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Untersuchung zum vaskulären Remodelling in venösen Bypassgefäßen nach Lagerung in verschiedenen Gefäßprotektionslösungen im Gefäßtransplantationsmodell der Ratte
No full textAfter the establishment of aortocoronary bypass surgery for the treatment of advanced coronary artery disease, the great saphenous vein, together with the internal mammary artery, became the principal conduit for coronary bypass grafting. Compared with the internal mammary artery, the long-term patency of venous grafts is limited. Consequently, there is great interest in investigating the pathophysiology of graft failure in order to develop strategies to counteract it and thereby improve clinical outcomes. In this context, several approaches have been introduced, including the “no-touch” harvesting technique, various storage and preservation methods, meticulous anastomotic technique, and postoperative pharmacological therapy. Among the storage solutions studied—such as specific buffered solutions, histidine-tryptophan-ketoglutarate (HTK) solution, sodium chloride, and heparinized autologous blood—the results remain controversial. This has led to the development of alternative storage and protection solutions such as TiProtec and DuraGraft.
Since no consensus exists regarding the most suitable storage solution, a long-term in vitro study comparing three solutions (sodium chloride, DuraGraft, and TiProtec) was conducted. For this purpose, the right internal jugular vein of Wistar rats was harvested and stored for 120 minutes in one of the respective solutions. The graft was then interposed into the infrarenal aorta, while in a sham group the vein was implanted directly without prior storage. After an observation period of 16 weeks, the rats were euthanized, and the venous grafts were divided into two rings for further analysis. One ring was used for vascular function testing with a myograph, while the other underwent immunohistochemical and immunofluorescence-based examinations.
The present results demonstrate that, in functional measurements of vasoconstriction and vasodilation, the TiProtec solution achieved the best outcomes. Histomorphological analysis revealed significant changes in vessel size and wall structure, attributable to remodeling under high wall tension. However, no clear superiority of one protection solution over another could be established.2025-12-2
Sleep Disorders and Their Detection in Preterm and Newborn Infants During the First Year of Life
No full textSleep disturbances in newborns affect the child’s development as well as the emotional wellbeing and quality of life of their parents and the entire family. To date, the causes, manifestations, and early predictors of sleep problems in preterm and full-term infants remain incompletely studied. This study combined a prospective longitudinal cohort study and retrospective cross-sectional study which compared the prevalence and impact of sleep disturbances in preterm and full-term infants. For this study, parents, and healthcare providers of 508 infants completed questionnaires regarding the child’s sleep.
In addition to subjective assessments, the questionnaire included the Children’s Sleep Habits Questionnaire – Infant Version (CSHQ-I) to provide objective and comparable measures of infant sleep behavior. Parents were surveyed about their child’s sleep across the first year of life.
The analysis of the CSHQ-I revealed no clear differences in sleep behavior between preterm and full-term infants throughout the first year of life. Parental and staff assessments likewise showed only minor differences. However, the results demonstrated a significant association between general parental worry and poorer sleep habits in both groups, with this relationship being particularly pronounced among preterm infants. Parents of both preterm and full-term children expressed a need for professional support regarding sleep issues during the entire first year. Infants whose parents felt very well informed about newborn sleep consistently showed better CSHQ-I scores compared to those whose parents felt only adequately or poorly informed.
A potential link between prematurity and sleep disturbances could not be conclusively confirmed in this study. Nonetheless, the impact of infant sleep problems on parental quality of life was evident. The strong association between parental worry and poorer sleep habits, together with the high demand for additional professional guidance, highlight the importance of preparing parents—of both preterm and full-term infants—for the occurrence and management of sleep problems.2026-01-0
Green Bonding: Unlocking the Potential of Canola (Brassica napus) Protein for Sustainable Wood Composite Materials
No full textDiese Dissertation untersucht das Potenzial von Canola als nachhaltige Alternative zur
Entwicklung biobasierter Klebstoffe für die Holzwerkstoffindustrie, mit besonderem Fokus auf
mitteldichte Faserplatten (MDF) und Spanplatten. Der Forschungsansatz ist motiviert durch die
Notwendigkeit, Umweltprobleme, Ressourcenknappheit sowie gesundheitsrelevante Aspekte
im Zusammenhang mit konventionellen synthetischen Klebstoffen zu adressieren. Aufgrund
seiner Verfügbarkeit und der besonderen Proteinstruktur stellt Canola eine vielversprechende
Grundlage für die industrielle Entwicklung proteinbasierter Bioadhäsive dar.
Die Forschungsarbeit gliedert sich in mehrere zentrale Untersuchungsbereiche, aus denen fünf
wissenschaftliche Publikationen hervorgegangen sind:
Rapskuchen als Ausgangsmaterial für Bioadhäsive: Canola Mehl wurde zur Entwicklung
verschiedener Klebstoffformulierungen für die Herstellung von MDF- und Spanplatten
eingesetzt. Es konnte gezeigt werden, dass der Einsatz von Natriumhydroxid (NaOH) als
Denaturierungsmittel die Bindungseigenschaften der proteinbasierten Klebstoffe signifikant
verbessert. Die hergestellten MDF-Platten wiesen eine Biegefestigkeit von über 40 N/mm²
sowie eine Querzugfestigkeit von mehr als 0,5 N/mm² auf, was bestätigt, dass Trester-basierte
Klebstoffe mechanische Eigenschaften erreichen können, die mit denen synthetischer
Bindemittel vergleichbar sind. Die Studie verdeutlicht jedoch auch die Notwendigkeit, die
Wasserbeständigkeit dieser natürlichen Klebstoffe für den industriellen Einsatz zu verbessern.
Optimierung eines Bioklebsoff auf Basis von Canola-Gelatine-Harnstoff: Die Forschung
optimierte weiterhin die Canola proteinbasierten Klebstoffformulierungen durch Zugabe von
Natriumsulfat, Natriumsulfit und Natriumnitrit als Vernetzer. Darüber hinaus wurde eine
Wärmebehandlung eingesetzt, um die kombinierte Wirkung chemischer und thermischer
Denaturierung zu untersuchen. Es wurde festgestellt, dass Spanplatten, die mit Natriumnitrit
modifizierten Klebstoffen hergestellt wurden, überlegene Bindungseigenschaften zeigten – sie
übertrafen konventionelle Harnstoff-Formaldehyd-(UF)-gebundene Platten hinsichtlich ihrer
mechanischen Eigenschaften, insbesondere bei längerer Wärmeeinwirkung. Diese Ergebnisse
unterstreichen das Potenzial von Rapsprotein-Klebstoffen mit Natriumnitrit als nachhaltige
Alternative mit hoher Klebefestigkeit.
Einfluss von Produktionsparametern auf die Eigenschaften von Spanplatten: Ein weiterer
Forschungsschwerpunkt lag auf dem Einfluss technologischer Parameter – wie
Bindemittelanteil, Presszeit und Presstemperatur – auf die mechanischen Eigenschaften von
Spanplatten, die mit Canola basierten Klebstoffen gebunden wurden. Die Ergebnisse zeigten,
dass höhere Klebstoffanteile, erhöhte Pressdrücke und verlängerte Presszeiten die
Querzugfestigkeit und Biegefestigkeit signifikant verbesserten. Die Interaktion dieser
Parameter wurde als entscheidend für die Optimierung der Platteneigenschaften identifiziert.
