Die Ökonomie von Pflanzen wird als Kompromiss zwischen Nährstoffaufnahme und -erhalt angesehen. Wurzeln sind in unserem Verständnis der gesamten Pflanze jedoch immer noch unterrepräsentiert. Wurzeltraits scheinen aufgrund ihrer Interaktion mit Bodenbiota multidimensional zu sein. Kompromisse zwischen der Investition in die Oberfläche der Wurzel bzw. der arbuskulären Mykorrhiza Pilze (AMF) wurden bislang anhand der spezifischen Wurzellänge untersucht. Allerdings sind auch Wurzelhaare dafür bekannt die Phosphoraufnahme zu erhöhen. Diese sind bislang in Konzepten der Wurzelökonomie nicht enthalten. In Gewächshausversuchen zeigte sich, dass Wurzelhaarlänge und -häufigkeit negativ mit der AMF-Kolonisation korrelieren. Dieser Gradient zwischen einer Strategie zur Vergrößerung der Wurzelhaaroberfläche und der AMF-Symbiose erwies sich als unabhängig von der spezifischen Wurzellänge, was auf eine bislang unberücksichtigte Varianz in Wurzeltraits hindeutet. Studien zeigen, dass die AMF-Oberfläche - gemessen als extraradikale Hyphenlänge - mit der Landnutzungsintensität zunimmt, wobei die Bodennährstoff-Stöchiometrie einen Einfluss haben könnte. Daher sind zur Untersuchung der Komplexität des Wurzel-Pilz-Oberflächen-Gradienten Daten von Flächen mit unterschiedlichen Böden erforderlich. In diesem Projekt möchte ich das Konzept eines Wurzel-Pilz-Oberflächen-Gradienten unter Beachtung von Wurzelhaaren und extraradikalen Hyphen erstmals testen. Ich werde Individuen der dominantesten Pflanzenarten im Feld (VIP-Ebene) entlang eines Landnutzungsgradienten untersuchen. Dabei gehe ich von einer Verlagerung hin zu AMF Oberfläche mit zunehmender Landnutzungsintensität aus. Aufgrund von Artenüberschneidungen zwischen den Feldern werde ich sowohl inter- als auch intraspezifische Muster testen können. Die AMF-Gemeinschaft in der Rhizosphäre wird analysiert, um zu testen, ob Veränderungen in der Hyphenlänge auf Veränderungen der AMF-Lebensgemeinschaft zurückzuführen sind. In einem mechanistischen Gewächshausexperiment wird die direkte Wirkung der Bodennährstoff-Stöchiometrie untersucht. Die AMF-Gemeinschaft in der Rhizosphäre sowie der Wurzel soll analysiert werden, um Veränderungen der AMF-Lebensgemeinschaft sowie die Plastizität von Pilzarten bei der Biomasseallokation zu testen. Die Daten werden mit morphologischen, anatomischen und chemischen Wurzeltraits aus früheren Projekten der Biodiversitäts-Exploratorien kombiniert, um die Erkenntnisse in bestehende pflanzenökonomische Konzepte zu integrieren. Der Rahmen der Exploratorien ermöglicht es, dieses verbesserte Verständnis von Wurzeltraits mit Ökosystemprozessen wie Pflanzenproduktivität, Nährstoffkreisläufen oder Bodenaggregation zu verbinden. Dieses Projekt wird das mechanistische Verständnis von Wurzelökonomie verbessern und dazu beitragen, deren Bedeutung für die Vorhersage von Veränderungen in Pflanzengemeinschaften und Ökosystemen bei zunehmender Landnutzung und globalem Wandel zu untersuchen.
