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Master of Science / Department of Biology / Jesse B. Nippert / The Konza Prairie in northern Kansas, USA contains over 550 vascular plant species; of which, few have been closely studied. These species are adapted to environmental stress as imposed by variable temperature, precipitation, fire, and grazing. Understanding which plant traits relate to drought responses will allow us to both predict drought tolerance and potential future shifts in plant community composition from changes in local climate. Morphological and physiological measurements were taken on 121 species of herbaceous tallgrass prairie plants grown from seed in a growth chamber. Gas exchange measurements including maximum photosynthetic rate, stomatal conductance to water vapor, and intercellular CO[subscript]2 concentration were measured. All plants were exposed to a drought treatment and were monitored daily until stomatal conductance was zero. At this point, critical leaf water potential (Ψ[subscript]crit), an indicator of physiological drought tolerance was assessed. Other measurements include root length, diameter, volume, and mass, leaf area, leaf tissue density, root tissue density, and root to shoot ratio. Traits were compared using pair-wise bivariate analysis and principal component analysis (PCA). A dichotomy was found between dry-adapted plants with thin, dense leaves and roots, high leaf angle, and highly negative Ψ[subscript]crit and hydrophiles which have the opposite profile. A second axis offers more separation based on high photosynthetic rate, high conductance rate, and leaf angle, but fails to provide a distinction between C[subscript]3 and C[subscript]4 species. When tested independently, grasses and forbs both showed drought tolerance strategies similar to the primary analysis. Matching up these axes with long term abundance data suggests that species with drought tolerance traits have increased abundance on Konza, especially in upland habitats. However, traits that relate to drought tolerance mirror relationships with nutrient stress, confounding separation of low water versus low nutrient strategies. My results not only illustrate the utility of morphological and physiological plant traits in classifying drought responses across a range of species, but as functional traits in predicting both drought tolerance in individual species and relative abundance across environmental gradients of water availability.

Call number: LD2668 .T4 1984 B46 / Master of Science

Master of Science / Department of Agronomy / P. V. Vara Prasad / Grain sorghum (Sorghum bicolor L. Moench) is the fourth most important cereal crop grown throughout the semi-arid regions of the world. It is a staple food crop in Africa and Asia, while it is an important feed crop in the United States (US). More recently it is increasingly becoming important as a potential bioenergy feedstock crop around the world. The state of Kansas is the largest producer of grain sorghum in the US and contributes 40% of the total production. Drought is one of the major environmental factors limiting sorghum production in the semi-arid regions of the US, Asia and Africa. It is estimated that global crop losses due to drought stress exceed $10 billion annually. In crop production, drought stress can be classified into pre- or post-flowering. Even though the world collections of sorghum contain over 35,000 accessions, the genetic base currently used in breeding programs is very small (about 3%). Thus, it is important to identify diverse breeding lines for crop improvement. The diversity (association) panel consisting of 300 sorghum lines from all over the world was assembled for trait evaluation and association mapping. In this research these lines were grouped into the five major races (Figure 1) and 10 intermediate races of sorghum. The objectives of the research are to: (i) quantify the performance of the diversity panel under field conditions in Kansas, (ii) identify critical physiological traits affected by drought at both pre- and post-flowering stages of sorghum development, (iii) identify the most sensitive stage to drought stress during the reproductive phase of sorghum development and, (iv) test the feasibility of using a chlorophyll fluorescence assay (CVA) as a tool for identifying stay-green lines in grain sorghum during early stages of crop development. Field experiments were conducted in 2006 and 2007 in two locations in Kansas (Manhattan and Hays) under rain fed and irrigated conditions for the association panel. Objectives (iii) and (iv) were achieved with controlled environment experiments conducted in the greenhouse at the agronomy department, Kansas State University in 2006 and 2007. Results showed that there was large genetic variability among and within different races in the diversity panel for growth, physiological traits and yield components. Some genotypes showed yield stability across the different environments that were investigated. Drought significantly decreased seed number and harvest index across genotypes and races. In grain sorghum the period prior to flowering (panicle initiation) was the most sensitive stage to drought stress, in terms of its effect on seed-set, during reproductive development. A cell viability assay showed that there were significant differences in the loss of cell viability between leaf sample of stay green and non-stay green genotypes when leaf samples are collected in the morning and subjected to high respiratory demand. Therefore the chlorophyll fluorescence assay has potential as a tool for stay green trait screening at early stages of growth in grain sorghum.