Bewertung der Lagerstabilität von Rapsprotein-Klebstoffen: Die Langzeitlagerfähigkeit von
Klebstoffformulierungen auf Basis von Canola Protein Isolat (CPI) und Canola Mehl (CM)
wurde untersucht. CPI-basierte Klebstoffe behielten auch nach viermonatiger Lagerung stabile
mechanische Eigenschaften bei, während die Leistung der CM-basierten Varianten signifikant
abnahm. Dies deutet darauf hin, dass CPI-basierte Klebstoffe eine robustere chemische Struktur
aufweisen und somit besser für die industrielle Anwendung geeignet sind.
PEI-vernetzter Rapsprotein-Bioadhäsiv: Das Potenzial von Polyethyleneimine (PEI) als
Vernetzer für rapsproteinbasierte Klebstoffe wurde ebenfalls untersucht. Die Ergebnisse
zeigten, dass bereits geringe Mengen PEI die Bindungseigenschaften signifikant verbessern
konnten, was zu erhöhten mechanischen Eigenschaften der Spanplatten führte. Zudem wurde
festgestellt, dass ein höherer pH-Wert die Vernetzung und Klebeleistung weiter steigert – was
die Relevanz des pH-Werts bei der Wirksamkeit von PEI als Vernetzer unterstreicht.
Industrieller Pilotversuch im Blow-Line-Verfahren: In einem industriellen Pilotversuch im
Blow-Line-Verfahren am Institut für Holztechnologie Dresden (IHD) wurde ein Canola Mehl
basierter Klebstoff auf seine Anwendbarkeit in der MDF-Produktion getestet. Die Leistung
diesen naturnahen Klebstoff wurde unter unterschiedlichen Faseraufbereitungsbedingungen (8-
bar und 12-bar Druck) mit einem konventionellen Melamin-Harnstoff-Formaldehyd-(MUF)-
Klebstoff verglichen. Der biobasierte Klebstoff zeigte vergleichbare Ergebnisse hinsichtlich
Querzugfestigkeit, Biegefestigkeit, Elastizitätsmodul sowie Quellung – und erfüllte somit die
industriellen Anforderungen. Diese Resultate deuten darauf hin, dass Canola basierte
Klebstoffe eine nachhaltige Alternative zu synthetischen Harzen darstellen, ohne Kompromisse
in der Leistungsfähigkeit einzugehen.
Insgesamt bietet die Dissertation eine umfassende Analyse des Einsatzpotenzials von Canola
Mehl - und Protein-basierten Klebstoffen in der Holzwerkstoffindustrie. Die Ergebnisse
belegen die Realisierbarkeit nachhaltiger Bindemittelalternativen auf Canola Basis mit
vielversprechenden mechanischen Eigenschaften durch gezielte Formulierungsoptimierung.
Dennoch weist die Studie auf weiteren Forschungsbedarf hin – insbesondere hinsichtlich der
Verbesserung der Wasserbeständigkeit – um das industrielle Potenzial dieser Bioadhäsive
vollständig auszuschöpfen.This dissertation explores the potential of canola meal and canola protein isolate as a sustainable
alternative for developing bioadhesives in the wood-based panel industry, particularly focusing
on Medium Density Fiberboards (MDFs) and particleboards. This study is motivated by the
need to address environmental challenges, resource scarcity, and health concerns associated
with conventional synthetic adhesives. Given its availability and its unique protein structure,
canola offers a promising solution for the industrial development of protein-based bio
adhesives.
The research work is divided into several key investigations from which five publications have
resulted:
Canola Meal as Raw Material for Bioadhesives: Canola meal was used to develop several
adhesive formulations for the production of MDFs and particleboards. It was shown that the
use of sodium hydroxide (NaOH) solution as denaturant significantly improved the bonding
properties of the protein-based adhesives. The MDFs produced exhibited bending strength
values above 40 N/mm² and internal bonding strength greater than 0.5 N/mm², demonstrating
that canola meal-based adhesives can achieve mechanical properties comparable to that of the
synthetic binders. However, the study highlights the need to improve the water resistance of
these natural protein-based adhesives for industrial applications.
Optimizing Canola-Gelatine-Urea Bioadhesive: The research further optimized canola protein-
based bioadhesives by incorporating sodium bisulfate, sodium bisulfite, and sodium nitrite as
crosslinkers. Furthermore, a heat treatment was applied to assess the combination of both
chemical and thermal denaturation. It was found that the particleboards bonded with sodium
nitrite-treated adhesive variants exhibited superior bonding performance, surpassing even
conventional UF-bonded boards in mechanical properties, with increasing heat treatment time.
The research underscores the potential of canola protein adhesives, particularly with sodium
nitrite, in providing a sustainable alternative with high bonding strength.
Impact of Production Parameters on the Properties of Particleboards: Another aspect of the
research focused on how wood panel’s production parameters such as binder content, press
temperature, and press time affect the mechanical properties of particleboards bonded with
canola protein-based adhesives. The findings revealed that higher binder content, increased
press temperature, and prolonged press time significantly improved internal bonding strength
and bending strength. The interaction between these parameters was shown to be crucial for
optimizing the properties of canola protein-based particleboards.
Shelf-Life Assessment of Canola Protein Bioadhesive: The long-term storage stability of canola
protein isolate (CPI) and canola meal (CM)-based adhesives was evaluated. The study found
that CPI-based adhesives maintained superior mechanical properties even after four months of
storage, whereas the performance of CM-based adhesives declined significantly. This indicates
that CPI-based adhesives have a more robust chemical formulation, making them more suitable
for long-term storage and industrial application.
Polyethyleneimine-Crosslinked Canola Protein Bio-Adhesive: The potential of
polyethyleneimine (PEI) as a crosslinker for canola protein-based adhesives was explored.
Results revealed that even a low PEI ratio could significantly enhance the bonding properties
of the canola adhesive, thereby improving the mechanical properties of particleboards. The
research also demonstrated that increasing pH levels improved the crosslinking and bonding
properties of the adhesives, highlighting the role of pH in the effectiveness of PEI as a
crosslinker.
In an industrial blow-line pilot trial conducted at the Institut für Holztechnologie Dresden
(IHD), canola meal-based adhesive was tested for its applicability in producing MDF panels.
The study compared the performance of this bioadhesive with a conventional melamine-urea-
formaldehyde (MUF) adhesive under varying fibre production conditions (8-bar and 12-bar
pressure). The canola-based adhesive demonstrated comparable performance to MUF in IB
strength, modulus of rupture (MOR) and modulus of elasticity (MOE) and dimensional
stability, meeting industrial standards. These findings suggest that canola meal adhesives can
be a sustainable alternative to synthetic resins in MDF production, offering environmental
benefits without compromising the performance.
