Techn. Universiẗat, Diss., 2006--München.

Hohenheim, Univ., Diss., 2004. / Aus: Journal of Agricultural Science (Cambridge) 142, 29-40 , Journal of Plant Diseases and Protection, Special Issue XIX, 151-159 , European Journal of Agronomy 20, 351-361 , Weed Research [2005, im Druck].

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Germination rates and germination fractions of seeds can be predicted well by the hydrothermal time (HTT) model. Its four parameters hydrothermal time, minimum soil temperature, minimum soil moisture, and variation of minimum soil moisture, however, must be determined by lengthy germination experiments at combinations of several levels of soil temperature and moisture. For some applications of the HTT model it is more important to have approximate estimates for many species rather than exact values for only a few species. We suggest that minimum temperature and variation of minimum moisture can be estimated from literature data and expert knowledge. This allows to derive hydrothermal time and minimum moisture from existing data from germination experiments with one level of temperature and moisture. We applied our approach to a germination experiment comparing germination fractions of wild annual species along an aridity gradient in Israel. Using this simplified approach we estimated hydrothermal time and minimum moisture of 36 species. Comparison with exact data for three species shows that our method is a simple but effective method for obtaining parameters for the HTT model. Hydrothermal time and minimum moisture supposedly indicate climate related germination strategies. We tested whether these two parameters varied with the climate at the site where the seeds had been collected. We found no consistent variation with climate across species, suggesting that variation is more strongly controlled by site-specific factors. / Keimungsgeschwindigkeit und Anteil gekeimter Samen lassen sich gut mit dem Hydrothermalzeit-Modell bestimmen. Dessen vier Parameter Hydrothermalzeit, Mindesttemperatur, Mindestbodenfeuchte und Streuung der Mindestbodenfeuchte müssen jedoch durch aufwendige Keimungsversuche bei Kombinationen von mehreren Temperatur- und Feuchtigkeitsstufen bestimmt werden. Für manche Anwendungen des Hydrothermalzeit-Modells sind aber ungefähre Werte für viele Arten wichtiger als genaue Werte für wenige Arten. Wenn die Mindesttemperatur und die Streuung der Mindestfeuchte aus Veröffentlichungen und Expertenwissen geschätzt würde, können die Hydrothermalzeit und Mindestbodenfeuchte aus vorhandenen Daten von Keimungsversuchen mit nur einer Temperatur- und Feuchtigkeitsstufe berechnet werden. Wir haben unseren Ansatz auf einen Keimungsversuch zum Vergleich der Keimungsquote wilder einjähriger Arten entlang eines Trockenheitsgradienten in Israel angewendet. Mit diesem Ansatz bestimmten wir die Hydrothermalzeit und Mindestfeuchtigkeit von 36 Arten. Der Vergleich mit genauen Werten für drei Arten zeigt, dass mit unserem Ansatz Hydrothermalzeit-Parameter einfach und effektiv bestimmt werden können. Hydrothermalzeit und Mindestfeuchtigkeit sollten auch bestimmte klimabedingte Keimungsstrategien anzeigen. Deshalb testeten wir, ob diese zwei Parameter mit dem Klima am Ursprungsort der Samen zusammenhängen. Wir fanden jedoch keinen für alle Arten übereinstimmenden Zusammenhang, so dass die Unterschiede vermutlich stärker durch standörtliche als durch klimatische Ursachen hervorgerufen werden.

Die vorliegende Arbeit behandelt das biologische Phänomen der Dormanz mit Hilfe mathematischer Modellierung. Dormanz beschreibt dabei einen reversiblen Zustand von Individuen, in dem die metabolische Aktivität reduziert wird und die Resistenz gegen Natureinflüsse erhöht ist. Der erste Teil der Arbeit widmet sich den ökologischen Eigenschaften. Hier wird zunächst ein Moranmodell vorgestellt, welches verschiedene Modellierungsarten von Dormanz aus der Populationsgenetik vereint und unter verschiedenen Skalierungen den schwachen seed-bank Koaleszenten und den starken seed-bank Koaleszenten als anzestralen Prozess innehat. Dadurch werden die Parameter der Koaleszenten vergleichbar. Als Anwendung betrachten wir die sogenannte species abundance distribution, welche mithilfe von Koaleszenten beschrieben werden kann. Der zweite Teil beschäftigt sich mit den Auswirkungen von Dormanz auf evolutionäre Eigenschaften und beginnt mit einer Einführung in die Theorie von adaptive dynamics. Dort werden auch verschiedene Möglichkeiten der Modellierung von Dormanz in individuenbasierten Modellen besprochen. Danach befassen wir uns mit der Erweiterung eines Modells für sympatrische Speziation um den Aspekt der Dormanz. Die canonical equation of adaptive dynamics wird - motiviert durch ein Modell mit Dormanz - für schnellere Mutationsraten aus dem sogenannten power-law Mutationsregime für einen Grenzfall hergeleitet. Die Arbeit schließt mit dem dritten Teil, in welchem ein individuenbasiertes Modell für die Entwicklung von Krebs unter dem Einfluss von Chemotherapie und unter Berücksichtigung von Dormanz vorgestellt wird. In Simulationsstudien wird untersucht, inwiefern Dormanz zu Misserfolg einer Therapie beiträgt. Ein weiteres Ziel ist die Analyse von Kombinationsbehandlung mit einem Medikament welches mit dormanten Zellen interagieren kann insbesondere unter Betrachtung verschiedener Therapieansätze zur Behandlung von dormanten Krebszellen. / The present thesis uses mathematical modelling to investigate the consequences of dormancy. Dormancy describes a reversible and protected state of reduced metabolic activity which enhances an individual's resilience to hazardous conditions. In this sense, dormancy acts as a protection mechanism against habitats with unfavourable environments. The thesis considers the impact of dormancy on ecological, evolutionary and in its broadest sense pathogenic properties of microbial populations. The first part is concerned with studying the impact of dormancy on ecology. For this, a Moran model is presented which unifies different models of dormancy from population genetics and exhibits the weak seed-bank coalescent and the strong seed-bank coalescent as the scaling limit of the ancestral process. As an application we consider the species abundance distribution which can be described using coalescent theory. In the second part we consider the influence of dormancy on evolutionary properties. The modelling framework for this is the theory of adaptive dynamics. We then show that competition-induced dormancy may favour sympatric speciation. A key aspect in the derivation of this result is the canonical equation of adaptive dynamics. We extend this equation - motivated by a model including dormancy - to power-law mutations in a limiting case. We conclude the thesis with the third part where we provide an individual-based model for the treatment of cancer with chemotherapy under consideration of dormant cancer cells. Using simulation studies, we investigate how dormancy may contribute to treatment failure. Another goal of this chapter is to analyse combination treatment with a drug which directly targets dormant cancer cells and to formulate general observations regarding various strategies to counter cancer cell dormancy.