In der nächsten Phase der Biodiversitäts Exploratorien sollen Experimente dabei helfen die Effekte verschiedener Landnutzungskomponenten auf Ökosysteme zu ermitteln. 'Common garden' Experimente werden genutzt, um die Umweltheterogenität zu minimieren, die ansonsten interessante Effekte verschleiert. Wir planen Grasnarben, die von n = 42 Plots der Biodiversitäts Exploratorien entnommen werden, in einem 'common garden' auszubringen wo die Intensität der Mahd und der Düngung manipuliert werden soll. In den nächsten drei bis 15 Jahren werden die Veränderungen in den Pflanzen- und Bakteriengemeinschaften auf den Grasnarben verfolgt. Hierfür wird die Zusammensetzung und Diversität der Pflanzen und Bakterien (next-generation 16S rRNA gene amplicon sequencing) ermittelt. Zusätzlich werden noch 3D-Modelle der Pflanzengemeinschaften, die durch multispektrale Information ergänzt werden, erstellt (PlantEye F500, Phenospex, Heerlen, The Netherlands). Diese Modelle erlauben die Errechnung von Parametern, die ganze Pflanzengemeinschaften charakterisieren. Änderungen in den Pflanzen- und Bakteriengemeinschaften werden mit der Landnutzung der Plots in den vergangenen Jahren ins Verhältnis gesetzt. Wir erwarten, dass Gemeinschaften, die aus verschiedenen Plots stammen, aber die gleiche Landnutzung erfahren in Ihrer Zusammensetzung und Diversität konvergieren; Gemeinschaften aus den gleichen Plots, die aber unterschiedliche Landnutzung erfahren, sollten divergieren. Das Projekt nutzt das Vorwissen zu den einzelnen Plots in Bezug auf Landnutzung und Artenzusammensetzung, liefert neuartige Daten für die Biodiversitäts Exploratorien, und stellt einen unabhängigen und neuartigen Beitrag zu der Frage, wie Landnutzug Ökosysteme beeinflusst, dar.
Landnutzung und Niederschlagsbedingungen sind wichtige Faktoren für die Diversität und Ökosystemfunktion von Grassländern weltweit, und sind zwei der wichtigsten Treiber des globalen Wandels. Ökosysteme werden gleichzeitig Änderungen von Bodennährstoffen (z.B. durch Düngung) und im Rahmen des Klimawandels häufigeren und intensiveren Trockenheitereignissen ausgesetzt sein. In Kombination können die beiden Faktoren additiv wirken, oder sich gegenseitig verstärken oder abschwächen. Demzufolge variiert die Gemeinschafts- und Ökosystemreaktion auf Trockenheit je nach den Nährstoffbedingungen. Die Mechanismen von Interaktionen von Nährstoffen und Trockenheit bleiben bisher unverstanden, und wir können daher derzeit nicht vorhersagen, bei welcher Landnutzung Grassländer mehr oder weniger sensitiv auf Trockenheit reagieren.Das Hauptziel des Projektes ist es, unsere Vorhersagen für die Konsequenzen von Globalem Wandel auf Grassländer zu verbessern. Dazu werden die kombinierten Effekte von Nährstoffen und Trockenheit auf der Ebene von einzelnen Pflanzenmerkmalen und von Gesamtpflanzen untersucht, und integriert mit Effekten von Trockenheit auf die Zusammensetzung und Produktivität von Pflanzengemeinschaften entlang von Landnutzungsgradienten in Grassländern.In einem Gewächshausexperiment werden wir für 16 Arten, die in den Exploratorien häufig sind, vergleichend die Plastizität im Hinblick auf Nährstoffe für einen umfassenden Satz von mehr als 20 physiologischen, morphologischen und Gesamtpflanzen-Merkmalen untersuchen, die relevant für den Wasserhaushalt von Pflanzen sind. In einem 'common garden' Experiment werden wir die kombinierten Effekte von Nährstoffen und Trockenheit (und ihre Interaktionen) für Gesamtpflanzen dieser Arten quantifizieren. Zusätzlich werden wir die Effekte von experimenteller und natürlicher Trockenheit entlang von Gradienten der Nährstoffverfügbarkeit und Landnutzung (insbesondere Düngung) in den Exploratorien bestimmen. Die direkte Verknüpfung der Daten auf Ebene von Merkmalen, Gesamtpflanzen, Gemeinschaften und Ökosystemen wird unser mechanistisches Verständnis von kombinierten Effekten von Nährstoffen und Trockenheit auf Grassländer unter derzeitigen und zukünftigen Bedingungen verbessern. Die Ergebnisse werden sowohl in angewandter als auch in wissenschaftlicher Hinsicht wichtige neue Erkenntnisse liefern.
