia viridis). Alignment of the obtained sequences of a small portion of the glycoprotein gene from the detected arenaviruses showed high identity values between 71- 100% with previously described reptarenaviruses. Phylogenetic analysis indicated that a majority of the detected reptarenavirus strains clearly clustered with GGV, Boa AV NL B3 and UHV. None of the detected viruses clustered with CASV.
Furthermore, this work includes a study concerning the first detection of sunshinevirus in snakes in Europe using RT-PCR as a diagnostic method. The first description of sunshinevirus was in 2008 after an outbreak of neuro-respiratory disease in an Australian collection of 70 pythons.
The RT-PCR used in this study resulted in the detection of sunviruses in three out of 12 snakes tested (25%). The obtained sequences were compared with the corresponding portion of the sunshinevirus genome and the identity values were between 95- 98 %. The viruses were found in oral/ cloacal swabs, lung lavage and skin sample of ball pythons, all other tested snakes were negative (two boas, one anaconda and one Indian python). Clinical signs reported in the animals infected with sunshinevirus vary significantly, but mostly respiratory problems were reported.Ziel der vorliegenden Arbeit war Etablierung von konventionellen Reverse-Transkriptase-PCRs für den Nachweis von den bisher bekanten RNA-Viren in Reptilien. Zu den untersuchten Viren gehörten Picornaviren in Schildkröten (Torchiviren oder virus "X"), Reptarenaviren und Sunviren in Schlangen.
Picornaviren wurden bisher bei verschiedenen Schildkrötenspezies nachgewiesen im Europa am häufigsten werden sie bei Testudinidae gefunden. Bis vor kurzem, Picornaviren aus verschiedenen Proben von Landschildkröten wurde nur auf die Zelllinie Terrapene Heart cells (TH1) nachweisen und isoliert, dabei einen lytischen zytopathischen Effekt verursacht und nichts war bekannt über die Beziehung zwischen Vieren Isolaten. Zu den klinischen Zeichen gehören Panzererweichung bei Jungtieren, Rhinitis, Konjunktivitis, Nierenausfall, sowie plötzlichen Todesfällen, allerdings Picornaviren können gelegentlich auch bei scheinbaren gesunden Schildkröten nachweisen werden.
In dieser Arbeit wurde eine konventionelle RT-PCR entwickelt und festgestellt für die Diagnose und Identifizierung von Piconaviren in klinischen Tierproben. 37 Picornaviren wurde isoliert vom Rachentupfer und von den verschiedenen Gewebeproben, diese wurden in Deutschland und Italien zwischen 1997 2012 gesammelt. Alle Isolate wurden abgeschirmt für den Zweck überprüfen die Zuverlässigkeit dieser RT-PCR als Diagnostische Methode und überprüfen die verschiedenen Primer-Sets, die zu diesem Zweck entworfen wurden (Table 4.7). Das Primer paar FKei2 (CTACCATCAGGATGCAGTT) - RKei2 (AAGCCAATCCTGCAACACT) hat die Mehrheit (70%) von der positiven Ergebnisse aus den ausgewählten Isolaten vorgelegt. Von 26 Picornaviren Isolaten Nukleotidsequenzen der amplifizierten Produkte wurde erhalten mit einer Länge von 308, und die einen kleinen Teil des viralen Polyprotein-Gens darstellen. Die Ausrichtung der erhaltenen Sequenzen aus den amplifizierten Produkten ergab eine enge genetische Beziehung zwischen den detektierten Schildkrötenpikornavirus-Isolaten, die durch die hohen Identitätswerte zwischen 79,2 und 100% (Table 11.3 in Appendix). Die phylogenetische Analyse zeigt deutlich zwei Hauptcluster, die zusammen einen einzigen monophyletischen Cluster bilden. Die erhaltenen viralen Sequenzen des Polyprotein-Gens wurden mit den zuvor beschriebenen Picornaviren verglichen und die höchsten Ähnlichkeiten wurden mit den entsprechenden Gensequenzen von Picornavirus-Mitgliedern beobachtet, einschließlich: Human cosavirus D. Theilers-like virus, Saffold virus, Cardiovirus, Rhinitis B virus and Mouse Mosavirus. Nach der Sequenzanalyse, es wurde keine Verbindung zwischen der geographischen Verteilung und der genetischen Verwandtschaft beobachtet. Die BLASTn-Analyse der Sequenzen bestätigte, dass jede der PCRs mit den verschiedenen Primersätzen spezifisch war. Weiterhin es wurde keine strenge Wirtstierspezifität angegeben. Die PCR-basierte Diagnose kann eine zeitsparende und empfindliche Methode zur Erkennung von Schildkröten-torchivirusinfectionen und zur Vermeidung von Virusausbreitung unter Tierkollektionen bieten.
Eine konventionelle RT-PCR wurde auch für den Nachweis von Arenaviren in Schlangen etabliert und verwendet, um klinische Proben von lebenden und toten Tieren für diese Viren zu untersuchen. Die Reptarenaviren gelten als Erreger der Inclusion Body Disease (IBD), die eine chronische bedeutende Erkrankung ist, die die Gefangenen Boas und die Pythons weltweit betrifft. Proben von Tieren, die auf Virenerkennung untersucht wurden, wurden ebenfalls auf die Anwesenheit von IBD-typischen Einschlüssen in Blutabstrichen oder histologischen Präparationen von 63 Organen untersucht. Die Primer-Kombination MDS-400 (5-TTCATTTCTTCATGRACTTTRTCAATC-3 ) und MDS-402 (5-GGSATAACAAAYTCACTTCAAATATC-3), die einen Teil des Glykoprotein-Gens ausrichten, wurden für den Nachweis von Reptarenavirus verwendet. 49 von 170 getestet Schlangen (28,8%) waren Arenavirus positiv. Während 17 von 20 IBD-positiven Schlangen (85%) waren Arenavirus positiv, waren 17 von 43 IBD-negativen Tieren (39,5%) Arenavirus positiv durch RT-PCR arenavirus. Arenaviren wurde in beiden Boas und Pythons gefunden, besonders in Python regius, Malayopython reticulatus, Python molurus und Morelia viridis. Die Ausrichtung der erhaltenen Sequenzen eines kleinen Teils des Glykoprotein-Gens aus den nachweisenden Arenaviren zeigte hohe Identitätswerte zwischen 71- 100% mit zuvor beschriebenen Reptarenaviren. Die phylogenetische Analyse zeigte, dass eine Mehrheit der detektierten Reptarenavirus-Stämme eindeutig mit GGV, Boa AV NL B3 und UHV gruppiert war. Keines der erkannten Viren mit CASV gruppiert.
