s/trockenheitresistenz/Trockenheitsresistenz/gi
Zunehmende Dürreperioden haben in den letzten Jahren Wälder in Mitteleuropa stark geschädigt. Unser Verständnis von Legacy-Effekten, d.h. von Abweichungen des Ökosystemzustands vom Zustand vor der Dürre aufgrund einer verzögerten Erholung oder Überkompensation, ist jedoch begrenzt. Die Dürreauswirkung auf verschiedene Baumarten und deren Erholung werden durch ein komplexes Zusammenspiel zwischen der Anpassungsstrategie einer Art, sowie den edaphischen und hydrologischen Bedingungen bestimmt. Diese ökohydrologischen Feedbacks an der Schnittstelle zwischen Boden und Baum können Schlüsselfaktoren für die Verstärkung oder Abmilderung von Dürreauswirkungen sein. Insbesondere unterirdische Prozesse und der Einfluss artenspezifischer ökohydrologischer Feedbacks bei Trockenheit sind weitgehend unerforscht. Um diese ökohydrologischen Feedbacks zu quantifizieren, sind stabile Wasserisotope ein idealer Tracer. Unser neues Messsystem zur kontinuierlichen Messung stabiler Wasserisotope in-situ ermöglicht wichtige unterirdische Prozesse, wie z.B. die Wasseraufnahme von Wurzeln, und deren Einfluss auf den Wasserhaushalt der Bäume auf täglicher Basis zu bestimmen. Mit einem Regenausschlussexperiment werden wir die Dürreresistenz und Legacy-Effekte von fünf wichtigen Baumarten (Buche, Fichte, Tanne, Traubeneiche, Douglasie) unter verschiedenen Trockenheitsregimen untersuchen. Isotopen-Tracer-Experimente nach jeder Dürre in Kombination mit ökohydrologischen Messungen werden zur Quantifizierung von Dürrefolgen von a) Sommer-, b) Frühjahrs- und c) wiederkehrender Trockenheit und der Auswirkung von ökohydrologischen Feedbacks auf verschiedene Legacy Effekte genutzt. Ziel ist die Quantifizierung der unterschiedlichen Dürre- und Legacyeffekt der fünf ausgewählten Baumarten insbesondere bezüglich wiederkehrender Trockenheit. Wir untersuchen die Hypothese, dass die art-spezifischen ökohydrologischen Feedbacks an der Schnittstelle zwischen Baum und Boden für die Legacy-Effekte bei wiederkehrender Trockenheit entscheidend sind. In Arbeitspaket 1 (AP1) wird unser Messsystems für stabile Wasserisotopen weiterentwickelt, um eine höhere räumliche und zeitliche Auflösung zu ermöglichen. Nach der Installation von ökohydrologischen Messsensoren (AP2) werden eine Frühjahrs- (1. Jahr) und Sommertrockenheit (2. Jahr) mit einem dynamischen Regenausschlussexperiment simuliert (AP3). Isotopentracer-Experimente nach den experimentellen Dürren werden ökohydrologischen Feedbacks an der Schnittstelle zwischen Baum und Boden aufdecken und ihre Bedeutung für Legacy Effekte herausstellen. AP4 wird Legacy-Effekte und ökohydrologische Feedbacks quantifizieren und darauf abzielen, hydrologische Modelle zu verbessern, um ökohydrologische Feedbacks zu berücksichtigen (WP4). Die Untersuchung von Trockenheitsanfälligkeit, Legacy-Effekten und deren ökohydrologischen Feedbacks wird wichtige Erkenntnisse liefern, um unsere Wälder klimaresistenter zu machen.
Das Ziel unserer Untersuchungen ist es, molekulare Mechanismen aufzuklaeren, die zur Trockentoleranz bei hoeheren Pflanzen fuehren. Dazu untersuchen wir als Modellsystem die Wiederauferstehungspflanze C. plantagineum. Diese Pflanze zeichnet sich durch eine extreme Trockentoleranz aus. Wir haben mehrere Gene isoliert, die waehrend des Trockenstresses induziert werden. Es wird untersucht, inwieweit diese Genprodukte zur Trockentoleranz beitragen. Die Gene koennen in drei Gruppen eingeteilt werden: Lea-(late anbryogenesis abundant) Gene, Gene, die fuer Produkte des Kohlenhydratstoffwechsels kodieren, sowie regulatorische Gene.