Published Article / Early indication of possible drought can help in developing suitable drought mitigation strategies and measures in advance. Therefore, drought forecasting plays an important role in the planning and management of water resource in such circumstances. In this study, a non-linear streamflow forecasting model was developed using Artificial Neural Network (ANN) modeling technique at the Melka Sedi stream gauging station, Ethiopia, with adequate lead times. The available data was divided into two independent sets using a split sampling tool of the neural network software. The first data set was used for training and the second data set, which is normally about one fourth of the total available data, was used for testing the model. A one year data was set aside for validating the ANN model. The streamflow predicted using the model on weekly time step compared favorably with the measured streamflow data (R2 = 75%) during the validation period. Application of the model in assessing appropriate agricultural water management strategies for a large-scale irrigation scheme in the Awash River Basin, Ethiopia, has already been considered for publication in a referred journal.

Zusammenfassung Die europäische Buche (Fagus sylvatica, L.) ist eine dominante Waldbaumart von hohem ökonomischen und ökologischem Wert in Zentraleuropa. Die natürliche Verbreitung der Spezies in Zentraleuropa ist abhängig von der Wasserverfügbarkeit. In der Zukunft wird vermehrt von extremen Wetterbedingungen wie Hitzewellen und extreme Trockenheit ausgegangen. In ausgedehnten Bereichen des Waldes wird die Wasserversorgung wahrscheinlich ein limitierender Faktor. Daher ist es notwendig, die potentielle Fähigkeit der Buchen, sich bei Wasserlimitierung zu akklimatisieren oder anzupassen, zu bewerten. Die Reaktionen der Buche auf Wasserknappheit könnten in anatomischen Eigenschaften des Holzes abgespeichert sein und durch die Analyse dieser Eigenschaften bewertet werden. Darüber hinaus könnte die Wasserlimitierung die Kohlenstoff- und Stickstoffgehalte im Buchenholz negativ beeinflussen. Die Bodenfeuchte ist ein wichtiger Faktor, der den 13C-Gehalt in den Baumringen beeinflußt. Da Wasserknappheit den Verschluß der Stomata induzieren kann, wird das δ13C des eingebauten Kohlenstoffes erhöht. Daher wurden C- und N-Gehalte und δ13C Signaturen in Buchenholzproben analysiert, um die Auswirkungen von Wasserknappheit auf Buchenholzeigenschaften zu untersuchen. Eine Schlüsselrolle für die Akklimatisierung an Trockenheit spielt Abscisinsäure (ABA), wodurch Abwehrreaktionen hervorgerufen werden, die zum Verschluß der Stomata führen und somit den Wasserverbrauch der Pflanzen regulieren. Ein weiteres Merkmal von Trockenstress ist eine erhöhte Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies. Daher ist die Aktivierung von Schutzenzymen, insbesondere der antioxidativen Abwehr, wichtig bei der Bekämpfung des oxidativen Abbaus anfälliger Strukturen wie etwa der Zellmembranen. Um die Plastizität und Anpassung der Buche in Reaktion auf Trockenheit zu untersuchen, wurde die Expression von ABA- und stressverwandten Genen für die Analyse ausgewählt. Darüber hinaus wurden die Blattflächen und die Membranintegrität als Indikatoren für Reaktionen der Buche auf Trockenstress bestimmt. Pflanzen haben unterschiedliche Strategien, um Trockenstress zu bewältigen: Vermeidung oder Toleranz. Der Grundmechanismus beider Strategien beinhaltet die isohydrische oder anisohydrische Regulation der Stomata. Isohydrische Pflanzen schließen ihre Stomata noch bevor sich der Wasserstatus in der Pflanze verändert, wohingegen anisohydrische Spezies eine langsame stomatale Reaktion als Antwort auf ein geringeres Wasserpotential zeigen. Der Wassergehalt des Bodens, in den Blättern vor Sonnenaufgang (Predawn Water Potential), der relative Wassergehalt, Chlorophyllfluoreszenz und stomatäre Leitfähigkeit wurden als gute