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Ziel dieser Arbeit war es, verschiedene Aspekte der Verwendung von genetischen Markern in der genomischen Charakterisierung und Analyse von verschiedenen Tierpopulationen zu untersuchen. Zu Beginn werden die verschiedenen Anwendungsbereiche von genetischen Markern in der Tierzucht beschrieben. In der ersten Analyse wurden acht Hühnerrassen für 9‘216 Single Nucleotide Polymorphism (SNPs) und 29 Microsatelliten (Single Sequence Repeats, SSRs) typisiert. Um die Rassen zu differenzieren wurden zwei unterschiedliche Methoden herangezogen: (i) die Bayesian Model-based Clustering Analyse, die im Programm STRUCTURE (Version 2.3) implementiert ist und (ii) eine Hauptkomponenten-Analyse (Principal Component Analysis, PCA), bei der eine Differenzierung der Rassen aufgrund ihres Euklidischen Abstandes zueinander durchgeführt wurde. Die Ergebnisse der STRUCTURE Analyse zeigten, dass die Wiederholbarkeit bei SNPs, unabhängig von Ihrer Anzahl, höher war als bei den SSR. Bei der Zuordnung eines Individuums zu einer der Rassen wurden die höchsten Werte für 29 SSRs und 100 SNPs errechnet. Die PCA-basierte Methode ergab, dass 2.4 SNPs je SSR benötigt werden, um eine vergleichbare Differenzierung zu erreichen. Dieses Ergebnis ist vergleichbar mit Untersuchungen, die an Menschen oder Rindern durchgeführt wurden. Unter Verwendung aller SNPs konnte im Vergleich zu allen vorhandenen SSRs eine genetisch inhomogene Rasse detektiert werden. Aufgrund dieser Ergebnisse und der deutlich größeren Anzahl an verfügbaren SNPs verglichen mit SSRs kann davon ausgegangen werden, dass SNP-basierte Ansätze weiter an Bedeutung gewinnen werden. Des Weiteren wurde eine umfassende Kartierung von Selektionssignaturen auf den Autosomen des Göttinger Minischweins durchgeführt. Für die Suche nach Selektions-signaturen wurden die mittels des Illumina Porcine BeadChip 60K (Illumina, San Diego, USA) gewonnenen SNP Daten anhand von zwei Methoden untersucht: Zum einen wurde der Long Range Haplotype Test (LRH) angewendet, der im Softwarepacket SWEEP integriert ist. Zum anderen wurden die genomischen Anteile der drei Ausgangsrassen für jeden SNP aufgrund einer Bayes‘schen Methode geschätzt. Es konnte eine signifikante Veränderung der Anteile der Ausgangsrassen verglichen mit den berechneten pedigree-basierten Erwartungswert festgestellt werden. Hierbei fiel auf, dass die Zuteilung der Allele zu einer der drei Ausgangsrassen sowohl zwischen als auch innerhalb der Chromosomen hoch variabel ist. Es wurde angenommen, dass eine lokale Abweichung der Zusammensetzung als Hinweis darauf interpretiert werden kann, dass diese Region unter gerichteter Selektion stand. Mit Hilfe dieses Indikators und den Ergebnissen des LRH-Testes konnte eine Vielzahl von Regionen identifiziert werden, die unter Selektion standen. Einige dieser Regionen beherbergen Kandidatengene, die funktionell mit den Zuchtzielen der Göttinger Minischweine im Zusammenhang stehen, z.B. SOCS2, TXN, DDR2 und GRB10, die mit der Körpergröße in Verbindung gebracht werden, oder das PRLR Gen, das die Wurfgröße beeinflusst. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen lassen Rückschlüsse darauf zu, dass die Beziehung der Gene SOCS2 und GRB10 zu dem IGF-1 Gen der mögliche Grund für den Zwergwuchs im Göttinger Minischwein sein könnte. In einem weiteren Schritt wurden die Ergebnisse der Kartierung der Selektionssignaturen auf den Autosomen des Göttinger Minischweins validiert. Hierfür wurde die Cross Population Extended Haplotype Homozygosity (XPEHH) berechnet. Diese Methode basiert, genau wie der LRH-Test, auf dem Auffinden von Regionen ausgedehnter Haplotypenhomozygotie. Die beiden Ansätze unterscheiden sich dadurch, dass beim LRH-Test innerhalb einer Rasse und beim XPEHH im Vergleich zweier Rassen Selektionssignaturen aufgedeckt werden. Als Vergleichsrassen wurden Tiere der Rassen Göttinger Minischwein, Deutsche Landrasse und Large White mit dem Illumina Porcine BeadChip 60K (Illumina, San Diego, USA) genotypisiert. Mit Hilfe des XPEHH-Tests konnten weitere Regionen identifiziert werden, die unter Selektion standen. Aufgrund des Vergleichs von Großschweinerassen mit dem Göttinger Minischwein und dem erneuten Auffinden des SOCS2 Gens wird die Vermutung bestärkt, dass es sich hierbei um eines der wichtigsten Gene für den Zwergwuchs beim Göttinger Minischwein handelt. Zusammenfassend ergibt sich, dass SNP-basierte Ansätze einen deutlich besseren Einblick in die genomische Architektur von Populationen ermöglichen. Dadurch wird ein besseres Verständnis von Selektion und Differenzierung von Rasse auf genomischer Ebene erreicht.

Die Nutzung von verlustmindernden Verfahren im Stickstoff- und Phosphorkreislauf gewinnt aufgrund ökonomischer, ökologischer und sozialer Aspekte immer stärker an Bedeutung und bildet die Grundlage für eine ressourcenschonende Landbewirtschaftung. Gegenstand dieser Arbeit ist die ökologische und ökonomische Bewertung von unterschiedlichen Verfahren zur Minimierung von Nährstoffverlusten im Stickstoff- und Phosphorkreislauf. In diesem Zusammenhang wurden folgende Fragestellungen untersucht: • Welchen Einfluss haben Boden, Applikationstechnik und Nitrifikationsinhibitor auf Stickstoffverluste (NH3 und N2O) und Nmin-Gehalte bei der Gülle- und Gärrestausbringung? • Können durch eine Gülleablage in zwei Bändern vertikal übereinander Stickstoffverluste (NH3 und N2O) reduziert und Erträge im Silomaisanbau gesteigert werden? • Wie können aus Klärschlammaschen P-Recyclingdüngemittel hergestellt werden, die in ihrer P-Löslichkeit, mineralischen Zusammensetzung und Ertragswirksamkeit mit Triplesuperphosphat (TSP) vergleichbar sind? Die Einflüsse unterschiedlicher Applikationstechniken (Schleppschlauch mit Einarbeitung und Injektion in 15 und 20 cm Bodentiefe) von verschiedenen Substraten (Gülle und Gärrest) auf unterschiedlichen Böden (Plaggenesch, Gley und Erd-Niedermoor) unter Anwendung eines Nitrifikationsinhibitors (3,4-Dimethyl-Pyrazol-Phosphat – DMPP) auf die Emissionsfreisetzung (NH3, N2O, CO2 und CH4) wurden in zwei Mikrokosmenversuchen