Mit Hilfe von next generation Resequenzierung werden Genomregionen mit Einfluss auf die Trockentoleranz in Mais charakterisiert. Diese Regionen werden in einer Introgressionsbibliothek, die für Trockentoleranz spaltet, gezielt angesprochen. Mit Trockentoleranz assoziierte Gene werden umfassend charakterisiert und in einer Sammlung diverser Maislinien auf allelische Variation untersucht. Ein in silico Ansatz dient der Lokalisierung weiterer Gene für Trockentoleranz und der Erstellung einer virtuellen Genomkarte für die Trockenstressantwort im Mais.
Die unterschiedlichen Entwicklungs- und Signalprozesse in Pflanzen erfordern eine spezifische Planung der Probenahmezeit und eine Anpassung für die Genotypen, die sich in der Entwicklung unterscheiden. Überraschenderweise gibt es weder etablierte Methoden für eine dynamische Planung der Probenahme, noch Werkzeuge für die Echtzeitüberwachung von Entwicklungsstadien verschiedener Genotypen. Wir werden statistische und maschinelle Lernmethoden für die Überwachung von Pflanzenentwicklungsstadien unter Verwendung eines Hochdurchsatzphänotypisierungssystems entwickeln und Werkzeuge für die dynamische Planung der Probenahme solchen Experimenten bereitstellen. Unsere Haupthypothese ist, dass wir durch die Anpassung der Versuchspläne an die in den Versuchen tatsächlich beobachtete Pflanzenentwicklung eine höhere statistische Aussagekraft bei der Verknüpfung von Phänotypen mit molekularen Parametern ermöglichen und die Effizienz der Schätzung genetischer Effekte verbessern werden. Wir bezeichnen das Phänomen, dass Pflanzen unterschiedlich auf Umweltsignale reagieren und zu unterschiedlichen Zeitpunkten in Entwicklungsstadien eintreten, als (Entwicklungs-)Heterochronie. Unsere Hauptforschungsfrage lautet: Wie können phänotypische und umweltbezogene Daten, die in Echtzeit verarbeitet, als Input für ein Entscheidungshilfesystem dienen, das eine dynamische Planung der Probenahme für Assays auf molekularer Ebene in Anwesenheit von Entwicklungsheterochronie ermöglicht. Wir schlagen Methoden der Datenverarbeitung und -integration vor, die für eine dynamische Versuchsplanung unter Verwendung zweier statistischer Ansätze erforderlich sind: multivariate lineare gemischte Modelle und funktionale Datenanalyse. Wir werden eine Echtzeit-Klassifizierung der Entwicklungsstadien mit Hilfe einer auf Deep Learning basierenden Bildanalyse erreichen. Wir werden die auf statistischem und maschinellem Lernen basierenden Methoden in Echtzeit als Hilfsmittel für Planungsentscheidungen bei Experimenten einsetzen. Wir werden die entwickelten Algorithmen für die Analyse von Datensätzen aus einer Reihe von früheren Experimenten in verschiedenen Weizen- und Gerstenpanels verifizieren. Außerdem werden wir die Methoden auf der Grundlage neu generierter molekularer und phänomischer Daten validieren und weiter optimieren. Das Projekt wird erhebliche Auswirkungen auf die quantitative Genetik, die Pflanzenzüchtung und die Analyse phänotypischer Daten haben, da es sich mit wichtigen, aber bisher weitgehend übersehenen Aspekten der Versuchsplanung, der Datenmodellierung und der Entwicklung der Infrastruktur für Phänotypisierungsdaten befasst. Nicht zuletzt werden die vorgeschlagenen Proof-of-Concept-Experimente ein neues Licht auf zeitliche Aspekte der Trockentoleranz von Gerste werfen und neue, einzigartige Daten über die Interaktion zwischen genetischen Determinanten der Stresstoleranz, der Pflanzenentwicklung und dem Zeitpunkt des Auftretens von Stress liefern.
