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Der Einfluss von bodennaher Turbulenz auf den Transport von Tracern in marinen Becken (ROBOTRACE)

Mit diesem Antrag sollen die physikalischen Prozesse identifiziert, analysiert und quantifiziert werden, die zu dem Austausch von gelösten Substanzen zwischen der Sediment-Wasser Grenzschicht, innerhalb der turbulenten Bodengrenzschicht (bottom boundary layer, BBL) und dem schwach turbulenten Inneren von geschichteten Becken beitragen. Im Fokus stehen dabei der Effekt von geneigten Hängen, an denen die Austauschprozesse durch das Zusammenwirken des Wiederaufbaus der Bodengrenzschichtschichtung , der Turbulenz innerhalb der BBL und sub-mesoskaligen Prozessen, von denen angenommen wird, dass sie den lateralen Austauschraten von Wasser bestimmen, verkompliziert werden. Diese Prozesse werden durch einen kombinierten Ansatz aus Feldmessungen und numerischer Modellierung untersucht. Insbesondere wird sich das Projekt dabei auf den Sediment-Wasser Austausch von Schwefelwasserstoff und Sauerstoff fokussieren, der in Situ mit Hilfe eines Eddy-Korrelationsmessgerätes als auch mit einem Mikroprofilsystem gemessen wird. Diese Messung wird durch ozeanographische Standardmessungen ergänzt, als auch durch Schiffs- und Verankerungsbasierte Turbulenzmessungen. Dieser Datensatz ist neuartig durch die Kombination von (A) der Sediment-Wasserflüsse von Sauerstoff und Schwefelwasserstoff und (B) der Turbulenzmessungen innerhalb der BBL und des Beckeninneren. Zusätzlich zu den Feldmessungen ist eine numerische Modellierung auf der Basis eines einfachen Sedimentmodells in Kombination mit einer Parametrisierung der Transportprozesse an der Sediment-Wassergrenzschicht geplant. Dieses Modell wird in idealisierten, eindimensionalen Parameterstudien, sowie in einem zweidimensionalen Setup verwendet, welches sich auf die Austauschprozesse der Bodengrenzschicht mit dem Beckeninneren konzentriert. Für die Untersuchung von dreidimensionalen Strukturen wie Eddies auf den Sauerstoff/Schwefelwasserstofftransport wird ein voll dreidimensionales realistisches Modell der zentralen Ostsee angewendet.

Einfluss der jahreszeitlich unabhängigen Reproduktion auf die Qualität von Gameten und frühen Lebensstadien des Zanders (Sander lucioperca)

Zander (Sander lucioperca) ist auf dem Weg eine wichtige Zielart für die Aquakultur in Deutschland zu werden. Insbesondere die Produktion in geschlossenen Kreislaufanlagen (KLA), unter konstanten Umweltbedingungen und mit minimalem Wasseraustausch, birgt ein großes Potential. Die ganzjährige Bereitstellung von Satzmaterial für diese KLA ist noch ein limitierender Faktor, der jedoch durch die jahreszeitenunabhängige Reproduktion überwunden werden kann. Im Rahmen eines vorherigen DFG-Projektes wurde die endokrine Regulation der Gonadenreifung des Zanders unter veränderten exogenen Faktoren untersucht und ein Protokoll zur erfolgreichen photothermalen Induktion der Laichreife beschrieben. Dieses Protokoll wird jetzt in der betrieblichen Praxis angewandt.Im Rahmen dieses Erkenntnistransferprojektes untersuchen wir den Einfluss der photothermalen Induktionsmethode auf einschlägige Qualitätsparameter der Gameten und frühen Lebensstadien des Zanders. Durch eine Auswahl von biochemischen, enzymatischen und molekularbiologischen Markern und durch Wachstums- und Konditionsschätzer wollen wir herausfinden wie die Ei- und Spermienqualität und die Qualität der frühen Lebensstadien durch die wichtigsten Einflussgrößen aus dem Elterntierbestand determiniert werden. Wir vergleichen dazu den Einfluss der photothermalen Induktion mit dem Grad der Domestizierung, dem Grad der Prä-Ovulation und parentalen Effekten (größenspezifische maternale Effekte, Familienzusammensetzung, Laicherfahrung). Die Eizusammensetzung, Spermienmotilität und Fertilisationsraten geben damit ebenso Aufschluss über additive und nicht additive genetische Effekte, wie es Wachstums- und Expositionsversuche mit Larven und Juvenilen tun werden. Die Verbindung eines multifaktoriellen Versuchsplans mit der Verbindung von experimentellen und analytischen Ansätzen von den Elterntieren, über die Gameten hin zu den frühen Lebensstadien stellen ein bisher einmaliges Unterfangen zur Untersuchung der Reproduktionseigenschaften des Zanders und andere Fischarten dar.Ziel der Arbeit ist es grundlegende Qualitätsparameter für die Gameten und frühen Lebensstadien des Zanders mit den aktuell zur Verfügung stehenden Methoden zu beschreiben und die Wechselwirkungen der parentalen Effekte zu quantifizieren. Eine geeignete Auswahl von belastbaren und in der Praxis anwendbaren Qualitätsparametern, die einerseits auf die jeweiligen Einflussgrößen zurückzuführen sind und andererseits bei der Auswahl von geeigneten Elterntieren zur Reproduktion in KLA helfen, kann in das Bestandsmanagement aufgenommen werden und auf Grund dieser standardisierten Methoden können zukünftige Errungenschaften, insbesondere im Bereich der züchterischen Bearbeitung dieser Art, quantifiziert werden.

