2013 research outputs found
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Development and nutritional evaluation of microbial hybrid phytases
No full textUm den organischen Phosphatspeicher der Pflanzen bestmöglich zu erschließen, ist es notwendig, die Phytaseeffizienz in vivo zu erhöhen. Dabei helfen sowohl ein besseres Verständnis für die Einflussfaktoren, welche den Phytatabbau in vivo limitieren, als auch eine stetige Verbesserung der biochemischen Eigenschaften von Phytasen, um an die Bedingungen im Verdauungstakt der Nichtwiederkäuer bestmöglich angepasst zu sein. Das Hauptziel der Arbeit war daher, mit Hilfe einer gerichteten Rekombination bekannter Phytasegene sequenziell neuartiger Hybrid-Phytasen zu erzeugen, welche die biochemischen Eigenschaften der eingesetzten Wildtyp-Phytasen übertreffen. Im Fokus dieser Arbeit stand dabei die biochemische- und ernährungsphysiologische Bewertung der neu erzeugten Hybrid-Phytasen hinsichtlich ihrer Eignung als Futterzusatz.
Alle untersuchten Hybrid-Phytasen zeigten bei einem pH-Wert von 3,0 einen effizienteren InsP6-Abbau als bei einem pH-Wert von 5,5, obwohl die eingesetzte Phytaseaktivität bei beiden pH-Werten gleich war. Während das InsP6 in vielen Fällen bei einem pH-Wert von 3,0 bis zum InsP1-2 dephosphoryliert wurde, kam es bei einem pH-Wert von 5,5 zu einer Akkumulation des Ins(1,2,5,6)P4-Isomers. In einem in vitro Modell zeigten Hybrid-Phytasen mit einer hohen sequenziellen Homologie zur E. coli und C. braakii-Phytase eine hohe Akkumulation von InsP4-Isomeren. Interessant war, dass diese Phytasen bevorzugt das Ins(1,2,5,6)P4-Isomer bildeten. Andere Hybrid-Phytasen konnten hingegen alle InsP4-Isomere abbauen und bildeten zum Teil hohe InsP2-Konzentrationen. In einem weiteren in vitro- Versuch mit einer komplexen Futtermatrix, bestehend aus Soja- und Rapsextraktionsschroten sowie Weizen mit einem hohen Mineralstoffanteil wurde das im Futter enthaltene InsP6 von allen eingesetzten Phytasen deutlich schlechter abgebaut als bei einer Futtermatrix mit einem geringen Mineralstoffgehalt. Während eine Hybrid-Phytase das InsP6 der Futtermatrix basierend auf Mais und Soja bis zum InsP3- Isomer vollständig dephosphorylieren konnte und hohe InsP2-Konzentrationen bildete, waren bei Verwendung der komplexeren Futtermatrix noch InsP6-Konzentrationen nachweisbar, trotz ansonsten identischer Reaktionsbedingungen.
In einem abschließenden Fütterungsversuch mit Broilern wurde eine der Hybrid-Phytasen gleichzeitig mit einer kommerziellen Phytase in je zwei Dosierungen (500- und 1500 FTU/kg) eingesetzt, um ihre Eignung als Futterzusatz bewerten zu können. Es wurde ein Versuchsfutter auf Mais- und Sojabasis und ohne Zulage von Monocalciumphosphat verwendet, um einen möglichst effizienten Phytatabbau zu erreichen. Die Zulage der Hybrid-Phytase führte zu einer dosisabhängigen Zunahme der Leistungsdaten der Broiler im Vergleich zu der Basalration ohne Enzymzugabe. Außerdem konnte der Fußaschegehalt bei einer Dosierung von 1500 FTU/kg Phytase um 21,6 % erhöht werden, was für eine verbesserte Knochenmineralisierung durch das freigesetzte InsP6-Phosphat spricht. Durch die Analyse der InsP6-Konzentration und dessen Abbauprodukte in verschiedenen Segmenten des Verdauungstraktes konnte ein effizienter InsP6-Abbau in vivo beobachtet werden. Im Gegensatz zu den in vitro-Versuchen konnte keine Akkumulation von InsP3-4-Isomeren nachgewiesen werden. Neben einer hohen exogenen Phytaseaktivität spricht dieses Ergebnis ebenso für eine hohe endogene Phytase- sowie Phosphataseaktivität im Verdauungstrakt der Broiler. Es ist anzunehmen, dass der Verzicht auf MCP in den experimentellen Versuchsrationen die Expression endogener Phytasen sowie Phosphatasen begünstigt haben könnte. Diese Vermutung wird durch den praecaecalen InsP6- Abbau in vivo bestätigt, welcher in der Basalration ohne Phytasezugabe bei 63,5 % lag. Nichtsdestotrotz konnte die Zugabe der Hybrid-Phytase den praecaecalen InsP6-Abbau auf 76,3 % signifikant erhöhen. Die hohe Phytaseeffizienz spiegelte sich auch in der gemessenen praecaecalen Phosphor-Verdaulichkeit wider, die im Vergleich zur Basalration um 6,8 % erhöht wurde. Die eingesetzte kommerzielle Phytase zeigte eine vergleichbare Verbesserung der Leistungsdaten der Broiler wie die nicht optimierte Hybrid-Phytase.
In diesem Projekt wurde eine Vielzahl sequenziell einzigartiger Hybrid-Phytasen durch die Rekombination bekannter Wildtyp-Phytasegene entwickelt, welche in einigen relevanten Aspekten die biochemischen Eigenschaften der Wildtyp-Phytasen übertrafen. Einige der Phytasen zeigten bei der Simulation des Verdauungstraktes von Broilern in vitro einen sehr effizienten Phytatabbau. Ebenso konnte die Eignung der getesteten Hybrid-Phytase als Futterzusatz anhand der gesteigerten Leistungsdaten der Broiler nachgewiesen werden. Die höheren Leistungsdaten der Broiler konnten auf einen effizienten Phytatabbau zurückgeführt werden. Um einen maximalen InsP6-Abbau zu erreichen, müssen die futterbedingten- und tierbezogenen Faktoren auf die Phytaseeffizienz in vivo noch besser verstanden und die InsP6-Verfügbarkeit erhöht werden.To degrade the organic phosphate storage in the best possible way, it is necessary to increase phytase efficiency in vivo. Both a better understanding of the influencing factors limiting phytate degradation in vivo and a continuous improvement of the biochemical properties of phytases to be best adapted to the conditions in the digestive tract of non-ruminants will help to achieve this. Therefore, the main objective of this work was the generation of a large number of sequentially unique hybrid phytases by directed recombination of known phytase genes with the goal to achieve improved biochemical properties compared to the wild-type phytases used. The focus of this work was the biochemical and nutritional evaluation of the newly generated hybrid phytases with respect to their suitability as feed supplements.
All hybrid phytases examined showed more efficient InsP6 degradation at pH 3.0 than at pH 5.5, although the phytase activity supplemented was the same at both pH values. While InsP6 was dephosphorylated to InsP1-2 in many cases at pH 3.0, accumulation of the Ins(1,2,5,6)P4 isomer occurred at pH 5.5. In an in vitro model simulating the digestive tract of broilers, hybrid phytases with high sequential homology to the E. coli and C. braakii phytase showed high accumulation of InsP4 isomers. Interestingly, these phytases preferentially formed the Ins(1,2,5,6)P4 isomer. In contrast, other hybrid phytases were able to degrade all InsP4 isomers and in some cases high InsP2 concentrations were observed. Another in vitro experiment with a complex feed matrix consisting of soybean meal, rapeseed meal, and wheat with a high mineral content, illustrated the negative influence of certain feed-related factors on phytase efficiency. InsP6 present in the feed was significantly less degraded by all phytases used compared to a corn and soy-based feed matrix with a low mineral content. While a hybrid phytase was able to completely dephosphorylate the InsP6 of the corn and soy-based feed matrix down to the InsP3 isomer resulting in high InsP2 concentrations, the InsP6 were still detectable in the in vitro model with the more complex feed matrix and high mineral content, despite identical reaction conditions.
