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ERA-NET SUSCROP: Entwicklung von standfestem und klimaangepasstem Roggen - ein Beitrag zur nachhaltigen Getreideproduktion in marginalen Umwelten ()RYE-SUS)

Roggen ist in Europa ein traditionelles Brotgetreide und eine wertvolle Energie- und Eiweißquelle für das Vieh. Die Anbauflächen von Roggen sind in Europa in den letzten Jahrzehnten allerdings kontinuierlich gesunken und dadurch verringerte sich auch die Diversität am Feld und am Teller bzw. im Trog. Weizen, Mais und Gerste dominieren heute als Nahrungs- bzw. Futtermittel. Das Ziel von RYE-SUS ist eine nachhaltige Steigerung und Sicherung der Roggenproduktion ohne Erhöhung des Wasser- und Düngemitteleinsatzes, vor allem auch in Produktionsrandlagen die für die Weizenproduktion ungeeignet sind. Erreicht wird dies durch eine Veränderung der Pflanzenarchitektur. RYE-SUS wird neuartige Gibberellin-sensitive Halbzwerg-Roggen mit optimiertem Ernteindex, hohem Ertragspotential, verbesserter Standfestigkeit, verbesserter Dürretoleranz und geringer Anfälligkeit für Mutterkorn entwickeln. RYE-SUS wird die Wettbewerbsfähigkeit von Roggen in der europäischen und kanadischen Landwirtschaft verbessern durch: (i) die Nutzung der Hybridzüchtung: Roggen ist fremdbefruchtend (offen abblühend). Die Selbstinkompatibilität gewährleistet eine hohe Durchkreuzung innerhalb einer Population. (ii) die Steigerung der zielspezifischen Selektionseffizienz und Beschleunigung der Züchtungsprozesse durch genombasierte Präzisionszucht: Ein kürzlich entwickelter 20k SNP-Array für Weizen, Roggen und Triticale wird zur Erstellung genomweiter Fingerabdrücke verwendet. (iii) die Verbesserung der Standfestigkeit, Frost- und Dürretoleranz sowie der Nährstoffeffizienz: durch die Einkreuzung des Kurzstrohgenes Ddw1 wird nicht nur die Wuchshöhe verringert und die Standfestigkeit verbessert, sondern auch die Assimilatumlagerung ins Korn erhöht. (iv) die Reduktion toxischer Mutterkornalkaloide im Erntegut: eine ausreichend hohe Pollenproduktion in den RYE-SUS Experimentalhybriden wird durch die markergestützte Introgression der Restorergene Rfp1, Rfp2 und Rfp4 gewährleistet. (v) die Nutzung natürlicher Genetik und die Entwicklung neuer molekularer Technologien: die genomweite Genotypisierung und die intensive Phänotypisierung an mehreren europäischen sowie kanadischen Standorten ermöglichen das Auffinden von Genregionen die für wichtige Merkmale des Roggens verantwortlich sind und (vi) die Entwicklung eines Wachstumsmodells für Roggen welches eine nachhaltige und optimierte Kulturführung von Roggen ermöglichen wird: erstmals wird für Roggen ein Wachstumsmodell entwickelt welches auch die Auswirkungen des Klimawandels auf die Roggenproduktion erfassen wird. Dafür wird ein bereits etabliertes Wachstumsmodell für Weizen durch umfangreiche Datensätze mit standortspezifischen Boden- und Tageswetterdaten, Aussaatterminen, Düngeintensitäten, Erntemanagementdaten, morphologische Daten sowie Daten zu Ertrag und Ertragskomponenten aus Langzeitversuchen an diversen Standorten in Deutschland und Europa angepasst. (Text gekürzt)

Einzelpflanzenspezifische Düngung zum ressourceneffizienten und bedarfsoptimierten Anbau von Raps und Mais in Gleichstandsaat, Teilprojekt A

Versuchsflächen: Düngung und Melioration

Untersucht werden in erster Linie die Wachstumsreaktion von Einzelbäumen und Beständen auf Düngung: Auswirkungen auf das Wachstum, die ökonomische Leistung und die Risiken als Ergebnis verschiedener Düngung. Auswirkung von Düngungsmaßnahmen auf Wachstum und Wertleistung von Beständen.

Einzelpflanzenspezifische Düngung zum ressourceneffizienten und bedarfsoptimierten Anbau von Raps und Mais in Gleichstandsaat, Teilprojekt B

Steigerung von Effizienz und Biodiversität in der Landwirtschaft durch Einsatz von Satelliten- und weiteren Daten, Teilvorhaben: Entwicklung, Datenprozessierung und technische Umsetzung prototypischer Produkte der Feldoptimierung und Fahrspurplanung

Fruchtfolge auf extrem leichten Boeden mit Stallmistduengung

Dauerwirkungen von Stallmist auf leichten Boeden als ertragsbeeinflussende und -stabilisierende Bewirtschaftungsmethode.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1374: Biodiversitäts-Exploratorien; Exploratories for Long-Term and Large-Scale Biodiversity Research (Biodiversity Exploratories), Teilprojekt: Die Rolle von Nährstoffen für die Variabilität der Auswirkungen von Trockenheit auf die Zusammensetzung und Produktivität von Grassländern entlang von Landnutzungsgradienten - ein Merkmals-basierter Ansatz (BEtol2)

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.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1374: Biodiversitäts-Exploratorien; Exploratories for Long-Term and Large-Scale Biodiversity Research (Biodiversity Exploratories), Teilprojekt: Der Einfluss von Landnutzungsintensitäten auf die Diversität von Viren in Grünlandböden und deren Bedeutung als Steuergrösse für die Zusammensetzung mikrobieller Populationen und deren Funktion (KiWion)

