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Polysaccharides quantified in sediment cores from coastal vegetated ecosystems

50-cm deep sediment cores were taken in saltmarsh, seagrass, mangroves and unvegetated areas around the German Bight, Malaysia and Columbia in 2022 and 2023. Up to 3 points per ecosystem were sampled along a transect, in total 93 cores were analysed. Carbohydrates were sequentially extracted using MilliQ-water and 0.3 M EDTA for later analyses. Polysaccharides were screened using microarray analysis following the method described by Vidal-Melgosa et al. (2022). Briefly, sediment extracts from MilliQ-water and EDTA were combined in equal volumes, and 30 µL of the mixture was transferred into wells of 384-microwell plates. Two consecutive two-fold dilutions were performed using a printing buffer (55.2% glycerol, 44% water, 0.8% Triton X-100). The plates were then centrifuged at 3,500 × g for 10 minutes at 15 °C. Each microarray was individually probed with a monoclonal antibody (mAb), and binding was detected using a secondary antibody conjugated to alkaline phosphatase. In the presence of its substrate, this reaction produced a colorimetric signal. Developed arrays were scanned at 2400 dots per inch, and binding signal intensity was quantified using Array-Pro Analyzer 6.3 software (Media Cybernetics).

Einfluss der Vegetationsstruktur auf die Invasibilität von subarktischen Heidesystemen

Der aktuelle Klimawandel hat bereits Auswirkungen auf eine Reihe natürlicher Prozesse (z.B. Walther et al. 2002, Nature 416: 389-395; Walker et al. 2006, PNAS 103: 1342-1346). Ansteigende Temperaturen haben die Phänologie von Arten verändert mit bedeutenden Auswirkungen für komplexe direkte und indirekte Interaktionen zwischen Arten und es gibt deutliche Hinweise auf aktuelle Arealverschiebungen als Reaktion auf Erwärmung (Walther et al. 2002; 2005, P Roy Soc B-Biol Sci 272: 1427-1432). Die Ergebnisse des International Tundra Experiment (ITEX) Forschungsprogramms zu Auswirkungen von Temperaturerhöhung auf die Struktur von Pflanzengemeinschaften deuten an, dass (1) die Produktivität ansteigen wird, (2) der Deckungsgrad toter Pflanzenteile (Streu) und der Deckungsgrad von Zwergsträuchern und Gräsern zunehmen wird, während (3) der Deckungsgrad von Moosen in arktischen Regionen abnehmen wird (Walker et al. 2006). Die für die Zusammensetzung von Pflanzengemeinschaften und die Verbreitungsreale von Arten erwarteten Veränderungen als Folge des Klimawandels hängen von der Invasibilität von Pflanzengemeinschaften ab. Obgleich letztere wiederum unter anderem durch die Vegetationsstruktur (z.B. Deckung, Höhe der Vegetation) bestimmt wird, ist die Bedeutung verschiedener Komponenten der Vegetationsstruktur (Sträucher, Moose, Gräser, Krautige) noch wenig erforscht. Im Lichte der klimainduzierten Veränderungen dieser Komponenten können empirische Studien zur Invasibilität von Pflanzengemeinschaften wichtige Informationen für die realistische Modellierung bezüglich der erwarteten Veränderung der Zusammensetzung von Vegetation und der Verbreitung von Arten liefern. Daher ist es Ziel dieses Projektes die Auswirkungen von Veränderungen verschiedener Komponenten der Vegetationsstruktur (Lebende Pflanzen, Moose, Streu) auf die Etablierung von Keimlingen in einem subarktischen Heidesystem zu analysieren.