untersucht. In einem Feldversuch wurden die im Mikrokosmenversuch gewonnenen Ergebnisse überprüft. Außerdem wurde in diesem Versuch erstmalig der Einfluss einer Gülleablage in zwei Bändern vertikal übereinander auf Stickstoffverluste und Ertragswirksamkeit im Silomaisanbau untersucht. In den Mikrokosmenversuchen mit ungestörten Bodensäulen wurde festgestellt, dass der Boden (Bodentextur, Bodenfeuchtigkeit, Bodenkohlenstoffgehalt) (P < 0,001), der Zusatz von einem Nitrifikationsinhibitor (P < 0,001) zu Gärrest und die Applikationstechnik (P < 0,01) einen Einfluss auf die N2O-Freisetzung haben können. Die Tiefe der Gülle- und Gärrestinjektion hatte nur bei dem untersuchten Erd-Niedermoorboden einen signifikanten Einfluss (P < 0,01) auf die Höhe der N2O-Emissionen. Bei den Böden mit einem niedrigen Kohlenstoffgehalt (Gley: 1,7 % Corg; Plaggenesch: 2,4 % Corg) und einem geringen Wassergehalt (Gley: 28 % H2O vol.; Plaggenesch: 21 % H2O vol.) hatte die Applikationstechnik einen geringen Einfluss auf die Freisetzung von N2O-Emissionen. Auf kohlenstoffreichen Böden war ein Unterschied (P < 0,5) zwischen den beiden Substraten Gülle und Gärrest auf die N2O-Freisetzung gegeben. Der Einsatz des Nitrifikationsinhibitors DMPP reduzierte die N2O-Emissionen im Mikrokosmenversuch durchschnittlich um 45 % (P < 0,001). Die Wirkung von DMPP (P < 0,001) war unabhängig von der Applikationstechnik und hatte einen statistisch größeren Einfluss auf die N2O-Freisetzung als die Applikationstechniken (P < 0,01). Zur weiteren Reduzierung von Stickstoffverlusten wurde im Feldversuch mit Silomais ein Premaister (Unterfußinjektor - Firma Kotte Landtechnik, Deutschland) so modifiziert, dass in zwei Bändern vertikal übereinander (10 und 20 cm) Gülle ausgebracht werden konnte. Das sollte die Nährstoffbedürfnisse von Mais in mehreren Wachstumsphasen berücksichtigen. Im Feldversuch wurden zwischen den unterschiedlichen Varianten [Schleppschlauch mit sofortiger Einarbeitung (Gülle und Gärrest), Injektion 15 cm (Gülle und Gärrest), Injektion 10 und 20 cm (Gülle), Injektion 15 cm mit DMPP (Gülle) und Kontrolle ohne Düngung und Bodenbearbeitung] hinsichtlich der durchschnittlichen N2O-Emissionen (52 - 153 µg N/h/m²) Unterschiede festgestellt, die aber statistisch nicht absicherbar waren. Die Ablage von Gülle in zwei Bändern übereinander führte tendenziell zu den höchsten N2O-Emissionen (153 µg N/h/m²). Durch die Ablage von zwei Güllebändern übereinander bildeten sich verstärkt „anoxic hot spots“, welche Nitrifikation und Denitrifikation förderten. Im Vergleich zur Gülleinjektion ohne DMPP (64 µg N/h/m²) konnte die Gülleinjektion mit DMPP (71 µg N/h/m²) N2O Emissionen nicht reduzieren. Im Vergleich zu allen gedüngten Varianten konnte DMPP die N2O-Emissionen um durchschnittlich 33 % reduzieren. Die freigesetzten NH3-Emissionen aller Varianten lagen unter der Bestimmungsgrenze. Die unterschiedlichen Applikationstechniken zeigten keinen Einfluss auf die Nmin-Gehalte. Die Nmin-Gehalte waren in den mit DMPP behandelten Varianten am höchsten. Der