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Pflanze-Boden-Mikroben-Interaktionen in Agrarsystemen: Einfluss von Cadmium und Stickstoff auf mikrobielle Gemeinschaften in der Rhizosphäre sowie auf das Wachstum einheimischer Pflanzenspezies in Landwirtschaftssystemen

Pflanzenmanagement- und Agrarsysteme erlangen international eine steigende Bedeutung. In der vorliegenden Studie werden Pappeln und Weiden mit einheimischen Pflanzenspezies kombiniert, um Agrarsysteme weiter zu verbessern. Zwei in landwirtschaftlichen Systemen relevante Schadstoffe (Cadmium und Stickstoff) wurden ausgewählt, um die Pflanzen bezüglich Phytoremediation und Effizienz von Schadstoffanreicherung in Pflanzenteilen zu untersuchen. Pflanzen-Mikroben-Interaktionen spielen eine Hauptrolle in Agrarsystemen, weshalb mikrobielle Veränderungen in der Rhizosphäre durch Schadstoffeintrag in Böden einen wichtigen Schwerpunkt darstellen. Um solche Veränderungen in einer pflanzenspezifischen, mikrobiellen Gemeinschaft zu detektieren werden Phospholipidfettsäuren (PLFA) im Boden bestimmt, da diese in allen lebenden Zellen vorkommen und nach Zelltod rasch abgebaut werden. Die erzielten Ergebnisse werden mit DNA-basierten Methoden zur Bestimmung mikrobieller Gemeinschaften verglichen. Weiterhin soll die Analytik von Terpenen, Flavonoiden und Fettsäuren im Pflanzenmaterial Auskunft über pysiologische Veränderungen von Pflanzen geben, welche durch die verschiedenen Schadstoffe ausgelöst werden. Ein 13CO2 Puls, welcher vor der Ernte appliziert wird, ermöglicht eine genaue Untersuchung, wie Pflanzenstoffwechsel und Kohlenstofftranslokation in die Rhizosphäre durch Schadstoffe verändert werden. In diesem Zusammenhang wird die Stabilisotopenanalytik von PLFA und DNA verglichen, sowie weitere 13C-Analysen des Pflanzenmaterials durchgeführt. Um den Schwerpunkt von Pflanzenmanagement Systemen zu vertiefen werden weitere Analysen von Pflanzenteilen (Wurzeln, Stamm, Blätter, Früchte, Samen) bezüglich Cadmium und Stickstoff durchgeführt. Massiv kontaminiertes Pflanzenmaterial kann für die Biogasproduktion verbrannt und anschließend zum Recycling kompostiert werden. Pflanzenteile mit hohem Stickstoffgehalt und fehlender Akkumulation von Cadmium kann als Tierfutter in Wintermonaten verwendet werden; eine Verwendung für kommerzielle Produkte ist ebenfalls denkbar und soll im Rahmen des Forschungsantrags untersucht werden.

Effect of habitat fragmentation on reptiles in South East Asia

Fragmentation of the natural environment has contributed to major biodiversity loss in South East Asia. Reptiles represent a significant biomass and occupy important functions in our ecosystem. However, these organisms are highly sensitive to relatively minor changes in temperature and habitat alteration. In this study we will investigate the effects of habitat fragmentation and potentially climate change on agamids at several sites in Southeast Asia. We will identify the species richness of agamids, their habitat use, and their diet. By using morphometrics, we aim to correlate morphology and habitat use and diet to explore the ecological niches these lizards occupy. We will also test for microhabitat preferences and optima to understand the ecological impacts on these species caused by forest fragmentation. We hope to use this approach to lay the foundations for macro-ecological modelling proving insights into future distributions and the impact of habitat connectivity.