Sicherung von Multifunktionalität in der Grobfutterproduktion durch Artenreichtum im intensiven Grasland

Durch artenreiches Grasland werden vielfältige Ökosystemleistungen (ÖSL) simultan erbracht. Die Bandbreite der in der intensiven Graslandnutzung für Milchvieh eingesetzten Pflanzenarten beschränkt sich auf einige wenige Vertreter der Gräser und Leguminosen. Viele leguminose und nicht-leguminose dikotyle Pflanzenarten wurden bisher nicht züchterisch bearbeitet, sie werden bislang im Anbau kaum berücksichtigt und offiziell gar nicht empfohlen. Dikotyle Pflanzenarten weisen einen hohen Futterwert auf, sind durch tiefe Wurzeln häufig trockentoleranter als Gräser und enthalten sekundäre Inhaltsstoffe. Diese Eigenschaften sind bei zu erwartender zunehmender Trockenheit (tiefe Wurzel) und zur Reduktion der Methanemission von Wiederkäuern (sekundäre Inhaltsstoffe) entscheidend. Ein zentrales Problem dieser bisher wenig verbreiteten, minoren dikotylen Pflanzenarten ist die unzureichende Kenntnis der agronomischen und qualitativen Eigenschaften sowie die Aussichten für eine weitergehende züchterische Bearbeitung, weil zur intra-spezifischen Variation der ÖSL einzelner Pflanzenarten weitgehend Unklarheit herrscht. Das beantragte Verbundprojekt verfolgt deshalb das Ziel der Etablierung und Nutzung von artenreichem Grünland, um wichtige ÖSL durch verbesserte Zuchtsorten in angepassten neuartigen Mischungen oder durch Streifenanbau simultan zu erbringen. Es werden in einem systematischen Ansatz ausgewählte Arten mit wertvollen Eigenschaften identifiziert und die intra-spezifische Variabilität der Eigenschaften in einem 'pre-breeding' Ansatz ermittelt und beschrieben. Im Besonderen richten sich die ÖSL auf Biodiversität (Blütenangebot), Trockentoleranz (stomatäre Leitfähigkeit), pflanzliche Sekundärmetabolite (PSM wie Tannine), Ausdauer, Winterhärte, Konkurrenzkraft und Etablierungserfolg sowie auf Futterqualität, Ertrag und die biologische Stickstofffixierung. Ein Anbauprotokoll jeder Art wird eigens erstellt.

Prozessoptimierung eines Bioraffinationsverfahrens zur Gärrestaufbereitung mit dem Ziel der Gewinnung von Torfersatzstoffen unter Praxisbedingungen an Biogasanlagen, Teilvorhaben 5: Validierung des NutriSep-TES in Kultursubstraten

Prozessoptimierung eines Bioraffinationsverfahrens zur Gärrestaufbereitung mit dem Ziel der Gewinnung von Torfersatzstoffen unter Praxisbedingungen an Biogasanlagen, Teilvorhaben 7: Separation und Waschversuche an externen BGA

Beobachtung Pflanzlicher Photosynthese mit satellitengestützten Messungen der Sonnen Induzierten Fluoreszenz (CropSIF)