In a final feeding trial with broilers, one of the hybrid phytases was supplemented at two doses each (500 and 1500 FTU/kg) to evaluate its suitability as a feed supplement. Also, a commercial phytase was included in the study design at the same doses setting the benchmark for phytase efficiency. A low phosphorus experimental feed based on corn and soybean meal was used. The supplementation of the used hybrid phytase resulted in a dose-dependent increase in broiler performance data such as daily weight gain, feed intake and significantly improved feed efficiency compared to the basal ration without enzyme supplementation. In addition, foot ash content was increased by 21.6% at a dose of 1500 FTU/kg phytase, indicating significantly improved bone mineralization due to the released InsP6 phosphate. By analyzing InsP6 concentration and its degradation products in different segments of the digestive tract, efficient InsP6 degradation was observed. In contrast to the in vitro experiments, no accumulation of InsP3-4 isomers could be detected in crop, gizzard or small intestine. In addition to a high exogenous phytase activity, this result also suggests a high endogenous phytase as well as phosphatase activity in the digestive tract of broilers. It can be assumed that the absence of monocalcium phosphate in the experimental rations may have induced the expression of endogenous phytases and phosphatases. This assumption is confirmed by the high precaecal InsP6 degradation, which was 63.5% in the basal ration without phytase supplementation. Nevertheless, the used hybrid phytase significantly increased the precaecal InsP6 degradation to 76.3%. The high phytase efficiency was also reflected in the measured precaecal phosphorus digestibility, which was increased by 6.8% compared to the basal ration. The commercial phytase used showed comparable improvement in broiler performance data to the non optimized hybrid phytase.
This project demonstrated the development of a variety of sequentially unique hybrid phytases by recombination of known phytase genes, which exceeded the biochemical properties of the wild-type phytases in some relevant aspects. Some of the phytases showed very efficient phytate degradation when simulating the digestive tract of broilers in vitro. Also, the suitability of the tested hybrid phytase as feed additives was demonstrated by the increased performance data of broilers. The higher performance data of the broilers could be attributed to efficient phytate degradation. To achieve maximum InsP6 degradation in vivo, the feed-related and animal-related factors on phytase efficiency need to be better understood
Toll-like Receptor 9 (TLR9) activation and the innate immune response to microbial and human DNA
Full text linkThe human Toll-like Receptor 9 (TLR9) is an endosomal Pattern Recognition Receptor (PRR) that recognizes DNA sequences containing the unmethylated Cytosine-Guanine (CpG) dimers, which are present in greater abundance in most bacterial genomes compared to those of vertebrates. Specific CpG-containing sequences are strongly stimulatory of human TLR9, as shown in published studies using synthetic oligonucleotides (ODN) and DNA from bacterial species of varying genomic CpG concentration.
Human TLR9 activation was experimentally examined in this thesis using DNA extracted from different bacterial sources, human DNA from Caco-2 cells, known immunostimulatory ODN, and short ODN. In vitro assays using fragment length-standardized microbial genomic DNA on HEK-Dual TLR9 Cells and human peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) revealed that TLR9 activation strongly correlated to CpG concentration of the input DNA, with an additional influence of CpG-containing 5-mer TCGTT concentration.
When DNA of varying origins and fragment lengths were used together, however, complex dynamics of TLR9 activation, co-activation, and repression were observed, which were less predictable than expected from genomic CpG concentration alone. DNase I-treated microbial DNA fragments of less than 15 bp of length were non-activating on their own, but co-activated human TLR9 together with ODN-2006 in Ramos Blue (B) cells. Similarly, human DNA fragments at the length of 50-200 bp co-activated human TLR9 with both ODN-2006 and Escherichia coli DNA in HEK-dual TLR9 cells. In contrast, large human DNA fragments at over 10000 bp of length repressed TLR9 activation by ODN-2006 in Ramos Blue cells.
Finally, a preliminary study was conducted in HT-29 cells on the effect of TLR9 activation on the invasion of Fusobacterium nucleatum, an opportunistic gut pathogen with a very low genomic CpG concentration at 0.296%, using ODN-2006 and human DNA as TLR9 activators. While increased presence of intracellular Fusobacterium nucleatum upon treatment with both ODN-2006 and human DNA was noted, more studies are needed to confirm TLR9 activation as a cause of greater bacterial invasion.
The human colon is the location of the largest microbial population of the human body, which provides a rich source of non-human DNA in contact with human TLR9 present in intestinal epithelial cells, plasmacytoid dendritic cells (pDCs), and B lymphocytes. Additionally, the daily mass shedding and death of human intestinal epithelial cells provide large amounts of human DNA, which when combined with microbial DNA could result in co-activation and possible autoimmunity. The thesis thus provided an in vitro model of TLR9 activation by complex DNA of varying origins and fragment lengths likely to present in the human gut environment, and prepared a working basis for future studies of TLR9 activation by human fecal metagenomic DNA.Der menschliche Toll-like-Rezeptor 9 (TLR9) ist ein endosomaler Mustererkennungsrezeptor (PRR), der DNA-Sequenzen erkennt, die unmethylierte Cytosin-Guanin-Dimere (CpG) enthalten. Diese sind in den meisten bakteriellen Genomen in größerer Menge vorhanden als im Vergleich zu denen von Wirbeltieren. Spezifische CpG-haltige Sequenzen stimulieren den menschlichen TLR9 unterschiedlich stark, wie in veröffentlichten Studien mit synthetischen Oligonukleotiden (ODN) und DNA von Bakterienarten mit unterschiedlicher genomischer CpG-Konzentration zeigten.
In der vorliegenden Arbeit wurde die Aktivierung des menschlichen TLR9 unter Verwendung von DNA aus verschiedenen bakteriellen Quellen, menschliche DNA aus Caco-2-Zellen, bekannte immunstimulierende ODN und kurze ODN experimentell untersucht. In in-vitro-Assays, in denen die TLR9 Aktivierung durch, mit Fragmentlängen-standardisierte mikrobielle genomische DNA in HEK-Dual TLR9-Zellen und humanen peripheren mononukleären Blutzellen (PBMCs) untersucht würde, zeigten dass die TLR9-Aktivierung stark mit der CpG-Konzentration Input-DNA korreliert und die CpG-haltige 5-mer TCGTT-Konzentration einen zusätzlichen Einfluss hat.
Wurden jedoch DNAs unterschiedlicher Herkunft und Fragmentlängen zusammen verwendet, konnte eine komplexe Dynamik der TLR9-Aktivierung, Koaktivierung und Unterdrückung beobachtet werden, die weniger vorhersehbar war als von der genomischen CpG-Konzentration allein erwartet. Mikrobielle DNA-Fragmente mit einer Länge von weniger als 15 Basenpaaren (bp), welche mit DNase I behandelte wurden, besaßen alleine keine aktivierende Funktion. Im Zusammenspiel mit ODN-2006, konnte jedoch eine Aktivierung zusammen des menschlichen TLR9 in Ramos Blue (B)-Zellen beobachtet werden. In ähnlicher Weise ko-aktivierten menschliche DNA-Fragmente mit einer Länge von 50-200 bp den menschlichen TLR9, sowohl unter Zugabe von ODN-2006, als auch Escherichia coli DNA in HEK-dual TLR9-Zellen. Im Gegensatz dazu unterdrückten große menschliche DNA-Fragmente mit einer Länge von über 10000 bp die TLR9-Aktivierung durch ODN-2006 in Ramos Blue-Zellen.
Schließlich wurde eine vorläufige Studie über die Auswirkungen der TLR9-Aktivierung in HT-29-Zellen auf die Invasion von Fusobacterium nucleatum, einem opportunistischen Darmpathogen mit einer sehr niedrigen genomischen CpG-Konzentration von 0,296%, durchgeführt. Als TLR9-Aktivatoren wurden dabei ODN-2006 und menschliche DNA verwendet. Während eine erhöhte Präsenz von intrazellulärem Fusobacterium nucleatum nach der Behandlung sowohl mit ODN-2006 als auch mit menschlicher DNA festgestellten wurde, sind weitere Studien erforderlich, um die TLR9-Aktivierung als Ursache für eine stärkere bakterielle Invasion zu bestätigen.
