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Nachwachsende Rohstoffe

Der Aufgabenschwerpunkt "Nachwachsende Rohstoffe" umfasst die Erarbeitung von Empfehlungen zur Rohstoffbereitstellung für die Energiegewinnung und technische Produktherstellung (z.B. Dämmstoffe, Biokraftstoff, Biogas) sowie die Umsetzung und Begleitung der Forschungsförderung. Zu den nachwachsenden Rohstoffe gehören z.B. schnellwachsende Hölzer, Chinaschilf, Getreide, Roggen, Hanf, Faserpflanzen, Energiepflanzen, Winterraps, halm- und holzartige Biomasse. Unter dem Begriff nachwachsende Rohstoffe werden Produkte pflanzlicher und tierischer Herkunft zusammengefasst, die im Nicht-Nahrungs- und Nicht-Futtermittelsektor verwertet werden. Nachwachsende Rohstoffe umfassen - Nebenprodukte der Land- und Forstwirtschaft (z. B. Stroh, Holz aus Waldpflege, Biomasse aus der Landschaftspflege), - Pflanzen aus dem landwirtschaftlichen Anbau (z. B. öl- und stärkehaltige Pflanzen, ein- und mehrjährige Gräser, Faserpflanzen, Heil-, Gewürz- und Aromapflanzen) sowie - unbehandelte Abfallstoffe der Biomasseverarbeitung (Bau- und Industrierestholz, Hobel- und Sägespäne etc.). Zunehmende Bedeutung erlangen sie vor allem vor dem Hintergrund des steigenden Energiebedarfs, der Endlichkeit fossiler Rohstoffe und der CO2-Anreicherung der Atmosphäre.

Nutzung der unerforschten Vielfalt des Roggens durch genombasierte Züchtung für eine klimaresiliente Getreideproduktion

C-Umsatz und C-Festlegung im Boden unter Miscanthus x gigantheus mit Hilfe natürlicher 13C-Abundanz

Angesichts der durch steigende Kohlendioxid (CO2)- Konzentrationen bedingten Klimaerwärmung wird nach Möglichkeiten gesucht, CO2 unter anderem in terrestrischen Senken für längere Zeiträume festzulegen. Am Beispiel von Miscanthus x giganteus (Greef et Deu.) wurde untersucht, ob durch den Anbau von nachwachsenden Rohstoffen eine Kohlenstoff (C)- Festlegung in Böden unterschiedlicher Textur möglich ist. Zu diesem Zweck wird die Methode der natürlichen 13C-Abundanz angewandt. Mit dieser modernen Methode können C-Umsatzzeiten des Gesamtkohlenstoffs im Boden sowie seiner verschieden Pools abgeschätzt werden, aber auch die C-Dynamik auf molekularer Basis durch komponentenspezifische O13C Lipidanalysen untersucht werden. Die Untersuchungen zeigten, dass die unter Miscanthus ermittelten C-Verweilzeiten nur geringfügig länger sind als diejenigen unter Mais. Die jährliche Festlegung von miscanthusbürtigem C in der organischen Bodensubstanz (OBS) bestätigt nur für lehmigen Boden eine höhere C-Sequestrierung von Miscanthus. Es wurde eine vergleichbare C-Akkumulation durch den Miscanthusanbau wie in Grünlandböden festgestellt. Ebenso zeigen Inkubationsexperimente im Miscanthusboden eine ähnliche kumulative CO2-Freisetzung wie in Böden unter Grünland mit einer Tendenz zu geringfügig niedrigeren Freisetzungsraten im Miscanthusboden, Die Anteile von miscanthusbürtigem C am freigesetzten CO2 sind ähnlich wie in Versuchen mit Mais. Es lässt sich eine schnellere Umsetzung des miscanthusbürtigen C in der mikrobiellen Biomasse als leicht umsetzbarer C-Fraktion bestätigen. Die Zugabe leicht verfügbarer organischer Substanzen bewirkte eine verstärkte Mineralisierung der OBS, wobei dieser zusätzlich freigesetzte C entgegen den Erwartungen aus der alten, C3 bürtigen OBS Fraktion stammte. In 13C- Markierungsexperimenten konnte in Miscanthus, Mais, Weizen und Roggen die Verlagerung des kürzlich assimilierten CO2 in Pflanzenteilen verfolgt werden. Eine Verlagerung in den Boden fand hierbei kaum statt. Die O13C-Werte aus den komponentenspezifischen O13C- Lipidanalysen sind vielversprechend für die Diagnose von molekularen Markern und die daraus erfolgende Bestimmung der Umsatzraten. An den CO2- Konzentrationen der Bodenluft und der Herkunft des CO2 konnte der besondere Vegetationszyklus (später Wachstumsbeginn, verzögertes Wurzelwachstum) von Miscanthus wiedergespiegelt werden.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1090: Böden als Quelle und Senke für CO2 -Mechanismen und Regulation der Stabilisierung organischer Substanz in Böden, Bestimmung und Modellierung der mittleren Verweilzeit molekularer Strukturbausteine der organischen Substanz in Böden