Overall, the dissertation provides a comprehensive analysis of the potential of canola meal and
protein-based adhesives in the wood-based panel industry. The findings demonstrate the
feasibility of using canola-based adhesives as sustainable alternatives to synthetic binders, with
optimized formulations showing promising mechanical properties. However, the research also
identifies areas for further improvement, particularly in enhancing water resistance, to fully
realize the potential of these bioadhesives in industrial applications.2025-12-1
Coulomb Correlations in Femtosecond Electron Pulses
No full textElektronenstrahlen sind eine wichtige Ressource für die Erforschung und Manipulation von Objekten im Nanometerbereich. Während die erreichbare räumliche, spektrale und zeitliche Auflösung eines Elektronenmikroskopstrahls mit geringer Dichte durch Aberrationen in der Elektronenoptik begrenzt ist, stellen bei erhöhten Strahlströmen stochastische Coulomb-Wechselwirkungen zwischen den Elektronen im Strahl eine zusätzliche Limitation dar. Diese kumulative Dissertation untersucht die grundlegenden Eigenschaften von räumlich und zeitlich begrenzten Pulsen, bestehend aus wenigen Elektronen, über das bisher untersuchte ensemblegemittelte Verhalten hinaus.
Die wichtigsten Errungenschaften und Ergebnisse werden in vier Originalarbeiten präsentiert.
Die erste Studie charakterisiert die photoinduzierte Tunnelemission von einem kalten Feldemitter. Dies verspricht bisher unerreichte Kontrolle über die Größe und Divergenz der Quelle von ultrakurzen Elektronenpulsen.
Die zweite Studie nutzt ereignisbasierte Detektion von Femtosekunden-Elektronenpulsen für die erste experimentelle Beobachtung von wohldefinierten Energie- und Impulskorrelationen in einem Transmissionselektronenmikroskopstrahl. Das Zusammenspiel zwischen Energie- und Impulskorrelationen wird durch die Konfiguration des Beschleunigungsfeldes kontrolliert. In Zukunft werden pulsladungsselektive Filterverfahren rauschärmere Elektronenstrahlen ermöglichen.
Die dritte Studie rekonstruiert die zeitliche und energetische Phasenraumverteilung von Pulsen, bestehend aus wenigen Elektronen, durch inelastische Elektronen-Licht-Streuung mit Femtosekunden-Zeitauflösung. Die gegenseitige Abstoßung zwischen Elektronen während der Propagation im Strahl führt zu klar definierten Korrelationen zwischen der Energie und der Flugzeit der Elektronen. Des Weiteren ermöglicht eine global auf die Elektronenwellenpakete aufgeprägte optische Phase eine kohärente Formung dieser korrelierten Vielteilchenzustände.
Die letzte Studie charakterisiert Kollisionen zwischen einzelnen Elektronen mit geringer Relativgeschwindigkeit im Strahl. Das Experiment identifiziert Bedingungen für einen effizienten Energieübertrag zwischen Elektronen und stellt einen kontrollierten Grenzfall stochastischer Coulomb-Wechselwirkungen dar.
Die Ergebnisse dieser Dissertation tragen dazu bei, praktische Einschränkungen des Auflösungsvermögens von Elektronenmikroskopen zu überwinden. Coulomb-korrelierte Pulse mit wenigen Elektronen aus immer helleren lasergepulsten Emittern ermöglichen Dosiskontrolle mit Einzelelektronengenauigkeit. Darüber hinaus werden zukünftige Studien langreichweitige Korrelationen und Quanteneffekte in frei propagierenden Elektronenensembles, einem prototypischen eindimensionalen elektronischen System, untersuchen.Electron beams are a key resource for exploring and manipulating objects on the nanometre scale. While the spatial, spectral, and temporal resolution of a dilute electron microscope beam is limited by imperfections in electron optics, stochastic Coulomb interactions between electrons introduce additional challenges at elevated currents. This cumulative thesis explores the fundamental properties of coherent ultrashort few-electron pulses beyond their ensemble-averaged behaviour.
The key accomplishments and findings are presented in four original works.
The first study characterises photo-induced tunnelling emission from a cold field emitter, promising unprecedented spatio-angular control of femtosecond electron emission.
The second study employs event-based detection of femtosecond electron pulses for the first observation of well-defined energy and momentum correlations in a transmission electron microscope beam. We find that the interplay between these correlations is governed by the configuration of the acceleration field. In the future, pulse-charge-selective filtering schemes as established in this work will facilitate shot-noise–reduced electron beams.
The third study reconstructs time–energy phase-space distributions of few-electron pulses by femtosecond gating using inelastic electron–light scattering. We show that mutual repulsion during beam propagation generates pronounced joint spectral and temporal correlations, and that a global optical phase imprinted via electron–light interaction enables coherent shaping of these few-electron states.
The final study characterises collisions between multi-electron pulses with low inter-particle velocity differences, identifying conditions for efficient energy transfer between electrons and establishing a controlled limit of stochastic Coulomb interaction.
The findings of this thesis contribute to overcoming practical limitations to the resolving power of the electron microscope. Coulomb-correlated few-electron pulses from ever-brighter laser-triggered electron emitters will enable dose control at the single-electron level. Moreover, future studies will explore long-range correlations and quantum phenomena in freely propagating electron ensembles, representing a prototypical one-dimensional electronic system.2025-12-1
Graph Neural Networks for Spatial Data Analysis: Theoretical Results and Applications
No full textOverall, this thesis explores the advantages and challenges of spatial data prediction
tasks with Graph Neural Networks (GNN). Kriging, the best linear unbiased
predictor presents a great number of advantages over other methods. However,
besides the scalability issues that Kriging presents and for which many solution
attempts are proposed in the literature, one problem remains that in practice, the
optimality conditions of Kriging are often not met. GNNs offer the flexibility of
directly embedding the target variables of neighbors in predictions. Unfortunately,
limitations remain in the design of adjacency matrices for effectively capturing
the dependencies. Moreover, most of the available GNNs for spatial prediction
still require a large amount of data. This is the context in which our contributions
subscribe. Performance comparisons of our first proposed method SPONGE
present the relevance of the architecture we developed, both in terms of prediction
accuracies but also in terms of ”automation” in the hyperparameter selection
process of adjacency matrices. The mathematical formalism we introduced allows
to unify the various methodologies for spatial prediction tasks into one framework.
We specifically highlight the great performance of the Sponge 1-hop (the smallest
in parameters) in Kriging unfriendly world including in small datasets regime,
which prove to be challenging for standard neural networks in general and GNNs
in particular. A further step is taken to derive an exact formula of the joint distribution
between the true unobserved value and the output of a shallow ReLU
neural network with one hidden layer, with Gaussian correlated input. Although
this shallow neural network (shallow NN) is in design different from GNNs, this
generalisation to nonlinear predictors is a first major step for ReLU networks
analysis. We additionally compute an exact derivation of the mutual information
(MI) as well as the MSE of the shallow NN predictor for getting unobserved gaussian
correlated input. This result is original in the sense that standard methods for
mutual information analysis are approximate methods. Finally, our contribution
in tumor heterogeneity predictions are threefold: A methodology to obtain graph
datasets from an artificially simulated tumor model, a proposition of GNN-based
methodology that yielded exciting results on the artificial test set, an analysis
of our proposed spatial- and birth/death markers-based features to explain the
observed accuracy. Validation on real world datasets are in perspective.2025-12-0
Language Modeling and Understanding Through Paraphrase Generation and Detection
No full textLanguage enables humans to share knowledge, reason about the world, and pass on strategies for survival and innovation across generations. At the heart of this process is not just the ability to communicate but also the remarkable flexibility in how we can express ourselves. We can express the same thoughts in virtually infinite ways using different words and structures — this ability to rephrase and reformulate expressions is known as paraphrase. Modeling paraphrases is a keystone to meaning in computational language models; being able to construct different variations of texts that convey the same meaning or not shows strong abilities of semantic understanding.