Neben Maßnahmen, die die Produktivität von Agrarflächen erhöhen, werden neue objektive Methoden zur kontinuierlichen Überwachung globaler landwirtschaftlicher Ressourcen dringend benötigt. Eine besondere Rolle nimmt dabei die Photosyntheseleistung (gemessen als Bruttoprimärproduktion) der Kulturpflanzen ein, da sie die maximal mögliche Menge an Nahrung und Treibstoff darstellt, die durch landwirtschaftliche Systeme bereit gestellt werden kann. Desweiteren ist sie ein guter Indikator für Ernteerträge und Stress. In den vergangenen Jahrzehnten wurden auf Reflektivitätsdaten beruhende optische Fernerkundungsmethoden benutzt um landwirtschaftliche Ressourcen abzuschätzen. Spektral aufgelöste Reflektivitätsdaten lassen auf biochemische und strukturelle Eigenschaften der Vegetation schließen, die wiederum auf die potentielle Photosyntheseleistung hindeuten, und sie sind die Grundlage zur Bewertung des Zustands der Pflanzen und ihrer phenologischen Entwicklungsstufe in hoher räumlicher Auflösung. Basierend auf diesem Messprinzip sollen die Sentinel-2 Satelliten (2015 gestartet) die Zugpferde der operationellen Agrarüberwachung in den kommenden Jahrzehnten werden. Es ist jedoch bekannt, dass Vegetationsparameter aus der Fernerkundung, die auf spektralen Reflektanzen beruhen, nicht die komplexen und hoch variablen physiologischen Abläufe der Photosynthese erfassen können. Ergänzend zu Reflektivitätsmessungen sind seit Kurzem globale weltraumgestützte Messungen von sonneninduzierter Chlorophyllfluoreszenz (Englisch sun-induced chlorophyll fluorescence, SIF) möglich. Wie gezeigt werden konnte, besitzt SIF eine höhere Sensitivität gegenüber der Photosyntheseaktivität auf Agrarflächen als andere Parameter oder Modelle. Das Instrument TROPOMI (Tropospheric Monitoring Instrument), das ab Mitte 2017 auf dem EU Copernicus Sentinel 5-Vorläufersatelliten fliegen wird, wird die Messung von SIF in einer sehr viel höheren räumlichen und zeitlichen Auflösung als alle bisherigen Instrumente/Missionen ermöglichen. Somit stellt TROPOMI einen Meilenstein für die Einschätzung von Photosynthese im Allgemeinen, und der Produktivität von Nutzpflanzen im Besonderen, dar. Die Kombination von TROPOMI und Sentinel-2 Daten wird eine auf Beobachtungen basierende, globale Beobachtung der Photosyntheseaktivität auf Agrar-, Gras- und Weideflächen mit einer bisher nie dagewesenen räumlichen und zeitlichen Auflösung und Genauigkeit erlauben. Das Projekt CropSIF wird Nutzen aus den besonderen Möglichkeiten ziehen, die diese Konstellation von Instrumenten in naher Zukunft bieten wird, um die Produktivität von Agrarpflanzen und klimatischer Einflüsse darauf abzuschätzen. Wir werden zeitlich aufgelöste Karten der Bruttoprimärproduktion der Nutzpflanzen erstellen, die dann der Analyse von Effekten extremer Klimaereignisse auf die Produktivität in verschiedenen Agrargebieten der Erde dienen werden.

Schwerpunktprogramm (SPP) 527: Bereich Infrastruktur - International Ocean Discovery Program, Teilprojekt: Hydroklimatische Veränderungen in Südostafrika während des letzten Interglazials und möglicher Einfluss auf die frühe Migration moderner Menschen