Räumliche Heterogenität in Standorteigenschaften ist ein Hauptfaktor für das Entstehen von Biodiversität, er wurde jedoch in den Biodiversitätsexploratorien kaum untersucht. Wir wollen diese Lücke füllen, indem wir theoretische, experimentelle und beobachtenden Studien integrieren, um die Mechanismen zu untersuchen, durch welche Habitatheterogenität von Landnutzung und Heterogenität durch Landnutzung Artenvielfalt im Grünland beeinflussen. Ein zugrunde liegendes Modell ist, dass Heterogenität sowohl positive als auch negative Effekte hat, bewirkt durch einen immanenten trade-off zwischen dem Heterogenitätsniveau und der effektiven Fläche, welche für Individuen in der Gemeinschaft zur Verfügung steht (AHTO-area-heterogeneity trade-off). In Phase 1 verwenden wir analytische Modelle, um einige simplifizierende Annahmen voriger AHTO-Modelle zu erweitern. Gleichzeitig diente ein einmaliges neues experimentelles System dem Test einiger Grundvorhersagen der Modelle. In Phase 2 erweitern wir unsere Arbeit in 3 Richtungen. 1) Wir skalieren unsere Modelle sowohl hoch (durch Erweitern des lokalen Modells zu einem Meta-Gemeinschaftsmodell) als auch herunter (durch explizite Modellierung von ober- und unterirdischen Konkurrenzeffekten bei individuellen Pflanzen). Die größere Skala wird das Modell an die Struktur der empirischen Arbeiten angleichen, die kleine Skala erfasst die eigentlichen Mechanismen, welche Landnutzung (insbesondere Düngung, Mahd, Beweidung) mit Konkurrenz und Artenvielfalt verbindet. 2) Um die empirisch beobachteten Diversitätsmuster besser zu verstehen, etablieren wir ein neues Experiment, in welchem wir das Wachstum der Zielarten ohne Konkurrenz messen, sowie unter Simulation von Düngung, Mahd und Tritt auf flachen und tiefen Böden. Die Ergebnisse gehen auch als realistischere Parameter in unsere Modelle ein. 3) Wir etablieren ein neues skalenübergreifendes Beobachtungssystem, um Landnutzung, Habitatheterogenität und Diversität zu verknüpfen. Die Untersuchungseinheit entspricht dabei derjenigen in den Experimenten, und das Design umfasst einen sehr großen Bereich von Skalen (vom Zentimeterbereich bis hin zu vielen Hundert Kilometern). Zudem nutzen wir neue Kooperationen in den Exploratorien, insbesondere mit CP3, um mit Fernerkundungsmethoden umfassende Daten zu kleinskaliger Habitatheterogenität und beta-Diversität für alle Grünland-EPs zu generieren. Die skalenübergreifenden theoretischen, experimentellen, beobachtenden und Fernerkundungsmethoden tragen signifikant zum Kausalverständnis darüber bei, wie Landnutzung Biodiversität indirekt, nämlich durch Modifikation von Habitatheterogenität, beeinflusst. Zudem liefern wir Daten für umfassende neue Syntheseprojekte.