Unser Wissen zur Ökologie und Bedeutung von Mikroorganismen in Böden ist umfassend. Dies gilt im Gegensatz dazu nicht für die Ökologie der Viren. Erkenntnisse dazu hinken dem Kenntnisstand aus aquatischen Lebensräumen weit hinterher. Böden beherbergen eine große Anzahl an Viren und das Viren - Wirt Verhältnis liegt meist deutlich über jenem in aquatischen Systemen. Unterschiede in den Virenpopulationen können teilweise auf unterschiedliche Bodencharakteristika (pH, Wassergehalt, Anteil an organischem Material) erklärt werden. Dies lässt den Schluss zu, dass Unterschiede in der Landnutzung entsprechend die Virenabundanz als auch Viren - Wirt Interaktionen beeinflussen. In Böden tragen bis zu 68% aller Bakterien induzierbare Prophagen, ein Hinweis darauf, dass die Heterogenität im Boden und die ungleiche Verteilung der Mikroorganismen eine lysogene Vermehrung von Viren selektiert. Dies hat zur Folge, dass der Austausch von genetischer Information zwischen Virus und Wirt vorwiegend durch Transduktion stattfindet. Bis dato analysierte Virenmetagenome aus dem Boden bestanden bis zu 50% aus transduzierten Genen prokaryotischen Ursprungs. Obwohl davon ausgegangen werden kann, dass Viren im Boden, wie für aquatische Lebensräume gezeigt, einen signifikanten Einfluss auf die räumliche und zeitliche Dynamik ihrer Wirte (Killing the Winner Hypothese) und deren kontinuierliche Anpassung (Red Queen Hypothese), wichtige Ökosystemfunktionen und biogeochemische Prozesse haben, kennen wir die Art und Häufigkeit der Interaktionen nicht und empirische Daten fehlen. Wir postulieren, dass Transduktion eine wichtige Rolle für die Resilienz von Böden unter intensiver Landnutzung spielt, da in diesen Böden i) die mikrobielle Diversität vergleichsweise niedrig ist, was zu einer erhöhten Sensitivität gegenüber Veränderungen in den Umweltbedingungen führt. Andererseits, ii) hat die durch Düngung erhöhte spezifische Aktivität von Mikroorganismen eine erhöhte Transduktionsrate zur Folge, da Viren für ihre Vervielfältigung auf metabolisch aktive Wirte angewiesen sind. Um unsere Hypothese zu überprüfen, werden wir an 150 Standorten der Biodiversitäts-Exploratorien und im Detail an einer Auswahl an Grünlandstandorten mit unterschiedlicher Intensität der Bewirtschaftung Untersuchungen durchführen. Analysiert wird die Beziehung zwischen Virenabundanzen und VBRs mit der Bewirtschaftung, der Vegetationsperiode und den vorherrschenden Umweltbedingungen. Zusätzlich untersuchen wir mit Hilfe moderner molekularer Methoden die Zusammensetzung der Virengemeinschaften und ihre Diversität, sowie viren-assoziierte Funktionen prokaryotischen Ursprungs. Experimente zu Virus-Wirt Interaktionen und die Analyse von CRISPR like structures in den prokaryotischen Wirten werden Erkenntnisse zu der Ökologie bakterieller Gemeinschaften liefern. Nicht zuletzt werden wir Viren von abundanten Bodenbakterien (z.B. Pseudomonaden) für vergleichende Genomanalysen und Kreuzinfektionsversuche isolieren.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1374: Biodiversitäts-Exploratorien; Exploratories for Long-Term and Large-Scale Biodiversity Research (Biodiversity Exploratories), Teilprojekt: Vergleichende Transkriptomanalyse und phänotypisches Monitoring von Trifolium pratense (Fabaceae) unter Landnutzungsaspekten (TRATSCH II)

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.

Auswaschung von Stickstoff- und Phosphorspezies aus landwirtschaftlich genutzten Boeden bezogen auf die Anbauintensitaet und unter besonderer Beruecksichtigung des bevorzugten und Makroporentransports

Neben mineralischen Stickstoff- und Phosphorverbindungen werden zeitweilig auch bedeutsame Mengen an organisch und kolloidal gebundenen Stickstoff- und Phosphorverbindungen in Dränage-, Grund- und Oberflächenwässer transportiert. Verantwortlich hierfür sind Makroporentransportprozesse. Die Auswaschung organischer Verbindungen durch Makroporentransport kann bisher unter Feldbedingungen mit konventionellen Probenahmetechniken nicht direkt gemessen werden. Ziel des im Rahmen einer Kooperation mit der Dan Kook University (Republic of Korea) beantragten Projektes ist die Ermittlung der gesamten N- und P-Auswaschung (Matrix- und Makroporentransport; mineralisch, organisch und kolloidal gebunden) aus landwirtschaftlich genutzten Böden bei unterschiedlichen Nutzungssystemen (Ackerland, Gründland), unterschiedlicher Nutzungsintensität (ohne Düngung, mit langjähriger organischer Düngung und hohen P- und -Gehalten in der Krume, langjährige Mineraldüngung) und Bodenbearbeitung (ohne, konventionelle und konservierende Bodenbearbeitung) als ein Kriterium zur Bewertung der Nachhaltigkeit unterschiedlicher Produktionsverfahren. Es werden neue Probenehmer verwendet, die sowohl die quantitative Messung des Matrix- und des Makroporentransportes unter Feldbedingungen erlauben.

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