If computational language models are to represent meaning, they must understand and control the different aspects that construct the same meaning as opposed to different meanings at a fine granularity. Yet most existing approaches reduce paraphrasing to a binary decision between two texts or to producing a single rewrite of a source, obscuring which linguistic factors are responsible for meaning preservation.
In this thesis, I propose that decomposing paraphrases into their constituent linguistic aspects (paraphrase types) offers a more fine-grained and cognitively grounded view of semantic equivalence. I show that even advanced machine learning models struggle with this task.
Yet, when explicitly trained on paraphrase types, models achieve stronger performance on related paraphrase tasks and downstream applications. For example, in plagiarism detection, language models trained on paraphrase types surpass human baselines: 89.6% accuracy compared to 78.4% for plagiarism cases from Wikipedia, and 66.5% compared to 55.7% for plagiarism of scientific papers from arXiv. In identifying duplicate questions on Quora, models trained with paraphrase types improve over models trained on binary pairs. Furthermore, I demonstrate that these models can act as prompt engineers, reformulating instructions to boost capabilities across tasks, yielding average gains of 6.4% in title generation, 6.0% in text completion, and 6.3% in summarization.
These results reveal that learning paraphrase types not only strengthens paraphrase understanding but also generalizes to plagiarism detection, authorship verification, commonsense reasoning, and prompt optimization. Beyond these applications, paraphrase-aware models hold the potential to improve semantic understanding in other areas such as summarization and overall semantic evaluation.
I conclude that decomposing paraphrases into specific linguistic transformations provides a path toward more robust and semantically grounded language models. This work offers a foundation for training models that can represent meaning beyond surface-level patterns.2025-12-2
Micrometeorological measurements of CO2, H2O and energy exchanges between agroforestry systems and the atmosphere
No full textAlternative Landnutzungssysteme wie die Agroforstwirtschaft (AF) bieten naturbasierte Lösungen, um die Auswirkungen der Landwirtschaft auf den Klimawandel abzumildern. Trotz ihrer vielfältigen Vorteile für die Umwelt sind diese Systeme bisher nur unzureichend untersucht. Insbesondere sind Messungen des Kohlenstoff-, Wasser- und Energieaustauschs zwischen Agroforstsystemen und der Atmosphäre auf Ökosystemebene selten, und es gibt nur wenige Studien zu diesem Thema. Die Eddy-Kovarianz-Technik (EC) hat sich in den letzten Jahrzehnten als wichtigstes Instrument zur direkten Quantifizierung von Flussdichten des Austauschs von Energie, Impuls und Gasarten wie CO2 über terrestrischen Ökosystemen etabliert. Allerdings sind mit der EC-Technik hohe Kosten für Ausrüstung und Betrieb verbunden, was ihre Anwendung in zahlreichen ökologisch und soziologisch wichtigen Ökosystemen erschwert. Darüber hinaus beeinträchtigt die räumliche Heterogenität vieler Ökosysteme die Zuverlässigkeit der EC-Messungen, da die an einer einzelnen Messstation quantifizierten Flussdichten nur einem bestimmten Fußabdruckbereich und nicht dem gesamten Ökosystem zugeordnet werden können. Kostengünstigere EC-Aufbauten (LC-EC) können eine Lösung sowohl für die mangelnde Repräsentativität herkömmlicher Messungen mit nur einem Messturm an heterogenen Standorten als auch für den Mangel an Messungen in wichtigen Biomen und Ökoregionen bieten. Diese Arbeit war in ein langfristiges Forschungsprojekt mit der Bezeichnung SIGNAL eingebettet. In diesem Projekt wurden AF und offene Acker- (OC) oder Grünlandsysteme (OG) an verschiedenen Standorten verglichen, mit dem Ziel mehrere, mehrere Ökosystemfunktionen zu bewerten, die u. a. mit den Nährstoffkreisläufen im Boden, der Artenvielfalt und dem Ertrag zusammenhängen. Diese Arbeit wurde im Rahmen des atmosphärischen Zweigs von SIGNAL durchgeführt, der sich mit der Quantifizierung der Kohlenstoffbindung, der Evapotranspiration und der Wassernutzungseffizienz von AF-Systemen in insgesamt fünf Untersuchungsregionen befasste, einem Paar AF/OG und vier Paaren AF/OC. Jedes AF, OC oder OG war mit einer EC-Station und zusätzlichen meteorologischen Instrumenten ausgestattet. Konkret zielte diese Arbeit darauf ab, zunächst die Validierung und Charakterisierung von LC-EC-Setups im Vergleich zu herkömmlichen EC (CON-EC) und anschließend die Untersuchung des Energie-, CO2- und H2O-Austauschs zwischen Ökosystem und Atmosphäre über den untersuchten Regionen. Diese Dissertation gliedert sich in vier Kapitel, die im Folgenden aufgeführt sind. Zunächst wurden drei LC-EC-Einrichtungen, die denen ähneln, die an allen EC-Stationen an den Standorten AF und OC/OG installiert waren, mit einer CON-EC-Einrichtung verglichen. Die Validierung erfolgte anhand der CO2-Flussdichten (FC) und der latenten Wärmestromdichten (LE). Die LC-EC-Systeme schnitten im Vergleich zu CON-EC gut ab (Steigungen der linearen Regressionsanalyse von 0,95 bis 1,05 für FC und von 0,78 bis 0,99 für LE, während die r2-Koeffizienten zwischen 0,7 und 0,92 lagen). Die Fehler, die sich aus der LC-EC ergeben, wurden im Detail charakterisiert. Die Hauptunsicherheitsquelle der LC-EC wurde auf den größeren Bedarf an Spektralkorrekturen zurückgeführt. Die Versuchsaufbauten wurden erfolgreich validiert, was als Grundlage für die anderen Abschnitte der Arbeit diente. Zweitens wurde die räumliche Heterogenität von FC, LE, des fühlbaren Wärmestroms (H) und verschiedener Turbulenzparameter an einem der AF-Standorte quantifiziert. Dazu wurde ein verteiltes Netz von drei Stationen eingerichtet, die mit den zuvor validierten LC-EC-Systemen ausgestattet wurden. Es zeigte sich, dass die zeitliche Variabilität aller Parameter größer ist als die räumliche Variabilität. Während einiger Perioden der Vegetationsperiode und nach der Ernte einiger Kulturen dominierte jedoch die räumliche Variabilität, insbesondere für FC. Die Variationskoeffizienten waren für FC am größten (Werte zwischen 0,3 und 0,4), gefolgt von LE (Werte zwischen 0,2 und 0,3), und sie waren am größten für die westlichen Windsektoren aufgrund der höheren Heterogenität, die sich aus der unterschiedlichen Pflanzenverteilung zwischen den Baumstreifen ergibt. Die Hauptaussage dieser Studie war, dass das verteilte Netzwerk von drei LC-EC-Stationen die statistische Darstellung der Flussdichten über dem AF-Standort aufgrund seiner großen räumlichen Heterogenität verbessert. Drittens wurden die in den beiden vorangegangenen Abschnitten der Arbeit entwickelten und implementierten Verarbeitungsroutinen erweitert und auf alle Daten aller fünf AF und OC- oder OG Standorte in Norddeutschland. Die meteorologischen Daten aus der