Pflanzen passen sich mit erstaunlicher morphologischer Plastizität an Umweltveränderungen an, wie sie z.B. durch landwirtschaftliche Nutzung erzeugt werden. Die diesen morphologischen Veränderungen zugrundeliegenden molekulargenetischen Prozesse und hieraus resultierende Verschiebungen in genetischer Diversität sind jedoch größtenteils unbekannt. In dem hier beantragten Projekt wollen wir deshalb die molekulargenetischen Reaktionen auf Störungen und Umweltveränderungen untersuchen (Mahd und Düngung im Grünland). Rotklee (Trifolium pratense) ist als wertvoller Proteinlieferant eine der wichtigsten Nutzpflanzen im Grünland und trägt durch N2-Fixierung zur Reduktion der Stickstoffdüngung in Böden bei, sodass er die Ökobilanz landwirtschaftlich genutzter Grünlandflächen nachaltig verbessern kann. T. pratense findet sich auf allen Grünlandflächen der Biodiversitätsexploratorien und wir konnten in TRATSCH I zeigen, dass T. pratense (i) verschiedene morphologische Reaktionen auf Mahd zeigt. (ii) Wir identifizierten Mahd-spezifisch differenziell exprimierte Entwicklungskontrollgene und Gene, die standortspezifisch differenziell exprimiert werden, und (iii) etablierten ein mRNA-seq-Fingerprinting Protokoll. Mit diesem kann eine große Zahl an Individuen auf vielen Plots unter unterschiedlichen Landnutzungsbedingungen analysiert werden. Durch Korrelation mit diversen Umweltdaten können Effekte der Umwelt von denjenigen der Landnutzung unterschieden werden. Damit verknüpfen wir Landscape Genetics mit Landscape Genomics, um die Genomfunktionalität einzelner Arten im Umweltzusammenhang zu analysieren. In TRATSCH II beabsichtigen wir unsere Datenaufnahme auf alle Exploratorien auszudehnen, um die Störungs- und Umweltspezifität der exprimierten Transkriptom-Fingerprints in größerem Zusammenhang zu analysieren. Expressionsstudien und funktionelle Studien der Mahd-spezifischen Entwicklungskontrollgene werden Aufschluss darüber geben, wie Pflanzen auf molekulargenetischer Ebene die Veränderung des Morphotypus und das Nachwachsen nach der Mahd steuern. Um die Ökobilanz im Grünlandanbau zu optimieren, untersuchen wir experimentell verschiedene Anbauverfahren, um hohe Proteinerträge mit möglichst niedrigen Düngergaben zu erhalten. Ferner überprüfen wir die Hypothese, dass epigenetische Modifikationen für die Regulation der morphologischen Veränderungen mit verantwortlich sind durch temporäre und quantitative Analyse von Methylierungsmustern der genomischen Loci von Entwicklungskontrollgenen.
The importance of data and their re-use in synthesis and long-term studies is very well acknowledged in the Biodiversity Exploratories. A data policy was already adopted at the start of the project and a central database was implemented at the beginning of the first phase. The early provision of the database and a consistent observance and incorporation of user needs and requirements have resulted in high acceptance. The central data management provides an environment for data interchange and simple data re-use, stimulating and facilitating synthesis. The central database also provides the IT- infrastructure for efficient field resource management needed by the local management teams and the Biodiversity Exploratory Office, as well as a tool to provide information about species occurrence to landowners and a tool to compute the Land Use Intensity Index, LUI, for grasslands, a parameter that is used by many groups. The database secures the interpretability of data and provides the means for data quality control. It functions both as a work-in-progress storage and as a temporary archive. This proposal shall secure the continuation of this strong and, for the overall success of the Exploratories, essential work. In addition to continued provisioning of the infrastructure and user support (in particular with respect to synthesis) the work in the new funding period will focus on the following topcis: development of further research supporting tools, development of features for scientific communication, ensuring FAIRness of data and the repository itself.
