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Forschergruppe (FOR) 5116: Kommunikation in der Wirtspflanzen-Mikroben-Interaktion durch extrazelluläre RNA, Teilprojekt: Untersuchungen zur RNA-Interferenz über Grenzen biologischer Reiche hinweg in der Gerste-Mehltau-Interaktion

Mehltaupilze sind obligat biotrophe Phytopathogene, die agronomisch relevant sind und in enge Beziehungen zu ihren Wirtspflanzen treten. Die Interaktion zwischen Gerste (Hordeum vulgare) und ihrem Mehltaupilz, Blumeria hordei, steht im Fokus unserer Forschungsarbeiten. In der zweiten Förderphase von FOR5116 werden wir auf den Resultaten aufbauen, die wir beim Studium der Kommunikation über extrazelluläre RNA zwischen Gerste und B. hordei während der ersten Förderperiode erhalten haben. Ein Schlüsselbefund ist die Entdeckung des Auftretens ortsspezifischer kleiner RNAs (sRNAs) in pilzlichen Hyphen und Haustorien, infizierter Epidermis der Gerste, einer angereicherten Vesikelfraktion der Epidermis, und extrazellulären Vesikeln. Außer kanonischen sRNAs der Wirtspflanze und des pilzlichen Pathogens haben wir unerwarteterweise auch eine Anreicherung spezifischer Fragmente von 5.8 ribosomaler RNA der Gerste in extrazellulären Vesikeln und infizierter Epidermis sowie spezieller Transfer-RNA-Fragmente von B. hordei in Haustorien entdeckt. Zusammenfassend deuten diese Befunde auf eine Überführung von sRNAs über Grenzen biologischer Reiche hinweg in der Gerste-Mehltau-Interaktion hin. In der zweiten Förderphase möchten wir die biologische Signifikanz dieser Ergebnisse untersuchen. Hierzu haben wir bereits ein umfangreicheres Experiment zur Erfassung der sRNAs initiiert, welches auch mRNA- und Degradom-Sequenzierungen beinhaltet, um mögliche Zielgene der sRNAs in beiden Interaktionspartnern zu identifizieren. Wir werden weiterhin selektierte sRNAs im Kontext der Interaktion überexprimieren und binden (mittels STTM-Technologie) und ihre Wirksamkeit zum Stummschalten von Genen mithilfe eines speziellen Reportersystems überprüfen. Ferner werden wir die Fähigkeit der gefundenen Transfer-RNA- und ribosomalen RNA-Fragmente, mit dem Prozess der Translation zu interferieren, untersuchen. Da robuste Marker für extrazelluläre Vesikel wichtig für zellbiologische Studien sind, werden wir eine fortgeschrittene Proteom-Analyse von angereicherten und gereinigten Fraktionen extrazellulärer Vesikel durchführen. Schließlich möchten wir die RNA-bindenden Proteine, die mit den von uns gefundenen sRNAs assoziiert sind, erkunden. Da Argonaut-Proteine hierfür offensichtliche Kandidaten sind, werden wir diese anreichern, z.B. mithilfe der neuartigen TraPR und AGO-APP-Ansätze. Wir werden auch die Untersuchung des RNase-artigen Effektorproteins BEC1015/CSEP0064 fortsetzen, welches ein Mitglied einer großen Superfamilie in B. hordei und ein vielversprechender Kandidat für sRNA-Bindung ist. Wir werden einerseits in gezielter Weise die in vitro RNA-Bindungskapazität dieses Effektorproteins testen. Andererseits werden wir fortgeschrittene CLIP-Methoden verwenden, um RNAs anzureichern, die in vivo an dieses Effektorprotein gebunden sind. Zusammengenommen versprechen diese experimentellen Ansätze, die Rolle des RNA-Transfers im Verlauf der Gerste-Mehltau-Interaktion weiter zu erhellen.

Nachweis von Nährstoffbiomarkern für das AI-vermittelte Düngemittelmanagement in der Landwirtschaft, TP4: Drones-NAIFM: Bilddatenerhebung und Gesamtprozessentwicklung

Untersuchungen des Grundwasserhaushaltes und -stroemungsfelds im Rahmen umweltrelevanter Fallstudien

Zur Loesung von Problemen der Wassererschliessung, des Trinkwasserschutzes, der Abfallagerung und -beseitigung sowie der Ingenieurgeologie werden Tracermethoden und spezielle hydrogeologische Methoden in Poren-, Karst- und Kluftwasserleitern eingesetzt.