Der menschliche Dickdarm beherbergt die größte mikrobielle Population des menschlichen Körpers. Diese stellt eine reichhaltige Quelle nicht-menschlicher DNA dar, die mit menschlichem TLR9 in intestinalen Epithelzellen, plasmazytoiden dendritischen Zellen (pDCs) und B-Lymphozyten in Kontakt kommt. Darüber hinaus liefern die täglichen Ausscheidungen und das Absterben menschlicher Darmepithelzellen große Mengen menschlicher DNA, die in Kombination mit mikrobieller DNA zu einer Koaktivierung und möglicher Autoimmunität führen könnten. Die Arbeit lieferte somit ein in-vitro-Modell der TLR9-Aktivierung durch komplexe DNA unterschiedlicher Herkunft und Fragmentlänge, wie sie in der menschlichen Darmumgebung vorkommen kann, und bereitete eine Arbeitsgrundlage für künftige Studien zur TLR9-Aktivierung durch menschliche fäkale metagenomische DNA
Potential and prospects of a brand differentiation in the agricultural engineering, using the example of the multi-brand company CNH Industrial
Full text linkDer Konzern CNH Industrial beinhaltet drei Marken, die landwirtschaftliche Maschinen produzieren. Diese sind Case IH, Steyr und New Holland. Durch Fusionen und Zusammenschlüsse in der Vergangenheit wurden diese ehemals eigenständigen Hersteller in eine Firma überführt. Um die Profitabilität des neu gegründeten Konzerns zu steigern, wurden damals wie heute Synergien genutzt, die Produktionskomplexität reduziert und vermehrt auf Plattformlösungen mit einer hohen Anzahl an identischen Teilen gesetzt. Durch diesen Harmonisierungsprozess wurde zum einen die Markendifferenzierung, aber auch die Produktdifferenzierung der drei Marken bei dem Portfolio der Traktoren ab 51 PS stark eingeschränkt. Dies führte zu einer höheren Vergleichbarkeit und folglich zu einem stärkeren Wettbewerb zwischen den drei Marken, der insbesondere durch die Struktur des Vertriebsnetzwerkes verstärkt wird. Während Case IH & Steyr sich den gleichen Vertriebspartnerkanal teilen, unterhält New Holland einen vollständig getrennten Vertriebskanal. Dies führt zu einem starken Wettbewerb zwischen den Handelspartnern innerhalb des Konzerns, da jeder Vertriebspartner nach seinem eigenen wirtschaftlichen Erfolg strebt und somit im Markt als Konkurrent auftritt. Durch den internen Wettbewerb zwischen den 3 Schwestermarken wird der Wettbewerb zu anderen Marken außerhalb des CNH Industrial Konzerns geschwächt, was interne Kannibalisierungseffekte nach sich zieht und die Profitabilität der drei Marken, der Vertriebspartner und CNH Industrial im Allgemeinen gefährdet. Der Wandel in der europäischen Landwirtschaft führt zu größeren Betrieben und damit einhergehend zu geringeren Zulassungszahlen für Traktoren, was den Wettbewerb zwischen den Traktorenherstellern zusätzlich intensiviert.
Eine Befragung von Landwirten und landwirtschaftlichen Lohnunternehmern aus Deutschland, dem Vereinigten Königreich und Frankreich zeigt, dass eine Marken- und Produktdifferenzierung sinnvoll wäre und einen nachhaltigen Mehrwert für alle drei Marken und den Mutterkonzern CNH Industrial schaffen würde. Aufgrund der traditionsreichen Geschichte aller drei Marken und der langjährigen Kundenbeziehungen ist eine Fusion zu einer CNH Industrial-Marke nicht effizient und zielführend. Es ist wichtig, für jede Marke die richtige(n) Kundengruppe(n) zu identifizieren, die Anforderungen der Kunden zu kennen und die passenden Produkte und technischen Lösungen anzubieten. Das Netzwerk an Vertriebspartnern ist dabei ein entscheidender Erfolgsfaktor für eine effiziente Marktbearbeitung. Die Professionalität der Händler bestimmt maßgeblich den Erfolg einer Traktormarke und ihrer Produkte am Markt und die Wahrnehmung der Traktoren durch Landwirte und Lohnunternehmer. Die Professionalisierung des Handels sowie eine gute Zusammenarbeit zwischen Hersteller und Vertriebspartner sind unerlässlich. Auch das Land, in dem die Produktion der Traktoren stattfindet, hat einen erhebliche Einfluss auf die Kundenwahrnehmung und Wertschätzung. Made in Germany ist nach wie vor ein Qualitätsmerkmal und erklärt teilweise die hohe Wertschätzung der Kunden gegenüber Fendt und John Deere als Premium-Traktoren für professionelle Landwirte und Lohnunternehmer.
Steyr, als eine Marke von CNH Industrial, die ausschließlich Traktoren herstellt, hat das Potential sich zu einer Premium-Traktorenmarke in Europa zu etablieren. Aufgrund geringer negativer Konnotationen der Kunden und einer traditionsreichen Vergangenheit hat die Marke eine gute Ausgangslage dieses Ziel zu erreichen.
Abschließend kann gesagt werden, dass es vielfältige Möglichkeiten gibt, eine Differenzierung zu erreichen, die von den Kunden auch als solche wahrgenommen wird. Einige Maßnahmen sind jedoch nur mittel- und langfristig realisierbar. Eine Produktdifferenzierung ist sinnvoll, um eine breite Kundenbasis zu erreichen. Unbestritten ist allerdings, dass eine Produktdifferenzierung mit hohen Investitionen verbunden ist. Ob es für die CNH Industrial Gruppe wirtschaftlich nachhaltig ist, muss noch evaluiert werden.CNH Industrial unites three agricultural brands, Case IH, Steyr and New Holland. With miscellaneous mergers in the past, these former independent manufacturers of agricultural equipment were combined in one company. A lot of synergies were used and are still being used to maximize the profit of the parent company CNH Industrial and to reduce complexity. Through this harmonization process, the tractor models of the three brands became more and more similar with less distinctive features which leads to a high comparability of the brands Case IH, Steyr and New Holland and its tractor product line up above 55 hp. This results in a strong competition between these brands because in most countries the dealer network is separated for New Holland and Case IH/Steyr and every distribution partner is independent and strives for their own profitability. Due to this, the internal competition prevents external competition with tractors from other manufacturers, which generates cannibalization effects and reduces the profit of the three brands, CNH Industrial and the dealers. Structural changes in the European agriculture led to bigger farms with in total less tractor registrations per year what intensifies additionally the competition for tractor manufacturers.
A survey with farmers and contractors from Germany, UK and France showed, that a brand and product differentiation would make sense and would bring a sustainable benefit for all three brands and their parent company CNH Industrial. Because of the history of all three brands and loyal long-term customers, a merger to one CNH Industrial brand is not efficient and expedient. It is important to identify the right customer group for each brand, to know the customers requirements and to offer the appropriate products and technical solutions. The network of distribution partners (dealers) is the key factor for an efficient market development. The professionalism of the dealers is mainly determining the success of a brand and its products in the market and the perception of the farmers and contractors. The professionalization of the dealer and collaboration between manufacturing company and dealer is essential. Also, the country of production of the tractors has a significant impact on the customer perception and appreciation. Made in Germany is still a quality characteristic and explains partially the high appreciation of Fendt and John Deere as premium tractors for professional farmers and contractors.
Steyr as one brand of CNH Industrial AG which only produces tractors has a valid potential to establish to a premium tractor brand in Europe. Due to little negative connotations of customers and a straightforward history the brand has a good base for this development purpose.
Bottom line, there are manifold possibilities to achieve a differentiation that is perceived by the customers as such. However, several actions are only feasible mid- or long-term. A product differentiation makes sense to reach a broad base of customers. Certainly, it is undisputed that a product differentiation is connected to high investment. If it is economically viable for the CNH Industrial group remains to be evaluated
Ecological and molecular characteristics of arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) on mercury phytoremediation
No full textEnvironmental pollution caused by harmful chemicals represents a major challenge worldwide. Among these, heavy metals (HM) in soils are of particular concern due to their persistence, toxicity, and bioaccumulation which can significantly threaten human health, plant growth, and ecosystem integrity. Phytoremediation, which uses plants to extract pollutants from soils, has been recognized as a promising approach to remediate HM-contaminated soils. Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF)-assisted phytoremediation has shown great potential to enhance plant growth and metal uptake by forming a mutual association between plant roots and AMF, which can improve nutrient uptake and tolerance to environmental stress. Despite its potential, however, the effectiveness of this approach can be limited by various factors, such as environmental and geographic factors, soil properties, and plant-microbe interactions. An advanced fundamental understanding of both ecological and molecular characteristics of this technology is thus crucial to improve its effectiveness and application potential. Therefore, the impetus of this doctoral thesis was to investigate the potential of AMF in phytoremediation of soils contaminated with HM, with a particular focus on mercury (Hg) remediation.
The first study (Chapter 2) contributes to the ecological understanding of AMF in a degraded ecosystem. In this study, two geographically distinct, abandoned gold mining locations in Ghana were selected and the genetic diversity and composition of AMF communities both in the rhizosphere and roots of the pioneer plant Pueraria phaseoloides (Roxb.) Benth. (tropical kudzu) were analyzed using a metagenomic sequencing approach. To determine the primary factor shaping AMF communities, both biotic (plant identity) and abiotic factors (geographic locations and soil conditions) were examined. In total, 195 amplicon sequence variants (ASV) affiliated to eight genera of the phylum Glomeromycota were identified. The root compartment showed a lower diversity than the rhizosphere soils and a difference of AMF compositions between the two compartments was detected irrespective of geographical location. Moreover, co-occurrence network analysis revealed two different keystone species in the two compartments, i.e., Acaulospora in rhizosphere soil and Rhizophagus in roots. The high abundance of Rhizophagus in the roots of P. phaseoloides was the result of a good match of functions between plant and AMF. Collectively, the results indicated that plant compartment (root versus rhizosphere) is the main factor shaping AMF communities associated with P. phaseoloides.