Die Bedeutung von Fischereiabfällen und Erfahrung für das Verhalten und die Energetik von Seevögeln

Um die lückenhaft über große Flächen und oft unberechenbar verteilten Meeresressourcen zu nutzen, fliegen Albatrosse und Sturmvögel oft Hunderte von Kilometern pro Tag und füttern ihre Küken selten. In marinen Ökosystemen unter starkem anthropogenem Einfluss wird die Verfügbarkeit von Beute oft durch die Anwesenheit der Fischereifahrzeuge verändert, die große Mengen an Abfällen wie Innereien von verarbeitetem Fisch, Nichtzielarten und zu kleine Fische verwerfen. Dadurch erzeugen sie nicht nur eine vorhersehbare und reichliche Nahrungsquelle für Seevögel, sondern Fischerei-Abfälle erschließen Seevögeln auch den Zugriff auf demersale Organismen wie Bodenfische als neuartige Nahrungsquelle. In vielen fischreich genutzten Meeresgebieten stellen Abfälle daher einen großen Anteil der Nahrung von Seevögeln. Dies kann erhebliche Auswirkungen auf die Ernährungsökologie der Seevögel haben. Das Ziel der geplanten Studie ist es, unser Verständnis von Verhaltensanpassungen als Reaktion auf Änderungen in der Verfügbarkeit von Beute zu vertiefen. Wir schlagen dazu eine Fallstudie an Sturmtauchern Calonectris diomedea im Mittelmeer vor, einer Art, die sowohl natürliche Beute als auch Fischereiabfälle als Nahrung nutzt. Um das Ausmaß und die Auswirkungen der Nahrungsquellen zu bewerten, werden wir eine Kombination aus GPS-Tracking, Messungen der Stoffwechselrate mit 2 Methoden (Beschleunigungsdaten und Schwerwassermethode) und nicht-invasive genetische Nahrungsbestimmung verwenden. Wir werden untersuchen, ob die Nutzung der Fischereiabfälle durch die Sturmtaucher als Reaktion auf geringe Verfügbarkeit von ihrer natürlichen Beute auftritt oder ob diese Art sich an die neue Nahrungsquelle angepasst hat, und sie unabhängig von der Verfügbarkeit ihrer natürlichen Beute regelmäßig nutzt. Darüber hinaus werden wir erfahren und neue Brutpaare vergleichen, um zu bewerten, wie die Qualität von Alttieren dieses Verhalten beeinflusst, sowie die Energiebilanz der natürlichen Beute und von Fischereiabfällen vergleichen.

Systematische Untersuchungen der marinen Schneckengattung Conus (Artbeschreibungen, Artentstehung sowie Aufbau einer weltweiten Typusdatenbank

Late-Glacial and Holocene vegetational stability of southern South America

This project focuses on the long-term stability (or otherwise) of vegetation, based on a series of multi-proxy records in southern South America. We will build a network of sites suitable for high-resolution reconstructions of changes in vegetation since the Last Glacial Maximum, and use these to test a null hypothesis that changes in vegetation over the past 14,000 years are driven by internal dynamics rather than external forcing factors. The extent to which the null hypothesis can be falsified will reveal the degree to which we can expect to be able to predict how vegetation is affected by external events, including future climate change. The southern fringes of the South American landmass provide a rare opportunity to examine the development of moorland vegetation with sparse tree cover in a wet, cool temperate climate of the Southern Hemisphere. We present a record of changes in vegetation over the past 17,000 years, from a lake in extreme southern Chile (Isla Santa Inés, Magallanes region, 53°38.97S; 72°25.24W; Fontana, Bennett 2012: The Holocene), where human influence on vegetation is negligible. The western archipelago of Tierra del Fuego remained treeless for most of the Lateglacial period. Nothofagus may have survived the last glacial maximum at the eastern edge of the Magellan glaciers from where it spread southwestwards and established in the region at around 10,500 cal. yr BP. Nothofagus antarctica was likely the earlier colonizing tree in the western islands, followed shortly after by Nothofagus betuloides. At 9000 cal. yr BP moorland communities expanded at the expense of Nothofagus woodland. Simultaneously, Nothofagus species shifted to dominance of the evergreen Nothofagus betuloides and the Magellanic rain forest established in the region. Rapid and drastic vegetation changes occurred at 5200 cal. yr BP, after the Mt Burney MB2 eruption, including the expansion and establishment of Pilgerodendron uviferum and the development of mixed Nothofagus-Pilgerodendron-Drimys woodland. Scattered populations of Nothofagus, as they occur today in westernmost Tierra del Fuego may be a good analogue for Nothofagus populations during the Lateglacial in eastern sites. Climate, dispersal barriers and/or fire disturbance may have played a role controlling the postglacial spread of Nothofagus. Climate change during the Lateglacial and early Holocene was a prerequisite for the expansion of Nothofagus populations and may have controlled it at many sites in Tierra del Fuego. The delayed arrival at the site, with respect to the Holocene warming, may be due to dispersal barriers and/or fire disturbance at eastern sites, reducing the size of the source populations. The retreat of Nothofagus woodland after 9000 cal. yr BP may be due to competitive interactions with bog communities. Volcanic disturbance had a positive influence on the expansion of Pilgerodendron uviferum and facilitated the development of mixed Nothofagus-Pilgerodendron-Drimys woodland.