Charakterisierung des Virulenzspektrums von Fusarium spp. zur Züchtung klimaangepasster Erbsensorten, Teilprojekt A

Das Ziel ist leistungsstarke und ertragsstabile Erbsensorten mithilfe des Ansatzes vom Speed-breeding zu entwickeln, welcher eine höhere Selektionsintensität pro Jahr erlaubt und somit deutlich den Zuchtfortschritt beschleunigt. Die Ertragssicherheit soll dabei durch die Resistenz gegenüber Fusarium spp. wesentlich verbessert werden. Hierzu ist zu Beginn des Projektes eine umfassende Charakterisierung des Virulenzspektrums von Fusarium spp. in den bedeutenden Anbaugebieten geplant, um Inokulationslösungen für Resistenztests erstellen zu können und um Pflanzmaterial bedarfsgerecht auf Rassen von Fusarium spp. zu prüfen. Gleichzeitig sollen nach Wildakzessionen in internationalen Genbanken gesucht werden, um passende Resistenzen für das aktuelle Virulenzspektrum zu identifizieren, welche in leistungsstarkes Elitematerial übertragen werden soll. Für den Resistenztest in der Klimakammer soll ein Phänotypisierungs-Protokoll mithilfe von bereits verfügbaren Inokulationslösungen und Pflanzmaterial für einen Fusarium spp. Befall erarbeitet werden, welche eine effiziente Hochdurchsatz-Phänotypisierung erlaubt. Weiterhin sollen die Nachkommen aufspaltender Populationen hinsichtlich agronomischer Merkmale phänotypisiert und nach Abschluss der Charakterisierung des Virulenzspektrums von Fusarium spp. auf Fusarium Resistenz geprüft und selektiert werden. Selektierte Linien sollen schließlich bis zur F9 weiterentwickelt und im letzten Projektjahr im Freiland geprüft werden, um dort finale leistungsstarke und resistente Sortenkandidaten identifizieren zu können. Um künftig auf die aufwendigen Resistenztests verzichten zu können, sollen Marker für die identifizierten Resistenzen entwickelt werden. Anschließend sollen die anhand von Markerbsen erarbeiteten Ergebnisse auf Futter- und Amyloseerbsen übertragen werden. Dadurch werden weitere züchterische Perspektiven für die effektive Verbesserung dieser ebenfalls wirtschaftlich bedeutenden Kulturen eröffnet und Absatzmärkte erschlossn

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.