Züchtung von Apfelsorten mit Resistenz gegenüber Klima-bedingtem Stress, Teilprojekt D

Die deutsche Apfelproduktion steht vor einer Vielzahl an Herausforderungen. Nachhaltige Produktion oder auch Ökologisierung der Landwirtschaft und Resilienz gegenüber Auswirkungen des Klimawandels sind nur einige der Forderungen, denen sich die Produzenten neben der wachsenden internationalen Konkurrenz am Markt stellen müssen. Um diesen Forderungen gerecht zu werden und in Deutschland alle Kräfte zu fördern, die sich mit Apfelzüchtung befassen, wird ein Verbund aus institutionellen Züchtern und vielen der derzeit existierenden privaten Züchtungsinitiativen, der Fachgruppe Obstbau im Bundesausschuss Obst und Gemüse und der Fördergemeinschaft Ökologischer Obstbau e.V. (FOEKO) angestrebt, der sich den Herausforderungen gemeinsam stellen will. Dieser Verbund setzt sich als erstes Ziel die Realisierung des Projektes ApRésKlimaStress. In ApRésKlimaStress sollen durch phänotypische Evaluierungen und die Genotypisierung genetischer Ressourcen bei Apfel neue Quellen für Mehltau- und Schorfresistenz identifiziert werden, da nur wenig Resistenzen zur Verfügung stehen, die noch nicht gebrochen sind. Für die Bekämpfung dieser klimarelevanten Schaderreger sind im Erwerbsobstbau bis zu 20 Pflanzenschutzmittelbehandlungen pro Saison notwendig, was den ökologischen Fußabdruck der Produktion deutlich erhöht. Die Züchtung von Sorten mit pyramidisierten Resistenzen gegenüber beiden Schaderregern auch unter Nutzung kolumnarer Apfelsorten, die eine erhöhte Resilienz gegenüber Trockenstress ermöglichen, wird als Möglichkeit gesehen den oben genannten Herausforderungen zu begegnen. Als weitere Resistenzquelle wird auch die Nichtwirtsresistenz von Apfel/Birnenhybriden evaluiert. Ziel ist die Entwicklung von kostengünstigen und einfach umsetzbaren molekularen Markers: KASP-Assays, die von allen Partnern unabhängig, je nach der eigenen Züchtungsstrategie kombiniert und genutzt werden können. Die Umsetzung der Analysen kann dann bei unabhängigen Anbietern beauftragt werden.

Züchtung von Apfelsorten mit Resistenz gegenüber Klima-bedingtem Stress, Teilprojekt C

Die deutsche Apfelproduktion steht vor einer Vielzahl an Herausforderungen. Nachhaltige Produktion oder auch Ökologisierung der Landwirtschaft und Resilienz gegenüber Auswirkungen des Klimawandels sind nur einige der Forderungen, denen sich die Produzenten neben der wachsenden internationalen Konkurrenz am Markt stellen müssen. Um diesen Forderungen gerecht zu werden und in Deutschland alle Kräfte zu fördern, die sich mit Apfelzüchtung befassen, wird ein Verbund aus institutionellen Züchtern und vielen der derzeit existierenden privaten Züchtungsinitiativen, der Fachgruppe Obstbau im Bundesausschuss Obst und Gemüse und der Fördergemeinschaft Ökologischer Obstbau e.V. (FOEKO) angestrebt, der sich den Herausforderungen gemeinsam stellen will. Dieser Verbund setzt sich als erstes Ziel die Realisierung des Projektes ApRésKlimaStress. In ApRésKlimaStress sollen durch phänotypische Evaluierungen und die Genotypisierung genetischer Ressourcen bei Apfel neue Quellen für Mehltau- und Schorfresistenz identifiziert werden, da nur wenig Resistenzen zur Verfügung stehen, die noch nicht gebrochen sind. Für die Bekämpfung dieser klimarelevanten Schaderreger sind im Erwerbsobstbau bis zu 20 Pflanzenschutzmittelbehandlungen pro Saison notwendig, was den ökologischen Fußabdruck der Produktion deutlich erhöht. Die Züchtung von Sorten mit pyramidisierten Resistenzen gegenüber beiden Schaderregern auch unter Nutzung kolumnarer Apfelsorten, die eine erhöhte Resilienz gegenüber Trockenstress ermöglichen, wird als Möglichkeit gesehen den oben genannten Herausforderungen zu begegnen. Als weitere Resistenzquelle wird auch die Nichtwirtsresistenz von Apfel/Birnenhybriden evaluiert. Ziel ist die Entwicklung von kostengünstigen und einfach umsetzbaren molekularen Markers: KASP-Assays, die von allen Partnern unabhängig, je nach der eigenen Züchtungsstrategie kombiniert und genutzt werden können. Die Umsetzung der Analysen kann dann bei unabhängigen Anbietern beauftragt werden.