Phylogeny of bothropoid pitvipers (genera Bothrops, Bothrocophias)

Together with several colleagues from Argentina and Peru (main investigator is Paola Carrasco (Universidad Nacional de Cordoba), but also Gustavo Scrocchi (CONICET and Instituto de Herpetologia, San Miguel de Tucuman), Pablo Venegas (Centro de Ornitologia y Biodiversidad (CORBIDI), Lima), Juan Chaparro (Universidad Nacional de San Antonio Abad del Cusco, Cusco)), we started a collaboration on the phylogeny of bothropoid pitvipers (Bothrops, Bothrocophias), with the aim to solve systematic conflicts within the Bothrops-complex (to agree 50 species) using a phylogenetic analysis combining a large number of morphological and molecular data. Until recently, most phylogenetic analyses of the South American pitviper genus Bothrops used exclusively mitochondrial DNA sequences, whereas few of them have included morphological traits. Moreover, the systematic affinities of some species remain unclear. As part of this project we are currently working on a systematic revision of the Bothrops-complex in Peru (11 + 2 new species). We recently published the first data including the description of a new species (Carrasco et al. 2019) and a manuscript with the description of a second new species is in preparation. Additionally, the morphological variability in the Bothrops neuwiedii species group will be examined, with special respect to the widely distributed B. diporus. Bothrops diporus shall serve as a model species for studying possible influences of environmental factors on the phenotypical diversity of species in the genus Bothrops. The collaborative work started mid of 2015. First results of the collaborative project were presented at the XVI Congreso Argentino de Herpetología in San Miguel de Tucumán (September 2015), the I Congreso Argentino-Paraguayo de Herpetologia in Posadas, Argentina and Encarnación, Paraguay (September 2016), the XVIII Congreso Argentino de Herpetologia in Salta, Argentina (October 2017), the Latinamerican Congress of Herpetology in Quito, Ecuador (July 2017), and will be presented at the 3rd Biology of Pitvipers Symposium in Rodeo, USA (July 2019). Paola Carrasco just submitted a proposal to SYNTHESYS+ to visit the ZFMK in early 2020, in which I will serve as her host. In this visit, besides intensifying our collaboration, Paola wants to study different genera of Viperidae from our collection in the framework of our collaborative project.