The second study (Chapter 3) comprises a research synthesis of the role of AMF in zinc (Zn), cadmium (Cd), and Hg bioremediation. The study assumed that mycorrhization plays a role in modulating the uptake of Hg, facilitated by Zn and/or Cd transporters. The synthesis demonstrated that AMF have the ability to regulate the transporters responsible for Zn and Cd uptake and transport, such as ZIP (zinc-iron permease or ZRT-IRT-like protein), CDF (cation diffusion facilitator), NRAMP (natural resistance-associated macrophage proteins), and HMA (heavy metal ATPase). This regulation can either enhance or inhibit the uptake and transport of Zn or Cd. The extent of this regulation is influenced by multiple factors, such as the plant species, the species of AMF involved, and soil conditions, including pH and elements such as phosphorus (P). It was concluded that future research is needed to investigate the optimal environmental conditions under which AMF are effective in Hg remediation for appropriate application.
The third study (Chapter 4) offers essential insights into the distinct functions of AMF symbiosis in Hg partitioning in plants. This relationship was assessed in the context of Zn uptake mechanisms and the expression of two Zn transporter genes (ZIP2 and ZIP6). Zn is crucial for plants and has a similar outer electronic configuration as Hg, which implies a potential competition for the same transporters. In a greenhouse experiment, plants of Medicago truncatula were exposed to different Hg concentrations with and without inoculation of the AMF species Rhizophagus irregularis. This study demonstrated that mycorrhizal symbiosis improved plant Hg tolerance under Hg exposure, but the specific roles of mycorrhizal symbiosis in Hg partitioning depended on Hg concentrations in the substrate. A negative relationship between Hg and Zn concentrations in roots was observed, although the expression of Zn transporters (ZIP2 and ZIP6) by mycorrhizal inoculation was upregulated irrespective of Hg concentrations in the substrate. More importantly, mycorrhizal colonization reduced Hg concentrations in leaves compared to controls, regardless of Hg concentrations in the substrate. This study demonstrated that mycorrhizal symbiosis influences Hg uptake in M. truncatula and highlights the importance of AMF in phytoremediation.
Overall, this doctoral thesis extends the understanding of AMF in phytoremediation with insights from both ecological and molecular perspectives and provides a knowledge basis to realize the potential and implementation of this technology.Die Umweltbelastung durch schädliche Chemikalien stellt weltweit eine große Herausforderung dar. Unter diesen sind Schwermetalle in Böden aufgrund ihrer Persistenz, Toxizität und Bio-akkumulation von besonderer Bedeutung, da sie die menschliche Gesundheit, das Pflanzen-wachstum und die Funktion von Ökosystemen erheblich gefährden können. Phytoremediation, bei der Pflanzen Schadstoffe aus Böden extrahieren, wird als vielversprechender Ansatz zur Sanierung von schwermetall-kontaminierten Böden angesehen. Die durch arbuskuläre Mykorrhizapilze (AMF) unterstützte Phytosanierung hat ein großes Potenzial zur Verbesserung des Pflanzenwachstums und der Metallaufnahme, da eine wechselseitige Verbindung zwischen Pflanzenwurzeln und AMF gebildet wird, welche die Nährstoffaufnahme und die Toleranz gegenüber Umweltstress verbessern kann. Trotz seines Potenzials kann die Effektivität dieses Ansatzes jedoch durch verschiedene Faktoren begrenzt werden, wie z.B. Umwelt- und geografische Faktoren, Bodeneigenschaften und Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Mikroben. Ein erweitertes grundlegendes Verständnis sowohl der ökologischen als auch der molekularen Eigenschaften ist daher entscheidend für ein erhöhtes Anwendungspotenzial dieser Technologie. Der Anstoß zu dieser Doktorarbeit war daher die Untersuchung des Potenzials von AMF bei der Phytosanierung von Böden, die mit Schwermetallen kontaminiert sind, mit besonderem Fokus auf die Quecksilber (Hg)-Sanierung.
Die erste Studie (Kapitel 2) trägt zum ökologischen Verständnis von AMF in einem degradierten Ökosystem bei. In dieser Studie wurden zwei geografisch unterschiedliche, aufgegebene Gold-minenstandorte in Ghana ausgewählt und die genetische Vielfalt und Zusammensetzung von AMF-Gemeinschaften sowohl in der Rhizosphäre als auch in den Wurzeln der Pionierpflanze Pueraria phaseoloides (Roxb.) Benth. (Tropischer Kudzu) unter Verwendung eines metagenomischen Sequenzierungsansatzes analysiert. Um den primären Faktor zu bestimmen, der AMF-Gemeinschaften prägt, untersuchte diese Studie sowohl biotische (Pflanzenidentität) als auch abiotische Faktoren (geografische Standorte und Bodenbedingungen). Insgesamt wurden 195 Amplikon-Sequenzvarianten (ASV) identifiziert, die zu acht Gattungen des Stammes Glomeromycota gehören. Das Wurzelkompartiment zeigte eine geringere Diversität als die Rhizosphärenböden und es wurde unabhängig von der geografischen Lage ein Unterschied in der AMF-Zusammensetzung zwischen den beiden Kompartimenten festgestellt. Darüber hinaus ergab die Co-Occurrence-Netzwerkanalyse zwei verschiedene Keystone-(Schlüssel-)Arten in den beiden Kompartimenten, d.h. Acaulospora im Boden der Rhizosphäre und Rhizophagus in Wurzeln. Das hohe Vorkommen von Rhizophagus in den Wurzeln von P. phaseoloides war das Ergebnis einer guten Übereinstimmung der Funktionen zwischen Pflanze und AMF. Insgesamt zeigten die Ergebnisse, dass das Pflanzenkompartiment (Wurzel versus Rhizosphäre) der Hauptfaktor ist, der AMF-Gemeinschaften formt, die mit P. phaseoloides assoziiert sind.
Die zweite Studie (Kapitel 3) umfasst eine Forschungssynthese der Rolle von AMF bei der biologischen Sanierung von Zink (Zn), Cadmium (Cd) und Hg. Die Studie legte zugrunde, dass die Mykorrhizierung eine Rolle bei der Modulation der Hg-Aufnahme spielt, welche durch Zn- und/oder Cd-Transporter erleichtert wird. Die Synthese zeigte, dass AMF in der Lage sind, die Transporter zu regulieren, die für die Aufnahme und den Transport von Zn und Cd verantwortlich sind, wie ZIP (Zink-Eisen-Permease oder ZRT-IRT-ähnliches Protein), CDF (Kationendiffusionsförderer), NRAMP (natürliche resistenzassoziierte Makrophagenproteine) und HMA (Schwermetall-ATPase). Diese Regulierung kann die Aufnahme und den Transport von Zn oder Cd entweder erhöhen oder hemmen. Das Ausmaß dieser Regulierung wird von mehreren Faktoren beeinflusst, wie z.B. der Pflanzenart, der beteiligten AMF-Art und den Bodenbedingungen, einschließlich pH-Wert und Elementen wie Phosphor (P). Es wurde der Schluss gezogen, dass weitere Forschung erforderlich ist, um die optimalen Umgebungs-bedingungen zu bestimmen, unter denen AMF bei der Hg-Sanierung für eine angemessene Anwendung wirksam sind.
Die dritte Studie (Kapitel 4) gibt wesentliche Einblicke in die unterschiedlichen Funktionen der AMF-Symbiose bei der Hg-Verteilung in Pflanzen. Diese Beziehung wurde im Zusammenhang mit Zn-Aufnahmemechanismen und der Expression von zwei Zn-Transportergenen (ZIP2, ZIP6) bewertet. Zn ist ein essentielles Element für Pflanzen und hat eine ähnliche äußere elektronische Konfiguration wie Hg, was eine potenzielle Konkurrenz um dieselben Transporter impliziert. In einem Gewächshausversuch wurden Pflanzen von Medicago truncatula mit und ohne Inokulation der AMF-Spezies Rhizophagus irregularis unterschiedlichen Hg-Konzentrationen ausgesetzt. Diese Studie zeigte, dass die Mykorrhiza-Symbiose die pflanzliche Hg-Toleranz unter Hg-Exposition verbesserte. Die spezifische Rolle der Mykorrhiza-Symbiose bei der Hg-Verteilung hing jedoch von den Hg-Konzentrationen im Substrat ab. Eine negative Beziehung zwischen Hg- und Zn-Konzentrationen in den Wurzeln wurde beobachtet, obwohl die Expression von Zn-Transportern (ZIP2 und ZIP6) durch Mykorrhiza-Inokulation unabhängig von den Hg-Konzentrationen im Substrat hochreguliert wurde. Noch wichtiger ist, dass die Besiedlung mit Mykorrhiza die Hg-Konzentrationen in den Blättern im Vergleich zu den Kontrollen reduzierte, unabhängig von den Hg-Konzentrationen im Substrat. Diese Studie zeigte, dass eine Mykorrhiza-Symbiose die Hg-Aufnahme bei M. truncatula beeinflussen kann und unterstreicht die Bedeutung von AMF bei der Phytoremediation.