Ziel des Forschungsvorhabens ist es, die Stabilität molekularer Strukturbausteine der organischen Substanz in Böden direkt zu bestimmen sowie den entsprechenden Kohlenstoffumsatz zu modellieren. Diese grundlegenden Informationen sind notwendig um den Stoffaustausch der organischen Substanz von Böden mit atmosphärischem CO2 abzuschätzen. Hierzu soll die von uns entwickelte Kopplung von Strukturanalyse und Isotopenverhältnis-Messung an Pyrolysebruchstücken eingesetzt werden. Anhand der natürlichen 13C-Markierung, die durch die Umstellung des 'Ewigen Roggens' auf Maismonokultur erfolgte, sollen Umsatzraten für die Strukturbausteine der organischen Substanz in Böden berechnet werden und durch substanzspezifische 14C-Altersbestimmung verifiziert werden. Dies ist notwendig, um anderen Kohlenstoffquellen wie z.B. hetero-, chemo- oder autotrophe CO2-Fixierung sowie weitere Stabilisierungsmechanismen (z.B. physikalische) aufklären zu können. In enger Kooperation mit anderen AG's des SPP sollen unsere Ergebnisse dazu beitragen, molekulare Mechanismen der Stabilisierung und ihre Regulation aufzuklären. Schließlich sollen unsere Ergebnisse genutzt werden, um das CENTURY-Modell weiterzuentwickeln.

Gestaltungsmoeglichkeiten fuer Sozialbrachflaechen

Durch minimale Bodenbearbeitung sollen Ernten erzielt werden, die es gestatten, dass die Sozialbrachflaechen konkurrenzfaehig bleiben. Gleichzeitig soll die relative Vorzueglichkeit von Roggen monokultur und Winterweizen - Wintergerste - Hafer - Fruchtwchsel ermittelt werden. Pflugarbeit ist eingestellt, Duengung erfolgt nur nach Bodenuntersuchung. Es werden versch. Duengungsvarianten auf ihren Stickstoff-Austrag getestet.

Meiotische Rekombination, Pollengröße und allelische Selektion im Roggen (Secale cereale) unter Nährtstoffmangel verursacht durch 140 Jahre Monokultur

