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Effects of canopy structure on salinity stress in cucumber (Cucumis sativus L.)

Salinity reduces the productivity of cucumber (Cucumis sativus L.) through osmotic and ionic effects. For given atmospheric conditions we hypothesize the existence of an optimal canopy structure at which water use efficiency is maximal and salt accumulation per unit of dry matter production is minimal. This canopy structure optimum can be predicted by integrating physiological processes over the canopy using a functional-structural plant model (FSPM). This model needs to represent the influence of osmotic stress on plant morphology and stomatal conductance, the accumulation of toxic ions and their dynamics in the different compartments of the system, and their toxic effects in the leaf. Experiments will be conducted to parameterize an extended cucumber FSPM. In in-silico experiments with the FSPM we attempt to identify which canopy structure could lead to maximum long-term water use efficiency with minimum ionic stress. The results from in-silico experiments will be evaluated by comparing different canopy structures in greenhouses. Finally, the FSPM will be used to investigate to which extent the improvement of individual mechanisms of salt tolerance like reduced sensitivity of stomatal conductance or leaf expansion can contribute to whole-plant salt tolerance.

Die Salztoleranz einiger Kulturpflanzen, Baumwolle, Reis und Futterpflanzen

In Gefaessversuchen werden Baumwoll- und Reispflanzen unter verschiedenen Versalzungsgraden angezogen. Es stellen sich bei bestimmten Konzentrationen Schaeden an den Kulturpflanzen ein.

Entwicklung von nachhaltigen und produktiven Anbausystemen mit nicht-konventionellen salztoleranten Nutzpflanzenarten für Salzböden am Beispiel des Aral See Gebietes, Teilprojekt: Bewertung der sozioökonomischen Auswirkungen

Veraenderungen des Aminosaeurestoffwechsels unter dem Einfluss von Wasser- und Salzstress bei Halophyten

Das Phaenomen der Salztoleranz bei Salzpflanzen ist in wesentlichen Punkten ungeklaert. Einen Beitrag zur Aufklaerung koennten die beobachteten Umstellungen stoffwechselphysiologischer Reaktionswege bieten. Hierzu gehoert auch der Salz-beeinflusste Aminosaeurestoffwechsel, der in einer vermehrten Aminosaeuresynthese aber auch in einer Salz-bedingten Veraenderung der Aktivitaet der zugehoerigen Enzyme zum Ausdruck kommt. Im Berichtszeitraum galt der Regulation der Synthese des Prolins, der unter Salzeinfluss am staerksten akkumulierten Aminosaeure, besondere Beachtung. Die Bedeutung der Prolinakkumulation wird in seiner moeglichen Funktion fuer die Aufrechterhaltung eines osmotischen Ausgleichs zwischen Cytoplasma und Aussenmedium gesehen, wofuer die gute Korrelation zwischen Prolinsynthese und Regeneration der urspruenglichen Wasserverhaeltnisse nach einem ploetzlichen Wasserentzug durch NaC1-Behandlung spricht. Dieser Aspekt der Prolinakkumulationwar auch Gegenstand einer Forschungsreise in die suedliche Namib-Wueste (Suedafrika), wo an zahlreichen salztoleranten Arten eine Vielzahl von Experimenten durchgefuehrt wurden, deren Auswertungen neben den bislang in Laborexperimenten gewonnenen Erkenntnissen auch Aussagen zur Salz- und Trockenresistenz am natuerlichen Standort ermoeglichen.

Proteomanalytische Untersuchung der Expansin-vermittelten Wachstumsdepression zweier unterschiedlich salzresistenter Maishybriden

Bodensalinität hat einen gravierenden Einfluss auf den Ernährungszustand und das Wachstum von Kulturpflanzen. Salzstress vermindert das Wachstum von Kulturpflanzen. Voruntersuchungen haben gezeigt, dass Salzstress bei Mais zu einer Alkalisierung des Apoplasten führt. Expansine sind apoplastische Proteine die für die Extensibilität der Zellwand und deren Wachstum verantwortlich sind. Sie haben ein saures pH-Optimum. Erste proteomanalytische Voruntersuchungen haben auch gezeigt, dass Expansine unter Salzstress vermindert werden und dass sie damit vermutlich wesentlich zur Wachstumsreduktion beitragen. Im vorliegenden Projekt soll die Regulation einzelner Expansin-Isoformen auf Transkriptebene sowie proteomanalytisch untersucht werden. Ein Expansinantikörper mit dessen Hilfe die Regulation einzelner Isoformen quantitativ in (2D-)Western-Blots sowie histologisch nachgewiesen werden kann, soll zum Einsatz kommen. Dazu sollen Kurzzeit- und Langzeit-Salzstress in verschiedenen Segmenten von Maisblättern untersucht werden. Weiterhin sollen das unterschiedliche Anpassungsvermögen mittels sensitiver und resistenter Maishybriden untersucht werden. Des Weiteren könnten Expansin-Isoformen auch durch posttranslationale Modifikationen reguliert werden. Im geplanten Projekt sollen daher Proteinphosphorylierungen an apoplastischen Proteinen untersucht werden. Optional soll im letzten Zeitraum des Antrags anhand eines revers-genetischen Ansatzes weiterhin eine Expansin-Isoform in Mais überexprimiert werden, um zu überprüfen, in wieweit diese Isoform zum verbesserten Wachstum unter Salinität beiträgt. Die Ergebnisse des Projekts werden maßgeblich zur Aufklärung des Beitrags der Expansine zur Wachstumsregulation von Mais unter Salzstress beitragen.