ersten, zweiten und dritten Phase des SIGNAL-Projekts wurden zusammengestellt und Datenlücken mit ERA5-Land-Daten als Referenz aufgefüllt. Flussdichten (FC, LE and H) wurden für die zweite und dritte Phase des SIGNAL-Projekts zusammen mit anderen Turbulenzparametern zusammengestellt und mit einer Kombination aus Randverteilungsproben und Extreme Gradient Boosting aufgefüllt. Schließlich wurde FC in Bruttoprimärproduktion (GPP) und Ökosystem- atmung (RECO) aufgeteilt. Auf diese Weise erhielten wir einen harmonisierten, vollständig lückengefüllten Datensatz von insgesamt zehn Stationen. Zwei von ihnen entsprachen einem Paar aus Grünland AF und OG, während die übrigen acht vier Paare aus Ackerland AF und OC darstellten. Sowohl GPP als auch RECO waren über AF größer als über OC/OG. Der Unterschied zwischen beiden ist ein Indikator dafür, ob der Standort eine CO2-Senke oder eine CO2-Quelle ist. Die Nettokohlenstoffaufnahme des Ökosystems (FC) war an den AF-Standorten in mehr als der Hälfte der Standortjahre größer als an OC oder OG. Für die Evapotranspiration konnte kein einheitliches Muster gefunden werden, da der Unterschied zwischen AF und OC/OG gering war. Die Unsicherheit in den Methoden zum Füllen der Lücken wurde bewertet und für die verschiedenen Datensätze als angemessen erachtet. Schließlich wurden in einem Kommentar allgemeine Leitlinien für den Vergleich neuerer, kostengünstigerer EC-Einrichtungen vorgelegt. Ziel war es, eine robuste, standardisierte Methode zur Validierung von LC-EC im Vergleich zu CON-EC zu entwickeln, die auf der im Rahmen der Dissertation geleisteten Arbeit basiert. Dieser Abschnitt der Arbeit wurde durch eine zuvor veröffentlichte Arbeit motiviert, in der ein neuerer LC-EC-Aufbau mit einem CON-EC-Aufbau verglichen wurde. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die in dieser Arbeit vorgestellten Arbeiten (i) eine technische Validierung von LC-EC-Setups; (ii) eine Implementierung der LC-EC-Setups zur Quantifizierung der räumlichen Variabilität und der statistischen Robustheit von EC-Messungen an einem AF-Standort; (iii) einen harmonisierten, lückengefüllten Datensatz zu EC- und meteorologischen Parametern, die an mehreren AF- und OC- oder OG-Standorten gemessen wurden, zusammen mit den Datenverarbeitungsroutinen; (iv) allgemeine Richtlinien und Empfehlungen für die Validierung von EC-Instrumenten liefern. Diese Arbeit trug zur Entwicklung von LC-EC-Systemen bei, indem sie Richtlinien für die Durchführung der instrumentellen Validierung aufstellte; sie lieferte Beispiele für die LC-EC-Implementierung; sie etablierte eine robuste Verarbeitungsroutine von den rohen, hochfrequenten Daten bis zu den endgültigen lückengefüllten und partitionierten Flussdichte-Zeitreihen; und sie lieferte einen harmonisierten Datensatz, der sich über achtundsechzig Standortjahre an mehreren AF- und OC/OG-Standorten in Norddeutschland erstreckt.Alternative land-use systems, such as agroforestry (AF), provide nature-based solutions to mitigate the impact of agriculture on climate change. Despite their multiple environmental benefits, AF systems remain poorly studied. Particularly, ecosystem-scale measurements of carbon, water and energy exchanges between AF and the atmosphere are rare and only few studies exist on the matter.
The eddy covariance (EC) technique was established during the past decades as the major tool to directly quantify flux density exchanges of energy, momentum and gas species, such as CO2, over terrestrial ecosystems. Nevertheless, the requirements of EC translate into large equipment and operational costs, which impedes its implementation in numerous ecologically and sociologically important ecosystems. Moreover, spatial heterogeneity over many ecosystems compromises the reliability of EC measurements, as the flux densities quantified from a single station can only be attributed to a certain footprint area and not to the whole ecosystem.
Lower-cost EC (LC-EC) setups can offer a solution to both the lack of representativeness of conventional, single tower measurements over heterogeneous sites, and to the lack of measurements over important biomes and eco-regions.
This thesis was framed within a long term research project, called SIGNAL. This project consisted in the comparison of AF to open cropland (OC) or open grassland (OG) across several locations in northern Germany, with the objective to evaluate multiple ecosystem functions related to soil nutrient cycles, biodiversity abundance or yield, among others. This thesis was performed as part of the atmospheric branch of SIGNAL, that was related to the quantification of carbon sequestration, evapotranspiration and water use efficiency of AF systems, across a total of five study regions, one pair AF/OG and four pairs AF/OC. Each AF, OC or OG was equipped with an EC station and ancillary meteorological instrumentation.
Concretely, the objective of this thesis was to perform, first, a validation and characterization of LC-EC setups, in comparison to conventional EC (CON-EC); and then, to study ecosystem-atmosphere energy, CO2 and H2O exchanges over the study regions. This thesis was divided in four chapters, which are listed below.
First, three LC-EC setups, similar to the ones that were installed at all EC stations at the AF and OC/OG sites, were compared to a CON-EC setup. The validation was done on CO2 flux densities (FC) and latent heat flux densities (LE). The LC-EC setups performed well in comparison to CON-EC (slopes ranging from 0.95 to 1.05 for FC and from 0.78 to 0.99 for LE, while r2 coefficients were between 0.7 and 0.92). The errors arising from the LC-EC were characterized in detail. The main source of uncertainty from LC-EC was attributed to the larger need for spectral corrections. However, the setups were successfully validated, which was considered as the base work for the other sections of the thesis.
Second, the spatial heterogeneity in FC, LE, sensible heat flux densities (H) and turbulence parameters was quantified across one of the AF sites. This was done by installing a distributed network of three stations equipped with LC-EC setups, following their previous validation. The temporal variability of all parameters was demonstrated to be larger than the spatial variability. However, during some periods of the growing season and after harvest of some of the crops, the spatial variability dominated, particularly for FC. Coefficients of variation were the largest for FC (values between 0.3 and 0.4), followed by LE (values between 0.2 and 0.3), and were largest for the western wind sectors due to the largest degree of heterogeneity arising from the differential crop distribution in between tree stripes. The main message from this study was that the distributed network of three LC-EC stations improved the statistical representation of flux densities across the AF site, due to its large spatial heterogeneity.