Die Saatgutbeschichtung ist ein Verfahren, welches in der Landwirtschaft bei über 50 Pflanzenarten angewandt wird und zur Verbesserung der Lagerung, Lebensfähigkeit und Keimung von Saatgut dient, was zu einem beschleunigten Pflanzenwachstum und höheren Erträgen führt. Bei herkömmlichen Saatgutbeschichtungen werden nicht abbaubare synthetische Polymere wie Polyether oder Polyurethane verwendet. Diese bieten nicht nur ein schlechtes Verhältnis zwischen Wirkstoff und Polymer, sondern tragen auch zur Verschmutzung durch Mikroplastik bei. Zukünftige EU-Verordnungen werden solche Materialien verbieten. Um diese Einschränkungen zu überwinden, schlagen wir die Entwicklung einer neuen Technologie vor, welche für die langfristige Konservierung und verbesserte Keimung von Saatgut in verschiedenen Klimazonen erforderlich ist. Wir schlagen eine adaptive Technologie zur Beschichtung von lebendem Saatgut vor, bei der ein Zusammenspiel zwischen biobasierten Hydrogelen und Nutzbakterien genutzt wird. Polysaccharide wie Dextran und Pektin, werden chemisch modifiziert, um funktionelle Gruppen zu integrieren, die für die Bildung kovalenter Vernetzungen in Hydrogelen verwendet werden können. Bifunktionelle Adhäsionspeptide werden zur Dekoration der Oberfläche von Bakterien verwendet, um eine nicht-kovalente Bindung der Bakterien an die Polysaccharidketten des Hydrogels zu gewährleisten. Anschließend werden reaktive Polysaccharide, Vernetzer oder Enzyme mit peptiddekorierten Rhizobakterien und Trehalose kombiniert und mit Hilfe einer Trommelbeschichtungstechnik auf verschiedene Samen aufgebracht. Wir werden die Beschichtungen auf molekularer, zellulärer und makroskopischer Ebene untersuchen und dabei die Dynamik der Vernetzungen, die Wechselwirkungen zwischen Peptiden und Bakterien, das Verhalten der Bakterien in den Hydrogelschichten sowie die Keimung der beschichteten Samen untersuchen. Folgende Ziele sollen erreicht werden: 1) Verbesserung der Trockentoleranz durch die Entwicklung programmierbarer Hydrogele, die nützliche Bakterien, Sporen und Samen als Reaktion auf Umwelteinflüsse rehydrieren. Dadurch wird die Anpassungsfähigkeit verbessert und das Wachstum in verschiedenen Klimazonen gefördert. 2) Entwicklung von Biohydrogel-Vernetzungen für die kontrollierte Keimung von Sporen und Mobilitätserhaltung von Bakterien. 3) Erforschung der Integration verschiedener Bakterienpopulationen für interaktive Kommunikation und langfristige Anpassungsfähigkeit in komplexen Ökosystemen. 4) Entwicklung umweltfreundlicher Saatgutbeschichtungen mit kontrolliertem Abbau, um Mikroplastik zu bekämpfen und so eine nachhaltige Landwirtschaft zu fördern. Dieses Projekt zielt darauf ab, die Biohybridtechnologie durch systematisches Design und Synthese von adaptiven lebenden Materialien voranzutreiben und Anwendungen für die Saatgutbeschichtung zu erforschen. In der zweiten Phase sollen diese Saatgutbeschichtungen in verschiedene Umgebungen untersucht werden.
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.