Merkmale charakterisiert, um diese Strategien zu testen. Des Weiteren wurde die Expression von OST1 (open stomata 1), einer Proteinkinase, die zur Schließzellenreaktion des ABA-Signalnetzwerkes führt, untersucht. In dieser Studie wurden die Reaktionen von Sämlingen und jungen, sowie ausgewachsenen europäischen Buchen auf Trockenheit untersucht. Die folgenden Hypothesen wurden getestet: • Buchenpopulationen aus trockeneren Lebensräumen weisen Veränderungen in der Anatomie des Xylems auf, um mit geringem Niederschlag umzugehen. • Trockenes Klima wirkt sich negativ auf den Kohlenstoff und den Stickstoffgehalt in Buchenholz aus. • Buchennachkommen von trockenen Standorten zeigen eine konstitutiv erhöhte Expression von ABA-und stressinduzierten Genen und reagieren somit weniger auf Trockenheit als Nachkommen von feuchteren Standorten. • Buchen, die aus niederschlagsarmen klimatischen Bedingungen stammen, zeigen eine stärkere Trockenheitsvermeidung. Buchen aus mesischen Habitaten bilden eine stärkere Toleranz gegenüber Trockenheit aus, als solche aus trockenen Habitaten, wenn sie einer abnehmenden Wasserverfügbarkeit in der Erde ausgesetzt sind. Um diese Hypothesen zu testen, wurden drei Experimente durchgeführt. Einerseits mit adulten Buchen entlang eines Niederschlagsgradienten, andererseits mit Buchensetzlingen, die experimentell veränderten Bodenwassergehalten ausgesetzt waren. Ein Freilandexperiment wurde in drei verschiedenen Gebieten durchgeführt, die ähnliche Bodeneigenschaften aufwiesen, sich aber hinsichtlich der jährlichen Niederschlagsrate unterschieden. Holzzuwachs, die anatomischen Eigenschaften des Xylems, sowie C- und N- Gehalt und die δ13C Signaturen wurden untersucht. Es wurde eine starke Reduzierung des jährlichen Zuwachses bei Buchen von feuchten hin zu trockenen Standorten gefunden. So könnte die Verfügbarkeit von Wasser in den Untersuchungsgebieten einer der begrenzenden Faktoren des Holzzuwachses bei Buchen sein. Buchen auf trockenen Standorten zeigten Veränderungen anatomischer Merkmale, die ihnen ermöglichten, besser mit geringen Niederschlägen umzugehen. Um schmale Gefäßlumen auszugleichen, zeigten Buchen an trockenen Standorten mehr Gefäße. Diese anatomischen Veränderungen ermöglichen Buchen wahrscheinlich die Balance zwischen Wasseraufnahmeeffizienz und der Vermeidung von Embolien im Buchenstamm zu halten. Darüber hinaus trägt dieser Mechanismus wahrscheinlich dazu bei, das Wasserpotential und den C- und N-Gehalt im Holz der Buchen unter trockenen Bedingungen zu erhalten. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass Buchen von trockenen Standorten eine Vermeidungsstrategie gegen Trockenheit haben, um mit geringer Wasserverfügbarkeit in der Natur umgehen zu können. Anatomische Merkmale variierten während der Vegetationsperiode signifikant. Zwischen den Standorten wiesen die anatomischen Parameter im Frühholz keine bemerkenswerten Veränderungen auf. Im Spät- und Übergangsholz war die Fläche der Gefäßlumen stark vermindert und die Anzahl der Gefäße signifikant erhöht. Im Spätholz der Buchen auf trockenen Standorten wurden dickere Wände und schmalere Faserlumina gefunden. Darüber hinaus zeigten verringerte δ13C Werte bei den Buchen auf den trockensten Standorten eine höhere Wassernutzungseffizienz am Ende der Wachstumsperiode. Der Vergleich der Bäume von feuchten und von trockenen Standorten wies darauf hin, dass die Verfügbarkeit von Wasser anatomische Veränderungen beeinflußte. Jedoch können auch andere Faktoren als die genetischen zu einer besseren Anpassung der Buchen auf den trockenen Standorten an geringe Niederschläge beitragen. Um die Expression von Genen im Zusammenhang mit ABA und Stress als Reaktion auf Trockenstress zu untersuchen, wurde ein Gartenexperiment durchgeführt. Für dieses Experiment wurden die Nachkommenschaften von fünf Buchenbeständen entlang eines Niederschlagsgradienten verwendet. Die Reaktionen