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Ecosystem Engineering: Sediment entrainment and flocculation mediated by microbial produced extracellular polymeric substances (EPS)

Sediment erosion and transport is critical to the ecological and commercial health of aquatic habitats from watershed to sea. There is now a consensus that microorganisms inhabiting the system mediate the erosive response of natural sediments ('ecosystem engineers') along with physicochemical properties. The biological mechanism is through secretion of a microbial organic glue (EPS: extracellular polymeric substances) that enhances binding forces between sediment grains to impact sediment stability and post-entrainment flocculation. The proposed work will elucidate the functional capability of heterotrophic bacteria, cyanobacteria and eukaryotic microalgae for mediating freshwater sediments to influence sediment erosion and transport. The potential and relevance of natural biofilms to provide this important 'ecosystem service' will be investigated for different niches in a freshwater habitat. Thereby, variations of the EPS 'quality' and 'quantity' to influence cohesion within sediments and flocs will be related to shifts in biofilm composition, sediment characteristics (e.g. organic background) and varying abiotic conditions (e.g. light, hydrodynamic regime) in the water body. Thus, the proposed interdisciplinary work will contribute to a conceptual understanding of microbial sediment engineering that represents an important ecosystem function in freshwater habitats. The research has wide implications for the water framework directive and sediment management strategies.

Befallsmechanismen des hyperparasitischen Pilzes Fusarium oxysporum f.sp. orthoceras gegenüber Orobanche cumana, einem parasitischen Unkraut der Sonnenblume

Einleitung: Die Sommerwurzgewächse (Orobanchaceae) sind parasitische Blütenpflanzen, die sich über ein Kontaktorgan (Haustorium) an die Wurzel der Wirtspflanze anhaften und von ihr Wasser, Nährstoffe und Assimilate aufnehmen. Zu den Wirtspflanzen einiger Orobanche-Arten zählen auch wichtige Nutzpflanzen, wie etwa Bohnen, Sonnenblumen oder Tabak. Je nach Befallsintensität kann es zu signifikanten Ertragsminderungen oder sogar zu kompletten Ertragsverlusten kommen. Insbesondere im Mittelmeergebiet, Asien und Nordafrika steigt die Bedrohung der Nutzpflanzenproduktion durch Orobanche stetig an. Die Kontrolle von Orobanche mit Hilfe von Herbiziden ist teuer, schwierig handhabbar und nicht ausreichend effektiv. Resistenzzüchtungen der Nutzpflanzen werden aufgrund des Vorkommens verschiedenster Orobanche-Rassen (mit verschiedenen Pathogenitätsfaktoren) schnell durchbrochen. Leider fehlen bislang ausreichende Informationen zur Interaktion von Orobanche mit den jeweiligen Wirten. Anhand derartiger grundlegender Erkenntnisse könnten alternative oder verbesserte Kontrollmaßnahmen entwickelt werden. Stärkung der Resistenz der Nutzpflanzen (induzierte Resistenz) oder die Verwendung Orobanche-spezifischer Antagonisten (wie etwa des Hyperparasiten F. oxysporum f.sp. orthoceras) als biologisches Kontrollagens stellen wirksame Möglichkeiten der Kontrolle des Pathogens dar. Ziele: Als Modell zum Verständnis der Interaktion der Sommerwurz mit seinen Wirten wird die Assoziation von Orobanche cumana Wallr. und der Sonnenblume (Helianthus annuus L.) verwendet. Die Ziele des Projektes sind: - grundlegender Erkenntniszuwachs zur Interaktion von O. cumana und H. annuus. - Wirkungsweise des Hyperparasiten F. oxysporum f.sp. orthoceras auf seinen Wirt O. cumana (Biochemie, Histologie), - Auswirkung von Pflanzenstärkungsmitteln als Resistenzaktivatoren der Sonnenblume auf den Befall mit O. cumana.

Neue Ansätze einer Globodera pallida Resistenzzüchtung in Stärkekartoffeln und tiefgreifende Analysemethoden, Teilvorhaben 3: Introgressionszüchtung neuer Resistenzquellen bei Stärkekartoffeln (Versuche BNA)

In den Hauptanbaugebieten für Stärkekartoffeln in Deutschland führte der vorgeschriebene Anbau nematodenresistenter Kartoffelsorten zu einem sehr hohen Selektionsdruck auf die vorhandenen Nematodenpopulationen. Im Jahr 2014 wurden erstmals Populationen des Pathotyps Pa3 von Globodera pallida mit veränderter Virulenz beschrieben. Das Projekt ‘ASPARA’ hat die Untersuchung und schnelle Einführung der in den Vorläuferprojekten ‘PARES’ und ‘SERAP’ identifizierten Wildartenresistenzen gegenüber diesen aggressiven G. pallida Nematodenpopulationen in den Elitezüchtungspool zum Ziel, um eine wirkungsvolle Bekämpfungsstrategie zu Entwickeln. Dazu soll: Erstens eine Bekämpfungsstrategie zur Reduktion von G. pallida-Populationen durch Kombination verschiedener Resistenzmechanismen entwickelt, Zweitens eine schnelle Reduktion des Wildarthintergrunds durch Speed-Breeding erreicht und Drittens fortgeschrittenes Prebreedingmaterial für die weitere züchterische Bearbeitung entwickelt werden. Die Weiterentwicklung des Zuchtmaterials, die Aufklärung der den Resistenzen zugrundeliegenden Genloci und Mechanismen sowie die Untersuchung der auf den Resistenzquellen selektierten Nematodenpopulationen in ‘ASPARA’ wird einen wichtigen Beitrag zum Verständnis dieses Pathosystems und damit zur Bekämpfung virulenter Nematodenpopulationen leisten. Die Etablierung von Testprotokollen und -kapazitäten ermöglicht weiterhin eine rasche züchterische Anpassung des Zuchtmaterials beim Auftreten veränderter G. pallida Virulenzen. Beides erhöht signifikant die Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Kartoffelzüchter gegenüber verschärfter europäischer Konkurrenz.