Die Pflanzenzüchtung beruht überwiegend auf der Selektion von neuen, vorteilhaften Allelkombinationen um Nutzpflanzen zu verbessern. Neue Allelkombinationen entstehen durch meiotische Rekombination und Fremdbestäubung im Zuge der sexuellen Reproduktion. Rekombination und Fremdbestäubung zählen gleichzeitig zu den wichtigen Mechanismen, welche die Evolution pflanzlicher Populationen ermöglichen. Die Genome vieler Nutzpflanzen (z.B. Roggen, Weizen und Gerste) bestehen aus sehr großen, heterochromatischen Bereichen, in denen die Rekombinationsrate extrem reduziert ist. In diesen genomischen Bereichen befinden sich allerdings ca. 30 % aller Gene, welche dadurch für Pflanzenzüchter unzugänglich sind. In diesen Bereichen befinden sich tendenziell Gene, welche in essentiellen zellulären Prozessen, wie z.B. der Photosynthese, involviert sind. Weiterhin ist die Fremdbestäubung in Arten, welche ihren Pollen über Wind verbreiten, von der Größe der Pollen abhängig.Die meiotische Rekombination und die Pollenentwicklung werden auf molekularbiologischer Ebene durch mehr als 80 bisher bekannte Gene reguliert. Interessanterweise sind beide Prozesse auch stark von Umweltbedingungen abhängig. Diese Umweltabhängigkeit führt zu quantitativen Änderungen in der Ausprägung dieser Merkmale und ermöglicht so Variabilität in der Entstehung neuer Allelkombinationen im Laufe der Evolution.Das Ziel dieses Projektes ist es die genetischen Mechanismen zu verstehen, welche zu Variationen in der Rekombinationsrate, der Pollengröße und der Selektion unter Stressbedingungen führen. Die Erkenntnisse, welche hier erarbeitet werden, können dazu führen Züchtungsmethoden zu verbessern. Dies kann durch eine Erhöhung der effektiven Rekombinationsrate durch meiotische Rekombination und Fremdbestäubung geschehen. Weiterhin besteht die Möglichkeit unser Verständnis über den direkten Einfluss von Rekombination und Fremdbestäubung auf Verschiebungen in der Allelfrequenz durch Selektion zu verbessern.Um dieses Ziel zu erreichen beabsichtigen wir einen Dauerfeldversuch zu nutzen in dem eine Roggenpopulation abiotischem Stress ausgesetzt ist. Das Projekt ist auf drei Schwerpunkte ausgerichtet: (1) der genetischen Kontrolle der Rekombinationsrate unter abiotischem Stress und basierend auf genetischen Unterschieden, (2) der genetischen Grundlage von quantitativen Unterschieden in der Pollengröße unter abiotischem Stress und basierend auf genetischen Unterschieden und (3) der Verschiebung von Allelfrequenzen durch Selektion unter abiotischem Stress und wie diese direkt von Rekombination und Fremdbestäubung beeinflusst werden.Dies wird unser Verständnis über die effektive Entstehung neuer Allelkombinationen durch Rekombination und Fremdbestäubung verbessern. Die hier identifizierten Genvarianten können dann in Züchtungsprogramme integriert werden.