von gut bewässerten und trockengestressten Keimlingen gegenüber Trockenstress wurden während des Sommers zu einem frühen, mittleren und späten Zeitpunkt gemessen. Die Expressionsniveaus von ABA- und stressbezogenen Genen wurde ermittelt. Um die Genexpression mit der Leistungsfähigkeit der Pflanzen vergleichen zu können, wurden herkunfts- und dürrebedingte Auswirkungen auf die Blattfläche und Membranintegrität in Abwesenheit und Anwesenheit von akutem oxidativen Stress untersucht. Trockenstress führte zu einer verringerten Blattfläche verglichen mit gut gewässerten Setzlingen. Die Nachkommen von feuchteren Standorten zeigten allgemein größere Blattflächen als die von trockenen Standorten. Der relative Verlust von Elektrolyten wurde durch Trockenstress verändert und erhöhte sich gegen Ende der Vegetationsperiode. Die Expressionsniveaus von ABA- und stressverwandten Genen wurden stark von Trockenstress beeinflußt. Eine Ausnahme bildet die Glutamin Amidotransferase (GAT). Zusätzlich waren die Expressionsniveaus der Gene Nine cis-Epoxy Dioxygenase (NCED), Proteinphosphatase 2C (PP2C), Early Responsive to Dehydration (ERD), Ascorbat-Peroxidase (APX), Superoxid Dismutase (Cu / Zn-SOD), Aldehyde Dehydrogenase (ALDH), Glutamin Amido-Transferase (GAT) höher in den Nachkommen von feuchten Standorten verglichen mit trockeneren Standorten. Saisonale Analysen der transkriptomalen Regulation von Genen für die Signalisierung und Abwehr von Trockenheit zeigten intraspezifische Unterschiede in der konstitutiven Expression und Reaktionsfähigkeit bei Trockenheit. Die herkunftsbedingten Unterschiede waren größer als die Stressreaktionen, was darauf hindeutet, dass die Selektion für eine Anpassung an Trockeheit bereits in lokalen Buchenpopulationen stattfindet. Um zu untersuchen, ob es intraspezifische Unterschiede bei den Resistenzmechanismen gegen Trockenheit gibt, wurden drei Buchenherkünfte, aus einem niedrigen, einem mittleren und einem hohen Niederschlagsklima (als LP, IP und HP bezeichnet), zunehmender Trockenheit ausgesetzt. Der Wassergehalt in Boden und Pflanzen, die maximale Quantenausbeute des Photosystems II und die stomatäre Leitfähigkeit der Kontrollen und der trockenheitsbehandelten Setzlinge wurden regelmäßig gemessen. Außerdem wurden die Transkriptionsniveaus von OST1 bestimmt. Die Daten weisen darauf hin, dass die innerartlichen Reaktionen auf Trockenheit bei Buchen auch zwischen isohydrischem und anisohydrischem Verhalten der Stomata variieren können. Die Buchenherkunft LP zeigte einen isohydrischen Phänotyp, da die Pflanzen einen schnelleren Verschluß der Stomata, einen höheren relativen Wassergehalt, sowie einen höheren Wassergehalt in den Blättern vor Sonnenaufgang (Predawn Water Potential) zeigten als Buchennachkommen aus mesischen Bedingungen. Dadurch wies die Population aus dem trockenen Habitat eine deutliche Vermeidungsstrategie bei Trockenheit auf. Im Gegensatz dazu zeigten die HP Nachkommen bei Wasserlimitierung einen langsamen Abfall der stomatären Leitfähigkeit, jedoch eine stärkere Abnahme des Predawn Water Potential. Es gab keinen Einfluss durch Trockenheit auf das Pflanzenwachstum oder die Biomasseallokation während der Trockenheitsbehandlung. Buchen zeigten intraspezifische Unterschiede bei den Resistenzstrategien gegen Trockenheit, gekennzeichnet durch anisohydrisches oder isohydrisches Verhalten. Das legt nahe, dass der anisohydrische Funktionstyp bei Buchen besser geeignet ist, um mit den vorhergesagten Klimaextremen umzugehen, als die isohydrische Typ, da er eine Trockentoleranz-Strategie aufweist. Die Ergebnisse der vorliegenden Studie zeigen, dass Klimate mit geringen Niederschlägen und Trockenheit die Anatomie, Physiologie und molekulare Reaktionen von Buchen beeinflussen. Buchen zeigten recht hohe intraspezifische Unterschiede bei den Strategien zur Trockenheitsresistenz, mit Strategien zur Trockenheitsvermeidung und Trockentoleranz.