Der Einfluss der Mykorrhizatypen und der Diversität der Bäume auf die Stabilisierung des Kohlenstoffs im Boden

Böden speichern große Mengen an Kohlenstoff (C) in der organischen Bodensubstanz (OBS), die durch Einschluss in Aggregate oder Bindung an Oberflächen von Mineralen vor mikrobieller Zersetzung geschützt ist. Je nachdem, welche Fraktion der OBS betrachtet wird, sind die Quellen sehr unterschiedlich. Während die partikuläre organische Substanz hauptsächlich aus Pflanzenresten besteht, stammt die mineralassoziierte organische Substanz größtenteils aus mikrobiellen Rückständen. In Wälder der gemäßigten Zonen spielt zudem die Symbiose zwischen Bäumen und Pilzen, die Mykorrhiza, eine wichtige Rolle für die C-Speicherung im Boden. Wälder, die von Bäumen mit Ektomykorrhiza (ECM) dominiert werden, weisen höhere C-Vorräte auf, verglichen mit Wäldern mit arbuskulärer Mykorrhiza (AM). Diese C-Vorräte sind jedoch weniger stabilisiert und das Verhältnis der partikulären zur mineralassoziierten OBS ist in ECM Wäldern höher als in AM Wäldern. Ein mechanistisches Verständnis der Faktoren und Prozesse, durch die die verschiedenen Mykorrhizatypen die partikuläre und die mineralassoziierte OBS beeinflussen, fehlt jedoch bislang. Wir nehmen an, dass der Mykorrhizatyp die Rhizodeposition beeinflusst, insbesondere die Vielfalt der Metabolite und die Dynamik des C-Eintrags, und dadurch ein Schlüsselfaktor für die C-Speicherung im Boden ist. Unsere Hypothese ist, dass in AM-dominierten Wäldern ein geringer, aber kontinuierlicher Eintrag von hochdiversen Rhizodepositen die mikrobiellen Gemeinschaften fördert, die dann zu einer erhöhten C-Stabilisierung in Form von mineralassoziierter OBS beitragen. Im Gegensatz dazu fördert ein unregelmäßiger und hoher C-Eintrag, bei gleichzeitiger Unterdrückung saprotropher Pilze (Gadgil Effekt), die Akkumulation der partikulären OBS in ECM Wäldern. Um die Hypothesen dieses Gemeinschaftsprojekts zu prüfen, werden wir auf ein etabliertes Experiment zur Diversität von Bäumen, bei dem die Häufigkeit von Mykorrhizatypen manipuliert wird, zurückgreifen. Dieses wird durch innovative Experimente im Labor und modernste Methoden, wie die Markierung mit stabilen Isotopen, die Identifizierung mittels Biomarkermolekülen und die Flüssigkeitschromatographie/Massenspektrometrie, kombiniert. Das vorgeschlagene Projekt wird zu einem umfassenden Verständnis der durch den Mykorrhizatyp bedingten Mechanismen des C-Umsatzes in Wäldern der gemäßigten Breiten beitragen. Dadurch wird es möglich, künftige Veränderungen der C-Vorräte in Waldökosystemen besser vorherzusagen und neue Waldbewirtschaftungsstrategien zu entwickeln, um die C-Speicherung im Boden zu erhalten oder sogar zu erhöhen.

Linking nutrient cycles, land use and biodiversity along an elevation gradient on Mt. Kilimanjaro

To understand impacts of climate and land use changes on biodiversity and accompanying ecosystem stability and services at the Mt. Kilimanjaro, detailed understanding and description of the current biotic and abiotic controls on ecosystem C and nutrient fluxes are needed. Therefore, cycles of main nutrients and typomorph elements (C, N, P, K, Ca, Mg, S, Si) will be quantitatively described on pedon and stand level scale depending on climate (altitude gradient) and land use (natural vs. agricultural ecosystems). Total and available pools of the elements will be quantified in litter and soils for 6 dominant (agro)ecosystems and related to soil greenhouse gas emissions (CO2, N2O, CH4). 13C and 15N tracers will be used at small plots for exact quantification of C and N fluxes by decomposition of plant residues (SP7), mineralization, nitrification, denitrification and incorporation into soil organic matter pools with various stability. 13C compound-specific isotope analyses in microbial biomarkers (13C-PLFA) will evaluate the changes of key biota as dependent on climate and land use. Greenhouse gas (GHG) emissions and leaching losses of nutrients from the (agro)ecosystems and the increase of the losses by conversion of natural ecosystems to agriculture will be evaluated and linked with changing vegetation diversity (SP4), vegetation biomass (SP2), decomposers community (SP7) and plant functional traits (SP5). Nutrient pools, turnover and fluxes will be linked with water cycle (SP2), CO2 and H2O vegetation exchange (SP2) allowing to describe ecosystem specific nutrient and water characteristics including the derivation of full GHG balances. Based on 60 plots screening stand level scale biogeochemical models will be tested, adapted and applied for simulation of key ecosystem processes along climate (SP1) and land use gradients.

Optimierung chemisch-ökologisch vermittelter Resistenz gegen den Rapsglanzkäfer und deren Introgression in den Raps, Teilvorhaben 1: Introgression der Resistenz aus Eruca sativa

Optimierung chemisch-ökologisch vermittelter Resistenz gegen den Rapsglanzkäfer und deren Introgression in den Raps, Teilvorhaben 2: Bioassays und chemische Charakterisierung

'Resistenzmanagementstrategien von Baculoviren im biologischen Pflanzenschutz'

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