Analyse der MKK1 und MKK2 Stresssignalwege

Umwelt Stressfaktoren beeinträchtigen sowohl das Wachstum als auch den Ertrag von allen Pflanzen. Aus diesen Gründen ist ein Verständnis der Stressanpassung von wesentlicher Bedeutung für die Pflanzenzüchtung. Während der letzten zehn Jahre lag das Augenmerk der Forschung hauptsächlich auf der Identifizierung von Stress-induzierten Genen und in mehreren Fällen konnte durch Überexpession bestimmter Gene auch eine verbesserte Stresstoleranz erzielt werden. Im Gegensatz dazu sind die molekularen Mechanismen, die Expression dieser Stressgene regulieren, noch weitgehend unklar. Wir konnten vor kurzem einen spezifischen MAP Kinase Signalweg in Arabidopsis identifizieren, der die MAP Kinase Kinase MKK2 und die beiden MAP Kinasen MPK4 und MPK6 involviert. Analysen zeigten, dass die Überexpression von MKK2 zu erhöhter Kälte- und Salztoleranz von Arabidopsispflanzen führt. Mittels Transkript, Phosphoprotein und Metabolit Profiling Techniken soll innnerhalb des vorliegenden Projekts der Mechanismus und die molekularen Targets dieses Signalwegs identifiziert und auf ihre biologische Bedeutung hin untersucht werden.

Pflanzenwachstum in Abhaengigkeit von der Salzakkumulation im Kontaktraum Pflanze/Boden (Rhizosphaere)

Pflanzen, die ihren Wasserbedarf aus salzhaltiger Bodenloesung decken, akkumulieren Salze in der wurzelnahen Bodenloesung. Das osmotische Potential der wurzelnahen Bodenloesung ist deshalb um ein vielfaches niedriger, als aus der Kenntnis der durchschnittlichen Salzgehalte der Bodenloesung abgeleitet werden kann. Folglich ist auch die Wasseraufnahmerate vieler Wurzeln deutlich eingeschraenkt. Es wird die Wasseraufnahmerate von Kulturpflanzen unterschiedlicher Salztoleranz, deren Wurzeln Rhizobodenloesungen unterschiedlicher osmotischer Potentiale ausgesetzt sind, und die Wirkung unterschiedlicher Naehrstoffgaben untersucht.

In-vitro-Etablierung von Acer pseudoplatanus

Zielsetzung: Entwicklung eines In-vitro-Vermehrungsprotokolls für Acer pseudoplatanus anhand von Pflanzenmaterial aus selektierten Elite-Bäumen. Der Berg-Ahorn (Acer pseudoplatanus) ist in Europa weit verbreitet, da er sowohl als Park- und Alleebaum, als auch in der Forstwirtschaft eine wichtige Bedeutung hat. Wegen der großen Blätter bietet er an Straßen relativ guten Lärmschutz, wobei die Empfindlichkeit gegen Streusalz von Nachteil ist. Als waldbaulich und ökologisch wertvolle Mischbaumart dient der Berg-Ahorn aufgrund seiner aus Verzweigung entstandenen Herzwurzel der Bodenverbesserung. Das qualitativ wertvolle Holz zählt zu den Edellaubhölzern und erzielt bei hochwertigen Stämmen Preise von mehreren tausend Euro. Häufig vermehrt sich der Berg-Ahorn von allein. Er kann aber auch gezielt aus Samen oder Stecklingen herangezogen werden. Zur Erzielung einer höheren Vermehrungsrate wird an der HBLFA für Gartenbau für Acer pseudoplatanus ein In-vitro-Vermehrungsprotokoll entwickelt. Von selektierten Elite-Bäumen wird juveniles Pflanzenmaterial beprobt und in vitro etabliert. Nach erfolgreicher In-vitro-Etablierung erfolgt in weiterer Folge die Methodenentwicklung für die In-vitro-Vermehrung, In-vitro-Bewurzelung und Akklimatisierung im Gewächshaus. Bei erfolgreichem Projektabschluss sind weitere wissenschaftliche Tätigkeiten in Bezug auf Entwicklung eines In-vitro-Protokolls zur Induktion von Salztoleranz (Streusalzempfindlichkeit bei Acer pseudoplatanus sehr hoch) geplant.

Innovationsraum: Halophyten und andere Makrophyten zur Filtration von nährstoffbelastetem Ab- und Oberflächenwasser in Freilandkultur

Innovationsraum: Halophyten und andere Makrophyten zur Filtration von nährstoffbelastetem Ab- und Oberflächenwasser in Freilandkultur, Teilprojekt 6 - Umsetzungsphase

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