Insgesamt erweitert diese Doktorarbeit das Verständnis von AMF in der Phytoremediation um Erkenntnisse sowohl aus ökologischer als auch aus molekularer Sicht und bietet eine Wissens-basis, um das Potenzial und die Umsetzung dieser Technologie voll auszuschöpfen
Unlocking the power of generative AI models and systems such asGPT-4 and ChatGPT for higher education
Full text linkGenerative AI technologies, such as large language models, have the potential to revolutionize much of our higher education teaching and learning. ChatGPT is an impressive, easy-to-use, publicly accessible system demonstrating the power of large language models such as GPT-4. Other compa- rable generative models are available for text processing, images, audio, video, and other outputs and we expect a massive further performance increase, integration in larger software systems, and diffusion in the coming years.
This technological development triggers substantial uncertainty and change in university-level teaching and learning. Students ask questions like: How can ChatGPT or other artificial intelligence tools support me? Am I allowed to use ChatGPT for a seminar or final paper, or is that cheating? How exactly do I use ChatGPT best? Are there other ways to access models such as GPT-4? Given that such tools are here to stay, what skills should I acquire, and what is obsolete?
Lecturers ask similar questions from a different perspective: What skills should I teach? How can I test students competencies rather than their ability to prompt generative AI models? How can I use ChatGPT and other systems based on generative AI to increase my efficiency or even improve my students learning experience and outcomes? Even if the current discussion revolves around ChatGPT and GPT-4, these are only the forerunners of what we can expect from future generative AI-based models and tools. So even if you think ChatGPT is not yet technically mature, it is worth looking into its impact on higher education.
This is where this whitepaper comes in. It looks at ChatGPT as a contemporary example of a conversational user interface that leverages large language models. The whitepaper looks at ChatGPT from the perspective of students and lecturers. It focuses on everyday areas of higher education: teaching courses, learning for an exam, crafting seminar papers and theses, and assessing students learning outcomes and performance. For this purpose, we consider the chances and concrete application possibilities, the limits and risks of ChatGPT, and the underlying large language models.
This serves two purposes:
First, we aim to provide concrete examples and guidance for individual students and lecturers to find their way of dealing with ChatGPT and similar tools.
Second, this whitepaper shall inform the more extensive organizational sensemaking processes on embracing and enclosing large language models or related tools in higher education.
We wrote this whitepaper based on our experience in information systems, computer science, management, and sociology. We have hands-on experience in using generative AI tools. As professors, postdocs, doctoral candidates, and students, we constantly innovate our teaching and learning. Fully embracing the chances and challenges of generative AI requires adding further perspectives from scholars in various other disciplines (focusing on didactics of higher education and legal aspects), university administrations, and broader student groups.
Overall, we have a positive picture of generative AI models and tools such as GPT-4 and ChatGPT. As always, there is light and dark, and change is difficult. However, if we issue clear guidelines on the part of the universities, faculties, and individual lecturers, and if lecturers and students use such systems efficiently and responsibly, our higher education system may improve. We see a greatchance for that if we embrace and manage the change appropriately
Improved prediction of dietary protein use and nitrogen excretion in tropical dairy cattle
Full text linkThe overall objective of the present doctoral thesis was to evaluate the adequacy (i.e., accuracy and precision) of existing laboratory methodologies and modeling tools, originally designed for temperate systems, in predicting the nitrogen (N) supply and excretion of cattle in tropical husbandry systems. It was hypothesized that the adoption of laboratory methodologies and modeling tools from temperate systems without validating and adapting them for tropical systems may result in inaccurate estimations of N supply, utilization, and excretion, which will hamper the assessment of N use efficiency. An in vitro study was conducted to evaluate the adequacy of the chemical method (Sniffen et al., 1992; Kirchhof et al., 2010; Valdés et al., 2011) to predict rumen-undegraded crude protein (RUP) of tropical forages grasses and legumes (n = 23). The adequacy of the predictions was assessed by comparing them with RUP proportions measured in situ at rumen passage rates of 2, 5, and 8% per hour. Results showed that the RUP of tropical forages estimated with the in situ method can be predicted using the chemical method. However, regression equations developed for temperate forages were not adequate enough to predict RUP proportions of tropical forages consistently for all rumen passage rates. Instead, developed equations in the present thesis can be used to predict RUP proportion of tropical forages with a similar chemical composition than the reference forage sample set. A second in vitro study was conducted to evaluate the adequacy of the chemical (Sniffen et al., 1992; Zhao and Cao, 2004) and in vitro methods (Steingaß et al., 2001) to predict post-ruminal crude protein (PRCP) supply of tropical forages (n = 23). The adequacy of the PRCP supply with the chemical and in vitro methods were tested against PRCP supply estimated from in situ measurements at rumen passage rates of 2, 5, and 8% per hour and digested organic matter. Results showed that the in vitro method can be used as an alternative method to estimate PRCP supply in tropical forages at moderate to fast rumen passage rate but not at slow rumen passage rate. Available regression equations developed for temperate forages were not adequate enough to predict the PRCP supply of tropical forages from concentrations of chemical crude protein fractions. Instead, developed equations in the present thesis can be used to estimate PRCP supply of tropical forages with a similar chemical composition than the reference forage sample set. A third study was conducted to assess the adequacy of modeling tools to predict N excretion of cattle in tropical husbandry systems. These models, namely model A (based on AFRC, 1993), model G (based on GfE, 2001), and model I (INRA, 2019), were selected to predict fecal N (FN), urine N (UN), and total N (TN) excretion as well as FN fractions of dairy cows, heifers, and steers kept under typical tropical husbandry conditions. The adequacy of the model predictions was assessed against reference values of UN (total collection and creatinine method) and FN excretion (total collection, internal and external markers) (n = 392 observations). Adjustments were made to the models with the greatest potential to predict N excretion. The adjustments were focused on the input variables driving the variability in N excretion predictions, identified through a sensitivity analysis. None of the tested models predicts adequately the excretion of UN, FN, and of different FN fractions of individual cattle kept under tropical conditions. Instead, model I in the present thesis, adjusted for increased efficiency of rumen microbial crude protein synthesis and reduced intercept of FN prediction, can be used to estimate FN and TN excretion of individual cattle kept under tropical conditions. The findings from the present thesis partially support our hypothesis. The adjustment of laboratory methodologies, such as the chemical method used to estimate the protein value of temperate forages, to tropical forages, results in more adequate estimates of the proportion of RUP and PRCP supply of tropical forages. Model I is, therefore, able to predict the N excretion of cattle more adequately in tropical husbandry systems, because it is sensitive to differences in the RUP proportion and PRCP supply. In addition to increasing the adequacy of these input variables, adjustments made to the microbial protein synthesis and intercept of the FN excretion of model I results in a more adequate prediction of N excretion by cattle in tropical husbandry systems. However, not all adjustments to laboratory methodologies and modeling tools from temperate systems yielded adequate predictions. Specifically, challenges remained in predicting RUP proportion and PRCP supply for tropical forage legume with slow rumen passage rates, as well as urinary N excretion in cattle with low N intakes. Consequently, further research is required to identify the factors contributing to their poor adequacy.Das übergeordnete Ziel der vorliegenden Doktorarbeit bestand daher darin, die Genauigkeit und Präzision der vorhandenen Labormethoden und Modellierungsinstrumente für die Vorhersage der Stickstoff (N)-Zufuhr und -ausscheidung von Rindern in tropischen Haltungssystemen zu bewerten. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass die Anwendung von Labormethoden und Modellierungsinstrumenten aus gemäßigten Breiten ohne deren Validierung und Anpassung an tropische Systeme zu ungenauen Schätzungen der N-Zufuhr, -verwendung und -ausscheidung führen kann, was die Bewertung der N-Verwertungseffizienz erschwert. In einer In-vitro-Studie wurde die Eignung der chemischen Methode (Sniffen et al., 1992; Kirchhof et al., 2010; Valdés et al., 2011) zur Vorhersage des im Pansen nicht abbaubaren Rohproteins (RUP) tropischer Futtermittel untersucht (n = 23). Die Genauigkeit und Präzision der Vorhersagen wurde anhand der in situ gemessenen RUP-Anteile bewertet. Die Ergebnisse zeigten, dass der mit der In-situ-Methode geschätzte RUP-Anteil tropischer Futtermittel mit der chemischen Methode vorhergesagt werden kann. Die für gemäßigten Futtermittel entwickelten Regressionsgleichungen reichten jedoch nicht aus, um die RUP-Anteile tropischer Futtermittel für alle Pansenpassageraten (Kp) korrekt vorherzusagen. Stattdessen können die in dieser Arbeit entwickelten Gleichungen zur Schätzung des RUP-Anteils tropischer Futtermittel verwendet werden, die eine ähnliche chemische Zusammensetzung aufweisen wie die Referenz-Futtermittelproben. Eine zweite In-vitro-Studie wurde durchgeführt, um die Eignung der chemischen Analysemethode (Sniffen et al., 1992; Zhao and Cao, 2004) und der In-vitro-Methode (Steingaß et al., 2001) zur Vorhersage des postruminalen Rohproteinanteils (PRCP) von tropischen Futtermitteln zu bewerten (n = 23). Die Genauigkeit und Präzision der Vorhersagen wurden anhand der in situ gemessenen RUP-Anteile und der Konzentration an verdauter organischer Substanz bewertet. Die Ergebnisse zeigten, dass die In-vitro-Methode zur Schätzung der PRCP-Versorgung in tropischen Futtermitteln bei mäßiger bis schneller Kp, nicht aber bei langsamer Kp, verwendet werden kann. Verfügbare Regressionsgleichungen, entwickelt für Futtermittel aus gemäßigten Zonen, waren nicht ausreichend, um die PRCP-Versorgung tropischer Futtermittel vorherzusagen. Stattdessen können die in dieser Arbeit entwickelten Gleichungen zur Schätzung des PRCP-Angebots tropischer Futtermittel verwendet werden, die eine ähnliche chemische Zusammensetzung aufweisen wie die Referenz-Futtermittelproben. Eine dritte Studie durchgeführt, um die Eignung von Modellierungsinstrumenten zur Vorhersage der N-Ausscheidung von Milchkühen, Färsen und Ochsen unter typischen tropischen Haltungsbedingungen zu bewerten. Diese Modelle, nämlich Modell A (AFRC, 1993), Modell G (GfE, 2001) und Modell I (INRA, 2019), wurden ausgewählt, um die Ausscheidung von N im Kot (KN), im Urin (UN) und Gesamt-N (GN) sowie die KN-Fraktionen vorherzusagen (n = 392). An den Modellen mit dem größten Potenzial zur Vorhersage der N-Ausscheidung wurden Anpassungen vorgenommen. Die Anpassungen konzentrierten sich auf die Inputvariablen, die die größten Abweichungen bei der Vorhersage der N-Ausscheidung verursachten. Um diese Inputvariablen zu identifizieren, wurde eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt. Keines der getesteten Modelle liefert adäquate Vorhersagen für die Ausscheidung von UN, KN und KN-Fraktionen. Stattdessen kann das Modell I zur Schätzung der KN- und GN-Ausscheidung bei Rindern in tropischer Haltung verwendet werden, nach Anpassungen an die mikrobielle Rohproteinsynthese im Pansen und den KN-Vorhersage-Intercept. Die Ergebnisse aus der vorliegenden Dissertation unterstützen unsere Hypothese teilweise. Die Anpassung von Labormethoden an tropische Futtermittel, wie z. B. der chemischen Methode zur Schätzung des Proteinwertes von Futtermitteln aus gemäßigten Zonen, führt zu genaueren und präziseren Schätzungen des Anteils der RUP- und PRCP-Versorgung mit tropischen Futtermitteln. Das Modell I ist daher in der Lage, die N-Ausscheidung von Rindern in tropischen Haltungssystemen besser vorherzusagen, da es auf Unterschiede im RUP-Anteil und PRCP-Angebot reagiert. Zusätzlich zur Erhöhung die Genauigkeit und Präzision dieser Inputvariablen führen die Anpassungen der mikrobiellen Proteinsynthese und des Schnittpunkts der KN-Ausscheidung des Modells I zu einer angemesseneren Vorhersage der N-Ausscheidung von Rindern in tropischen Haltungssystemen. Jedoch führten nicht alle Anpassungen der Labormethoden und Modellierungswerkzeuge zu angemessenen Vorhersagen. Herausforderungen bleiben bestehen, insbesondere bei der präzisen Vorhersage des Anteils an RUP und PRCP für tropisches Leguminosen mit langsamer Kp, sowie bei der Harnstickstoffausscheidung bei Rindern mit geringer Stickstoffaufnahme. Daher ist weitere Forschung erforderlich, um die Faktoren zu identifizieren, die zu einer fehlerhaften Vorhersage beitragen
Bioethanol production from lignocellulosic biomass
Full text linkThe aim of this thesis was to develop a high gravity second-generation bioethanol process and investigate the effects of a high solid loading. The insights gained from the initial experiments helped to understand the underlying mechanism behind the limitations of a high solid loading. Based on these findings, strategies were developed to overcome these limitations.Das Ziel dieser Arbeit war es, einen vollständigen Bioethanolprozess zu entwickeln und die negativen Auswirkungen einer hohen Feststoffbeladung zu untersuchen. Die Erkenntnisse aus den ersten Experimenten halfen, den zugrunde liegenden Mechanismus hinter den Limitierungen einer hohen Feststoffbeladung zu verstehen. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurden Strategien entwickelt, um diese Limitierungen zu überwinden
Physiological, metabolic and molecular basis of biennial bearing in apple
Full text linkAlternate or biennial bearing in apple (Malus ×domestica Borkh.) is characterized by On years with high crop load and inhibited floral bud initiation and Off years with little crop load and promoted formation of floral buds, respectively. Apple cultivars differ in their degree of biennial bearing behavior. The cropping irregularity has severe effects on quality and yield of apple harvests in commercial orchards and thereby directly poses an economic risk to apple growers.
The aim of this study was to contribute to the understanding of the underlying mechanisms of biennial bearing in apple by analyzing the physiological processes in bud meristems during the time of flower bud induction. A field experiment was conducted during the growing seasons 2015 and 2016 and provided bud meristems of various developmental stages for a variety of analyses. The regular bearing cultivar Royal Gala and the biennial bearing cultivar Fuji allowed the comparison of two different developmental responses to high and low crop load treatments. Buds from 2-year-old spurs were sampled starting approximately four weeks after full bloom.
Histological analysis of bud meristems successfully identified the time point of flower bud initiation in both cultivars at the experimental site. The onset of flower bud initiation was affected by crop load, cultivar and heat accumulation. While heavy cropping delayed the onset in Royal Gala trees for 20 days compared to Royal Gala trees with no crop load, bud initiation in heavy cropping Fuji trees was negligible. Fuji trees with no crop load started initiating buds 19 days earlier than Royal Gala trees with the same cropping status.
Proteomic profiling of the buds sampled during flower bud induction and during flower bud initiation revealed distinct differences in specific protein abundances depending on the cropping status. Buds from trees with a high crop load, where the flower bud initiation was inhibited and the buds primarily remained in a vegetative state, showed a decreased abundance of enzymes belonging to the phenylpropanoid and flavonoid pathways. Specifically, PAL was reduced, which could lead to less active auxin due to the reduced production of chlorogenic acid and thereby inhibiting flower bud formation. Furthermore, increased abundances of histone deacetylase and ferritins were also found in buds from high cropping trees, indicating that histone modification and building up enough iron storage capacities are involved in the vegetative bud development. Buds growing on non-cropping trees with a high rate of flower bud initiation, showed significantly higher concentrations of proteins involved in histone and DNA methylation.
Metabolomic profiling and next-generation RNA sequencing showed that thiamine, chlorogenic acid, and an adenine derivative play a role in metabolic pathways promoting early flower bud development in apple, and that tryptophan was more abundant in buds collected from high-cropping trees compared to non-cropping trees.
The selection of proteins, metabolites, and genes that the current work produced through its broad, non-targeted approach provides a comprehensive data base for future, more targeted analyses. The results of this study lay a thorough baseline to contribute to the identification of biological markers that are linked to a certain bearing behavior. Such markers can accelerate and facilitate breeding programs aimed at selecting apple cultivars, that are less prone to biennial bearing.Die Ertragsalternanz bei Apfel (Malus ×domestica Borkh.) ist gekennzeichnet durch "On"-Jahre mit hohem Ertrag und gehemmter Blütenknospenbildung und "Off"-Jahre mit geringem Ertrag und Bildung vieler Blütenknospen. Verschiedene Apfelsorten weisen eine unterschiedlich starke Ausprägung des Alternanzverhaltens auf. Die Unregelmäßigkeit des Ertrags hat bedeutende Auswirkungen auf die Qualität und Quantität der Apfelernte in kommerziellen Obstanlagen und stellt somit ein direktes wirtschaftliches Risiko für die Apfelanbauern dar.
