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Dynamik der Verweilzeiten von Wasser in Mediterranen Einzugsgebieten und deren ökohydrologischen Auswirkungen in einer sich wandelndem Umwelt

Es ist dringend erforderlich, die relevanten hydrologischen Prozesse in montanen mediterranen Einzugsgebieten zu verstehen, um deren potentielle Änderungen in ihren Funktionen für die Wasserversorgung durch den Klimawandel und Landnutzungsänderungen zu kennen. Daher möchte ich zusammen mit meiner Gastinstitution, dem IDAEA-CSIC in Barcelona, untersuchen, wie die Vegetation, die Böden und das Grundwasser das Speichern, die Mischung, die Abflussbildung, sowie die Evapotranspiration in dem Einzugsgebiet Vallcebre im Nordosten Spaniens beeinflussen. Die Forscher des IDAEA -CSIC haben hydrometrische Daten und stabile Isotope (d2H, d18O) der verschiedenen hydrologischen Kompartimente des Einzugsgebiets gesammelt. Somit liegen Informationen über den Freiland- und Bestandniederschlag, Stammabfluss, Bach- und Grundwasser, sowie Wasser im Boden und der Vegetation vor. Ich plane, diesen umfangreichen Datensatz zur Bestimmung der Verweilzeiten mit neue Methoden anzuwenden, damit sich unser Verständnis von Wasserfluss und Stofftransport in Einzugsgebieten verbessert. Ich werde zunächst testen, wie mittels 'StorAge Selection functions' (Rinaldo et al. 2015) die Dynamik der Verweilzeiten des Abflusses und der Evapotranspiration beschrieben werden können. Des Weiteren habe ich als Ziel die neuen Konzepte der 'young water fraction' (Kirchner 2016) and 'new water fraction' (Kirchner 2017) anzuwenden, um besser die kurzfristige Komponente der Verweilzeiten beschreiben zu können. Diese Methoden sind noch nicht für Mediterrane Einzugsgebiete getestet worden, aber der umfangreiche Datensatz für die Vallcebre Einzugsgebiete ermöglicht die Untersuchung aktueller Fragen der Einzugshydrologie: Können Studien zur Verweilzeit verbessert werden mit höherer Rate der Probennahme von Niederschlag und Abfluss? Wie wirken sich neu erschlossene Daten über Bestandsniederschlag, Stammabfluss, Wurzelwasseraufnahme oder Bodenwasserfluss auf die Analysen aus? Zuletzt werde ich die Information von Tiefenprofilen der Isotopenzusammensetzung von Porenwasser einbeziehen, um hydrologische Modelle zu testen und die Verweilzeiten im Boden mit der Verweilzeit des Einzugsgebietsabflusses in Bezug zu setzen. Letzteres baut auf meine Dissertation und derzeitiger Postdoc-Studien auf.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1158: Antarctic Research with Comparable Investigations in Arctic Sea Ice Areas; Bereich Infrastruktur - Antarktisforschung mit vergleichenden Untersuchungen in arktischen Eisgebieten, Artbildung und Anpassung antarktischer Asselspinnen: Bewertung des Einflusses genetischer Drift und natürlicher Selektion durch vergleichende populationsgenomische und morphologische Analysen

Die Erforschung von Artbildungs- und Anpassungsprozessen ist zentral, um zu verstehen, wie Biodiversität entsteht und auf wechselnde Umweltbedingungen reagiert.. Ein idealer Ort für solche Studien ist das Südpolarmeer: Es beherbergt eine reiche und hochgradig endemische Fauna. Neuere Studien zeigen, dass viele benthische Arten aus Gruppen von genetisch distinkten Kladen bestehen, die als früher übersehene Arten pleistozänen Ursprungs interpretiert werden. Diese kryptischen Arten können durch molekulare Methoden (z. B. DNA-Barcoding) und z.T. auch durch morphologische Analysen unterschieden werden. Es wird angenommen, dass die Artbildung per Zufall erfolgte, als ehemals große Populationen während glazialer Maxima in kleinen allopatrischen Refugien isoliert wurden, wo sie starker genetischer Drift ausgesetzt waren. Alternative Artbildungsmodelle wurden bislang wegen fehlender molekularer Methoden kaum erforscht. Studien aus anderen Ökosystemen zeigen, dass ökologische Artbildung, d.h. Aufspaltungsereignisse durch unterschiedliche Selektion, ein naheliegendes alternatives Artbildungsmodell ist. In dem hier vorgestellten Projekt sollen erstmals hochauflösende genomische Methoden zusammen mit morphologischen Analysen benutzt werden, um konkurrierende Artbildungsmodelle für das Südpolarmeer zu testen. Als Fallstudie sollen hierfür Muster genetischer Drift und Selektion in einer besonders erfolgreichen Gruppe benthischer Arten des Südpolarmeeres untersucht werden, den Asselspinnen (Pycnogonida). Aufbauend auf vorangehenden Studien sollen genomische Muster neutraler und nicht neutraler Marker bei zwei Artkomplexen untersucht werden: Colossendeis megalonyx und Pallenopsis patagonica. Diese beiden Artkomplexe von Asselspinnen sind aufgrund mehrerer Merkmale hervorragende Modelle für die Themen dieses Antrages: 1) Es existieren zahlreiche genetisch divergente kryptische Arten, 2) erste morphologische Unterschiede wurden gefunden, 3) die weite Verbreitung der Vertreter sowohl auf dem antarktischen Kontinentalschelf als auch in weniger von den Vereisungen betroffenen subantarktischen Regionen, 4) ihre geringe Mobilität. Sollte eine durch genetische Drift bedingte allopatrische Artbildung in glazialen Refugialpopulationen der Hauptantrieb der Evolution sein, ist zu erwarten, dass Zufallsfixierung neutraler Allele und Signaturen von Populations-Bottlenecks in stark vereisten Gebieten am höchsten sind. Wenn andererseits natürliche Selektion der Hauptantrieb der Artbildung war, so sind starke Signaturen von Selektion auf Geno- und Phänotyp zu erwarten. Diese sollte am stärksten bei sympatrischen Arten sein (Kontrastverstärkung). Die Variation entlang von Genomen soll untersucht werden, um das Ausmaß zufälliger bzw. nicht zufälliger Variation einzuschätzen. Das vorgeschlagene Projekt wird ein wichtiger erster Schritt einer systematischen Erforschung der relativen Bedeutung von genetischer Drift und Selektion für die Evolution im Südpolarmeer sein.