Optimale Versuchsplanung für Feldversuche in mehreren Umwelten

Neue Sorten werden in Feldversuchen in mehreren Umwelten (MET) extensiv getestet, um zuverlässige empirische Grundlage für Sortenempfehlungen für Landwirte zu erhalten. Falls die Zielpopulation von Umwelten groß genug und heterogen ist, ist eine Aufteilung in Subregionen oft vorteilhaft. Bei der Planung solcher Versuche erhebt sich die Frage der Zuordnung der Feldversuche den Subregionen. Zu Lösung dieses Problems werden meistens lineare gemischte Modelle angenommen. Optimale Versuchspläne (optimale Zuordnungen der Feldversuche) werden für beste lineare unverszerrte Vorhersagen (BLUPs) für Genotypeffekte und ihre paarweise lineare Kontraste bestimmt. In diesem Projekt werden lineare gemischte Modelle mit korrelierten Genotypeffekten untersucht, die zudem Jahres- und / oder Umweltfaktoren miteinbeziehen können. Außerdem ist geplant unvollständige Block-Designs (alpha-Designs, Zeilen-Spalten-Pläne) neben randomisierten vollständigen Block-Designs zu berücksichtigen. Für den Fall dass Markerdaten verfügbar sind, werden Versuchspläne für MET für Sparse Testing untersucht. Sparse Testing bedeutet die Prüfung jedes Genotyps ausschließlich in einem Teil der Feldversuche. Dadurch wird die Erfassung der Marker-Umwelt-Interaktion in einer erhöhten Zahl von Umwelten ermöglicht, wodurch eine höhere Präzision der Schätzung von Markereffekten erreicht wird. Die Aufgabe der Versuchsplanung ist nun die Zuordnung der Genotypen zu den Prüfumwelten. Die linearen gemischten Modelle sind hier so kompliziert, dass die Designfragestellungen nicht trivial sind. In den Fällen, wo die daraus resultierenden Designkriterien keine Spezialfälle von bekannten Kriterien sind, werden neue Berechnungsmethoden für optimale Versuchsplanung entwickelt. Eine zugehörige Fragestellung in dieser Forschung ist die Ermittlung von optimalen oder hocheffizienten Designs, die unabhängig von oder mindestens unsensitiv bzgl. der Kovarianzmatrix der zufälligen Effekte sind. Zu Lösung dieses Problems wird ein Bayesianischer Ansatz benutzt. Außerdem werden das Minimax-Kriterium und / oder das Maximin-Efficiency-Kriterium untersucht, die dem "worst case" bezüglich der zugrundeliegenden Kriterien entsprechen.

Transformation of organic carbon in the terrestrial-aquatic interface

The overarching goal of our proposal is to understand the regulation of organic carbon (OC) transfor-mation across terrestrial-aquatic interfaces from soil, to lotic and lentic waters, with emphasis on ephemeral streams. These systems considerably expand the terrestrial-aquatic interface and are thus potential sites for intensive OC-transformation. Despite the different environmental conditions of ter-restrial, semi-aquatic and aquatic sites, likely major factors for the transformation of OC at all sites are the quality of the organic matter, the supply with oxygen and nutrients and the water regime. We will target the effects of (1) OC quality and priming, (2) stream sediment properties that control the advective supply of hyporheic sediments with oxygen and nutrients, and (3) the water regime. The responses of sediment associated metabolic activities, C turn-over, C-flow in the microbial food web, and the combined transformations of terrestrial and aquatic OC will be quantified and characterized in complementary laboratory and field experiments. Analogous mesocosm experiments in terrestrial soil, ephemeral and perennial streams and pond shore will be conducted in the experimental Chicken Creek catchment. This research site is ideal due to a wide but well-defined terrestrial-aquatic transition zone and due to low background concentrations of labile organic carbon. The studies will benefit from new methodologies and techniques, including development of hyporheic flow path tubes and comparative assessment of soil and stream sediment respiration with methods from soil and aquatic sciences. We will combine tracer techniques to assess advective supply of sediments, respiration measurements, greenhouse gas flux measurements, isotope labeling, and isotope natural abundance studies. Our studies will contribute to the understanding of OC mineralization and thus CO2 emissions across terrestrial and aquatic systems. A deeper knowledge of OC-transformation in the terrestrial-aquatic interface is of high relevance for the modelling of carbon flow through landscapes and for the understanding of the global C cycle.

Lysimeteruntersuchungen zum Verhalten von 14C-markierten Pflanzenschutzmitteln im Boden

In praxisgerechten Freiland-Lysimetern, die den Einsatz 14C-markierter Wirkstoffe erlauben, sind in den letzten Jahren verschiedene Herbizide, Fungizide und Insektizide auf ihren Abbau und ihre Verlagbarkeit mit dem Sickerwasser untersucht worden. Die bisher erzielten Ergebnisse koennen dahingehend zusammengefasst werden, dass der ueberwiegende Anteil neu entwickelter Stoffe rasch im Boden abgebaut wird und nicht oder nur vereinzelt in Spuren im Sickerwasser zu finden ist.

Beeinflusst die induzierte Phytotoxizität bei Apfelnachbaukrankheit Malus domestica Wurzeln?