Weiterhin, umfasst diese Arbeit eine Studie über die erste Erkennung von Sunsheinviren in Schlangen in Europa mit RT-PCR als diagnostische Methode. Die erste Beschreibung von Sunshinevirus war im Jahr 2008 nach einem Ausbruch der Neuro-Atemwegserkrankung in einer australischen Sammlung von 70 Pythons. Die in dieser Studie verwendete RT-PCR führte zum Nachweis von Suniviren in drei von 13 getesteten Schlangen (23,1%). Die erhaltenen Sequenzen wurden mit dem entsprechenden Teil des Sunsheinvirus-Genoms verglichen und die Identitätswerte waren zwischen 95- 98%. Die Viren wurden in oralen / kloakalen Tupfern, Lungenspülung und Hautprobe von Ball python gefunden, alle anderen getestete Schlangen waren negativ (zwei Boas, eine Anaconda und eine indische Python). Klinische symptome, die bei den mit Sunshinevirus infizierten Tieren gemeldet wurden, deutlich variieren, aber meistens wurden Atemwegserkrankungen gemeldet
Governance challenges of developing biomass-based value webs : the case of maize in Ethiopia
Get PDFIn recent years, the need to move from an economy based on fossil resources to an economy based on biological resources has gained increasing attention. The bioeconomy has the potential to ensure sustainable growth by enhancing the usage of untapped biomass resources. This potential is particularly pronounced in sub-Saharan Africa and has attracted the attention of both governments and the international donor community. To use the potential of the bioeconomy in a sustainable way without jeopardizing food security, it is essential to increase the productivity and the efficiency of the production and utilization of biomass. Using the maize production in Ethiopia as a case study, this thesis aims to identify strategies that will contribute to a higher productivity and better utilization of biomass in the emerging bioeconomy. Maize has been selected for this case study because it is on one the one hand a major food crop in Africa while it has, on the other hand, the potential to provide biomass for multiple uses in the bioeconomy. Ethiopia is well suited for the case study because it is confronted with major challenges of food security, while it has at the same time a large underutilized potential to increase the production of biomass for the bioeconomy.
The thesis focuses on two themes: One is an analysis of the seed system, because maize seed supply has been identified as a major bottleneck to increasing productivity in the production of biomass. Ethiopias seed sector has been plagued with problems of seed quality regulation, certification, dominance of informal seed sourcing, and inefficient distribution system, among other governance challenges. There have been major reform efforts in recent years, but there is not sufficient empirical evidence on how these reforms have fared. The second theme to the thesis is the utilization of the biomass from maize. This topic has been selected because there is a dearth of empirical evidence on the usage of the different components of maize (e.g. cob, stalk, leaves etc.) for several purposes, and its implications for household food security.
Against this background, the broad objective of this thesis is threefold: (1) to analyze the institutional arrangements for maize seed quality regulation, and uncover the governance challenges therein; (2) to identify the governance challenges in the hybrid maize seed distribution system and analyze farmers preferences of the select attributes for hybrid seed distribution; and (3) to assess usages of the different components of maize biomass, and examine its implications for food security.
The thesis is based on a mixed methods approach. Data were collected using both qualitative and quantitative techniques. The study of seed quality regulation relies primarily on qualitative data collected through Process Net-Maps, focus group discussions, key informant interviews and direct observation in three maize growing districts. For the second and third objectives, data were collected using household survey and a choice experiment covering 325 farmers, Process Net-Maps, focus group discussions and key informant interviews. We employ the latent class and endogenous switching regression models to analyze the choice experiment data on farmers preference for the distribution attributes and effect of farmers diverse biomass use decision on food security, respectively.
The findings of the thesis contribute to the wider debates on governance and institutional challenges of ensuring food security through development of the bioeconomy, taking maize as an important bioeconomy crop. By investigating the roles of different stakeholders in the seed system, the study finds that the systems suffer from a number of governance and institutional challenges such as corruption, implementation gaps that arise due to capacity limitation and lack of political will to support private sector participation. The study suggests ways to overcome the governance challenges, which include enhancing internal as well as external quality control mechanisms, redefining certification standards, making certification services transparent, participatory and cost-effective, and a strong political will to fully implement reforms by promoting private sector participation. Additionally, the positive and homogeneous preferences for attributes like seed quality, types of sales outlets and access to credit that are shared by the majority of the surveyed farmers show the extent to which reform outcomes deviated from the needs of farmers. The study identified farmers preferences regarding the question of how they would like to access hybrid seeds and recommends ways to overcome the governance challenges in seed distribution in Ethiopia.
In addition to examining problems regarding production, the study confirmed that maize biomass utilization is crucial for food security and development of bioeconomy. The findings show that maize biomass is underutilized in the country because of lack of enabling conditions such as access to extension and information, marketing channels, availability of multi-purposes maize varieties and value-adding technologies. The findings led to the recommendation that policy innovation to provide better access to these conditions is essential to achieve growth in the maize sector and food security.In den letzten Jahren hat die Notwendigkeit eines Wandels von einer Ökonomie, die auf fossilen Ressourcen basiert, zu einer Ökonomie die auf biologischen Ressourcen basiert, zunehmend Beachtung gefunden. Die Bioökonomie hat das Potenzial ein nachhaltiges Wachstum durch eine Ausweitung der Nutzung von unerschlossenen Biomasseressourcen sicherzustellen. Dieses Potenzial is insbesondere in Sub-Sahara-Afrika sehr ausgeprägt und hat die Aufmerksamkeit von Regierungen und der internationalen Gebergemeinschaft gleichermaßen geweckt. Um die Potenziale der Bioökonomie nachhaltig zu nutzen ohne Nahrungssicherung zu torpedieren, ist es essenziel die Produktivität und Effizienz der Produktion und Nutzung von Biomasse zu erhöhen. Am Beispiel der Maisproduktion in Äthiopien versucht diese Thesis Strategien zu identifizieren, die zu einer höheren Produktivität und Nutzung von Biomasse in der entstehenden Bioökonomie beitragen. Diese Fallstudie bezieht sich auf Mais, einerseits, weil Mais ein wichtiges Grundnahrungsmittel in Afrika ist, andererseits, weil es das Potenzial hat, Biomasse für verschiedene Nutzungsarten in der Bioökonomie zu Verfügung zu stellen. Äthiopien eignet sich gut für eine Fallstudie, weil es gleichzeitig mit großen Herausforderungen mit Blick auf Ernährungssicherung konfrontiert ist und zudem große, unternutze Potenziale besitzt, die Produktion von Biomasse für die Bioökonomie zu erhöhen.