Sortenabhaengiges Vorkommen von natuerlichen, unerwuenschten Inhaltsstoffen in Gemuese (Nitrat) und Kartoffeln (Alkaloide)

a) Nitrat ist wegen seiner Umsetzung durch Mikroorganismen zu Nitrit in Lebensmitteln unerwuenscht. In Spinat, roten Rueben und anderen Wurzelgemuesen wird abhaengig von der Sorte und den Anbaubedingungen gelegentlich viel Nitrat angereichert. Es ist Ziel der Untersuchung, 'nitratarme' Sorten aus dem vorhandenen Sortiment auszusuchen. Bei Solanin- und Chaconin-Alkaloiden in Kartoffeln liegen die Verhaeltnisse vergleichbar. b) + c) In Zusammenarbeit mit dem Bundessortenamt werden in mehrjaehrigen Anbauversuchen 'verbraucherfreundliche' Sorten ermittelt.

Sortenabhaengige Vorkommen von Nitrat in verschiedenen Gemuesearten und Solanin in Kartoffeln

Nitrat ist Wegen seiner Umsetzung durch Mikroorganismen zu Nitrit in Lebensmitteln unerwuenscht. In Spinat, roten Rueben und anderen Wurzelgemuesen wird Abhaengig von der Sorte und den Anbaubedingungen gelegentlich viel Nitrat angereichert. Es ist Ziel der Untersuchung, 'Nitratarme' Sorten aus dem vorhandenen Sortiment auszusuchen. Bei Solanin- und Chaconin-Alkaloiden in Kartoffeln liegen die Verhaeltnisse vergleichbar.

Die Entwicklung einer Selektionsmethode fuer die Resistenzzuechtung gegen Rebvirosen, besonders die Reisigkrankheit

a) Zuechtung von Rebsorten, die gegenueber Virosen resistent bzw. tolerant sind.b) Untersuchungen ueber das Wirt-Parasit-Verhaeltnis und Entwicklung von Selektionsmehtoden fuer die Resistenzzuechtung. c) Laufende Pruefung von Neuzuechtungen auf Resistenz; langfristig.

Frühsaat von Sonnenblumen

Eine spätere Reife von Sonnenblumen nach Mitte September erhöht die Gefahr von Ernteverlusten durch Krankheitsbefall (vor allem Botrytis) und Vogelfraß. Da Sonnenblumen im Jugendstadium ausreichend frosthart sind, bietet eine frühere Aussaat die Möglichkeit, Sonnenblumen früher als bisher üblich zu ernten. Unter hiesigen Bedingungen ist allerdings die Jugendentwicklung von Sonnenblumen bei niedrigen Temperaturen nicht befriedigend. Ziel dieses Projektes ist deshalb, festzustellen, ob die genetische Basis vorhanden ist, um die Jugendentwicklung der Sonnenblume bei kühlen Temperaturen zu verbessern. Langfristig wird angestrebt, Sonnenblumen zu züchten, die zur selben Zeit wie Sommergetreide ausgesät werden können. Stand der Arbeiten: Erste Ergebnisse machen deutlich, dass ausreichend Variation in der Sonnenblume vorhanden ist, um eine Selektion auf eine schnellere Jugendentwicklung durchführen zu können. Die Selektion wird allerdings durch signifikante Genotyp-Umwelt-Interaktionen erschwert, die in derselben Größenordnung liegen wie die Varianz der Genotypen.