Apfel (Malus domestica) ist einer der wichtigsten angebauten Früchte weltweit. In Baumschulen werden Pflanzen häufig neu gepflanzt (2-3 Jahre), was zu einer verminderten Ernteproduktivität führt, die auch als Apfelnachbaukrankheit (ARD) bezeichnet wird. ARD kann definiert werden als "eine schädlich, gestörte physiologische und morphologische Reaktion von Apfelpflanzen auf Böden, die aufgrund früherer Apfelkulturen Veränderungen in ihrem (Mikro-) Biom ausgesetzt waren". Früher wurden Bodenbegasungsmittel zur Bekämpfung von ARD verwendet. Bei diesen Mitteln sind Anwendungsschwierigkeiten, hohe Kosten und Gefahren für die Umwelt und die menschliche Gesundheit als problematisch anzusehen. Daher wäre die Züchtung und/oder Selektion weniger empfindlicher Genotypen eine nachhaltigere Lösung für ARD. Die Entwicklung von ARD-assoziierten Markern beruht jedoch auf einem besseren Verständnis der molekularen Reaktionen in planta, um die Ätiologie der Krankheit zu entschlüsseln. Kürzlich wurde gezeigt, dass Phytoalexinbiosynthesegene nach sieben Tagen Kultur auf ARD-Boden im Vergleich zu desinfiziertem ARD-Boden stark hochreguliert sind. Es zeigte sich, dass sich die Phytoalexine im Wurzelsystem in sehr hohen Konzentrationen anhäufen, was zu einer möglichen Phytotoxizität führt. ABC-Transporter, die an der Translokation und Exsudation von Phytoalexinen beteiligt sind, zeigten keine Regulation, was zu der Annahme führte, dass Phytoalexine unter ARD-Bedingungen nicht in den Boden ausgeschieden werden und sich daher in sehr hohen Konzentrationen in den Wurzeln anreichern. Zusätzlich kann der vakuoläre Transport behindert werden, was zu einer fehlenden Entgiftung der akkumulierten Substanzen führt. Ein möglicher Grund für die möglicherweise eingeschränkte Exsudation von Phytoalexinen oder von Sequestrierung in Vakuolen über ABC-Transporter könnte die Entstehung toxischer Zyanidkonzentrationen in ARD-betroffenen Pflanzen sein, was zu weniger ATP-Verfügbarkeit für ABC-Transporter führt. Ziel des Projektes ist es, die Rolle von ARD-induzierten Phytoalexinen bei ARD und molekulare Reaktionen in ARD-betroffenen Pflanzen aufzuklären. Der Fokus wird darauf liegen, ihre Rolle bei ARD unter Berücksichtigung weiterer interagierender Gene/Proteine abzuleiten. Die Toxizität und Lokalisation der Verbindungen werden ebenso analysiert wie Entgiftungsmechanismen, z.B. Transport aus dem Zytoplasma. Darüber hinaus werden weitere toxische Nebenprodukte im Cyanidstoffwechsel sowie die Energieversorgung näher untersucht, um einen detaillierten Überblick über die molekularen Mechanismen bei ARD zu erhalten. Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung, Mikroskopie, Genexpressionsstudien und metabolische Analysen werden eingesetzt, um dieses Ziel zu erreichen. Vergleiche zwischen einem sensitiven und einem weniger sensitiven Genotyp sollen Erkenntnisse für die frühe Vorhersage von ARD-Schweregraden in Böden liefern und dabei helfen ARD-tolerante Apfelpflanzen auszuwählen.

Quantifizierung der Gerinnespeicherung von kohäsiven Feinpartikeln im Verlauf von künstlich erzeugten Hochwasserwellen und stationären Trockenwetterrandbedingungen