Die Thesis fokussiert sich auf zwei Themen: Eines ist die Analyse des Saatgutsystems, da die Bereitstellung von Maissaatgut als ein wesentlicher Engpass zur Steigerung der Produktivität von Biomasse identifiziert wurde. Äthiopiens Saatgut-Bereich ist gekennzeichnet durch Probleme mit Blick auf die Regulierung der Qualität von Saatgut, die Zertifizierung, die Dominanz von informeller Saatgutbeschaffung und die Ineffizienz des Verteilungssystems, neben anderen Governance Herausforderungen. Es gab große Reformbemühungen in den letzten Jahren, allerdings gibt es bislang nicht genügend empirische Beweise, inwiefern diese Reformen fortgeschritten sind. Das zweite Thema dieser Thesis ist die Nutzung von Biomasse aus Mais. Dieses Thema wurde gewählt, weil es eine Forschungslücke mit Blick auf die Nutzung von verschiedenen Maiskomponenten (z.B., Kolben, Stielen, Blättern etc.) gibt, sowie mit Blick auf die Frage, wie eine mögliche Nutzung auf die Ernährung von Haushalten auswirkt.
Vor diesem Hintergrund hat die Thesis drei Hauptziele: (1) die Analyse von institutionellen Arrangements zur Regulierung der Qualität von Maissaatgut, sowie die dazugehörigen Governance Herausforderungen; (2) das Identifizieren von Governance Herausforderungen im Hybrid-Mais-Saatgutsystems und die Analyse der Vorlieben von Landwirten hinsichtlich der Attribute für Hybrid-Saatgut-Verteilung; und (3) die Einschätzung der Nutzung von verschiedenen Komponenten von Maisbiomasse, sowie deren Implikationen auf Ernährungssicherung.
Diese Thesis basiert auf einem gemischten Methoden Ansatz. Daten wurden mit qualitativen und quantitativen Techniken gesammelt. Die Studie zu der Regulierung von Saatgutqualität wurde hauptsächlich mit qualitativen Datenerhebungsmethoden durchgeführt. Dazu zählen Prozess Net-Maps, Fokusgruppendiskussionen, Interviews mit Schlüsselinformanten sowie Direktbeobachtungen in drei Mais-anbauenden Distrikten. Für das zweite und dritte Ziel, wurden Daten mithilfe von Haushaltsbefragungen und einem Choice Experiment mit 325 Landwirten gesammelt. Darüber hinaus wurden Prozess Net-Maps, Fokusgruppendiskussionen und Interviews mit Schlüsselinformanten verwendet. Es wurde ein latent class and endogenous switching regression Modell verwendet, um die Choice Experiment Daten zu den Präferenzen von den Landwirten zu den Verteilungsattributen sowie die Effekte von verschiedenen Biomassenutzungsentscheidungen von Landwirten auf Ernährungssicherung zu erforschen.
Die Ergebnisse der Thesis tragen zu einer größeren Debatte zu den Governance und institutionellen Herausforderungen über die Sicherstellung von Ernährungssicherung durch die Entwicklung der Bioökonomie bei. Diese wird am Beispiel Mais, als eine wichtige Bioökonomie Pflanze, dargestellt. Indem die Rollen von verschiedenen Akteuren des Saatgutsystems erforscht werden, zeigt diese Studie, dass das System durch eine Reihe von Governance und institutionellen Herausforderungen geplagt wird. Darunter fallen Korruption, Implementierungslücken aufgrund von begrenzten Kapazitäten und ein mangelnder politische Willen den Privatsektor einzubeziehen. Die Studie zeigt Wege, um die Governance Herausforderungen zu lösen. Darunter fallen interne sowie externe Qualitätskontrollmechanismen, Neudefinierungen von Zertifizierungstandards und eine Erhöhung deren Transparenz, Anteilhabe und Kosteneffizienz und ein starker politischer Willen diese Reformen durch die Förderung von Privatsektor-Akteuren zu implementieren. Darüber hinaus zeigen die positiven und homogenen Präferenzen für Attribute wie Saatgutsqualität, Arten von Verkaufsstellen und Zugang zu Krediten, welche die Mehrheit der befragten Haushalte teilen, inwiefern die Reformergebnisse von den Bedürfnissen von Landwirten abweichen. Die Studie identifiziert die Präferenzen von Landwirten mit Blick auf die Frage, wie sie gerne Zugang zu Hybrid-Saatgut hätten und schlägt Wege vor, um die Governance Herausforderungen im Saatgutsystem von Äthiopien zu lösen.