This study aimed at evaluating the effectiveness of the 2011 to 2012 famine response in Somalia in saving lives and livelihoods, offering livelihood opportunities, supporting quick recovery and complying with accountability standards in the delivery of humanitarian assistance. Understanding the performance and effectiveness of the humanitarian response to emergencies such as the 2011 to 2012 famine in Somalia is important for managing similar large-scale disasters which tend to be more frequent than ever before. It is also vital for addressing the chronic food insecurity in sub-Saharan Africa. The study was conducted in the Dolow district, Gedo region, Somalia. The study was largely rooted in the qualitative paradigm even though quantitative methodologies were employed to explain certain aspects in order to adequately answer some of the research questions. The case study approach was employed to conduct this study and achieve the research objectives. Despite the need for more evidence-based and local community-driven response to droughts, the 2011 to 2012 famine response was largely relevant to meet the priority needs of affected populations. The response was too late to prevent the death of hundreds of thousands and the suffering of millions of people and the response had to struggle for quite some time to stabilise and reverse a devastating situation. Although the response was not adequate to cover the needs of all affected populations, it had a commendable impact by saving the lives of malnourished children and mothers; minimising suffering from lack of food, water and shelter; restoring livelihoods for host communities; and creating livelihood opportunities for internally displaced families. Compliance with the NGO Code of Conduct and the application of Sphere standards were fair. Strong accountability mechanisms are required to ensure effective beneficiary targeting and curb aid diversion. The beneficiaries of the response stated that they are equally vulnerable to droughts despite an increase in income and agricultural production as a result of the response. Long-term livelihood projects that address structural vulnerabilities and create multipleincome sources are essential for strengthening resilience to droughts. / Development Studies / M.A. (Development Studies)

The challenges of water governance in Chile today lie at the confluence of growing water demands, increasing climatic variability, and mounting discontent with neoliberal water policy. These these dynamics coalesce in the Maipo, Chile's most densely populated river basin and seat of the capital city, Santiago. The Maipo River sustains the growing capital city of Santiago, booming agricultural production in the Santiago valley, and hydroelectric generation from the river's swift descent from the Andes. Now, with the population of Santiago exceeding 5 million, a seventh year of drought racking central Chile, and controversial hydropower development sparking mass protests, the stakes of water governance in this critical river basin are higher than ever. Based on in-depth empirical research in the Maipo River basin, this thesis explores how processes of environmental and social change interact with Chile's internationally famous water laws to shape water governance, understood as the set of processes through which actors influence decision-making and conflict resolution related to water resources. Bringing legal geography and political ecology into conversation with water governance literature, I analyze the ways that law, social mobilization, and water scarcity are shaping water governance. In Chapter 1, I analyze the law of river sectioning and the way it influences water use and management practices throughout the Maipo River basin. Chapter 2 explores the Alto Maipo hydropower conflict in the upper basin and demonstrates the important role of social movement actors trying to shift water governance in new directions. Themes from both of these chapters converge in Chapter 3, which examines the struggle over the meaning of water scarcity in the context of increasing attention to drought and climate change. These dynamic socio-environmental processes are considered in relation to each other as integral parts of the ongoing negotiation of water governance. This research aims to insert considerations of social and environmental justice into ongoing policy debates about water governance in Chile to address the conflicts stemming from uneven access to resources and decision-making.