Ziel dieser Studie war es, durch die Analyse der physiologischen Prozesse in Knospenmeristemen zur Zeit der Blütenknospeninduktion einen Beitrag zum Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen der Alternanz bei Apfel zu leisten. Ein in den Vegetationsperioden 2015 und 2016 durchgeführter Feldversuch lieferte Knospenmeristeme in verschiedenen Entwicklungsstadien für eine Vielzahl von Analysen. Die gleichmäßig tragende Sorte Royal Gala und die stark alternierende Sorte Fuji ermöglichten den Vergleich von zwei unterschiedlichen Entwicklungsreaktionen auf hohe und niedrige Fruchtbehänge. Knospen von 2-jährigen Kurztrieben wurden ab etwa vier Wochen nach Vollblüte beprobt.
Durch eine histologische Analyse der Knospenmeristeme konnte der Zeitpunkt der Knospeninitiation bei beiden Sorten am Versuchsstandort bestimmt werden. Der Beginn der Knospeninitiation wurde durch die Stärke des Fruchtbehangs, die Sorte und die gesammelte Wärmesumme beeinflusst. Während sich der Beginn der Knospeninitiation bei Royal Gala mit starkem Fruchtbehang im Vergleich zu Royal Gala mit niedrigem Fruchtbehang um 20 Tage verzögerte, war die Knospeninitiation bei Fuji mit hohem Fruchtbehang vernachlässigbar. Fuji"-Bäume ohne Fruchtbehang begannen 19 Tage früher mit der Knospeninitiation als die entsprechenden Royal Gala"-Bäume.
Proteom-Profile der Knospen, die während der Knospeninduktion und der Knospeninitiation gesammelt wurden, wiesen deutliche Unterschiede in der Häufigkeit spezifischer Proteine in Abhängigkeit vom Fruchtbehang auf. Knospen von Bäumen mit einem hohen Fruchtbehang, bei denen die Blütenknospenbildung gehemmt war und die Knospen hauptsächlich im vegetativen Zustand verblieben, wiesen eine geringere Abundanz von Enzymen auf, die zu den Phenylpropanoid- und Flavonoid-Stoffwechselwegen gehören. Insbesondere war PAL reduziert, was aufgrund der daraus folgenden verminderten Produktion von Chlorogensäure zu weniger aktivem Auxin führen und damit die Bildung von Blütenknospen hemmen könnte. Darüber hinaus wurden in den Knospen von Bäumen mit hohem Fruchtbehang erhöhte Mengen an Histondeacetylase und Ferritinen gefunden, was darauf hindeutet, dass die Histonmodifikation und der Aufbau ausreichender Eisenspeicherkapazitäten an der Entwicklung der vegetativen Knospen beteiligt sind. Knospen, die an Bäumen mit einer hohen Rate an Blütenknospenbildung wuchsen, wiesen signifikant höhere Konzentrationen von Proteinen auf, die an der Histon- und DNA-Methylierung beteiligt sind.
Metabolomanalysen und RNA-Sequenzierung zeigten, dass Thiamin, Chlorogensäure und ein Adenin-Derivat eine Rolle in den Stoffwechselwegen spielen, die die frühe Entwicklung der Blütenknospen bei Äpfeln fördern, und dass Tryptophan in Knospen von Bäumen mit hohem Fruchtbehang im Vergleich zu Bäumen mit niedrigem Fruchtbehang häufiger vorkam.
Die Auswahl von Proteinen, Metaboliten und Genen, die diese Arbeit durch die breitangelegte Methodik hervorbrachte, bietet eine umfassende Datenbasis für zukünftige, gezieltere Analysen. Die Ergebnisse dieser Studie bilden eine solide Grundlage für die Identifizierung von biologischen Markern, die mit der Ertragsalternanz verbunden sind. Solche Marker können Züchtungsprogramme beschleunigen und erleichtern, die auf die Auswahl von Apfelsorten abzielen, die weniger anfällig für Ertragsalternanz sind
Dual-purpose chicken - what is meant? A Survey among farmers and poultry farmers in Germany 2022
No full textUm das seit Januar 2022 geltende Verbot des Kükentötens einzuhalten, schlägt das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft drei Alternativen vor, darunter das Ausbrüten von Zweinutzungshühnern. Neben züchterischen und wirt-schaftlichen Herausforderungen, Zweinutzungstiere in der Wertschöpfungs¬kette zu etablieren, werden das uneinheitliche Verständnis was überhaupt ein Zwei¬-nutzungshuhn ist und wie dessen Besonderheiten gegenüber Ver¬braucher*innen erfolgreich kommuniziert werden können, als Herausforderungen angesehen Dazulegen, was ein Zweinutzungshuhn ist bzw. welches Verständnis darüber aus Sicht von Landwirt*innen vorliegt, ist Ziel dieses Arbeitsberichts.
Die deutschlandweite Online-Umfrage unter Landwirt*innen und Geflügel-halter*innen zum Verständnis und der Zukunft von Zweinutzungshühnern wurde im Herbst 2022 im Rahmen des EIP-Agri Projekts ZweiWert durchgeführt. Das EIP-Projekt mit dem Titel Aufbau von Wertschöpfungsketten für Zwei¬nutzungs¬hühner in Baden-Württemberg (ZweiWert) wird vom Ministerium für Ernährung, ländliche Räume und Verbraucherschutz Baden-Württemberg von 01/2022 bis 12/2024 gefördert. Projektpartner sind der Naturlandverband Baden-Württemberg, mehrere Fachgebiete der Universität Hohenheim und viele Partner aus der landwirtschaftlichen Erzeugung und Vermarktung.To comply with the ban on chick culling that has been in effect since January 2022, the Federal Ministry of Food and Agriculture proposes three alternatives, including the hatching of dual-purpose chickens. In addition to the breeding and economic challenges of establishing dual-purpose animals in the value chain, the inconsistent understanding of what a dual-purpose chicken actually is and how its characteristics can be successfully communicated to consumers are seen as challenges. The goal of this working report is to present what a dual-purpose chicken is and what understanding farmers have of it.
The German nationwide online survey among farmers and poultry farmers regarding the understanding and future of dual-purpose chickens was conducted in autumn 2022 as part of the EIP-Agri project "ZweiWert." The EIP project titled "Building Value Chains for Dual-Purpose Chickens in Baden-Württemberg" (ZweiWert) is funded by the Ministry of Food, Rural Areas and Consumer Protection of Baden-Württemberg from 01/2022 to 12/2024. Project partners include the Naturland Association of Baden-Württemberg, several departments of the University of Hohenheim, and many partners from agricultural production and marketing
Laser backscattering imaging in agriculture
Full text linkNon-destructive optical sensor technology (NDOST) is an essential part of agriculture. The unique capabilities of laser notably enhanced NDOST. Laser backscattering imaging (LBI) is a technology that captures light patterns scattered by a material to analyze its properties. It is particularly suitable for agriculture due to its affordability and the optical scattering nature of agricultural products. The images generated by LBI are related to the optical parameters of the examined objects. Crucial tasks in LBI include the selection of an appropriate laser, the extraction of image features, and the utilization of a prediction model for analysis. LBI has been employed in numerous scenarios, such as maturity detection and drying monitoring. The main challenges for LBI involve establishing a precise theoretical framework and uncovering new applications within agriculture. This study aims to enhance the foundational knowledge about LBI and explore additional application scenarios.
The first study focused on basic research about LBI. Currently, researchers rarely document the cell size of their samples and treat the optical coefficient as a constant within agricultural products, which is questionable. This studys purpose was to use glass filter matrices as controlled models and to evaluate the effects of pore size, different solutes, concentrations, and wavelength. The used porous glass discs had pore diameters ranging from 1 to 160 µm. We applied aqueous solutions of NaCl (0, 1, 2, 3, and 4 mol/L) and NaH₂PO₄ (0, 0.8, 1.6, 2.4, and 3.2 mol/L) to fill the pores. The LBI system incorporated laser modules at three different wavelengths (405, 635, 780 nm). The results illustrated that three of the four examined experimental factors (the pore diameter, the solutes, and their concentrations) have a substantial impact on LBI. However, no clear differences in LBI patterns were observed among the three utilized wavelengths. Consequently, when deploying LBI on fruits, for instance, a thorough consideration of cell sizes at various depths from the fruit surface is required.