Zusätzlich zur Analyse hinsichtlich der Produktion, bestätigt diese Studie, dass die Nutzung von Mais Biomasse entscheidend für Ernährungssicherung und die Entwicklung der Bioökonomie ist. Die Ergebnisse zeigen, dass Mais-Biomasse, aufgrund von fehlenden Rahmenbedingungen wie dem Zugang zu landwirtschaftlicher Beratung und Information, zu Marketingkanälen, zu Mehrzweck-Maisvarietäten und zu wertschöpfungssteigernde Technologien, untergenutzt wird. Die Ergebnisse führen zu der Empfehlung das Politik-Innovationen essenziell sind, um den Zugang zu diesen Bedingungen zu verbessern und um Wachstum im Maissektor zu erreichen und somit die Ernährungssituation zu verbessern
The development of phenotypic protocols and adjustment of experimental designs in Pelargonium zonale breeding
Get PDFOrnamental plant variety improvement is limited by current phenotyping approaches and the lack of use of experimental designs. Robust phenotypic data obtained from experiments laid out to best control local variation by blocking allow adequate statistical analysis and are crucial for any breeding purpose, including MAS. Often experiments consist of multiple phases like in P. zonale breeding, where in the first phase stock plants are cultivated to obtain the stem cutting count and in the second phase the stem cuttings are further assess for root formation.
The first analyses of rooting experiments raised questions regarding options for improving the two-phase experimental layout, for example whether there is a disadvantage to using exactly the same design in both phases. The other question was, whether a design can be optimized across both phases, such that the MVD can be decreased. Instead of generating a separate layout for each phase. Moreover, optimal selection methods that maximize selection gain in P. zonale breeding based on available data collected from unreplicated trials and containing pedigree information were sought.
This thesis was conducted to evaluate the benefits of using two-phase experimental designs and corresponding analysis in P. zonale for production related traits, for which it was necessary to establish phenotyping protocols. To optimize the rooting experiments with their two-phase nature, alternative approaches were explored involving two-phase design generation either in phase wise order or across phases. Furthermore, selection methods considering pedigreeinformation (family-index selection) or not (individual selection), were evaluated to enhance selection efficiency in P. zonale breeding.
The benefits of using experimental designs in P. zonale breeding was shown by the simulated response to selection. Alternative designs were evaluated by the MVD obtained by the intrablock analysis and the joint inter-block-intra-block analysis. The efficiency of individual and family-index selection was evaluated in terms of heritability obtained from linear mixed models implementing the selection methods.
Simulated response to selection varied greatly, depending on the genotypic variances of the breeding population and traits. However, by using efficient designs allowing adequate analysis, a varietal improvement of over 20% of stock plant reduction is possible for stem cutting count, root formation, branch count and flower count. The smallest MVD for alternative designs was most frequently obtained for designs generated across phases rather than for each phase separately, in particular when both phases of the design were separated with a single pseudolevel. Family-index selection was superior to individual selection in P. zonale indicating that the pedigree-based BLUP procedure can further enhance selection efficiency in productionrelated traits in P. zonale.
The quantification of genotypic variation by phenotypic protocols and the optimized two-phase designs for estimating genotypic values were necessary and successful steps in laying the foundation for effective MAS. Phenotypic protocols effectively characterized the genetic material on an observational unit level, while the two-phase experimental designs enabled effective characterization on a genotype level by adjusting entry means using linear mixed models. The resulting adjusted entry means are the basis for future genotype phenotype association for MAS.In der Zierpflanzenzüchtung werden die Möglichkeiten von Sortenverbesserungen nicht vollständig ausgeschöpft, bedingt durch fehlende Boniturschemata und Anwendung von experimentellen Designs. Robuste phänotypische Daten sind für jegliche züchterische Belange von größter Bedeutung, u.a. die Marker-gestützte Selektion. Dabei können robuste Daten nur von Experimenten erhoben, welche an die jeweiligen umweltspezifischen Bedingungen bestmöglich mittels geeigneter Blockstrukturen angepasst wurden. Experimente können dabei auch mehr als eine Phase beinhalten, wie beispielsweise in der Pelargonienzüchtung, wobei die erste Phase die Kultivierung der Mutterpflanzen und die Ermittlung der Stecklingsanzahl berücksichtigt und in der zweiten Phase, die Stecklinge hinsichtlich der Bewurzelung untersucht werden.
Während den ersten Auswertungen der Bewurzelungsexperimenten stellten sich zwei zentrale Optimierungsfragen hinsichtlich der Erstellung von zwei-phasigen Experimenten: Gibt es einen Nachteil in der Nutzung desselben Designs in beiden Phasen? und Kann ein zweiphasiges Design über beide Phasen so optimiert werden, dass die mittlere Varianz eines paarweisen Mittelwertvergleiches (MVD) minimiert werden kann, anstelle für jede Phase ein eigenes Design zu generieren? Außerdem wurde nach optimalen Selektionsmethoden gesucht, die einen bestmöglichen Selektionsgewinn unter der Anwendung von unwiederholten Versuchen und Vorliegen von Verwandtschaftsverhältnissen ermöglichen.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Anwendungsvorteile zwei-phasiger Experimente und deren Analyse in der P. zonale Züchtung für produktionsrelevante Merkmale untersucht, für welche zunächst Boniturschemata erstellt werden mussten. Zur Optimierung der zwei-phasigen Bewurzelungsexperimente, wurden alternative Ansätze entwickelt, die eine Designgenerierung über Phasen hinweg ermöglichen oder wie bisher für jede einzelne Phase des zwei-phasigen Experimentes eine separate Designgenerierung vorsehen. Um die Effizienz der Selektion zu steigern, wurden ferner Selektionsmethoden untersucht, welche die Verwandtschaftsverhältnisse berücksichtigen (Familien-Index Selektion) oder nicht (Individual Selektion) in der Schätzung genotypischer Effekte. Evaluiert wurden die Anwendungsvorteile zwei-phasiger Experimente mittels des simulierten Selektionserfolges, während die alternativen zwei-phasigen Designs der Bewurzelungsexperimente mittels des MVD basierend auf Dummy-Analysen unter Nutzung der Intra-Block-Information oder unter Nutzung der kombinierten Intra Inter-Block-Information verglichen wurden. Die Familien-Index und Individual Selektionsmethoden wurden mittels der Heritabilität miteinander verglichen.