Wissenschaftliche Ziele: Ein Modell zum Verständnis des Genflusses von bisexuellen Ursprungspopulationen zu parthenogenen Pionierpopulationen soll entwickelt werden, mit dem die Resistenz solcher Netzwerke gegen genetische Driftphänomene analysiert werden kann. Damit kann erstmals die Bedeutung von Trittsteinhabitaten in ihrer Gesamtheit analysiert werden, da es im vorliegenden Fall möglich sein sollte, aufgrund ihrer besonderen Merkmale (Brackwasserstandorte im Binnenland - selten und aufgrund ihrer früheren Bedeutung als Salzquelle gut dokumentiert) alle derartigen sites zu identifizieren und einzubeziehen. Darüber hinaus wird aus den Ergebnissen der genetischen Analysen ein Beitrag zur Entschlüsselung des Auslösers für den Übergang zur Parthenogenese erwartet, der weiterführende molekularbiologische Grundlagenforschung ermöglicht. Gesellschaftlich/politisch: Durch das Verständnis der Konnektivität zwischen den bisexuellen Ursprungspopulationen und ihren parthenogenetischen Tochterpopulationen wird die Bedeutung der Aufrechterhaltung des Genflusses zwischen ihnen quantifiziert. Damit kann die Effizienz von Erhaltungsmaßnahmen durch die Identifizierung wichtiger Trittsteinhabitate bzw. Maßnahmen zur Wiederherstellung des genetischen Austauschs verbessert werden. Die Entwicklung von Mehrzweck-Managementkonzepten für Schutzgebiete, die den Schutz von weitgehend unterschiedlichen Artengruppen (in diesem Fall Charophyten und Vögel) ermöglichen, wird die Akzeptanz und Effizienz derartiger Unterschutzstellungen erhöhen. In Bezug auf die Zielarten dieses Vorschlags wird das Projekt einen Beitrag zu den Anforderungen der EU-Wasserrahmenrichtlinie leisten, indem es ein entscheidendes Element (Lebensraumingenieur) aquatischer Ökosysteme schützt, das nachweislich in der Lage ist, den guten Umweltzustand bereits gestörter Systeme zu stabilisieren.
Historischer Landnutzungswandel kann erheblichen Einfluss auf die aktuelle Komposition, Struktur und Funktion von Ökosystemen haben. Frühere lokale Landnutzung kann z.B. durch Standortveränderungen, Samenbank oder überdauernde Arten anhaltende Effekte auf Artengemeinschaften haben. Auf der Landschaftsebene kann es durch Landnutzungswandel zu drastischen Veränderungen der räumlichen Konfiguration von Habitaten, z.B. Patchgrößen, Gesamtfläche und Konnektivität, kommen. Die Habitatkonfiguration hat bekanntermaßen Einfluss auf die Entstehung und die Diversität von Artengemeinschaften. In Fällen, in denen sich die Habitatkonfiguration aufgrund von Landnutzungswandel erheblich verändert hat, kann die historische Konfiguration signifikanten Einfluss auf die aktuellen Artengemeinschaft haben.Wir werden Daten zu Pflanzen und Arthropoden der Grünland-EP und Landnutzungskarten von 1870-2010 (die in diesem Projekt erstellt werden) der drei Exploratorien verwenden, um Auswirkungen früherer Landnutzung und historischer Habitatkonfiguration auf Artenreichtum und Traits der Gemeinschaften zu modellieren. Die Landnutzungskarten und daraus abgeleitete Landschaftsmaße werden allen AGs in den Biodiversitätsexploratorien über BExIS zur Verfügung gestellt, um weitere Studien zu Auswirkungen historischer Landnutzung zu unterstützen.Ziele: 1.) Historische Landnutzungs- und Landschaftsanalyse: wir werden Landnutzung von historischen Karten abdigitalisieren, Landnutzungstrajektorien auf der lokalen und landschaftlichen Ebene analysieren und Maße der historischen Landschaftstruktur berechnen. Für Hainich-Dün ist dies bereits durchgeführt worden. 2.) Modellierung der Auswirkungen historischer Landschaftsdynamik auf Artenreichtum der Pflanzen und Arthropoden: wir werden testen, ob sich die historische Habitatkonfiguration auf den aktuellen Artenreichtum auswirkt und dabei wichtiger als die aktuelle Konfiguration ist, wenn es starke Veränderungen der Grünlandfläche gegeben hat (Zu-/ Abnahme). Des Weiteren werden wir spezifischere Analysen von EP mit neu entstandenem Grünland (z.B. in Hainich-Dün) sowie mit Grünlandfragmentierung durchführen und bei Letzterem auch Aussterbeschuld untersuchen. 3.) Modellierung der Auswirkungen früherer Landnutzung und historischer Habitatkonfiguration auf die Trait-Zusammensetzung von Artengemeinschaften: unter diesem Objective werden wir historische Effekte auf die multivariate Trait-Zusammensetzung, die Anteile bestimmter Artengruppen (z.B. Habitatspezialisten) und Trait-Mittelwerte der Gemeinschaften modellieren. 4.) Quantitative Modellierung der Interaktionen zwischen Traits und früherer Landnutzung und historischer Habitatkonfiguration: hierfür werden wir einen neuen Modellierungsansatz verwenden, der auf Verallgemeinerten Linearen Gemischten Modellen basiert, um zu quantifizieren, wie stark bestimmte Traits die Zusammenhänge zwischen dem Vorkommen von Arten und früherer Landnutzung sowie historischer Konfiguration modifizieren.