Third, the processing routines developed and implemented during the previous two sections of the thesis were extended and applied to all data corresponding to a total of five pairs of AF and OC or OG regions in northern Germany. Meteorological data from the first, second and third phases of the SIGNAL project were compiled and gap-filled using ERA5-Land data as a reference. Eddy covariance flux densities (FC, LE and H) were compiled for the second and third phases of the SIGNAL project, together with other turbulence parameters, and gap-filled using a combination of marginal distribution sampling and Extreme Gradient Boosting. Finally, FC was partitioned into gross primary production (GPP) and ecosystem respiration (RECO). Hence, we produced a harmonized, completely gap-filled dataset from a total of ten stations. Two of them corresponded to a paired grassland AF and OG, while the remaining eight corresponded to four pairs of cropland AF and OC. Both GPP and RECO were larger over AF than OC/OG. The difference between both is an indicator whether the site is a sink or a source of CO2. The net ecosystem carbon uptake (FC) was greater more than half of the site-years at the AF sites, compared to OC or OG. We did not find a consistent pattern for evapotranspiration, since the difference between AF and OC/OG was small. The uncertainty in the gap-filling methods was evaluated and considered appropriate for the different datasets.
Finally, general guidelines about how to compare newer, lower-cost EC setups were provided as a comment paper. The aim was to establish a robust, standard way to validate LC-EC against CON-EC, based on the previous work developed during the thesis. This thesis section was motivated by a previously published paper which compared a newer LC-EC setup to a CON-EC setup.
In conclusion, the work presented in this thesis provided (i) a technical validation of LC-EC setups; (ii) an implementation of the LC-EC setups to quantify spatial variability and statistical robustness of EC measurements over one AF site; (iii) a harmonized, gap-filled dataset on EC and meteorological parameters measured over several AF and OC or OG sites, together with the data processing routines; (iv) general guidelines and recommendations for EC instrumental validation.
This thesis contributed to the development of LC-EC setups, establishing guidelines on how to perform instrumental validation; provided examples on the LC-EC implementation; established a robust processing routine from the raw, high-frequency data until final gap-filled and partitioned flux density time series; and provided a harmonized dataset expanding seventy eight site-years over several AF and OC/OG sites in northern Germany.2025-12-1
Molecular Mechanisms of Neuro Transmittewr Release at Dorsal Root Ganglion Neurons
No full textDorsal root ganglion (DRG) neurons are essential for transmitting peripheral sensory information to the central nervous system and play a central role in nociception and pain-related pathophysiology. Despite their clinical relevance, direct investigation of synaptic vesicle release mechanisms in DRG neurons has been limited by their pseudounipolar morphology, in which a single axon bifurcates into peripheral and central branches, complicating traditional synaptic analyses.
To overcome these challenges, I established a robust and innovative co-culture system in which DRG neurons were grown together with spinal cord or hippocampal neurons, complemented by autaptic culture models. Functional and biochemical assays revealed that cultured DRG neurons lack glutamate receptors, prompting the use of dual-patch electrophysiology in DRG–spinal cord co-cultures to assess synaptic release properties. A panel of genetically modified mouse lines was used to dissect the molecular determinants of synaptic vesicle priming.
I first examined the contribution of Munc13 family proteins—key presynaptic priming factors—using single, double, and triple knockout (TKO) models targeting Munc13 isoforms. Remarkably, DRG neurons lacking both Munc13-1 and Munc13-2 (Munc13-1/2 DKO) were still capable of eliciting excitatory postsynaptic currents (EPSCs) in spinal cord neurons, although with reduced amplitude and slowed kinetics, indicating impaired vesicle priming and decreased synchronicity of synaptic output. Additional deletion of Munc13-3 in the TKO line abolished neurotransmitter release entirely. These results reveal an unexpected redundancy and unique contribution of Munc13-3 to vesicle priming in DRG neurons—distinct from the complete synaptic silencing observed in central nervous system (CNS) Munc13-1/2 DKO synapses.
Analysis of single knockouts further identified Munc13-1 as the major determinant of the DKO phenotype: Munc13-1 KO neurons exhibited delayed synaptic responses and reduced EPSC amplitudes, whereas Munc13-2 KO neurons showed minimal deficits.
Finally, this work investigates the roles of CAPS proteins as additional vesicle-priming factors in DRG neurons, revealing both functional importance and mechanistic divergence from CAPS activity in CNS synapses.
Overall, this study provides new insight into the specialized molecular logic governing synaptic vesicle priming in sensory neurons and uncovers previously unrecognized isoform-specific functions within the Munc13 family.2026-01-2
Structural Complexity and Biomass of Mountain Forests in the Annapurna Region, Himalaya
No full textDAADGebirgswälder sind durch heterogene Umweltbedingungen gekennzeichnet und können aufgrund klimatischer und sozioökonomischer Veränderungen hochdynamisch sein. Trotz ihrer ökologischen Bedeutung ist unser Verständnis der Wälder im Himalaya begrenzt – nicht zuletzt, weil diese Wälder schwer zugänglich sind. Ziel dieser Studie war es, das wissenschaftliche Verständnis der Waldstrukturen und der oberirdischen Biomasse in der Annapurna-Region Nepals zu erweitern.
Die Untersuchungen wurden auf 69 Versuchsflächen durchgeführt, die Wälder über einen breiten Höhenbereich (1200 – 3800 m), ein großes Niederschlagsspektrum (900 – 3700 mm Jahr⁻¹) und unterschiedliche Hangneigungen (2 – 42°) abdeckten. Die Wälder auf den Versuchsflächen setzten sich aus immergrünen Nadelbaumarten wie Abies spectabilis, Cupressus torulosa und Pinus wallichiana, immergrünen Laubbaumarten wie Daphniphyllum himalense und Rhododendron spp. sowie laubabwerfenden Laubbaumarten wie Alnus nepalensis, Acer spp. und Betula utilis zusammen. Zur Erfassung der Baumarchitektur und zur Quantifizierung der Strukturkomplexität von Einzelbäumen und Waldbeständen kam ein bodengestützter mobiler Laserscanner zum Einsatz.
Studie 1 verglich die relative Kronenhöhe und die oberirdische Biomasse, basierend auf bodengestützten und satellitengestützten Laserscandaten. Die Satellitendaten stammten von der Global Ecosystem Dynamics Investigation (GEDI). Die relativen Kronenhöhen aus beiden Methoden zeigten eine moderate Korrelation (r = 0.42 für RH98), wobei GEDI durchweg höhere Werte lieferte. Die mit bodengestütztem Laserscanning geschätzte Biomasse reichte von 28 bis 260 Mg ha⁻¹, während die GEDI-Werte im Durchschnitt um 65% höher lagen und ebenfalls moderat mit den bodengestützten Daten korrelierten (r = 0.51). Ein wesentlicher Unterschied bestand in der Klassifizierung der Pflanzenfunktionstypen, die in der GEDI-Biomasseschätzung verwendet wurden und häufig nicht mit den Feldbeobachtungen übereinstimmten. Dies führte zu einer durchschnittlichen Überschätzung der Biomasse um 18%. Anders als in Studien aus anderen Gebirgsregionen zeigte sich nur ein geringer Einfluss der Hangneigung. Insgesamt verdeutlicht diese Studie sowohl das Potenzial von GEDI-Daten zur Erfassung von Wäldern in abgelegenen Gebirgsregionen als auch die Notwendigkeit, deren Genauigkeit weiter zu verbessern.