Rehabilitation of Degraded Forests in Yunnan (German-Chinese Cooperation for Agrarian Research)

Background: An increasing frequency of massive flooding along the lower Yangtse River in China ended in a disastrous catastrophe in summer 1998 leaving several thousand people homeless, more than 3.600 dead and causing enormous economic damage. Inappropriate land-use techniques and large scale timber felling in the water catchment of the upper Yangtse and its feeder streams were stated to be the main causes. Immediate timber cutting bans were imposed and investigations on land use patterns were initiated by the Chinese Government. The Institute for World Forestry of the Federal Research Centre for Forestry and Forest Products was approached by the Yunnan Academy of Forestry in Kunming to exchange experiences and to cooperate scientifically in the design and application of appropriate afforestation and silvicultural management techniques in the water catchment area of the Yangtse. This cooperation was initiated in 1999 and is based on formal agreements in the fields of agrarian research between the German and Chinese Governments. Objectives: The cooperation was in the first step focussing on the identification of factors which caused the enormous floodings. After their identification measures of prevention were determined and put into practice. In this context experiences made in past centuries in the alpine region of central Europe served as an incentive and example for similar environmental problems and solutions under comparable conditions. Relevant key questions of the cooperation project were: - Analysis of forest related factors influencing the recent floodings of the Yangtse, - Analysis and evaluation of silvicultural management experiences from central Europe for know-how transfer, - Evaluation of rehabilitation measures for successful application in Yunnan, - Dissemination of knowledge through vocational training. Results: - Frequent wild grazing of husbandry is a key factor for forest degeneration beyond unsustainable timber harvests, forest fires and insect calamities leading to increased water run-off in the mountainous region of Yunnan; - Browsing of cattle interrupts succession thus avoiding natural regeneration and leaving a logging ban ineffective; - Mountain pasture in the Alps had similar effects in the past in central Europe. The introduction of controlled grazing has led to an ecologically compatible coexistence of pasture and ecology. Close-to-nature forestry can have positive effects in this sensitive environment. - Afforestation with site adopted broadleaves and coniferous tree species was implemented on demonstration level using advanced techniques in Yunnan.

Forschergruppe (FOR) 456 degree of celsius: The role of Biodiversity for element cycling and trophic interactions: An experimental approach in a grassland community, FOR 438: Die Bedeutung von Biodiversität für Stoffkreisläufe und trophische Interaktionen: Ein Versuchsansatz in Grasslandgesellschaften - Teilprojekt: Diversität und Funktion von arbuskulären Mykorrhiza- und Bodenpilzen mit oxidativem Potential in Grasländern mit unterschiedlichen Stufen pflanzlicher Diversität

Das Jena Experiment hat es sich zum Ziel gesetzt Zusammenhänge zwischen Pflanzendiversität und Ökosystemprozessen zu untersuchen. Unsere Arbeiten beschäftigen sich mit einer der Schlüsselgruppen in unterirdischen Ökosystemprozessen - den Pilzen. Das Wirtsspektrum arbuskulärer Mykorrhizapilze (AMF) wird innerhalb der Monokultur-Plots untersucht. In Polykulturen unterschiedlicher Diversität soll der Zusammenhang zwischen Artenreichtum von Pflanzen und AMF vertiefend studiert werden. Durch ein Experiment mit stabilen Isotopen soll der Beitrag der AMF für die Nährstoffverteilung zwischen einzelnen Pflanzenarten, aber auch zwischen funktionellen Gruppen näher beleuchtet werden. Weiterhin wird untersucht, ob Zusammenhänge zwischen Stickstoffmineralisierung, Anreicherung organischer Substanzen sowie der Diversität und dem Expressionsprofil pilzlicher Laccasegene bestehen.