Klimamodelle sagen eine weitere Erhöhung der Lufttemperatur und gleichzeitig Änderungen in der Niederschlagshäufigkeit sowie - Intensität voraus. Hohe Temperaturen fördern Trockenperioden und Hitzewellen - wie z.B. im Jahr 2003 - werden alle paar Jahre auftreten. Ostösterreich ist eine Trockenregion mit jährlichen Niederschlagssummen zwischen 500 und 700 mm. Daher ist die Wasserverfügbarkeit einer der wichtigsten Parameter bezüglich der Stabilität der Wälder in Ostösterreich. Die negativen Effekte klimatischer Extremereignisse sind nicht nur im Jahr des Auftretens sichtbar. Sie zeigen Wirkung auf die Vitalität und Wüchsigkeit der Bäume über mehrere Jahre hinweg. Zum Beispiel konnten nach der Trockenphase 2003 in Zentraleuropa Effekte an Nadeln sowie auf den Zuwachs über bis zu vier Jahre beobachtet werden. Auch die Holzdichte, der wichtigste Parameter der Holzqualität, wird von Trockenperioden beeinflusst. Daher bedrohen klimatische Extremereignisse nicht nur die Stabilität der Wälder, das Einkommen und das finanzielle Risiko der Waldbesitzer sondern auch mögliche Fördergelder der Nationalen Regierung und der Europäischen Union. Die klimatischen Verbreitungsgrenzen von Baumarten werden nicht nur durch mittlere Temperatur- oder Niederschlagswerte bestimmt, sondern in weit größerem Maße von Klimaextremen. Auf Grund der zu erwartenden Änderungen des Klimas muss der Faktor Trockenresistenz verstärkt bei der Auswahl von Baumarten und Samenherkünften sowie Waldbauliches Planen und Handeln berücksichtigt werden. Der vorliegende Projektantrag hat das Ziel, die Reaktion der für die österreichische Forstwirtschaft ökonomisch bedeutsamen Nadelhölzer Fichte, Lärche, Tanne und Douglasie auf Trockenperioden der Vergangenheit mittels Röntgen-densitometrischer Messungen zu bestimmen. Die wesentlichen Fragen des Projektes sind: Wie stark reagieren die Baumarten mit Zuwachseinbußen und Holzdichteveränderungen? Welche Dauer und Intensität muss eine Trockenperiode aufweisen, um für die jeweilige Baumart relevant zu sein? Wie groß ist die genetische Variation der Trockenreaktion der Baumarten und kann diese Variation genutzt werden, um zukünftige Baumpopulation an das erwartete Klima durch Selektion geeigneter Herkünfte anzupassen? Die dendroklimatologischen Untersuchungen werden an Individuen von Herkunftsversuchen, d.h. von Versuchen, auf denen eine Vielzahl verschiedener Samenherkünfte gemeinsam angepflanzt wurden, durchgeführt. Die hier angestrebte Analyse der Trockenreaktion verschiedener Baumarten und Herkünfte wird unser Verständnis der klimatischen Grenzen von Baumarten verbessern und wichtige Impulse zur Entwicklung von Adaptationsmaßnahmen für vitale Wälder unter zukünftigen Klimabedingungen geben.
Viele Baumarten reagieren empfindlich gegenüber Dürre und Hitze, wie sie vermehrt durch den Klimawandel auftreten. Die künftige Eignung von Baumarten für die Forstwirtschaft erfährt daher hohe Aufmerksamkeit. Die Diskussion fokussiert sich dabei stark auf die Dürretoleranz von Bäumen und etwaige biotische Einwirkungen durch herbivore Insekten und Pathogene. Neben dem Klimawandel wirken jedoch auch anthropogene Stickstoffemissionen aus der Landwirtschaft, der Verbrennung fossiler Energieträger und aus Vegetationsbränden global auf Waldökosysteme ein. Interaktionen von Effekten des Klimawandels und anthropogener Stickstoffdeposition auf die Vitalität und Produktivität von Bäumen sind bisher wenig untersucht. Wir haben in einem deutschlandweiten Netzwerk von Waldbeständen mit unterschiedlichen Kombinationen von atmosphärischer Stickstoffdeposition, mittlerem Jahresniederschlag und Jahresmitteltemperatur Biomasse, Zuwachs, Feinwurzelmorphologie und Wassernutzungseffizienz bei Jungwuchs der Rotbuche (Fagus sylvatica) im Vergleich zu Traubeneiche (Quercus petraea), Douglasie (Pseudotsuga menziesii) und Weißtanne (Abies alba) untersucht. Dabei wurde für die Rotbuche bei hoher atmosphärischer Stickstoffdeposition u. a. ein für den Wasserhaushalt ungünstiges, d. h. niedriges Wurzel/Spross-Verhältnis gefunden. Ferner war bei hoher Stickstoffdeposition der Sprosslängenzuwachs verringert und die Spaltöffnungen der Blätter blieben bei Trockenheit länger geöffnet, was bei starken Dürren zu kritischen Wasserverlusten führen kann. Die regionale Variabilität der Stickstoffdeposition beruhte v. a. auf Ammonium, das in erster Linie aus der Landwirtschaft stammt. In durch Massentierhaltung geprägten Gebieten (insbesondere westliches Niedersachsen) sind Vitalität und Zuwachs des Buchenjungwuchses durch die Stickstoffbelastung deutlich beeinträchtigt. Dies ist relevant für die Klimawandeladaptation der Forstwirtschaft und den Schutz von Buchenwaldökosystemen.