Der simulierte Selektionserfolg variierte erheblich in Abhängigkeit von den geschätzten genotypischen Varianzen der Zuchtpopulation und den untersuchten Merkmalen. Jedoch können unter Nutzung der zwei-phasigen Designs und adäquaten statistischen Auswertung Sortenverbesserungen in Hinblick auf einer Reduzierung der Mutterpflanzen von bis zu 20 % für die Merkmale Stecklingsanzahl, Bewurzelung, Verzweigung und Blütenanzahl wie gefordert erwartet werden. Für die alternativen Ansätze zur Generierung zwei-phasiger Experimente über Phasen hinweg wurden überwiegend die kleinste MVD ermittelt, insbesondere für den Ansatz unter Verwendung von Pseudo-Variablen zur Definition der zwei Phasen des Experimentes. Im Vergleich der Selektionsmethoden war die Familien-Index Selektion besser hinsichtlich der Heritabilitäten als die Individual Selektion und deutete somit eine weitere Steigerung der Selektionseffizienz hin, als diese schon durch die Anwendung von Design und Statistik erreicht worden war.
Die Quantifizierung der genotypischen Varianz mittels erstellter Boniturschemata und die Optimierung der zwei-phasigen Experimenten zur besseren Schätzung genotypischer Effekte waren notwendige und erfolgreiche Schritte als Grundlage zur Einführung der Markergestützten Selektion in die P. zonale Züchtung. Mittels den erstellten Boniturschemata konnte das genetisch untersuchte Material effektiv charakterisiert werden, während adjustierte Mittelwerte der Genotypen durch Anwendung zwei-phasiger experimenteller Layouts und deren Auswertung mittels linear gemischter Modelle optimal geschätzt werden konnten. Die adjustierten Mittelwerte der Genotypen sind die Basis für Phänotyp-Genotyp Assoziationen im Rahmen der Marker-gestützten Selektion die künftig in der Züchtung genutzt werden soll
Microbial regulation of soil organic matter decomposition at the regional scale
Get PDFThe fate of soil organic carbon (SOC) is one of the greatest uncertainties in predicting future climate. Soil microorganisms, as primary decomposers of SOC, control C storage in terrestrial ecosystems by mediating feedbacks to climate change. Even small changes in microbial SOC decomposition rates at the regional scale have the potential to alter land-atmospheric feedbacks at the global scale. Despite their critical role, the ways in which soil microorganisms may change their abundances and functions in response to the climate change drivers of soil temperature and moisture is unclear. Additionally, most existing C models do not consider soil microorganisms explicitly as drivers of decomposition, one consequence of which is large variability in predicted SOC stock projections. This demonstrates the need for a better mechanistic understanding of microbial SOC decomposition at large scales. This thesis was designed to clarify the role of microbial SOC decomposition dynamics in response to climate change factors in two geographically distinct areas and land-use types. The hypothesis was that microbial communities would be adapted to climatic and edaphic conditions specific to each area and to the SOC organic quality in each land-use and would therefore exhibit distinct responses to soil temperature and moisture variations.
Three studies were performed to address the goals of this thesis. The first study aimed to clarify temporal patterns of degradation in C pools that varied in complexity by modelling in situ potentials of microbially produced extracellular enzymes. Temperature and moisture sensitivity patterns of C cycling enzymes were followed over a period of thirteen months. The second study investigated group-specific temperature responses of bacteria and fungi to substrate quality variations through an additional incubation experiment. Here, complex environments were mimicked in order to determine the dependence of microbial responses not only on environmental conditions, but also under conditions of inter- and intra-specific community competition. Changes in microbial community composition, abundance, and function were determined at coarse (phospholipid fatty acid PLFA, ergosterol) and relatively fine resolutions (16S rRNA, taxa-specific quantitative PCR, fungal ITS fragment). A third study investigated 1) the spatial variability of temperature sensitivity of microbial processes, and 2) the scale-specificity and relative significance of their biotic and physicochemical controls at landscape (two individual areas, each ca. 27 km2) and regional scales (pooled data of two areas).
Strong seasonal dependency was observed in the temperature sensitivities (Q10) of hydrolytic and oxidative enzymes, whereas moisture sensitivity of β-glucosidase activities remained stable over the year. The range of measured enzyme Q10 values was similar irrespective of spatial scale, indicating a consistency of temperature sensitivities of these enzymes at large scales. Enzymes catalyzing the recalcitrant SOC pool exhibited higher temperature sensitivities than enzymes catalyzing the labile pool; because the recalcitrant C pool is relatively large, this could be important for understanding SOC sensitivity to predicted global warming. Response functions were used to model temperature-based and temperature and moisture-based in situ enzyme potentials to characterize seasonal variations in SOC decomposition. In situ enzyme potential explained measured soil respiration fluxes more efficiently than the commonly used temperature-respiration function, supporting the validity of our chosen modelling approach. As shown in the incubation experiment, increasing temperature stimulated respiration but decreased the total biomass of bacteria and fungi irrespective of substrate complexity, indicating strong stress responses by both over short time scales. This response did not differ between study areas and land-uses, indicating a dominant role of temperature and substrate quality in controlling microbial SOC decomposition. Temperature strongly influenced the responses of microbial groups exhibiting different life strategies under varying substrate quality availability; with soil warming, the abundance of oligotrophs (fungi and gram-positive bacteria) decreased, whereas copiotrophs (gram-negative) increased under labile C substrate conditions. Such an interactive effect of soil temperature and substrate quality was also visible at the taxon level, where copiotrophic bacteria were associated with labile C substrates and oligotrophic bacteria with recalcitrant substrates. Which physicochemical and biological factors might explain the observed alterations in microbial communities and their functions in response to climate change drivers at the regional scale was investigated in the third study. Here, it was shown that the soil C:N ratio exerted scale-dependent control over soil basal respiration, whereas microbial biomass explained soil basal respiration independent of spatial scale. Factors explaining the temperature sensitivity of soil respiration also differed by spatial scale; extractable organic C and soil pH were important only at the landscape scale, whereas soil texture as a control was independent of spatial scale.