Nitrifikationsinhibitor DMPP reduzierte die Umwandlung von NH4-N zu NO3-N und erhöhte den Nmin-Gehalt im Boden um durchschnittlich 16 %. Zwischen den Erträgen (537 - 620 dt/ha FM und 197 - 225 dt/ha TM) und den Erntequalitäten der Versuchsvarianten konnten im Feldversuch keine signifikanten Unterschiede festgestellt werden. Ein Nitrifikationsinhibitor kann nach der Wirtschaftsdüngerapplikation die Umwandlung von NH4-N zu NO3-N verlangsamen und die Freisetzung von N2O-Emissionen reduzieren. Gegenüber der Schleppschlauchausbringung mit sofortiger Einarbeitung (141 €/ha) hat die Injektion (82 €/ha) eine höhere monetäre Vorzüglichkeit. Zur Steigerung der Verfahrenseffizienz bei der Gülle- und Gärrestapplikation ist auf Böden mit einem geringem Kohlenstoff- und Wassergehalt der Einsatz der Injektionstechnik (Injektion in 12 - 15 cm) kombiniert mit Nitrifikationsinhibitoren zu empfehlen. Auf Böden mit einem Kohlenstoffgehalt über 5 % und einer Feldkapazität von über 60 % sollte die Schleppschlauchapplikation kombiniert mit einem Nitrifikationsinhibitor eingesetzt werden. In einem zweiten Teil dieser Arbeit wurde das P-Recyclingpotential von thermochemisch aufbereiteten Klärschlammaschen untersucht. In einem Laborversuch wurden verschiedene Produkte aus der thermochemischen Klärschlammaufbereitung (Klärschlammasche + Na, Ca, Si und Klärschlammasche + Konverterschlacke) auf ihre P-Löslichkeitsformen (analog zur DüMV, ANONYM 2012) und auf ihre mineralische Zusammensetzung untersucht. Außerdem wurden die Produkte auf ihre Düngewirkung überprüft. Durch die thermochemische Behandlung von Klärschlammasche werden die enthaltenen schlecht pflanzenverfügbaren Phosphate (Ca3(PO4)2) in gut pflanzenverfügbare Calcium- und Natrium-Silico Phosphate (Na2Ca4(PO4)2SiO4 und Ca2SiO4 x 0,05Ca3(PO4)2) umgewandelt. Die unbehandelte Klärschlammasche hatte eine relative Neutralammoniumcitratlöslichkeit von 54 %. Mit ihrer NAC-Löslichkeit von über 85 % lagen die aufgeschlossenen Klärschlammaschen deutlich höher. In einem anschließenden Gefäßversuch mit Mais wurden verschiedene thermochemisch aufbereitete Klärschlammaschen (Klärschlammasche + Na, Ca, Si und Klärschlammasche + Konverterschlacke) im Vergleich zu einer nicht aufbereiteten Klärschlammasche und TSP, in drei Stufen, auf ihre Düngewirkung untersucht. Die Düngung mit thermochemisch aufbereiteteten Klärschlammaschen (45 - 55 g/Gefäß TM Ertrag) führte im Vergleich zur unbehandelten Variante (8,35 g/Gefäß TM Ertrag) zu signifikant (P < 0,05) höheren Erträgen. Die Ertragswirkung der thermochemisch aufbereiteten Klärschlammaschen ist mit der von TSP (48 g/Gefäß TM) vergleichbar. Die RAE der thermochemisch aufbereiteten Klärschlammaschen (102 %) liegt deutlich über der von unbehandelten Klärschlammaschen (21 %) und ist vergleichbar mit der von TSP (100 %). Die Marktpreise für thermochemisch aufbereitete Klärschlammaschen zur Nutzung als Düngemittel liegen zwischen 2,50 - 3,50 €/kg P (Aufschluss von Klärschlammasche mit Na, Ca und Si) und 2,15 €/kg P (Klärschlammasche + Konverterschlacke).