Studie 2 untersuchte die Einflussfaktoren auf die Strukturkomplexität von Waldbeständen auf Grundlage mobiler Laserscandaten. Die verwendeten erklärenden Variablen zeigten eine hohe Erklärungskraft (adjustiertes R² = 0.60), wobei insbesondere die Baumanzahl, die maximale Bestandshöhe, die Baumartenvielfalt, die Exposition, der pH-Wert des Bodens und Störungen im Wald signifikante Beiträge leisteten. Klimatische Faktoren wie Niederschlag und Temperatur hatten hingegen keinen nachweisbaren Einfluss. Zu beachten ist, dass die Untersuchungsflächen unterhalb des Waldgrenz-Ökotons lagen.
Studie 3 widmete sich dem Zusammenhang zwischen Baumarchitektur, Umweltbedingungen und der strukturellen Komplexität einzelner Bäume sowie deren Einfluss auf die Strukturkomplexität von Waldbeständen. Die Analyse basierte auf 546 Bäumen in 14 ungestörten Untersuchungsflächen. Die strukturelle Komplexität einzelner Bäume, gemessen über den Parameter Db, war bei der Nadelbaumart Pinus wallichiana am niedrigsten und bei der Laubbaumart Daphniphyllum himalense am höchsten. Ein Großteil der Variation in Db konnte durch architektonische Merkmale erklärt werden: In multivariaten Modellen erklärten Baumhöhe, Kronenradius und Kronenlänge über 60% der beobachteten Variation in Db. Die Stammzahl pro Fläche erklärte 19% der Variation, während die Baumartenvielfalt keinen Einfluss hatte. Der Niederschlag erklärte 13% der Variation von Db, während Höhenlage und Hangneigung keinen signifikanten Einfluss zeigten. Erwartungsgemäß nahm die Baumhöhe mit zunehmender Meereshöhe ab, jedoch wiesen kleinere Bäume häufig hohe Db-Werte auf. Die Standardabweichung der Db-Werte innerhalb einer Fläche erklärte 47% der Variation in der Strukturkomplexität auf Bestandsebene und übertraf dabei den Einfluss des maximalen Db-Werts. Daraus ergibt sich, dass bereits eine selektive Entnahme kleiner oder großer Bäume die Komplexität eines Bestandes um bis zu 36% reduzieren würde. Insgesamt lässt sich schlussfolgern, dass in den Wäldern des Himalaya die Baumartenzugehörigkeit und die individuelle Architektur maßgeblich die strukturelle Komplexität bestimmen, während Umweltfaktoren eine geringere Rolle spielen. Zudem ist die strukturelle Variation zwischen den Bäumen innerhalb eines Bestandes entscheidend für dessen Gesamtkomplexität.
Insgesamt liefern diese Studien neue Erkenntnisse über die Baum- und Waldstrukturen in der Annapurna-Region entlang von Umweltgradienten und können damit zu einer nachhaltigen Bewirtschaftung dieser Gebirgswälder beitragen.Heterogeneous environmental conditions characterize mountain forests and can be highly dynamic due to climatic and socio-economic changes. Despite their importance, our understanding of forests in the Himalaya is limited, partly because these forests are difficult to access. This study aimed to advance the scientific understanding of mountain forest structures and above-ground biomass in the Annapurna region of Nepal.
The study was carried out on 69 plots, covering forests across a broad range of elevation (1200 - 3800 m asl), precipitation (900 - 3700 mm yr⁻¹) and slope (2 - 42˚). The forests on the study plots comprised evergreen needle-leaved tree species such as Abies spectabilis, Cupressus torulosa and Pinus wallichiana, evergreen broad-leaved tree species such as Daphniphyllum himalense and Rhododendron spp., and deciduous broad-leaved tree species such as Alnus nepalensis, Acer spp. and Betula utilis. We employed ground-based mobile laser scanning to capture tree architectural characteristics and to quantify forest and tree structural complexity.
Study 1 compared relative canopy height and aboveground biomass derived from ground-based and spaceborne laser scanning. Spaceborne data originated from the Global Ecosystem Dynamics Investigation (GEDI). Relative canopy height estimates from both approaches were moderately correlated, with a correlation coefficient of r = 0.42 for RH98, though GEDI consistently produced higher values. Aboveground biomass from ground-based scans ranged from 28 to 260 Mg ha⁻¹, while GEDI-derived estimates were on average 65% higher and moderately correlated with ground-based values (r = 0.51). A significant discrepancy was observed in plant functional type classifications used in the GEDI biomass estimation, which often did not match field observations. This led to an average biomass overestimation of 18%. Unlike studies in other mountainous regions, our findings showed only a slight slope effect. Overall, this study highlights both the potential of spaceborne GEDI data for forest monitoring in remote mountain regions and the need for further refinement to improve its accuracy.
Study 2 addressed the drivers of forest stand structural complexity. It was based on ground-based mobile laser scanning. The explanatory variables used strongly influenced forest stand structural complexity (adjusted R² = 0.60), with significant contributions by the number of trees, maximum height of the forests, species diversity, north-facing aspect, soil pH and forest disturbance. In contrast, climatic factors such as precipitation and temperature showed no detectable effect. It has, however, to be noted that the study plots were located below the tree line ecotone.
Study 3 focused on the relationship between tree architecture, environmental conditions and tree structural complexity. It was further examined whether and how tree structural complexity translates into forest stand structural complexity. The study covered 546 trees on 14 undisturbed study plots. It was found that tree structural complexity, expressed as Db, was lowest for the needle-leaved Pinus wallichiana and highest for the broad-leaved Daphniphyllum himalense. A high share of variation in Db was explained by tree architecture. In multivariate models, tree height, crown radius and crown length explained more than 60% of the observed variation in Db. Stem density of the plot accounted for 19% of the variation in Db and there was no influence of tree diversity. Precipitation explained 13% of the observed variation in tree Db, but elevation and slope did not have significant influences. As expected, tree height declined with elevation, but small trees often exhibited high Db values. The standard deviation of tree-level Db within a plot explained 47% of the variation in stand-level complexity among plots, surpassing the maximum tree-level Db. This suggests that the sole removal of small or large trees would reduce stand-level complexity by 36%. We conclude that in the Himalayan forests, species identity and tree architecture play a significant role in determining tree structural complexity, while environmental factors have a smaller role. Furthermore, structural variation among the trees within a plot plays a crucial role in the structural complexity at the stand level.