A4.1 Ökosystemreaktionen und Rückkopplungen im Ökosystem-Atmosphäre-Austausch von CO2, H2O und VOCs in einem heterogenen Waldökosystem Um die Lücke zwischen der relativ kleinen Skala eines einzelnen Baumes und einem Waldbestand zu schließen, analysiert A4.1 den Austausch zwischen Ökosystem und Atmosphäre durch Eddy-Kovarianz Messungen von H2O, CO2 und dessen Isoflux (13CO2). Somit lassen sich die Flüsse auf einer integrierten Skala in ihre Komponenten (Ökosystematmung und Bruttoprimärproduktion) auftrennen. Darüber hinaus messen wir die Aufnahme und Freisetzung von VOC durch unsere Wälder und bringen sie mit wichtigen Ökosystemfunktionen in Verbindung, die stark auf Umweltveränderungen reagieren. A4.2 Entwicklung eines auf einem Interbandkaskadenlaser basierenden Messsystems zur Untersuchung des Austauschs zwischen Ökosystem und Atmosphäre von VOCs. Hier entwickeln wir erstmals eine optische spektroskopische Sensortechnologie, um VOCs mit Hilfe der durchstimmbaren Laserabsorptionsspektroskopie (TLAS) zu messen. Dies soll entlang der Konzentrationsgradienten am Messturm und in Verbindung mit Einzelblattküvetten (A3.2) erfolgen.
A2.1 Ökohydrologische Flüsse und Prozesse in einem Mischwald-Ökosystem. Wir wollen die Wasser- und Kohlenstoffflüsse in heterogenen Baumbeständen und deren Auswirkung auf die räumlichen Muster der Bodenwasserflüsse analysieren. Dazu untersuchen wir ökohydrologische Prozesse, die Dynamik der Wasseraufnahme durch die Wurzeln, den Saftfluss der Bäume sowie den Zuckertransport im Phloem und dessen Kohlenstoffisotope. Weiterhin analysieren wir die Rückkopplungen auf die räumlich-zeitliche Variabilität und Heterogenität der Bodenfeuchte und deren Einfluss auf die Wassernutzungseffizienz der Bäume und den Zuckertransport im Phloem. A2.2 In-situ Flow-MRI und NMR zur Messung des Wasser- und Phloemzuckertransport. Wir entwickeln eine völlig neuartige Methodik mit kompakten Magnetresonanztomographie (MRT)- / Kernspinresonanz (NMR)- Sensoren, die auf Permanentmagneten basieren. Diese ermöglichen die In-situ-Bildgebung der H2O-Flüsse an Zweigen, ohne diese zu beeinträchtigen, sowie die NMR-Analyse der Wasser- und Phloem-Saftflüsse. Kontinuierliche In-situ-NMR-Messungen des Phloemsaftes erlauben eine neue Dimension der Quantifizierung des integrierten Kohlenstofftransports in Bäumen.
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 128 |
| Europa | 1 |
| Global | 1 |
| Land | 1 |
| Wissenschaft | 86 |
| Type | Count |
|---|---|
| Förderprogramm | 128 |
| License | Count |
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| Offen | 128 |
| Language | Count |
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| Deutsch | 107 |
| Englisch | 125 |
| Resource type | Count |
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| Webseite | 128 |
| Topic | Count |
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| Boden | 103 |
| Lebewesen und Lebensräume | 127 |
| Luft | 60 |
| Mensch und Umwelt | 128 |
| Wasser | 50 |
| Weitere | 128 |