Diagnostische Roggen-Ionomik

Das funktionelle Ionom einer Pflanze beschreibt ihre elementare Zusammensetzung hinsichtlich der essentiellen Pflanzennährstoffe. Funktionelle Ionome von Pflanzen werden durch Umweltfaktoren, einschließlich Nährstoffmangel und Wasserversorgung, beeinflusst und sind artenspezifisch. Dies ist auf die artenspezifische Aufnahme, Speicherung und Remobilisierung von Nährstoffen zurückzuführen. Die Charakterisierung funktioneller Ionome bildet die Grundlage für diagnostische Anwendungen in der Jugendentwicklung der Pflanzen, sowohl im Pflanzenbau als auch in der Pflanzenzüchtung. Obwohl kürzlich für einige Kulturarten funktionelle Ionome für spezifische Nährstoffmängel etabliert wurden, ist wenig über die Auswirkung von zeitgleichem Trockenstress bekannt. Diese Wissenslücke ist zunehmend relevant, da der Einsatz von Mineraldüngern in der Pflanzenproduktion zunehmend beschränkt wird und durch den Klimawandel häufiger Trockenperioden auftreten. Es wurden noch keine diagnostischen Ionome von Roggen (Secale cereale L.) charakterisiert, obwohl Roggen häufig auf Böden mit geringer Verfügbarkeit von Wasser und von Nährstoffen, wie Stickstoff (N), Phosphor (P) und Kalium (K), angebaut wird. Das Ziel des hier vorgeschlagenen Projekts ist es, diese Lücken zu schließen. In diesem Projekt werden für Roggen erstmals diagnostische Ionome für die Nährstoffmängel N, P und K unter gegensätzlicher Wasserversorgung definiert. Durch chemische Analysen einzelner Pflanzenorgane und die hochauflösende, räumliche Quantifizierung von Nährstoffen in verschiedenen Blattgeweben wird unser Verständnis über die zugrundeliegenden Prozesse, die zu charakteristischen Ionomen führen, grundlegend erweitert. Dafür werden zunächst Versuche unter kontrollierten Umweltbedingungen durchgeführt. Die Grundlagenkenntnisse werden anschließend unter Feldbedingungen validiert. Es wurden vier Dauerfeldversuche auf der Thyrower Versuchsstation der Humboldt-Universität zu Berlin identifiziert, in denen durch jahrzehntelange differenzierte Düngung spezifische Nährstoffmängel induziert wurden. Die vier Dauerfeldversuche können durch gemeinsame Prüfglieder versuchsübergreifend statistisch ausgewertet werden. Neben chemischen Pflanzenanalysen sind in den Feldversuchen detaillierte Bodenuntersuchungen geplant. Dies ermöglichet die Validierung der neu etablierten diagnostischen Ionome mit und ohne begleitenden Trockenstress. Zusammenfassend wird dieses Projekt unser Grundlagenverständnis hinsichtlich der Aufnahme, Speicherung und Remobilisierung von Nährstoffen unter verschiedenen Umweltbedingungen anhand einer unterforschten aber zukunftsrelevanten Kulturart erweitern. Die neu gewonnenen, mechanistischen Erkenntnisse werden anschließend validiert und bilden somit eine solide Grundlage für Anwendungen im Pflanzenbau und in der Pflanzenzüchtung.

Naehrstoffmangelversuch auf 2 oekologisch differenzierten Standorten

Standort Rauischholzhausen - Parabraunerde: 28 Varianten nur mineralische Duengung + 28 Varianten mit Stallmistduengung zur Hackfrucht = 56 Varianten. Fruchtfolge: Zuckerrueben - Winterweizen - Wintergerste. Es werden folgende Parameter erfasst: Ertraege, Naehrstoffumsatz, Naehrstoffbilanz, Bodenuntersuchungen, Klimafaktoren. Der Versuch laeuft seit 1954, ab 1984 erfolgte eine Umstellung in der Naehrstoffkombination. Standort Gross-Gerau - Sandboden: 16 Varianten Mineralduengung. Fruchtfolge: Silomais - Wintergerste - Winterroggen. Es werden folgende Parameter erfasst: Ertraege, Naehrstoffumsatz, Naehrstoffbilanz, Bodenuntersuchungen, Klimafaktoren. Der Versuch laeuft seit 1954; ab 1984, nach 30 Jahren (= 10 Rotationen) Laufzeit, Umstellung in der Naehrstoffkombination und 8 Varianten mit Stallmistduengung zur Hackfrucht.

Entwicklung von Biomasse-Sonnenblumen

Seit Inkrafttreten des 'Erneuerbaren Energie Gesetzes' im Jahr 2000 hat die Erzeugung und Nutzung von Biogas erheblich zugenommen. In zunehmendem Maße werden als Gärsubstrate Nachwachsende Rohstoffe eingesetzt. Verwendet werden hierbei Pflanzenarten bzw. Fruchtfolgen, die einen möglichst großen Trockenmasseertrag liefern. In einer Energiepflanzenfruchtfolge wäre die Stellung der Sonnenblume nach einer früh geernteten Winterung (z. B. Roggen-Ganzpflanzensilage) sinnvoll. Mit diesem Projekt soll geklärt werden, ob es möglich ist, Sonnenblumen zu konkurrenzfähigen Biomassepflanzen zu entwickeln.

Nutzung der unerforschten Vielfalt des Roggens durch genombasierte Züchtung für eine klimaresiliente Getreideproduktion, Teilvorhaben E

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