Kohäsive Feinpartikel sind potentielle Träger von anorganischen und organischen Schadstoffen und spielen eine entscheidende Rolle beim Stoffaustausch zwischen Wasserkörper, Schwebstoff und Sediment. Daher ist die Kenntnis der Depositionsdynamik dieser Feinpartikel ein wichtiger Baustein für ein effizientes Sedimentmanagement und eine physikalisch basierte Modellierung des Schadstofftransfers in Fließgewässern. Es überrascht jedoch, dass sich Untersuchungen zum Transport- und Sedimentationsverhalten kohäsiver Partikel bisher häufig auf definierte stationäre Randbedingungen im Labormaßstab und Trockenwetterbedingungen im Gelände konzentrieren. Weitgehend ungeklärt ist hingegen das Verhalten von Feinpartikeln und deren Speicherung im Gerinnebett während der dynamischen Phase von Hochwasserereignissen. Um die im Gerinne ablaufenden Prozesse weitgehend unabhängig von den Einzugsgebietsprozessen zu untersuchen hat sich in unserer Arbeitsgruppe seit nunmehr über 10 Jahren ein Ansatz mit künstlich generierten Hochwasserwellen bewährt. Es ist ein genereller Vorteil von solchen Geländeexperimenten, dass einzelne steuernde Größen ausgeschlossen oder gezielt kontrolliert werden können. Außerdem ist ein solcher Ansatz eine Voraussetzung, um die Aussagekraft experimentell gewonnener Laborergebnisse zur potentiell hohen Feinpartikel-Retention in Sand- und Kiessedimenten in einem natürlichen System zu validieren. Das übergeordnete Ziel des hier beantragten Projekts ist es, die Gerinnespeicherung kohäsiver Feinpartikel in einem natürlichen System bei variierenden hydrologisch-hydraulischen Randbedingungen zu quantifizieren. Zu diesem Zweck werden standardisierte Feinpartikeltracer (Kaolinit, d50 = 2ìm, ñ = 2,6 g/cm3) sowohl im Verlauf von künstlich generierten Hochwasserwellen als auch während stationärer Trockenwetterbedingungen in einen Mittelgebirgsbach induziert. Die Retention und Sedimentation der eingegebenen Feinpartikel wird gezielt in kleinräumig variierenden Flussbettstrukturen (Hyporheische Zone, Stillwasserzonen, Gerinnerandbereiche, Riffle-Pool-Sequenzen) und für einzelne Gerinneabschnitte erfasst. Die Quantifizierung der Speicherung erfolgt mit bereits erprobten Resuspensionstechniken und Sedimentfallen sowie einer in Pilotprojekten erfolgreich getesteten Tracerfrachtberechnung mittels FTIR-DRIFT Spektroskopie an mehreren Basismessstationen im Längsprofil. In einem interdisziplinären Forscherverbund mit Kollegen des 'Hydraulics Laboratory' und des 'Dept. of Civil Engineering' der Universität Gent, der 'Ecosystem Management Research Group, Dept. of Biology' der Universität Antwerpen und des 'Dept. of Hydrology and Hydraulic Engineering' der Freien Universität Brüssel in Belgien wird darüber hinaus die Transport- und Speicherdynamik der Feinpartikel mit der neuen, FORTRAN basierten Modellierungssoftware 'FEMME' ('Flexible Environment for Mathematically Modelling the Environment') abgebildet.

Änderungen der Cant Speicherung und Änderungen in den Bildungsraten für Zwischen- Tiefen- und Bodenwasser im globalen Ozean, 1982 - 2015

Die erste Antragsphase war auf die Bildungsraten und die Speicherung von anthropogenem Kohlenstoff (Cant) im Antarktischen Zwischenwasser (AAIW) fokussiert. Mit Hilfe von Freon (CFC) Daten konnten wir eine signifikante Reduktion der AAIW Bildungsrate von den 1990ern zu den 2000ern Jahren feststellen. Dies führte zu einer geringeren Steigerung der Cant Speicherung als vom atmosphärischen Cant Anstieg und einem unveränderten Ozean zu erwarten war. Um den Schwierigkeiten mit den Randbedingungen auszuweichen (Pazifisches AAIW strömt über die Drake Passage auch in den Atlantik und weiter in den Indischen Ozean) planen wir nun ein globales Vorgehen um in allen Ozeanen die Bildungsraten und Cant Speicherungen in den Zwischen- Tiefen- und Bodenwassermassen zu berechnen. Darüber hinaus wird der Zeitraum bis 2015 ausgedehnt, und wo immer die Datenlage es zulässt, Pentaden- anstatt Dekadenmittelwerte gebildet. Verwendet wird der aktualisierte GlODAPv2 Datensatz und eigene Daten.Die Berechnungen aus den Beobachtungen werden mit den Ergebnissen eines wirbelauflösenden globalen Ozeanmodells (1/10 Grad) kombiniert. Das POP Modell (Los Alamos Laboratory Parallel Ocean Program) mit eines horizontalen Auflösung von 0.1 Grad und 42 Tiefenstufen wird für die letzten 20 Jahre mit einem realistischen Forcing angetrieben und enthält außerdem die Freone als Tracer. Neben dem Vergleich mit einem klimatologischen Antrieb wird das Modell zur Weiterentwicklung der Tracer-Methode verwendet wir z.B. die Unsicherheit von zu wenig Datenpunkten und der Extrpolationsroutine auf die Bildungsraten / Cant Speicherungen. Ein weiterer wichtiger Punkt wird die Bestimmung der TTDs aus Lagrange Trajektorien und der Vergleich mit TTDs aus Tracermessungen sein, sowie die Untersuchung der Rolle der Wirbel, der Vermischung durch Wirbel und der vertikalen Vermischung.

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