Die Intensität und Häufigkeit von Dürren haben in den letzten zehn Jahren dramatisch zugenommen. Viele Wälder haben eine hohe Dürre-Anfälligkeit gezeigt, aber die Reaktionen sind komplex und nicht einheitlich, auch nicht für Bäume derselben Art. Um zu verstehen, wie Bäume auf künftige Klimabedingungen reagieren werden, ist es von größter Bedeutung auch ihre Anpassungsfähigkeit zu berücksichtigen. Änderungen der hydraulischen Eigenschaften des Xylems sind mittel- bis langfristige Anpassungen, die sich aus der Reaktion eines Baumes auf den Verlauf der Umweltbedingungen ergeben, denen er im Laufe seines Lebens ausgesetzt ist. Die Interaktion der daran beteiligten Treiber und Prozesse wie Wasserverfügbarkeit, Xylembildung, Kavitation, hydraulische Leitfähigkeit und Baumwachstum zu verstehen und zu beschreiben stellt für die Wissenschaft weiterhin eine Herausforderung dar. Mithilfe Individuen-basierter Modelle können die zugrundeliegenden Mechanismen direkt beschrieben und Merkmale als emergente Eigenschaften modelliert werden, wodurch diese Modelle auch besser als andere für Prognosen geeignet sind. Mit dem vorgeschlagenen Projekt beabsichtigen wir, das Verständnis über die Wechselwirkungen zwischen Baumwachstum, hydraulischer Architektur und Wasserverfügbarkeit zu erweitern, indem wir Muster holzanatomischer Studien für die Entwicklung eines neuen Individuen-basierten Xylem-Wachstumsmodells übernehmen und dieses in bestehende Waldsimulationsmodelle implementieren. Diese Arbeit wird sich auf einen bereits entwickelten Modellprototyp stützen und systematisch empirisch abgeleitete Hypothesen über die Interaktion von Prozessen testen. Das entwickelte Modell wird schließlich dazu dienen, die individuelle, adaptive, jährliche Veränderung der Xylemeigenschaften als Reaktion auf die Dynamik der Umweltbedingungen zu simulieren. Langfristige holzanatomische Daten aus Herkunftsexperimenten von Fagus sylvatica und Quercus rubra werden zur Modellanpassung und Kreuzvalidierung verwendet. Die Daten werden uns ermöglichen das Modell sowohl für diffus- als auch für ringporige Baumarten zu parametrisieren und die herkunftsspezifische Plastizität der Xylembildung zu charakterisieren. Mithilfe von Simulationsexperimenten sollen letztlich Chancen und Risiken unterschiedlich plastischen Xylem-Bildungsverhaltens unter verschiedenen Szenarien des Klimawandels identifiziert werden, sowohl auf Einzelbaum- wie auch auf Bestandesebene. Für letzteres soll das Xylem-Wachstumsmodell als Baustein für die Simulationsumgebung pyMANGA zur Verfügung gestellt werden, was die Integration des Xylem-Wachstumsmodells in einen bereits bestehenden Waldbestandssimulator ermöglicht. Mit dieser Erweiterung wird schließlich die lokale Konkurrenz vieler Bäume mit sich gleichzeitig entwickelnden Xylem-Merkmalen simuliert und untersucht wie sich unterschiedliche Zusammensetzungen von Arten des Xylem-Bildungsverhaltens auf die Widerstandsfähigkeit zukünftiger Waldökosysteme auswirken.
Ovulen sind von agronomischem Interesse, da sie die Vorläufer der Samen, der hauptsächlichen menschlichen Nahrungsquelle, darstellen. Ihre Gewebemorphogenese ist nicht verstanden, hängt in Arabidopsis aber von der interzellulären Signalübermittlung durch die Rezeptorkinase STRUBBELIG ab. Zwei weitere membrangebundene Komponenten dieser Signalkette wurden genetisch identifiziert. ZERZAUST ist eine vorhergesagte beta-1,3 Glukanase, während QUIRKY mehrere C2-Domänen besitzt. Die molekularen Funktionen von ZERZAUST und QUIRKY sollen analysiert, und die Interaktionen zwischen den drei Zelloberflächenproteinen untersucht werden.
Im SPP 2451 werden Material- und Biotechnikingenieure zusammenarbeiten, um das Potenzial der synergistischen Integration von nicht-lebenden und lebenden Komponenten in neuen Materialien zu erschließen. Durch interdisziplinäre Zusammenarbeit wird diese multidisziplinäre Gemeinschaft dazu beitragen (i) das grundlegende Verständnis bezüglich der Anforderungen für eine funktionale Verbindung von nicht-lebenden Materialien mit lebenden Komponenten zu erlangen und (ii) das Potenzial adaptiver lebender Materialien zur Vereinigung von Technologie- und Nachhaltigkeitsanforderungen in zukünftigen materialbasierten Technologien in Laborprototypen zu demonstrieren. Das Koordinationsprojekt des SPP wird zur Vernetzung, Zusammenarbeit und Sichtbarkeit des SPP-Themas und der Wissenschaftsgemeinschaft beitragen, indem es SPP-Treffen und Konferenzen organisiert. Es wird auch zur Organisation spezialisierter Schulungen und zur beruflichen Entwicklung von 30 Nachwuchswissenschaftlern auf Promotions- und Postdoc-Ebene beitragen und ihr Netzwerk in der Wissenschafts Community stärken. Das Koordinationsprojekt wird sich auch mit drei ELM-spezifischen Themen von zentraler Bedeutung für die SPP-Gemeinschaft befassen: (i) die Ausarbeitung von Dokumentations-, Berichts- und Datenmanagementstandards, die die Bereitstellung von FAIR-Daten für die Entwicklung von ELMs im SPP erleichtern können; (ii) die Förderung der Diskussion über Umweltsicherheitsaspekte von ELMs; (iii) die Verbreitung von Informationen über ELMs, um Akzeptanz für sichere, auf ELMs basierende Technologien in der Industrie und der Gesellschaft zu gewinnen. Das SPP bietet eine Gelegenheit, diese Fragen bereits in dem sehr frühen Entwicklungsstadium der lebenden Materialien anzugehen. Diese vorteilhafte Position wird dem SPP erhebliche Sichtbarkeit verschaffen und seine Auswirkungen weltweit verstärken.
This subproject aims at the development of spectral electrical impedance tomography (EIT) as a non-destructive tool for the imaging, characterization and monitoring of root structure and function in the subsoil at the field scale. The approach takes advantage of the capacitive properties of the soil-root interface associated with induced electrical polarization processes at the root membrane. These give rise to a characteristic electrical signature (impedance spectrum), which is measurable in an imaging framework using EIT. In the first project phase, the methodology is developed by means of controlled rhizotron experiments in the laboratory. The goal is to establish quantitative relationships between characteristics of the measured impedance spectra and parameters describing root system morphology, root growth and activity in dependence on root type, soil type and structure (with/without biopores), as well as ambient conditions. Parallel to this work, sophisticated EIT inversion algorithms, which take the natural characteristics of root system architecture into account when solving the inherent inverse problem, will be developed and tested in numerical experiments. Thus the project will provide an understanding of electrical impedance spectra in terms of root structure and function, as well as specifically adapted EIT inversion algorithms for the imaging and monitoring of root dynamics. The method will be applied at the field scale (central field trial in Klein-Altendorf), where non-destructive tools for the imaging and monitoring of subsoil root dynamics are strongly desired, but at present still lacking.