Der Klimawandel wird auch in Europa zu Trockenperioden führen, dieerhebliche Ernteeinbußen verursachen. Darüber hinaus ist zuerwarten, dass chemische Wachstumsregulatoren in derPflanzenproduktion in Zukunft nicht mehr angewendet werden könnenaufgrund ihrer Schädlichkeit für Mensch und Umwelt. Für beideProblembereiche soll in diesem Projekt eine Lösung entwickeltwerden in Form einer neuen Züchtungstechnologie, deren Fokus aufden Wurzeln liegt. Durch ein besser entwickeltes Wurzelsystemwerden Pflanzen in die Lage versetzt, die Bodenwasserressourcenbesser zu nutzen und weniger unter Nachbaukrankheit zu leiden. DerTransfer bakterieller Gene auf Nutzpflanzen auf natürlichem Weg wirdzudem zu kompakteren Pflanzen führen, die mit geringerem Einsatz an chemischen Pflanzenschutzmitteln produziert werden können. In diesem Projekt sollen Wildtypstämme von Rhizobium rhizogenes zum Einsatz kommen, die ein sogenanntes "root inducing" (Ri) Plasmid (u.a. mit den rol Genen) tragen. Die T-DNA auf dem Ri Plasmid wird übertragen und ins Pflanzengenom integriert und verursacht die Bildung von "hairy roots". Aus diesen "hairy roots" lassen sich über In-vitro-Kulturtechniken ganze Pflanzen, sog. Ri Pflanzen regenerieren.Die mit der Ri T-DNA übertragenen Gene führen in diesen Pflanzen zu deutlichen Veränderungen in der Morphologie, darunter verstärkte Wurzelbildung, kompakter Habitus und veränderte Blatt- und Blüteneigenschaften. Die Ri-Pflanzen stellen "prebreeding" Material dar, mit dem in der neuen Züchtungsstrategie Kreuzungen durchgeführt werden. Es schließen sich Selektionsschritte und die molekulare Analyse der Aufspaltung der rol Gene an zur Entwicklung von Sorten mit hoher Pflanzenqualität und starkem Wurzelsystem. Die Projektziele sind: 1) Entwicklung einer biotechnologischen Züchtungsstrategie mittels R. rhizogenes; 2) Optimierung der Pflanzenregeneration aus "hairy roots"; 3) Detaillierte phänotypische Charakterisierung der Ri-Pflanzen (unter- und oberirdischeEntwicklung) 4) Kultur von Ri-Pflanzen mit geringerem Einsatz von Wachstumsregulatoren 5) Prüfung der Ri-Pflanzen unter abiotischem und biotischem Stress (Trockenstress und Nachbaukrankheit); 6) Untersuchung der Vererbung der übertragenen Gene; 7) Implementierung der Nutzung von R. rhizogenes in eineZüchtungsstrategie. Diese Ziele sollen an für dieses Projekt ausgewählten Modellpflanzen realisiert werden, die in Europa wirtschaftlich bedeutend sind (Raps, Sonnenblume, Rose, Apfel, Chrysantheme). Die mit dieser Strategie erstellten Pflanzen gelten nicht als gentechnisch verändert (GMO). Deshalb gibt es zahlreiche Anwendungen der Technologie für Züchtung und nachhaltige Pflanzenproduktion. Zudem werden in diesem mulidisziplinären Ansatz grundlegende genetische Erkenntnisse u.a. zurTransformierbarkeit und zu den Effekten der T-DNA-Gene erarbeitet. Am Ende steht eine neue Züchtungstechnologie, die zu einer nachhaltigen Produktion von gartenbaulichen und landwirtschaftlichen Kulturen führt.
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 207 |
| Land | 20 |
| Weitere | 4 |
| Wissenschaft | 91 |
| Type | Count |
|---|---|
| Agrarwirtschaft | 1 |
| Förderprogramm | 201 |
| Taxon | 3 |
| Text | 8 |
| License | Count |
|---|---|
| Geschlossen | 11 |
| Offen | 202 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 191 |
| Englisch | 71 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Bild | 1 |
| Dokument | 15 |
| Keine | 120 |
| Webseite | 87 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 213 |
| Lebewesen und Lebensräume | 213 |
| Luft | 213 |
| Mensch und Umwelt | 208 |
| Wasser | 213 |
| Weitere | 194 |