Das tropische Südostafrika ist eine Region, die stark von hydroklimatischen Veränderungen im Zuge der globalen Erwärmung betroffen sein wird, wobei deren Ausprägung und sozio-ökonomische Konsequenzen allerdings noch weitestgehend unverstanden sind. In diesem Zusammenhang bietet die Untersuchung regionaler Veränderungen in Hydroklima und Vegetation während des letzten Interglazials, eines durch höhere Temperaturen als heute gekennzeichneten Zeitabschnitts, die Möglichkeit, wichtige Einblicke hinsichtlich der zukünftigen Entwicklung in der Region zu gewinnen. Darüber hinaus umfasst das letzte Interglazial auch eine wichtige Phase in der Entwicklungsgeschichte des Menschen, die Migration der ersten modernen Menschen aus Afrika hinaus. Obwohl das letzte Interglazial also einen bedeutenden Zeitabschnitt für Südostafrika darstellt, sind die Kenntnisse über die Variabilität des regionalen Hydroklimas, die zugrundeliegenden Antriebsmechanismen und die Konsequenzen für die Migration des modernen Menschen noch weitestgehend unerforscht. Im Rahmen dieses Projekts sollen marine Sedimente von der IODP Site U1477 in der Straße von Mosambik untersucht werden, um Veränderungen des Hydroklimas und der Vegetation im tropischen Südostafrika während des Zeitraums zwischen ca. 150.000 und ca. 70.000 Jahren vor heute zu rekonstruieren. Dazu werden die Verhältnisse stabiler Wasserstoff- (delta D) und Kohlenstoffisotope (delta 13C) von langkettigen n-Alkanen (n-C27 bis n-C33) in den marinen Sedimenten gemessen. Diese n-Alkane sind Bestandteile der Blattwachse von Landpflanzen und werden über den nahen Sambesi in den Ozean eingetragen. Da das delta D-Verhältnis der n-Alkane hauptsächlich dem des regionalen Niederschlags entspricht, welches wiederum von der Niederschlagsmenge abhängig ist, kann es zur Rekonstruktion hydroklimatischer Veränderungen im Einzugsgebiet des Sambesi in der Vergangenheit benutzt werden. Das delta 13C-Verhältnis wiederum erlaubt die Rekonstruktion von Veränderungen im Verhältnis von C3- (z.B. Bäume) und C4-Pflanzen (z.B. Gräser), da diese sich signifikant in ihrem delta 13C-Verhältnis unterscheiden. Darüber hinaus wird auch die Konzentration der zweifach- und dreifach ungesättigten Homologe des langkettigen Alkenons n-C37 in den Sedimenten analysiert. Diese organischen Verbindungen werden von Haptophyten, marinen Algen, gebildet und da ihr Verhältnis, auch als UK'37-Index bekannt, von der Oberflächentemperatur des Ozeans zur Zeit des Algenwachstums abhängig ist, kann es zur Rekonstruktion von Veränderungen der Oberflächentemperatur im südwestlichen Indischen Ozeans in der Vergangenheit genutzt werden. Der Vergleich dieser Datensätze mit anderen regionalen und globalen Klimaarchiven wird neue Erkenntnisse bezüglich hydroklimatischer Veränderungen in Südostafrika während des letzten Interglazials und ihrer Antriebsmechanismen als auch hinsichtlich ihres Einflusses auf die Migration der ersten modernen Menschen liefern.

Verfahrensentwicklung sowie Untersuchungen zu Dämpf- und Röstprozessen an ausgewählte Bambussortimenten Vietnams

Die thermische und hygrothermische Behandlung vietnamesischer Bambusarten wurde bisher nicht zielgerichtet wissenschaftlich analysiert und keine reproduzierbare Verfahrenstechnik abgeleitet. Ziel der Forschungsarbeiten ist es, Einflussparameter zur gezielten thermischen bzw. hygrothermischen Modifikation des grünen Bambus zu analysieren, Wirkzusammenhänge zwischen diesen Modifikationsparametern und resultierenden physikalischen und chemischen Eigenschaften zu beschreiben und in Modellvorstellungen zu übertragen. Es wird eine zielgerichtete Verfahrenstechnik zur thermischen bzw. hygrothermischen Modifikation von Bambus entwickelt, die auf weitere Bambussortimente Südostasiens übertragbar ist. Hierbei kommt die statistische Versuchsplanung unter Nutzung von Screening-Plänen zum Einsatz. Aus chemischen, physikalischen und strukturellen Untersuchungen werden Wirkzusammenhänge abgeleitet und deren Verallgemeinbarkeit abgeschätzt. Zukünftig führt das Verständnis der Zusammenhänge des Modifikationsprozesses und die Entwicklung eines Verfahrens zur Veredelung von Bambus zu einer deutlichen Erhöhung der Wertschöpfung in Vietnam und beinhaltet somit neben dem wissenschaftlichen Aspekt auch eine perspektivische Entwicklungshilfe.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1374: Biodiversitäts-Exploratorien; Exploratories for Long-Term and Large-Scale Biodiversity Research (Biodiversity Exploratories), Teilprojekt: Abhängigkeit von Symbiosen zwischen endophytischen Pilzen und Gräsern von der Landnutzungsintensität

