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Quantifizierung der Rate der CaCO3-Rekristallisation im Boden und Bildung pedogener Karbonate unter verschiedenen Bedingungen: Experimente, Modell und Überprüfung

Rekristallisation des geogenen Kalks mit dem CO2 aus der Atmung von Wurzel und Mikroorganismen führt zur Bildung pedogener Karbonate, die einer der wichtigsten Schlüssel zur Bestimmung des Alters der Bodenbildung (Radiokarbondatierung) und der Rekonstruktion der Paläou-welt (d13C, d18O) unter semiariden und ariden Klimatenbedingungen sind. Deswegen war ein erhöhtes Interesse für pedogene Karbonate seitens der Geowissenschaften in den vergangenen zwei Jahrzehnten zu verzeichnen. Bis jetzt ist die Geschwindigkeit der Bildung pedogener Karbonate völlig unbekannt, obwohl davon die Präzision der Altersbestimmung und der Paläoumweltrekonstruktionen wesentlich abhängt. In diesem Vorhaben wird die Geschwindigkeit der Bildung der pedogenen Karbonate durch den Isotopenaustausch bei der Rekristallisation des geogenen Kalks mit dem 14CO2 aus der Rhizosphärenatmung der in der 14CO2-Atmosphäre markierten Pflanzen bestimmt. Mit dieser sehr sensitiven und bereits erprobten Methode wird der Einfluss der Pflanzenarten, Dauer des Pflanzenwachstums, Temperatur, Feuchte, CaCO3-Gehalte und CaCO3-Verlagerung auf die CaCO3-Rekristallisationsrate bestimmt. Aus den experimentell ermittelten Abhängigkeiten der Rekristallisation von den Umweltvariablen wird ein Modell zur Bildung der pedogenen Karbonate erstellt und anhand der Radiokarbondatierung der unter verschiedenen Bedingungen entnommen pedogenen Karbonate geprüft. Das Forschungsvorhaben ermöglicht erstmalig die Präzision der Bestimmung des Alters der Bodenbildung und der Rekonstruktion der Paläoumwelt anhand der pedogenen Karbonate experimentell zu quantifizieren.

Molecular determinants of host specificity of maize-, rice- and mango-pathogenic species of the genus Fusarium

Fusarium species of the Gibberella fujikuroi species complex cause serious diseases on different crops such as rice, wheat and maize. An important group of plant pathogens is the Gibberella fujikuroi species complex (GFC) of closely related Fusarium species which are associated with specific hosts; F. verticillioides and F. proliferatum are particularly associated with maize where they can cause serious ear-, root-, and stalk rot diseases. Two other closely related species of the GFC, F. mangiferae and F. fujikuroi, which share about 90Prozent sequence identity with F. verticillioides, are pathogens on mango and rice, respectively. All of these species produce a broad spectrum of secondary metabolites such as phytohormones (gibberellins, auxins, and cytokinins), and harmful mycotoxins, such as fumonisin, fusarin C, or fusaric acid in large quantities. However, the spectrum of those mycotoxins might differ between closely related species suggesting that secondary metabolites might be determinants for host specificity. In this project, we will study the potential impact of secondary metabolites (i.e. phytohormones and certain mycotoxins) and some other species-specific factors (e.g. species-specific transcription factors) on host specificity. The recently sequenced genomes of F. mangiferae and F. fujikuroi by our groups and the planned sequencing of F. proliferatum will help to identify such determinants by genetic manipulation of the appropriate metabolic pathway(s).

Stärke und Zucker

Stärke ist ein pflanzlicher Reservestoff, der in Form von Stärkekörnern in Speicherorganen von Pflanzen (Körner, Knollen, Wurzeln oder Mark) angereichert wird. Stärke wird sowohl im Lebensmittel - als auch im technischen Bereich in breitem Umfang eingesetzt. Die landwirtschaftliche Erzeugung von stärkehaltigen Rohstoffen erfolgt in Deutschland durch den Anbau von Kartoffel, Weizen und Körnermais. In der Zukunft könnten die Markerbse und Neuzüchtungen mit sehr hohem Amylose- ("Amylo-Mais") oder Amylopektinanteil (z. B. Amylose-freie Kartoffel) Bedeutung erlangen, da sich hierdurch verarbeitungs- und anwendungstechnische Vorteile ergeben. Hinsichtlich der Verwendung werden drei wesentliche Produktlinien unterschieden - native Stärke (Papier, Pappe, Leime, Kleber, Gipskartonplatten, Textilverarbeitung, Kosmetika), - modifizierte Stärke (Lacke, Streichfarben, Bindemittel (Quellstärken), kationische Stärken, Papier, Pappe, Tabletten, Stärkeether und -ester) etc. sowie - Verzuckerungsprodukte (Tenside, Sorbit, Kunststoffe, Vitamin C, Alkohole, Biotechnologie).