Die systemisch erworbene Resistenz bei Pflanzen - ein - omics Ansatz zur Pathogenantwort

Ziel dieses Projekts ist es, Signalkomponenten der systemisch erworbenen Resistenz (SAR) in Arabidopsis thaliana und einer Mutante, eds1, welche nicht mehr in der Lage ist, SAR Signale zu produzieren oder zu transportieren, zu identifizieren. EDS1 abhängige Peptide, Lipide und polare niedermolekulare Stoffe werden mit massenspektrometrischen Methoden identifiziert. Danach wird in verschiedenen (Nutz)Pflanzen untersucht, ob die so identifizierten möglichen SAR Komponenten Resistenz gegen Krankheitserreger auslösen. Des Weiteren wird der Einfluss von SAR Signalen auf Prozesse wie z.B. Trockenresistenz untersucht.

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.

Erhöhung des Resistenzpotentials der Gerste - Ein interdisziplinärer Ansatz unter besonderer Berücksichtigung der Resistenzaktivierung, Die Primärreaktion im Blattapoplasten von Hordeum vulgare nach Pilzinfektion und deren IR-bedingte Veränderung

An Blättern von Hordeum vulgare ist geplant, mittels Mikrosonden (ionenselektive Elektroden, Platinelektroden, klassische Elektrophysiologie) die unmittelbaren und mittelbaren Auswirkungen einer Pilz-Inokulaton (biotroph: Blumeria graminis; nekrotroph: Cochliobolus stivus) unmittelbar vor Ort und weitgehend nichtinvasiv zu untersuchen. Messort soll vorwiegend der extrazelluläre Raum (Apoplast) in unmittelbarer Umgebung der Infektionsstelle sein, aber auch die infizierte bzw. attackierte Zelle (Epidermis) selbst. Im Apoplasten werden einerseits ionenselektive Mikroelektroden zur Messung von pH, Ca2+, Cl- und K+ eingesetzt, sowie Metallelektroden zur Messung von Reaktiven Sauerstoffintermediaten (ROI) und anderer relevanter Redosprozesse. Die infizierte bzw. attackierte Zelle selbst und Nachbarzellen werden bezüglich Änderungen in cytosolischen pH und Membranpotential untersucht. Nach Konditionierung der Pflanzen mit chemischen Induktoren (DCINA, BTH) soll die Auswirkung einer Infektion vergleichend und in Realzeit untersucht werden. Der Einsatz resistenter transgener Gerste (wie z.B. Hv-BCI.4), die das chemisch induzierbare Bci-4 Gen konstitutiv exprimiert, soll vergleichend in die Untersuchungen mit einbezogen werden, um Induktor-unabhängig IR-Reaktionen zu erfassen. In enger Assoziation zu den Projekten, der geplanten Nachwuchsgruppe (entsprechende Untersuchungen an Nicht-Wirt-Resistenzen und quantitativer Resistenz) sowie mittelfristig zum Projekt Franken/Baltruschat (Neuantrag, wurzelinitiierte Systeme), wird dieses Projekt grundlegend neue Erkenntnisse über apoplastische und zelluläre Mechanismen induzierter Abwehrreaktionen erarbeiten können.

Induzierte Resistenz durch Jasmonate - ein neues Konzept im biologischen Pflanzenschutz

In diesem Verbundprojekt werden Wirkstrukturen identifziert, die eine pflanzliche Pathogenabwehr induzieren, ohne die bekannten physiologischen Nebenwirkungen der Jasmonsaeure zu besitzen.

Detektion und Identifikation von phytopathogenen Viren in forstwirtschaftlich relevanten Baumarten und Erfassung der Abundanz der Viren als Grundlage der Resistenzforschung, Teilvorhaben 1: Anlage einer Klonsammlung und phylogenetische Analysen der Viren

Entwicklung von Schutzstrategien für Arten, die aus miteinander verbundenen parthenogenetischen und sexuell reproduzierenden Sippen bestehen

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.

Diffusion and advection with sorption of anions, cations and non-polar molecules in organo-clays at varying thermo-chemical conditions - validation by analytical methods and molecular simulation

The sorption of anions in geotechnical multibarrier systems of planned high level waste repositories (HLWR) and of non-ionic and organic pollutants in conventional waste disposals are in the center of recent research. In aquatic systems, persistent radionuclides such as 79Se, 99Tc, 129I exist in a form of anions. There is strongly increasing need to find materials with high sorption capacities for such pollutants. Specific requirements on barrier materials are long-term stability of adsorbent under various conditions such as T > 100 C, varying hydrostatic pressure, and the presence of competing ions. Organo-clays are capable to sorb high amounts of cations, anions and non-polar molecules simultaneously having selectivity for certain ions. This project is proposed to improve the understanding of sorption and desorption processes in organo-clays. Additionally, the modification of material properties under varying chemical and thermal conditions will be determined by performing diffusion and advection experiments. Changes by sorption and diffusion will be analyzed by determining surface charge and contact angles. Molecular simulations on models of organo-clays will be conducted in an accord with experiments with aim to understand and analyze experimental results. The computational part of the project will profit from the collaboration of German partner with the group in Vienna, which has a long standing experience in a modeling of clay minerals.

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