Beseitigung der Striga-Plage im Sorghumanbau in Afrika durch Kombination von markergestützter Rückkreuzung und Farmer-partizipatorischer Selektion

Übergeordnetes Ziel ist die Erhöhung der Nahrungssicherheit in den mit dem parasitischen Unkraut Striga (Striga hermonthica) infizierten Sorghum (Sorghum bicolor)-Anbaugebieten in Eritrea, Kenia, Mali und Sudan. Hierzu soll zusammen mit NARS dieser Länder die Strigaresistenz von lokal adaptierten, Farmer-bevorzugten Sorghumsorten durch Anwendung einer Kombination aus markergestützter Rückkreuzung und Farmer-partizipatorischer Selektion verbessert werden. Molekulare Marker für quantitative, im Feld erfasste Strigaresistenz wurden während eines BMZ-finanzierten gemeinschaftlichen Projektes des ICRISAT mit den Universitäten Hohenheim und Tübingen (1995-2000) und danach im Rahmen eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Habilitationsvorhabens (2000-2003) identifiziert und validiert. Die Effekte von fünf QTL ('quantitative trait loci') für Strigaresistenz der Elternlinie N13' erwiesen sich dabei als stabil über zehn Feldversuche in Mali und Kenia, zwei Jahre und zwei unabhängige Genotypstichproben der Kartierungspopulation. Die einzelnen QTL erklären zwischen 12 - 30 Prozent der phänotypischen Variation und tragen zu einer partiellen, quantitativen und somit stabilen Resistenz bei. Die entsprechenden flankierenden Marker sollen im Projekt genutzt werden. Darüber hinaus wird eine simultane sozio-ökonomische Studie der Sorghum-Saatgutverteilungssysteme in den vier Ländern durchgeführt. Die Schlagkraft der verbesserten Sorten soll des weiteren durch Integration in bestehende Methoden der integrierten Strigabekämpfung erhöht werden. Die Langzeitwirkung der im Projekt entwickelten Sorten könnte durch offene Bestäubung in den genetisch sehr vielfältigen Feldern der Landwirte beeinträchtigt werden. Daher sollen auch die aktuellen Auskreuzungsraten der Farmer-bevorzugten Sorghumsorten untersucht werden. Daraus sollen Schlüsse über die Stabilität der transferierten Strigaresistenz-QTL gezogen und Empfehlungen für die Sortenerhaltung abgegeben werden.

Die Bedeutung individueller Eiablagestrategien für die Artenvielfalt lokaler Insektengemeinschaften: Eine Analyse im Kontext multitrophischer Interaktionen

Seit langem ist bekannt, dass räumlich begrenzte, kurzfristig und unvorhersagbar auftretende Ressourcen eine hohe lokale Diversität bei Lebensgemeinschaften von Insekten unterstützten. Als ein wesentlicher Grund der hohen Artenvielfalt wurde eine innerartliche Aggregation des Nachwuchses über Ressourcenpatches identifiziert, die zu verschärfter innerartlicher im Verhältnis zu zwischenartlicher Konkurrenz führt. Allerdings liefert diese Begründung nur eine mechanistische Erklärung. Die Faktoren, welche die notwendige innerartliche Aggregation in natürlicher Selektion bevorteilt haben, sind bislang völlig unklar. Jene Faktoren wollen wir aufklären. Im Zentrum unserer Untersuchungen steht die Analyse möglicher bottom-up-Effekte der Brutressourcen der Insekten und top-down Effekte der nächst höheren trophischen Ebene, welche auf individueller Ebene Verhalten selektieren, das den Diversitätseffekt auf der Ebene der Lebensgemeinschaften hervorruft. Unser Modellsystem sind Drosophilidenlebensgemeinschaften, bei denen wir auf unterschiedlichen Brutressourcen die genetisch begründete Variabilität von Reaktionsnormen für das Eiablageverhalten, sowie dessen dichteabhängig Konsequenzen in bezug auf Konkurrenz- und Parasitierungseffekte untersuchen wollen.

Anbauversuche und Selektion auf hohen Wirkstoffgehalt bei Arzneipflanzen

Sammelmaterial von Arzneipflanzen wird auf seine Anbaueignung geprueft. Formen mit hohem Wirkstoffgehalt werden selektiert und zuechterisch bearbeitet.

Adaption von Sojabohnen an saure Boeden mit einem hohen Aluminiumgehalt

Im Rahmen des Biotechnologieprogramms 'Indonesien-Deutschland' werden mit den Methoden der pflanzlichen Biotechnologie und Molekularbiologie Resistenzeigenschaften von Sojabohnenpflanzen und Sojabohnenzellkulturen gegenueber einem hohen Saeuregehalt im Boden/im Medium untersucht, wobei es das Ziel ist, einen Resistenzmechanismus fuer hohen Aluminiumgehalt zu finden. Durch Selektion Aluminium-resistenter Zellen bzw Embryonen und deren Regeneration zu intakten Pflanzen wird es angestrebt, Kultivare der Sojabohne zu entwickeln, die unter den landwirtschaftlichen Bedingungen Indonesiens wachsen koennen.

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