The second study focused on a possible application scenario of LBI: the sedimentation process of crude sesame oil. Oil sedimentation is a process where gravity is used to remove solid impurities, resulting in a clearer oil. This study examined the sedimentation process in crude sesame oil using LBI. In situ and laboratory experiments were conducted over 30 days, involving an LBI system directly attached to a transparent sedimentation tank with 120L of crude oil. Both the oil properties and sedimentation curve were analyzed along with the LBI images. There was a dramatic drop in oil particle-related properties (at least 87%), a 90% decrease in water content, and minor changes in oxidation-related properties. The sedimentation speed was about −7 mm/h, then became less than −2 mm/h, revealing two stages: diluted and hindered sedimentation. The crude oils surface displayed a distinctive scattering spot and a Tyndall effect within the oil, showing an increasing path length as sedimentation proceeded. The findings offer practical insights for enhancing sedimentation tank and LBI system design.
The third study focused on another possible application scenario of LBI: leaf wetness measurement. Leaf wetness plays a pivotal role in managing plant fungi diseases. Existing optical techniques categorize leaf wetness as a binary problem either wet or dry. In contrast, this research developed a platform capable of semi-automatically measuring droplet deposition on grape leaves using an LBI system. The leaf area, mean intensity per pixel in the red channel, and droplet count using information from the green channel were extracted from the scattering images. The study employed a generalized additive model (GAM) to predict leaf wetness with the extracted features. The prediction of the test dataset achieved an R-squared value of 0.78. The extraction of image features was found to be influenced by factors such as image resolution and leaf orientation. The method introduced in this study offers the potential for precise quantification of leaf wetness with an LBI system.
In conclusion, our study highlights the importance of considering cell size in agricultural applications of LBI. Besides, LBI was found useful in monitoring plant oil sedimentation and quantifying leaf wetness. This suggests its potential for scenarios involving state changes in suspensions or colloids and differentiating materials with distinct optical properties. However, using a porous matrix as a model introduces an inherent error. Additionally, advancements are necessary to transition the application studies into practical use. Future LBI development could be facilitated by building a comprehensive database on light interactions with diverse cells and tissues.Nicht-destruktive optische Sensortechnologie (NDOST) ist ein wesentlicher Bestandteil der Landwirtschaft. Die einzigartigen Fähigkeiten des Lasers haben die NDOST deutlich verbessert. Laser-Rückstreubildgebung (LBI) ist eine Technologie, die Lichtmuster erfasst, die von einem Material gestreut werden, um dessen Eigenschaften zu analysieren. Sie eignet sich besonders für die Landwirtschaft aufgrund ihrer Erschwinglichkeit und der optischen Streueigenschaften landwirtschaftlicher Produkte. Die von der LBI erzeugten Bilder hängen mit den optischen Parametern der untersuchten Objekte zusammen. Wesentliche Aufgaben bei der LBI sind die Auswahl eines geeigneten Lasers, die Extraktion von Bildmerkmalen und die Verwendung eines Vorhersagemodells zur Analyse. Die LBI wurde in zahlreichen Szenarien eingesetzt, wie beispielsweise zur Reifeerkennung und Trocknungsüberwachung. Die Haupt Herausforderungen für die LBI bestehen darin, einen genauen theoretischen Rahmen zu etablieren und neue Anwendungen in der Landwirtschaft zu entdecken. Diese Studie zielt darauf ab, das Grundlagenwissen über LBI zu vertiefen und zusätzliche Anwendungsszenarien zu erforschen.
Die erste Studie konzentrierte sich auf die Grundlagenforschung über LBI. Derzeit dokumentieren Forscher selten die Zellgröße ihrer Proben und behandeln den optischen Koeffizienten als Konstante innerhalb landwirtschaftlicher Produkte, was fragwürdig ist. Ziel dieser Studie war es, Glasfiltermatrizen als kontrollierte Modelle zu verwenden und die Auswirkungen von Porengröße, verschiedenen Lösungsmitteln, Konzentrationen und Wellenlänge zu bewerten. Die verwendeten porösen Glasplatten hatten Porendurchmesser von 1 bis 160 µm. Wir verwendeten wässrige Lösungen von NaCl (0, 1, 2, 3 und 4 mol/L) und NaH₂PO₄ (0, 0.8, 1.6, 2.4 und 3.2 mol/L) um die Poren zu füllen. Das LBI-System integrierte Lasermodule mit drei verschiedenen Wellenlängen (405, 635, 780 nm). Die Ergebnisse zeigten, dass drei der vier untersuchten experimentellen Faktoren (der Porendurchmesser, die Lösungsmittel und ihre Konzentrationen) einen erheblichen Einfluss auf LBI haben. Es wurden jedoch keine klaren Unterschiede in den LBI-Mustern zwischen den drei verwendeten Wellenlängen festgestellt. Daher ist bei der Anwendung von LBI auf Früchte beispielsweise eine gründliche Berücksichtigung der Zellgrößen in verschiedenen Tiefen von der Fruchtoberfläche erforderlich.
Die zweite Studie konzentrierte sich auf ein mögliches Anwendungsszenario von LBI: den Sedimentationsprozess von rohem Sesamöl. Die Ölsedimentation ist ein Prozess, bei dem die Schwerkraft genutzt wird, um feste Verunreinigungen zu entfernen, was zu einem klareren Öl führt. Diese Studie untersuchte den Sedimentationsprozess in rohem Sesamöl mit Hilfe von LBI. In-situ- und Laborversuche wurden über 30 Tage durchgeführt, wobei ein LBI-System direkt an einen transparenten Sedimentationstank mit 120L Rohöl angeschlossen war. Sowohl die Öleigenschaften als auch die Sedimentationskurve wurden zusammen mit den LBI-Bildern analysiert. Es gab einen starken Rückgang der ölpartikelbezogenen Eigenschaften (mindestens 87%), einen Rückgang des Wassergehalts um 90% und geringfügige Veränderungen der oxidationsbezogenen Eigenschaften. Die Sedimentationsgeschwindigkeit betrug etwa −7 mm/h und wurde dann weniger als −2 mm/h, was auf zwei Phasen hinweist: verdünnte und gehemmte Sedimentation. Die Oberfläche des rohen Öls zeigte einen ausgeprägten Streufleck und einen Tyndall-Effekt im Öl, der eine zunehmende Weglänge zeigte, während die Sedimentation fortschritt. Die Ergebnisse bieten praktische Einblicke für die Verbesserung des Sedimentationstanks und des LBI-Systemdesigns.
Die dritte Studie konzentrierte sich auf ein weiteres mögliches Anwendungsszenario von LBI: die Messung der Blattnässe. Blattnässe spielt eine entscheidende Rolle bei der Bekämpfung von Pilzkrankheiten bei Pflanzen. Bestehende optische Techniken kategorisieren Blattnässe als ein binäres Problem entweder nass oder trocken. Im Gegensatz dazu entwickelte diese Forschung eine Plattform, die in der Lage ist, die Tropfenablagerung auf Weinblättern mit einem LBI-System halbautomatisch zu messen. Die Blattfläche, die durchschnittliche Intensität pro Pixel im roten Kanal und die Tropfenzählung anhand von Informationen aus dem grünen Kanal wurden aus den Streubildern extrahiert. Die Studie verwendete ein generalisiertes additives Modell (GAM), um die Blattnässe mit den extrahierten Merkmalen vorherzusagen. Die Vorhersage des Testdatensatzes erreichte einen R-Quadrat-Wert von 0,78. Es stellte sich heraus, dass die Extraktion von Bildmerkmalen von Faktoren wie Bildauflösung und Blattorientierung beeinflusst wurde. Die in dieser Studie vorgestellte Methode bietet das Potenzial für eine präzise Quantifizierung der Blattnässe mit einem LBI-System.
Abschließend betont unsere Studie die Bedeutung der Berücksichtigung der Zellgröße bei landwirtschaftlichen Anwendungen von LBI. Darüber hinaus erwies sich LBI als nützlich bei der Überwachung der Sedimentation von Pflanzenöl und der Quantifizierung von Blattnässe. Dies deutet auf sein Potenzial für Szenarien hin, die Zustandsänderungen in Suspensionen oder Kolloiden und die Unterscheidung von Materialien mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften betreffen. Allerdings führt die Verwendung einer porösen Matrix als Modell zu einem inhärenten Fehler. Zusätzlich sind Fortschritte notwendig, um die Anwendungsstudien in die praktische Anwendung zu überführen. Die zukünftige Entwicklung von LBI könnte durch den Aufbau einer umfassenden Datenbank über Lichtwechselwirkungen mit verschiedenen Zellen und Geweben erleichtert werden