Possible effects of transgenic plants on soil organisms

Soil is the first component of the environment that can be effected by GM plants, because they do not only consume the nutritive substances from the soil, but also release there different compounds during a growing period, and leave in the soil their remains. If the plants are modified to increase their resistance to plant pathogens, particularly bacteria, they can also affect the other microorganisms important for plant development. Also there are no considerable data about possible effect of GM plants on soil organic matter and chemical processes in soil. For the experiment it is planned to use transgenic potato plants (Solanum tuberosum L. cv. Desiree) expressing a chimerical gene for T4 lysozyme for protection against bacterial infections; - obtaining and short-term growing of GM plants in laboratory conditions; - extraction and collection of root exudates and microbial metabolites from rhizosphere; - analysis of these exudates by Pyrolysis-Field Ionisation Mass Spectrometry (Py-FIMS) in comparison with the exudates of wild-type plants and transgenic controls not harbouring the lysozyme gene, and with dissolved organic matter from non-cropped soil; - creation of 'fingerprints' for each new transgenic line in combination with certain soil on the basis of marker signals. Expected impacts: - New highly cost-effective express testing system for the risk assessment of genetically modified plants at the earliest stages of their introduction; - The conclusion about safety/danger of GM plants for the soil ecosystems; - Model for prediction of possible risk caused by GM plants.

Wachstumsmonitoring von Fichten, Buchen und Kiefern im Schwarzwald, auf der Schwäbischen Alb und in der Oberrheinebene

Auf dem Schauinsland bei Freiburg, auf den ARINUS-Flächen im Forstbezirk Schluchsee, auf den Versuchsflächen des Sonderforschungsbereiches SFB-433 im Forstbezirk Tuttlingen und in der Oberrheinebene bei Hartheim werden auf verschiedenen Standorten Radialveränderungen der Baumschäfte von Fichten, Buchen und Kiefern hochaufgelöst, kontinuierlich registriert. An einem Teilkollektiv der Untersuchungsbäume werden zusätzlich Radialveränderungen in größeren Schafthöhen, an Ästen sowie an flachstreichenden Wurzeln registriert. Gleichzeitig werden Temperaturen ( Luft-, Kambial- und Boden-Temperaturen), die Luftfeuchte und Bodenfeuchten gemessen sowie die Phänophasentermine registriert. Aus den Analysen werden Informationen über die Bedeutung verschiedener Standortsfaktoren in den Untersuchungsgebieten auf das kurz-, mittel- und langfristige Wuchsverhalten von Bäumen erwartet. Aus dem Vergleich des Wachstumsverhaltens auf Standorten in verschiedenen Höhenlagen sollen tiefere Einblicke in die Umweltabhängigkeit des Baumwachstums gewonnen werden.

Haushalt und Flüsse des wurzelbürtigen Kohlenstoffs in Nahrungsketten

Rhizodeposition der Pflanzen ist eine wichtige primäre Kohlenstoff- (C) und Energiequelle für Bodenorganismen. Die Ziele dieses Projektes sind die Abschätzung des C-Eintrages durch Mais in den Boden, die Verfolgung des wurzelbürtigen C in der ganzen Nahrungskette im Boden und die Aufstellung von C-Bilanzen. Mais wird in der 13CO2- und 14CO2-Atmosphäre markiert, um zwischen den wurzelbürtigen und bodenbürtigen C zu unterscheiden und den Haushalt des wurzelbürtigen C zu bestimmen. Der Einbau von wurzelbürtigem C in Mikroorganismen, Nematoden, Collembolen und Predatormakrofauna wird quantifiziert. 14C-Phosphor-Imaging der Wurzel ermöglicht es Hotspots der Rhizodeposition und der Exsudation zu lokalisieren. 13C-Pulsmarkierung wird die Empfindlichkeit der Koppelung des 13C mit Biomarker der Bakterien und Pilze (PLFA, Ergosterol) und Collembolen (neutrale Lipide) wesentlich erhöhen. Die Verzögerung zwischen der Photoassimillation der Pflanze, Wurzelexsudation in die Rhizosphäre und Einbau vom wurzelbürtigen C in die einzelnen Organismen wird bestimmt. Dies wird die Aufstellung und Modellierung des C-Flusses durch die Nahrungsketten im Boden ermöglichen. Durch mehrfache 13C-Pulsmarkierung von Mais wird eine hohe 13C-Anreicherung der Mikroorganismen erreicht, um anschließend die aktivsten Spezies in der Rhizosphäre mit Hilfe von Stable Isotope Probing (SIP) zu bestimmen.