In conclusion, this thesis provides an enhanced understanding of the response of microbial C dynamics to climate change at large scales by combining field measurements with innovative laboratory assays and modelling tools. Component specific degradation rates of SOC using extracellular enzyme measurements as a proxy, group-specific temperature sensitivities of microbial key players, and the demonstrated scale-specificity of factors controlling microbial processes could potentially improve the predictive power of currently available C models at regional scale.Der Verbleib und das Verhalten von bodenbürtigem organischen Kohlenstoff (SOC) bergen mit die größten Unsicherheiten bei der Vorhersage des zukünftigen Klimas. Als primäre Zersetzer von SOC kontrollieren Bodenmikroorganismen die Speicherung von Kohlenstoff in terrestrischen Ökosystemen, da sie die mediatorische Rückkopplung zum Klimawandel darstellen. Schon geringe Änderungen der SOC-Abbauraten auf regionaler Skala haben das Potential, die Land-Atmosphären-Rückkopplungen auf globaler Ebene zu beeinflussen. Trotz ihrer wichtigen Rolle ist unklar, wie Bodenmikroorganismen ihre Abundanz und Funktion an Klimawandel, Bodentemperatur und -feuchte anpassen. Darüber hinaus werden Bodenmikroorganismen in den meisten C-Modellen nicht explizit als bestimmende Komponente des Kohlenstoffabbaus einbezogen, was in einer großen Variation der vorhergesagten C-Vorräte resultiert. Dies unterstreicht die Notwendigkeit eines besseren mechanistischen Verständnisses des mikrobiellen SOC-Abbaus auf großen Skalen. Die vorliegende Dissertation wurde ausgeführt, um die Rolle der mikrobiellen SOC-Abbaudynamik in Anhängigkeit von Klimawandelfaktoren in zwei geographisch getrennten Regionen und Landnutzungstypen zu klären. Die Hypothese lautete, dass mikrobielle Gemeinschaften sich an die regional spezifischen klimatischen und edaphischen Bedingungen sowie an die Qualität des SOC in jeder Landnutzungsform anpassen und daher unterschiedliche Reaktionen auf Bodentemperatur- und -feuchtigkeitsvariationen zeigen.
Um das Ziel dieser Dissertation zu erreichen, wurden drei Studien durchgeführt. Die erste Studie zielte darauf ab, den zeitlichen Verlauf des Abbaus von unterschiedlich komplexen C-Quellen durch die Modellierung des in situ-Potentials von mikrobiellen, extrazellulären Enzymen zu untersuchen. Die Temperatur- und Feuchtesensitivität von Enzymen des Kohlenstoffkreislaufs wurde über einen Zeitraum von dreizehn Monaten beobachtet. Die zweite Studie untersuchte gruppenspezifische Temperaturabhängigkeiten von Bakterien und Pilzen im Hinblick auf Substrate unterschiedlicher Qualität in einem separaten Inkubationsexperiment. Hierbei wurden komplexe Umweltbedingungen nachgestellt, um die Abhängigkeit mikrobieller Reaktionen nicht nur von Umwelteigenschaften, sondern auch von inter- und intraspezifischer Gemeinschaftskonkurrenz zu bestimmen. Veränderungen in der mikrobiellen Gemeinschaftsstruktur, Abundanz und Funktion wurden mittels grober (Phospholipidfettsäuren PLFA, Ergosterol) und relativ feiner Auflösung (16S rRNA, taxaspezifische quantitative PCR, pilzliche ITS-Fragment) bestimmt. Eine dritte Studie untersuchte 1) die räumliche Variabilität der Temperatursensitivität mikrobieller Prozesse, und 2) die skalenspezifische und relative Bedeutung ihrer biotischen und physikalisch-chemischen Steuerungsgrößen auf Landschafts- (zwei individuelle Regionen, jede 27 km²) und Regionalskala (zusammengefasste Daten zweier Regionen).
Es wurden starke jahreszeitliche Abhängigkeiten der Temperatursensitivität (Q10) von hydrolytischen und oxidativen Enzymen beobachtet, während die Feuchtigkeitssensitivität der β-Glucosidaseaktivitäten im Jahresverlauf stabil blieb. Der Bereich der gemessenen Q10-Werte variierte, unabhängig von der räumlichen Skala, wenig, was auf eine konstante Temperatursensitivität dieser Enzyme auf größerer räumlicher Skala hinweist. Enzyme, die in den Abbau von rekalzitrantem SOC involviert sind, wiesen eine höhere Temperatursensitivität verglichen mit solchen Enzymen auf, die labilere Verbindungen abbauen. Da der Anteil rekalzitranter C-Quellen im Boden relativ groß ist, könnte dies wichtig sein, um die SOC-Sensitivität auf den vorhergesagten Klimawandel zu verstehen. Um die temperaturbasierten sowie temperatur- feuchtigkeitsbasierten in situ-Enzympotentiale zur Charakterisierung von saisonalen Variationen im SOC-Abbau zu modellieren, wurden Antwortfunktionen genutzt. In situ-Enzympotentiale erklärten die gemessenen Bodenatmungsflüsse effektiver als die üblich genutzte Temperatur-Atmungs-Funktion. Dies unterstrich die Validität des gewählten Modellierungsansatzes. Wie im Inkubationsexperiment gezeigt wurde, erhöhte steigende Temperatur die Atmung, aber verringerte die Gesamtbiomasse von Bakterien und Pilzen unabhängig von der Substratkomplexität. Dies deutet auf starke Stressreaktionen beider Gruppen innerhalb kurzer Zeiträume hin. Die Reaktion unterschied sich nicht zwischen den Untersuchungsregionen oder Landnutzungen, was auf die dominierende Rolle von Temperatur und Substratqualität bei der Steuerung des mikrobiellen SOC-Abbaus hindeutet. Die Temperatur hatte unter variierender Substratqualitätsverfügbarkeit starken Einfluss auf die mikrobiellen Gruppen mit unterschiedlichen Lebensstrategien: bei Vorhandensein labiler C-Substrate nahm die Abundanz von Oligotrophen Mikroorganismen (Pilze, Gram positive Bakterien) mit der Bodenerwärmung ab, während Kopiotrophe (Gram negative Baktieren) zunahmen. Solch ein interaktiver Effekt von Bodentemperatur und Substratqualität war auch auf der Taxonebene sichtbar, wo Kopiotrophe Bakterien stärker mit labilen und Oligotrophe Bakterien stärker mit rekalzitranten C-Substraten assoziiert waren. Welche physikalisch-chemischen und biologischen Faktoren die beobachteten Veränderungen in mikrobiellen Gemeinschaften sowie ihre Funktionen in Reaktion auf Einflussfaktoren des Klimawandels auf regionaler Skala erklären, wurde in der dritten Studie untersucht. Hier konnte gezeigt werden, dass das C:N-Verhältnis des Bodens einen skalenabhängigen Einfluss auf die Basalatmung des Bodens hatte, während die mikrobielle Biomasse die Basalatmung unabhängig von der räumlichen Skala erklärte. Faktoren, die die Temperatursensitivität der Bodenatmung erklärten, unterschieden sich ebenfalls zwischen den räumlichen Skalen: der extrahierbarer organischer C und der Boden pH-Wert waren nur auf der Landschaftsskala relevant, während die Bodenart als Steuerungsgröße unabhängig von der räumlichen Skala war.