Overall, these studies provide insights into forest and tree structures in the Annapurna range across environmental gradients and thereby may contribute to the good management of these forests.2026-01-1
Application of genomics to investigate the genetic diversity in Sicilian livestock species
No full textL’evoluzione delle tecniche genomiche e lo sviluppo di approcci innovativi hanno trasformato in modo significativo lo studio delle specie domestiche di interesse zootecnico, consentendo di approfondire la conoscenza della diversità genetica e della struttura di popolazione. La genomica è emersa come un campo cruciale che combina tecniche molecolari avanzate con un'analisi di dati complessi, offrendo potenti strumenti per la conservazione e la gestione della biodiversità. Negli ultimi decenni, il campo si è evoluto dall'uso dei microsatelliti (STR) ai polimorfismi a singolo nucleotide (SNP) e al sequenziamento dell'intero genoma (WGS), migliorando la nostra capacità di caratterizzare la diversità genetica delle varie popolazioni. Le razze locali rappresentano risorse genetiche preziose grazie ai loro tratti unici e all'adattamento ad ambienti specifici. La comprensione del loro pattern genetico è fondamentale per la conservazione delle loro identità distinte e per sostenere i programmi di valorizzazione della biodiversità. Questa tesi è strutturata in tre parti principali. Il primo capitolo fornisce un’analisi completa del panorama zootecnico e dell'importanza delle razze locali, evidenziando le applicazioni di strumenti genomici quali SNP array, ddRAD (double-digest restriction-site associated DNA) e imputazione nella valutazione degli indici di diversità genetica, della struttura della popolazione e dell'individuazione di regioni genomiche potenzialmente sottoposte a selezione. Il secondo capitolo fornisce analisi approfondite della biodiversità delle razze locali, tra cui uno studio genomico del suino Nero Siciliano utilizzando un array di SNP a media densità, un esame della divergenza genetica della razza ovina Noticiana nel contesto mediterraneo utilizzando un array di SNP ad alta densità, e la prima caratterizzazione della struttura genomica delle popolazioni di asini italiani attraverso i dati ddRAD. Il terzo capitolo introduce nuovi spunti per gli studi sulla biodiversità, concentrandosi sulla caratterizzazione delle regioni ricche di eterozigosi (heterozygosity-rich regions; HRR) nella specie caprina e sul confronto tra dati di SNP ed imputati nella stima della struttura di popolazione delle razze equine. Nel complesso, questo lavoro sottolinea l'importanza degli approcci genomici integrati per migliorare la comprensione della diversità genetica delle razze locali. I risultati apportano conoscenze preziose a sostegno delle strategie di conservazione e delle pratiche di gestione sostenibile, garantendo la valorizzazione di queste risorse genetiche per le generazioni future. La discussione finale affronta le implicazioni più ampie di questi risultati e delinea le prospettive future per il progresso degli studi sulla biodiversità nella genomica del bestiame.Die Fortschritte in genomischen Technologien und die Entwicklung innovativer Ansätze haben die Erforschung von Nutztierarten maßgeblich verändert und ermöglichen tiefere Einblicke in deren genetische Diversität und Populationsstruktur. Die Genomik hat sich zu einem Fachgebiet von zentraler Bedeutung entwickelt, das fortschrittliche molekulare Techniken mit komplexen Datenanalysen vereint und dadurch leistungsstarke Instrumente für den Erhalt und das Management biologischer Diversität bietet. Im Laufe der letzten Jahrzehnte hat sich das Gebiet von der Verwendung von Mikrosatelliten (short tandem repeats; STRs) hin zu jener von Einzelnukleotid-Polymorphismen (single nucleotide polymorphisms; SNPs) und der Sequenzierung des gesamten Genoms (whole genome sequencing; WGS) weiterentwickelt, was unsere Möglichkeiten zur Charakterisierung der genetischen Diversität domestizierter Tierpopulationen verbessert hat. Lokale Rassen stellen aufgrund ihrer einzigartigen Merkmale und ihrer Anpassung an spezifische Lebensräume wertvolle genetische Ressourcen dar. Das Verständnis ihrer genetischen Muster ist entscheidend für die Erhaltung ihrer unterschiedlichen Identitäten und für die Unterstützung von Programmen zur Verbesserung der biologischen Diversität. Die vorliegende Arbeit gliedert sich in drei Hauptteile. Das erste Kapitel gibt einen umfassenden Überblick über die Nutztierwissenschaft und die Bedeutung lokaler Rassen. Dabei hebt es die Anwendungen genomischer Instrumente wie SNP-arrays, ddRAD (double-digest restriction-site associated DNA) und Imputation im Rahmen der Bewertung von Kennziffern der genetischen Diversität, der Populationsstruktur und der Identifizierung von potenziell einer Selektion unterliegenden Genomabschnitten hervor. Das zweite Kapitel enthält ausführliche Analysen zur Biodiversität verschiedener lokaler Rassen, darunter eine genomweite Assoziationsstudie des Nero-Siciliano-Schweins unter Verwendung eines SNP-Arrays mittlerer Dichte, eine Untersuchung der genetischen Divergenz der Noticiana-Schafrasse im mediterranen Kontext unter Verwendung eines SNP-Arrays hoher Dichte und die erste Charakterisierung der genomischen Struktur italienischer Eselpopulationen anhand von ddRAD-Daten. Das dritte Kapitel bietet neue Einblicke in Studien zur Biodiversität, wobei der Schwerpunkt auf der Charakterisierung von heterozygotiereichen Regionen (heterozygosity-rich regions; HRR) bei Ziegen und einem Vergleich zwischen SNP-Arrays und imputierten Daten zur Schätzung der Populationsstruktur von Pferderassen liegt. Insgesamt unterstreicht diese Arbeit die Bedeutung integrierter genomischer Ansätze für die Verbesserung unseres Verständnisses der genetischen Diversität lokaler Rassen. Die Ergebnisse tragen wertvolle Erkenntnisse zu Erhaltungsstrategien und nachhaltigen Management-Praktiken bei, welche die Erhaltung genetischer Ressourcen für künftige Generationen sicherstellen können. Die abschließende Diskussion befasst sich mit den weiterreichenden Implikationen dieser Ergebnisse und erläutert Zukunftsperspektiven für die Weiterentwicklung von Biodiversitätsstudien in der Nutztier-Genomik.The advancement of genomic techniques and the development of innovative approaches have significantly transformed the study of livestock species, enabling deeper insights into genetic diversity and population structure. Genomics has emerged as a pivotal field that combines advanced molecular techniques with complex data analysis, offering powerful tools for biodiversity conservation and management. Over recent decades, the field has evolved from the use of microsatellites (STRs) to single nucleotide polymorphisms (SNPs) and whole genome sequencing (WGS), enhancing our ability to characterize the genetic diversity of domestic animal populations. Local breeds represent valuable genetic resources due to their unique traits and adaptation to specific environments. Understanding their genetic pattern is crucial for the conservation of their distinct identities and for supporting biodiversity enhancement programs. This thesis is structured into three main parts. The first chapter provides a comprehensive overview of the livestock panorama and the importance of local breeds, highlighting the applications of genomic tools such as SNP arrays, ddRAD (double-digest restriction-site associated DNA), and imputation in the assessment of genetic diversity indices, population structure, and the detection of genomic regions potentially under selection. The second chapter provides in-depth analyses of the biodiversity of local breeds, including a genome-wide study of the Nero Siciliano pig using a medium-density SNP array, an examination of the genetic divergence of the Noticiana sheep breed in the Mediterranean context using a high-density SNP array, and the first characterization of the genomic structure of Italian donkey populations through ddRAD data. The third chapter introduces novel insights into biodiversity studies, focusing on the characterization of heterozygosity-rich regions (HRR) in the goat species and a comparison of SNP arrays and imputed data in estimating the population structure of horse breeds. Overall, this work underscores the importance of integrated genomic approaches in enhancing our understanding of local breeds' genetic diversity. The findings contribute valuable knowledge that supports conservation strategies and sustainable management practices, ensuring the preservation of these genetic resources for future generations. The final discussion addresses the broader implications of these findings and outlines future perspectives for advancing biodiversity studies in livestock genomics.2026-01-3