Wege zur Unterstützung einer nachhaltigen Entwicklung im pazifischen Ozean: ein integrierter Ansatz

Basierend auf der Bedeutung des SDG 14 für die pazifischen Inselstaaten (PICs) zielt unser Projekt - PACPATH - darauf ab, kostengünstige, effiziente und nachhaltige transdisziplinäre Prozesse, Methoden und Netzwerke zu etablieren, die es Stakeholdern wie Wissenschaftlern, Indigenen und zivilen Organisationen der PICs erlauben gemeinsame Ziele und Maßnahmen zur Erreichung der ökologischen Nachhaltigkeit zu teilen.In diesem Antrag schlagen wir vor, ein pazifisches Stakeholder-Netzwerk aufzubauen, welches sich auf zwei Pilotstandorte, Fidschi und Neukaledonien, stützt und die Auswirkungen des Klimawandels und anderer Stressfaktoren auf die Meeresumwelt und Ökosystemleistungen, sowie die Folgen für Gesellschaft, Wirtschaft und die Erreichung der SDGs untersucht. Diese Pilotstandorte werden den Rahmen und die Methodik schaffen und als Leitfaden für die Anwendung und Anpassung an andere interessierte PICs dienen.Der PACPATH-Arbeitsplan, sowie die internationale Zusammenarbeit auf Grundlage von Transdisziplinarität, Kompetenz und Fachwissen des Konsortiums werden es ermöglichen, starke Mehrwertergebnisse zu erzielen. Dies beinhaltet die Analyse der Bedeutung von SDG14 („Erhaltung und nachhaltige Nutzung der Ozeane, Meere und Meeresressourcen für eine nachhaltige Entwicklung“) für die Pazifikinseln. Es wird zudem die Verknüpfung von SDG14 mit den anderen SGDs, vor allem 13 und 15, quantifizieren, indem eine Vielzahl verschiedener akademischer bis lokaler Wissensformen integriert werden. PACPATH wird direkte und indirekte Indikatoren und interaktive Indikatorinstrumente unter Einbeziehung lokaler, nationaler und regionaler Interessengruppen, Umwelt- und Sozialwissenschaftler, Ökonomen und operativer Zentren (national und international) zusammenstellen. Im Rahmen des Co-Construction-Prozesses werden die Informationen, Ziele und transdisziplinären Fachkenntnisse ermittelt, die für den Aufbau von Forschungskapazitäten, die partizipative Forschung und die Erfassung / Definition von Indikatoren erforderlich sind. Abschließend wird das Projekt Strategien für die künftige Aufrechterhaltung des PACPATH-Netzwerks entwickeln, welche auf langfristigen Finanzierungsmöglichkeiten und nachhaltigen Strukturen beruhen.

Organic matter composition in the subsoil: Contribution of root litter and microbial-derived compounds

The aim of P2 within the Research Unit 'The Forgotten Part of Carbon Cycling: Organic Matter Storage and Turnover in Subsoils (SUBSOM)' is to contribute to the understanding of the different sources and stabilization processes of subsoil organic matter. This will be achieved by the analysis of the soil organic matter composition in topsoil versus subsoil by 13C NMR spectroscopy in bulk soils as well as organo-mineral associations. This will be done on a number of soil profiles differing in parent material and mineralogy and therefore also in the relevance of organo-mineral associations for subsoil C stabilization. In addition, a specific sampling approach will allow to differentiate three zones associated with the dominating effect of (1) leaching of DOC (the 'bulk soil' between trees), (2) root litter decomposition (the 'root-affected zone'), and (3) direct rhizodeposition of root exudates (the 'rhizosphere' sensu strictu). The contribution of above-ground versus below-ground litter is differentiated by the analysis of cutin and suberin biomarkers. Organic matter derived from microbial sources will be identified by the microbial signature of polysaccharides in the subsoil through the analysis of neutral sugars and amino sugars. Organo-mineral associations will be further characterized by N2-BET analyses to delineate the coverage of the mineral phase with organic matter. With these analyses and our specific analytical expertise at the submicron scale (nanoSIMS) we will participate in selected joint experiments of the research unit.

Spatial heterogeneity and substrate availability as limiting factors for subsoil C-turnover

In subsoils, organic matter (SOM) concentrations and microbial densities are much lower than in topsoils and most likely highly heterogeneously distributed. We therefore hypothesize, that the spatial separation between consumers (microorganisms) and their substrates (SOM) is an important limiting factor for carbon turnover in subsoils. Further, we expect microbial activity to occur mainly in few hot spots, such as the rhizosphere or flow paths where fresh substrate inputs are rapidly mineralized. In a first step, the spatial distribution of enzyme and microbial activities in top- and subsoils will be determined in order to identify hot spots and relate this to apparent 14C age, SOM composition, microbial community composition and soil properties, as determined by the other projects within the research unit. In a further step it will be determined, if microbial activity and SOM turnover is limited by substrate availability in spatially distinct soil microsites. By relating this data to root distribution and preferential flow paths we will contribute to the understanding of stabilizing and destabilizing processes of subsoil organic matter. As it is unclear, at which spatial scale these differentiating processes are effective, the analysis of spatial variability will cover the dm to the mm scale. As spatial segregation between consumers and substrates will depend on the pore and aggregate architecture of the soil, the role of the physical integrity of these structures on SOM turnover will also be investigated in laboratory experiments.

Nitrogen and drought effects on the tree-soil interaction of ECM and AM temperate trees

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