Biogenic soil structures: feedbacks between bioactivity and spatial heterogeneity of water storage and fluxes from plot to hillslope scale

Soil structure determines a large part of the spatial heterogeneity in water storage and fluxes from the plot to the hillslope scale. In recent decades important progress in hydrological research has been achieved by including soil structure in hydrological models. One of the main problems herein remains the difficulty of measuring soil structure and quantifying its influence on hydrological processes. As soil structure is very often of biogenic origin (macropores), the main objective of this project is to use the influence of bioactivity and resulting soil structures to describe and support modelling of hydrological processes at different scales. Therefore, local scale bioactivity will be linked to local infiltration patterns under varying catchment conditions. At hillslope scale, the spatial distribution of bioactivity patterns will be linked to connectivity of subsurface structures to explain subsurface stormflow generation. Then we will apply species distribution modelling of key organisms in order to extrapolate the gained knowledge to the catchment scale. As on one hand, bioactivity influences the hydrological processes, but on the other hand the species distribution also depends on soil moisture contents, including the feedbacks between bioactivity and soil hydrology is pivotal for getting reliable predictions of catchment scale hydrological behavior under land use change and climate change.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1158: Antarctic Research with Comparable Investigations in Arctic Sea Ice Areas; Bereich Infrastruktur - Antarktisforschung mit vergleichenden Untersuchungen in arktischen Eisgebieten, Heterothermie und Torpor als Energie sparende Strategien bei antarktischen Sturmschwalben

Buntfuß-Sturmschwalben Oceanites oceanicus sind die kleinsten endothermen Tiere, die in der Antarktis brüten. Durch ihre geringe Körpergröße und die daher eingeschränkte Möglichkeit Energie zu speichern, brauchen Buntfuß-Sturmschwalben effiziente Strategien um mit vorhersehbaren aber auch mit unvorhersehbaren Perioden von Futterknappheit zurechtzukommen. Sowohl während einer Brutsaison als auch zwischen verschiedenen Brutsaisons wurden für diese Art starke Schwankungen der Futterverfügbarkeit beobachtet. In der geplanten Studie werden wir untersuchen wie junge Buntfuß-Sturmschwalben durch Heterothermie als physiologische Strategie ihren Energieumsatz optimieren und wie Torpor als Überlebensstrategie während unvorhergesehener Futterknappheit genutzt werden kann. Wir werden untersuchen, welchen Einfluss der Ernährungszustand auf Körpertemperatur und die Energieumsatz im Ruhezustand (Ruheumsatz) hat und ob diese mit der Außentemperatur zusammenhängen. Als Anpassung an vorhersehbare Unterschiede der Futterverfügbarkeit werden wir den Tagesrhythmus der Körpertemperatur und der Ruheumsatz untersuchen. Wir werden testen, ob Buntfuß-Sturmschwalben ihre Körpertemperatur und ihren Ruheumsatz während dem Tag, wenn die adulten Vögel nicht zum Füttern kommen können, strategisch herunterfahren. Außerdem werden wir die Gründe und Folgen individueller Unterschiede im heterothermischen Verhalten der Nestlinge untersuchen. Wir erwarten, dass Körperfunktionen wie Wachstum oder die Investition in das Immunsystem mit sinkender Körpertemperatur eingeschränkt werden und dass Küken, die weniger häufig von ihren Eltern gefüttert werden, häufiger Torpor nutzen. Somit könnte Heterothermie bei Küken der Sturmschwalben durch einen Trade-off zwischen verringerten Energiekosten und der Investition in Körperfunktionen, die schlussendlich die Überlebenschancen bis zur Brutzeit bestimmen, Auswirkungen auf ihre biologische Fitness haben. Als Anpassung an vorhersehbare Unterschiede in der Futterverfügbarkeit, werden wir die Heterothermie der Küken während Unwetterperioden, wie zum Beispiel während Schneestürmen, untersuchen. Schneestürme werden nach Vorhersagen der Klimamodelle in der Region in Zukunft häufiger auftreten und in dieser Zeit sind die Eingänge der Bruthöhlen häufig blockiert. Diese Studie hat daher Auswirkungen auf die Anpassungsfähigkeit der Art an den Klimawandel, sowohl im Zusammenhang mit der verringerten Futterverfügbarkeit, die vor allem durch die Abnahme des Antarktischen Krills hervorgerufen wird, als auch durch ein vermehrtes Auftreten von Schneestürmen.

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