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Kacang faba (Vicia faba L.) merupakan tanaman alogami yang dapat melakukan pembuahan sendiri maupun pembuahan silang. Pembuahan sendiri terjadi tanpa adanya bantuan polinator maupun rangsangan mekanik eksternal, yang pada kacang faba dikenal dengan istilah autofertilitas. Level autofertilitas bervariasi di antara genotipe. Ketika pembuahan terjadi, baik pembuahan sendiri maupun silang, jumlah dan kualitas biji sangat menentukan. Biji kacang faba kaya akan protein dan mengandung komposisi nutrisi lain yang bernilai tinggi. Namun demikian, kacang faba mengandung senyawa anti nutrisi, seperti vicin dan convicin, yang membatasi pemanfaatannya sebagai pangan dan pakan serta memiliki dampak kesehatan bagi manusia. Tujuan dari penelitian ini pada bab pertama adalah untuk mempelajari secara genetik dan mengukur level dan variasi autofertilitas pada kacang faba winter yang spesifik dan untuk mengidentifikasi QTL untuk autofertilitas dan karakter terkait. Jadi fokus bab pertama adalah pada pembuahan dan asal biji. Fokus bab kedua adalah pada kualitas biji yang dihasilkan. Penelitian bab kedua bertujuan untuk mengembangkan kalibrasi berbasis NIRS untuk kandungan vicin-convicin pada biji kacang faba, mempelajari heritabilitas dan variasi genetik kandungan vicin-convicin, mengidentifikasi QTL yang berperan untuk variasi genotipe kacang faba yang mengandung vicin-convicin (tipe liar) dan memverifikasi apakah alel mutan yang terdapat pada vicin-convicin alelik dengan QTL pada material yang mengadung vicin-convicin. Sejumlah eksperimen dilakukan di lapang dan laboratorium untuk mempelajari secara genetik karakter reproduksi dan kualitas biji kacang faba. Materi genetik utama yang digunakan pada penelitian ini melibatkan 200 galur murni, bernama set-Q, yang terdiri dari 189 galur set-A (galur murni untuk studi asosiasi), tujuh galur kacang faba winter dan empat galur kacang faba spring. Set-A berasal dari Göttingen Winter Bean Population (GWBP). Studi fitur reproduksi dilakukan pada rumah isolasi bebas lebah pada 2013, 2014 dan 2015. Perlakuan “tripped” dan “un-tripped” diterapkan pada bunga faba selama musim berbunga. Studi kualitas biji (kandungan vicin-convicin) dilakukan dengan menggunakan analisa HPLC dan spektrofotometri NIR pada biji yang dihasilkan pada penelitian sebelumnya. Kami mengembangkan kalibarsi NIRS untuk memprediksi kandungan vicin-convicin berbasis NIRS. Analisis asosiasi seluruh genom (GWAS) antara penanda DNA dengan karakter fenotipik dilakukan dengan menggunakan TASSEL version 3.0. Sebanyak 2018 penanda polimorfik digunakan yang terdiri dari 189 SNP (Single Nucleotide Polymorphism) dan 1829 AFLP (Amplified Fragment Length Polymorphism). Untuk menentukan autofertilitas, penelitian difokuskan pada karakter prosentase pembuahan, potensi pengisian polong dan pengisian polong sebenarnya, terutama pada perlakuan ‘un-tripped’. Prosentase pembuahan pada perlakuan ‘un-tripped’ rendah, dengan nilai maksimum 37,14% dan heritabiltasnya tinggi. Tripping secara nyata meningkatkan nilai rata-rata ketiga aspek autofertilitas tersebut. Heritabilitas prosentase pembuahan pada perlakuan ‘tripped’ lebih tinggi daripada ‘un-tripped’ yang mengindikasikan perbedaan reaksi tripping merupakan faktor genetik. Tripping yang intens juga mengkonfirmasi hasil tersebut dan menunjukkan bahwa tidak satupun genotype menghasilkan prosentase pembuahan 100%. Hasil penting dari penelitian ini adalah kacang faba winter memiliki level autofertilitas yang berbeda dan lebih rendah dibandingkan dengan kacang faba spring. Teknologi NIRS dapat diterapkan untuk memprediksi kandungan vicin-convicin pada kacang faba. Diperoleh persamaan kalibrasi yang baik dan dapat diterapkan untuk menganalisa contoh biji kacang faba yang dihasilkan pada pengulangan, perlakuan dan tahun yang berbeda. Diperoleh variasi kandungan vicin-convicin yang lebar dan signifikan dengan nilai heritabilitas yang cukup tinggi. Penelitian ini juga menghasilkan beberapa penanda DNA putatif yang secara signifikan terasosiasi dengan beberapa karakter agronomi dan juga kandungan vicin-convicin. Satu penanda AFLP berasosiasi signifikan terhadap variasi vicin-convicin pada genotype, dan dengan menganalisa lebih jauh tiga peta keterpautan yang berbeda dan hubungan sinteni dengan Medicago truncatula, posisi QTL tersebut sangat mungkin berada pada kromosom 5 Vicia faba. Penemuan ini merupakan langkah awal untuk penelitian dan pemuliaan kacang faba winter Eropa yang tinggi fertilitas dengan kualitas biji yang baik.

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