Schlussfolgernd bietet diese Dissertation ein verbessertes Verständnis für die Reaktionen von mikrobiellen C-Dynamiken auf den Klimawandel auf größeren Skalen, in dem sie Feldmessungen mit innovativen Laboranalysen und Modellierungswerkzeugen verbindet. Komponentenspezifische Abbauraten von SOC, die extrazelluläre Enzymmessungen als Stellvertretervariable, gruppenspezifische Temperaturabhängigkeiten mikrobieller Hauptakteure und die demonstrierte Skalenspezifität von Einflussgrößen auf mikrobielle Prozesse nutzen, haben das Potential die Vorhersagekraft aktuell verfügbarer C-Modelle auf der regionalen Skala zu verbessern
Investigations on methodological and strategic aspects of genomic selection in dairy cattle using real and simulated data
Get PDFIn Chapter one a method was developed to separate the genomic relationship matrix into two independent covariance matrices. Here, the base group component describes the covariance that results from systematic differences in allele frequencies between groups at the pedigree base. The remaining segregation component describes the genomic relationship that is corrected for the differences between base populations.
To investigate the proposed decomposition three different models were tested on six traits, where the covariance between animals was described either only by the segregation component or by a combination of the two components. An additional variant examining the effect of a fixed modeling of the group effects was included. In total, 7965 genotyped Fleckvieh and 4257 genotyped Brown Swiss and 143 genotyped Original Braunvieh bulls were available for this study.
The proposed decomposition of the genomic relationship matrix helped to examine the relative importance of the effects of base groups and segregation component in a given population. It was possible to estimate significant differences between the means of base groups in most cases for both breeds and for the traits analyzed. Analysis of the matrix of base group contributions to the populations investigated revealed several general breed-specific aspects. Comparing the three models, it was concluded that the segregation component is not sufficient to describe the covariance completely. However, it also was found that the model applied has no strong impact on predictive power if the animals used for validation show no differences in their genetic composition with respect to the base groups and if the majority of them have complete pedigrees of sufficient depth.
The subject of the chapter two was investigation to systematically increase the reliability of genomic breeding values by integrating cows into the reference population of genomic breeding value estimation. For this purpose a dataset was generated by simulation resembling the German-Austrian dual-purpose Fleckvieh population.. The concept investigated is based on genotyping a fixed number of daughters of each AI bull of the last or last two generation of the reference population and, together with their phenotypic performance, to integrate them into the reference population of the genomic evaluation. Different scenarios with different numbers of daughters per bull were compared. In the base scenario the reference population was made up of 4200 bulls. In the extended scenarios, more and more daughters were gradually integrated in the reference population. The reference population of the most extended scenario contained 4200 bulls and 420,000 cows.
It was found that the inclusion of genotypes and phenotypes of female animals can increase the reliabilities genomic breeding values considerably. Changes in validation reliability of 6-54% for a trait with a heritability of 0.4 depending on scenario were found. As the number of daughters increased, the validation reliability increased as well. It should be noted that the composition of the daughter samples had a very great influence on whether the additional genotyped and phenotyped animals in the reference population can have a positive effect on the reliability of genomic breeding values. If pre-selected daughter samples were genotyped, the mean validation reliability decreased significantly compared to a correspondingly large unselected daughter sample. In addition, a higher bias was observable in these cases.
Chapter three expands the investigations of chapter two by a low-heritability trait, as well as the aspect of so called new traits. The results found in chapter two were confirmed in chapter three for a low-heritability trait. Changes in validation reliability of 5-21% for a heritability of 0.05 depending on scenario were found. The negative effects of pre-selected daughter samples were even more pronounced in chapter three. In the case of an old trait, the number of phenotypes is expected to be (nearly) unlimited, since a recording system is well established. In the case of a new trait recording of phenotypes just started, therefore the number of phenotypes is limited. Two different genotyping strategies were compared for new traits. On the one hand, the sires of the phenotyped cows were genotyped and on the other hand the phenotyped cows were genotyped themselves. It was found in all compared scenarios that it is more sensible to genotype cows themselves instead of the genotyping their sires. However, if usual strategy of phenotyping female animals and genotyping of males is applied, it is at least important to ensure that many daughters are phenotyped in a balanced system. If different numbers of daughters per bull are phenotyped and unbalancedness becomes severe, the average validation reliability decreased significantly.In Kapitel 1 wurde eine Methode entwickelt, die die Verwandtschaftsmatrix in zwei unabhängige Kovarianzmatrizen trennt. Dabei beschreibt die eine Matrix die Basisgruppenkomponente, eine Kovarianzkomponente die auf Allelfrequenzunterschiede zwischen Gruppen der Basispopulation zurückzuführen ist. Die Segregationskomponente beschreibt die genomische Verwandtschaft, welche um diese Unterschiede zwischen verschiedenen Basispopulationen korrigiert wurde.
Die Zerlegung wurde anhand drei verschiedener Modelle für sechs Merkmale untersucht. Dabei wurde die Kovarianz zwischen Tieren entweder nur durch die Segregationskomponente oder über eine Kombination beider Komponenten beschrieben. Eine zusätzliche Variante untersuchte den Effekt einer fixen Modellierung der Gruppeneffekte. Zur Verfügung standen für diese Studie die Genotypen von 7965 Fleckviehbullen sowie von 4257 Braunvieh- und 143 Original Braunviehbullen.