Um die Erhaltung und Nutzung der beiden gefährdeten, hochwertigen Baumarten Pyrus pyraster und Sorbus torminalis zu fördern, wurden Methoden der in vitro Kultur und der Kryokonservierung evaluiert und optimiert. Kryokonservierung von Sorbus torminalis wird erstmalig beschrieben. Als Explantatquellen dienten Winterknospen, überwiegend von selektierten Bäumen aus Nachkommenschaftsprüfungen. Von den geprüften Faktoren Nährmedienzusammensetzung, Kulturgefäß, Schneidetechnik, Temperatur, Pikiertermin und physiologischer Zustand der Explantate erwies sich letzterer als entscheidend. Die Reiser mit den Winterknospen wurden in zwei aufeinander folgenden Jahren im November, Dezember, Januar, Februar und März geerntet und sowohl direkt als auch nach 2-monatiger Lagerung bei +5°C bearbeitet. Bei Pyrus führte Ernte im März zu den besten Ergebnissen der in vitro Kultur. Die besten Ergebnisse der Kryokonservierung wurden von Ernten im November bis Januar erzielt. Bei Sorbus differierten die Ergebnisse der in vitro Kultur zwischen den Jahren so stark, dass keine Aussage möglich war. Bei der Kryokonservierung waren die Erntetermine Dezember und Januar erfolgreich. Zur Kryokonservierung von in vitro Material wurden die Alginat-Einkapselung und die Droplet-Technik geprüft. Mit Pyrus wurden mit der Droplet-Technik Vitalitätsraten zwischen 7 und 13% erzielt, wenn eine bisher unveröffentlichte Kombination von Vorbehandlungen und PVS2-Vitrifizierung eingesetzt wurden. Die Kryokonservierung wirkte sich im Vergleich weder positiv noch negativ auf Wachstum und Entwicklung aus. Die Diskrepanz zwischen der Nutzung der tiefen Dormanz der Knospen und des damit verbundenen natürlichen Frostschutzes für die Kryokonservierung einerseits und der Vermeidung von tiefer Dormanz bei Etablierung von in vitro Kulturen wegen der damit verbundenen Wachstumshemmung andererseits wird diskutiert. / To facilitate conservation and utilization of the endangered valuable tree species Pyrus pyraster and Sorbus torminalis methods of in vitro culture and cryopreservation were evaluated and optimized. Cryopreservation of Sorbus torminalis is described for the first time. The explant sources were dormant winter buds, mainly from selected trees from progeny trials. The evaluation of media composition, culture vessel, cutting technique, date of pricking and physiological state proved the latter to be crucial. Twigs with winter buds were harvested in two subsequent years in November, December, January, February and March and were processed immediately and after two months of storage at +5°C. With Pyrus, the best results in in vitro culture were obtained after harvest in March while for cryopreservation harvest in November to January proved to be best. With Sorbus, the results in in vitro culture differed between the years and no conclusion could be drawn. Cryopreservation was successful after harvest in December and January. Encapsulation in alginate and the droplet-technique were evaluated for the cryopreservation of in vitro material. Vitality rates of 7 to 13% were achieved with Pyrus using the droplet-technique with a combination of pre-treatments and PVS2-vitrification not published so far. In comparison, cryopreservation was of neither positive nor negative influence on growth and development. The discrepancy between deep dormancy of buds being useful for cryopreservation because of its natural frost protection and the need to avoid it because it impedes in vitro culture is discussed.