Uncertainty surrounds the understanding of natural variability in hydrologic extremes such as droughts and floods and how these events are projected to change in the future. This thesis leverages Global Climate Model (GCM) data to analyse 738 year streamflow scenarios in the Nelson-Churchill River Basin. Streamflow scenarios include a 500 year stationary period and future projections forced by two forcing scenarios. Fifty three GCM simulations are evaluated for performance in reproducing observed runoff characteristics. Runoff from a subset of nine simulations is routed to generate naturalized streamflow scenarios. Quantile mapping is then applied to reduce volume bias while maintaining the GCM’s sequencing of events. Results show evidence of future increases in mean annual streamflow and evidence that mean monthly streamflow variability has decreased from stationary conditions and is projected to decrease further into the future. There is less evidence of systematic change in droughts and floods. / May 2016

Thesis (PhD(Agric))--Stellenbosch University, 2014. / ENGLISH ABSTRACT: Water scarcity is a key limiting factor for viticulture in dry regions. Traditionally drought sensitive varieties have the potential to grow in dry areas, however in most situations, through the use of rootstocks. Drought-tolerant rootstocks are expected to improve grapevine response to water deficit by improving the water uptake and transport and by reducing the water loss in leaves by root-to-shoot signalling. The mechanisms of rootstocks’ tolerance to drought are not yet fully understood. The main aim of this study was to improve the understanding of the rootstock/scion-cultivar interaction in the regulation of grapevine water use and leaf stomatal behaviour. Irrigated field vines without any water constraint were compared to rain-fed grapevines subjected to moderate water constraint. To better manage vine water status, reduce variability, and compare more rootstocks, greenhouse trials were also conducted where plants were well watered or subjected to severe water constraints. Pinotage grapevines (Vitis vinifera L.) grafted onto 110 Richter, 140 Ruggeri and 1103 Paulsen rootstocks were used for field experiments whereas Pinotage grapevines grafted onto 99 Richter, 110 Richter, 140 Ruggeri, 1103 Paulsen and Ramsey were used for greenhouse experiments. Our study suggested the influence of rootstocks on scion-cultivar water status and leaf stomatal size and density and gas exchange of the scion, implying an influence on water uptake and transport and a tight regulation of the stomatal conductance. Our data supported the hypothesis that the influence of rootstock in response to drought seemed to be higher under increasing water deficit up to a point where the plant water status is the main driver of the stomatal conductance and therefore photosynthesis regulation, considering the plant water status thresholds. In addition, the results suggested that stomatal development is affected by light, drought and possibly by rootstocks. Nevertheless, it is still not clear how the rootstock affects stomatal development and the link with scion-cultivar water use. It seems that the transpiration rate of leaves is more related to stomatal size than density. Thus one possible mechanism of Pinotage leaf adaptation to water constraints was structural during leaf growth, with a reduction in pore size to reduce plant water loss. The results showed that the rootstock is regulating the cultivar's stomatal size (anatomical changes during leaf growth) and functioning (stomatal regulation) through a complex signalling process. The effect of light on stomatal development is interesting in the context of canopy microclimate and canopy manipulation (choice of the vine architecture vs canopy size, in the context of climate change versus the possible increase in drought and water scarcity). The use of rootstocks is a long term investment which aims to provide resistance to soil pests and pathogens and to confer to the scion-cultivar drought and salt tolerance. The use of drought tolerant rootstocks is actually one of the most relevant practical solutions in dry terroir – units and in situations where water availability is limited. The understanding of the physiological and genetic mechanisms which govern scion-cultivar drought tolerance/behaviour induced by rootstocks is critical in terms of rootstocks choice in interaction with the scion-cultivar and is critical to assist breeding programs to create/select drought tolerant rootstocks.