Mit dieser Methode war es möglich, den Umfang der Basisgruppeneffekte und der Segregationskomponente in den beiden untersuchten Populationen sichtbar zu machen. Es konnten signifikante Unterschiede zwischen den mittleren Basisgruppeneffekten in den meisten Fällen für beide Rassen und für die sechs Merkmale gefunden werden. Die Analyse der Genanteile der diversen Basisgruppen an den untersuchten Populationen machte zudem einige rassetypische Aspekte sichtbar. Es wurde festgestellt, dass die Segregationskomponente nicht ausreicht die Kovarianz vollständig zu beschreiben. Allerdings wurde auch festgestellt, dass das verwendete Modell keinen starken Einfluss auf die Vorhersagekraft hat, wenn die Validierungstiere in ihrer genetischen Zusammensetzung weitgehend homogen sind und die Mehrheit von ihnen ein vollständiges und tiefes Pedigree aufweist.
Kapitel 2 umfasst Berechnungen zur systematischen Steigerung der Sicherheiten genomischer Zuchtwerte durch die Aufnahme von Kühen in die Lernstichprobe der genomischen Zuchtwertschätzung. Hierfür wurde eine Simulationsstudie durchgeführt, durch die die deutsch-österreichische Fleckviehpopulation widergespiegelt werden sollte. Das in der Simulation untersuchte Konzept beruht darauf, eine fixe Anzahl erstlaktierender Töchter eines jeden Besamungsbullen aus der jeweils letzten bzw. der letzten beiden Generationen der Lernstichprobe zusätzlich zu genotypisieren und zusammen mit ihren phänotypischen Leistungen in die Lernstichprobe zu integrieren. Verglichen wurden verschiedene Szenarien mit unterschiedlicher Anzahl an Töchtern je Bulle. Im Basisszenario bestand die Lernstichprobe aus 4200 Bullen, in den erweiterten Szenarien wurden schrittweise immer mehr Töchter integriert. Wobei die Lernstichprobe im letzten Szenario zusätzliche 420.000 Kühe umfasste.
Es konnte gezeigt werden, dass durch Aufnahme von Genotypen und Phänotypen von Kühen die Sicherheiten der Zuchtwerte erheblich gesteigert werden können. Die gefundenen Zuwächse betrugen dabei 6-54 % bei einem Merkmal mit einer Heritabilität von 0,4, wobei die Zuwächse mit zunehmender Anzahl an Töchter weiter anstiegen. Die Zusammensetzung der Töchtergruppen hatte einen großen Einfluss darauf, ob die zusätzlichen Tiere in der Lernstichprobe einen positiven Effekt auf die Sicherheiten genomischen Zuchtwerte haben können und wie hoch dieser ist. Genotypisierte man ausschließlich vorselektierte Töchtergruppen, sank die mittlere Sicherheit erheblich im Vergleich zu einer entsprechend großen unselektierten Töchtergruppe. Außerdem waren Effekte einer deutlichen Verzerrung der Zuchtwerte beobachtbar.
Kapitel 3 erweiterte die Untersuchungen aus Kapitel 2 um ein niedrig-erbliches Merkmal sowie um den Aspekt der so genannten neuen Merkmale. Die in Kapitel zwei gefundenen Ergebnisse konnten für ein niedrig-erbliches Merkmal bestätigt werden. Bei einer Heritabilität von 0,05 konnten die Sicherheiten in den verschiedenen Szenarien um 5- 21 % gesteigert werden. Eine gezielte Auswahl der genotypisierten Töchtergruppen führte auch hier zu negativen Effekten auf die erzielbaren Sicherheiten und führte zu einer Verzerrtheit der Zuchtwerte. Im Falle eines Merkmals mit etablierter Leistungsprüfung kann davon ausgegangen werden, dass die Anzahl der Phänotypen (nahezu) unbegrenzt ist. Im Falle der neuen Merkmale trifft dies nicht zu. Hierfür wurden zwei verschiedene Strategien der Genotypisierung verglichen. Zum einen wurden die Väter der phänotypisierten Kühe genotypisiert und zum anderen wurden die begrenzte Anzahl phänotypisierter Kühe selber genotypisiert. Es konnte in allen verglichenen Szenarien gezeigt werden, dass es sinnvoller ist, die Kühe selbst zu Genotypisieren statt deren Väter. Sollte dies nicht möglich sein und man nutzt die neuen Phänotypen wie bisher nur über die Väter, ist zumindest darauf zu achten, dass Töchter in balancierter Weise phänotypisiert werden. Bei niedrig erblichen Merkmalen und stark begrenzter Verfügbarkeit von Phänotypen kann Unbalanciertheit deutlich negative Effekte auf die mittlere Sicherheit haben
Three pillars of urbanization : migration, aging, and growth
Get PDFEconomic development in industrialized countries is characterized by rising per capita GDP, increasing life expectancy, and an ever larger share of the population living in cities. We explain this pattern within a regional innovation-driven economic growth model with labor mobility and a demographic structure of overlapping generations. The model shows that there is a natural tendency for core-periphery structures to emerge in modern knowledge-based economies
The effects of economic sanctions on trade : new evidence from apanel PPML gravity approach
Get PDFEconomic sanctions are a popular diplomatic tool for countries to enforce political demands abroad or to punish non-complying countries. There is an ongoing debate in the literature about whether this tool is effective in reaching these goals. This paper looks at the consequences of sanctions for bilateral trade values between 1987 and 2005. In order to quantify the direct effects of sanctions on the trade flows between countries I use PPML as well as several other econometric specifications to estimate the gravity equation with country pair, sender-time, and target-time fixed effects. Following Heid et al. (2015) I include intra-national as well as international trade flows, to reduce the endogeneity bias of trade policy instruments.
The estimates reveal that there is a signifucant decrease in the value of trade after the introduction of sanctions, which turns out to be driven by moderate sanctions. I also check whether countries that are affected by sanctions switch to other trade partners, but here is no robust evidence for behavior like this