In diesem Projekt werden ökologische und voraussichtlich ökonomische Auswirkungen von endophytischen Pilzen der Gattung Epichloë auf Alkaloidproduktion, Herbivorentoxizität, zeitliche Veränderungen und biotische Interaktionen zwischen Arten entlang eines Landnutzungsgradienten untersucht. Mit unserer Studie wollen wir die folgenden Fragen beantworten:1) Welche Stoffwechselalkaloide werden durch Endophyten-Grass Symbiosen auf 150 Graslandflächen produziert?2) Beeinflusst die Landnutzungsintensität das Endophyten Vorkommen und die Alkaloidkonzentrationen zwischen den Jahren unterschiedlich?3) Zeigen Endophyten-Gras Symbiosen in echten Ökosystemen die gleichen zeitlichen Dynamiken im Endophytenwachstum und der Alkaloidproduktion als Agrargräser in Freilandexperimenten?4) Ist die Vergesellschaftung von Blattendophyten in Gräsern abhängig von der Landnutzungsintensität?5) Beeinflusst das Vorkommen von systemischen endophytischen Pilzen die Vergesellschaftung von Blattendophyten in Gräsern?6) Können die Gründe und Risiken von Alkaloidkonzentrationen über der Toxizitätsgrenze für Nutztiere vorhergesagt werden?

Toxizität von Epichloë Endophyten in Agrargräsern auf Weiden

In diesem Projekt soll die Verbreitung und Toxizität von systemischen endophytischen Pilzen der Gattung Epichloë untersucht werden. Epichloë Endophyten kommen natürlich in kalt-gemäßigten Grasarten vor, aber auch in kommerziell erhältlichem Saatgut.Im ersten Arbeitspaket werden Epichloë Arten erfasst und deren genotypische und chemische Diversität von Pfadalkaloiden und Endprodukten quantifiziert. Es werden 150 angesäte Weiden (50 Kuhweiden, 50 Schafweiden und 50 Pferdeweiden), plus 50 halb-natürliche Magerrasen mit Wanderschäferei und 50 angesäte Pferdeweiden mit dokumentierten Laminitisfällen in Deutschland ausgewählt und beprobt. Zudem werden Proben der Saatgutmischungen aller 200 angesäten Weiden untersucht, um Epichloë Infektionen und toxische Alkaloide zu erfassen.In einem zweiten Arbeitspaket werden kommerziell erhältliche Saatgutmischungen für Weiden und Rasenanbau vom europäischen und internationalen Markt erworben um Epichloë Infektionen und Alkaloid Konzentrationen zu erfassen. Infiziertes Saatgut wir auf einer Versuchsfläche der Universität angesät und nach einem Jahr werden Alkaloid Konzentrationen gemessen und auf ihre Toxizität geprüft. Abschließend werden wir Saatgutfirmen und das Bundessortenamt kontaktieren, um einzelne infizierte Graskulturen aus ihren Beständen näher zu analysieren.Dieses Projekt soll vorab wissenschaftliche Daten liefern für eine aufkommende Debatte in der Gesellschaft, in wie weit möglicherweise endosymbiontisch modifizierte Gräser im Saatgut verbreitet sind. Bisher ist unklar ob europäische Saatgutfirmen diese Technologie gezielt nutzen, ob Epichloë Infektionen unabsichtlich in Saatgutmischungen auftauchen und ob diese überhaupt Toxizitätsschwellen überschreiten.Mit diesem Projekt möchte ich die folgenden Fragen adressieren:(1) Unterscheidet sich das Vorkommen von Epichloë Endophyten und der Alkaloid Konzentrationen auf eingesäten Kuh-, Schafs- und Pferdeweiden?(2) Unterscheiden sich diese eingesäten Weiden von halb-natürlichen Magerrasen mit Wanderschäferei im Vorkommen von Epichloë Arten und Alkaloidkonzentrationen?(3) Kann Laminitis von Pferden auf das Vorkommen von Epichloë Endophyten und derer Toxizität zurückgeführt werden?(4) Welche europäischen Saatgutmischungen mit Gräsern zeigen Epichloë Infektionen und erreichen sie Toxizitätsschwellen für Weidetieren und gegen Insektenherbivore?(5) Welche europäischen Graskulturen sind mit Epichloë Endophyten infiziert?

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