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Im Zusammenhang mit dem globalen Klimawandel ist die Vegetation besonders wichtig, da sie die anthropogenen CO2-Emissionen aufnehmen und den Wasser- und Energiekreislauf regulieren kann. Während frühere Forschungsarbeiten wertvolle Einblicke in langfristige Veränderungen des Grüns der Vegetation und in Bezug auf die Reaktion der Vegetation auf steigende Temperaturen und atmosphärisches CO2 lieferten, sind die Wechselwirkungen zwischen Vegetation und Wasser noch immer nicht vollständig verstanden. Tatsächlich hat die Dynamik der Bodenfeuchte in der Wurzelzone einen grundlegenden Einfluss auf die Veränderung des Grüns und die Produktivität der Vegetation. Dennoch sind weder die die Empfindlichkeit der Vegetationsproduktivität gegenüber der Bodenwasserversorgung noch die funktionelle Reaktion der Vegetation (d. h. Photosynthese und Transpiration) auf Bodentrockenheitsepisoden auf globaler Ebene vollständig geklärt worden. Forschungsengpässe sind fehlende globale Beobachtungen von Vegetationsfunktion und Bodenwasservariabilität. Außerdem werden die statistischen Instrumente für die Analyse umfangreicher und vielschichtiger Daten nur unzureichend genutzt, was ein besseres Verständnis der globalen Reaktion der Vegetation auf Wasser verhindert. Gleichzeitig trägt eine bessere Kenntnis der Reaktion der Vegetation auf die Wasserversorgung zu einem besseren Verständnis des terrestrischen Wasserkreislaufs bei. Hydrologische Extremereignisse schädigen die Infrastruktur, können das menschliche Wohlergehen beeinträchtigen und treten Berichten zufolge in vielen Regionen der Welt immer häufiger und intensiver auf. Während ein Konsens über die Bedeutung meteorologischer Faktoren für die Regulierung des Wasserkreislaufs und der damit verbundenen Extremereignisse besteht, ist die Rolle der Vegetationsdynamik und -eigenschaften noch nicht ausreichend erforscht. Ihre stärkere Berücksichtigung in hydrologischen Studien bietet das Potenzial, die Prozesse, die hydrologische Extreme antreiben, genauer zu verstehen. Dadurch kann ein besseres Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Vegetation und Wasser im Hinblick auf die Wasserempfindlichkeit der Vegetation und die Rückkopplung der Vegetation auf Klimaextreme die Genauigkeit der Landoberflächenmodellierung verbessern, was für die Verbesserung der Klimaprojektionen unerlässlich ist. Dank der jüngsten Entwicklungen im Bereich der Erdbeobachtung und der Anwendbarkeit leistungsfähiger statistischer Analysewerkzeuge ist es nun möglich, globale Wechselwirkungen zwischen Vegetation und Wasser mit noch nie dagewesener Genauigkeit zu untersuchen. In diesem Zusammenhang stützt sich diese Arbeit insbesondere auf (i) neuartige Datenprodukte wie sonneninduzierte Chlorophyllfluoreszenz oder globale Bodenfeuchte und Evapotranspiration, die aus der Hochskalierung von Stationsmessungen mit Algorithmen des maschinellen Lernens gewonnen wurden, (ii) längere Aufzeichnungen und aktualisierte Aufbereitungen etablierter Datenprodukte wie Blattflächenindex und terrestrische Wasserspeicherung und (iii) die Entwicklung erklärbarer Methoden des maschinellen Lernens, mit denen Informationen effizient aus multivariaten Datenströmen abgeleitet werden können und die darüber hinaus leicht implementier- und in ökohydrologischen Studien anwendbar sind. Basierend auf diesen Datensätzen und Werkzeugen, wird in dieser Arbeit die Empfindlichkeit der globalen Vegetation gegenüber der Bodenwasserversorgung über Raum und Zeit hinweg neu untersucht.:Summary 7 Zusammenfassung 11 1 Introduction 15 1.1 Motivation 16 1.2 Terrestrial vegetation and its relationship with water supply 18 1.2.1 Vegetation functioning 18 1.2.2 Hydro-meteorological drivers of evaporation and vegetation productivity 19 1.2.3 Vegetation structure and physiology 21 1.3 Terrestrial water cycle and its relationship with vegetation 24 1.3.1 Water balance 24 1.3.2 Vegetation regulating the water cycle 26 1.3.3 The relevance of vegetation on hydrological extremes 27 1.4 Advances in observations and models 30 1.4.1 Spaceborne remote sensing 30 1.4.2 Data-driven and physical-based models 34 1.5 Research questions and thesis outline 37 1.5.1 What is the relationship between vegetation productivity and water supply? 37 1.5.2 Can vegetation regulate hydrological extremes? 38 1.5.3 Can land surface models capture vegetation-water interplay? 40 1.5.4 Thesis outline 40 2 Global vegetation controls using multi-layer soil moisture 41 2.1 Introduction 42 2.2 Data and methods 43 2.3 Results and discussion 45 2.4 Conclusions 53 2.A Appendix 54 3 Widespread increasing vegetation sensitivity to soil moisture 70 3.1 Introduction 71 3.2 Data and methods 72 3.3 Results and discussion 78 3.4 Conclusions 85 3.A Appendix 86 4 The drought effect on vegetation physiology inferred from space 101 4.1 Introduction 102 4.2 Data and methods 104 4.3 Results and discussion 111 4.4 Conclusions 122 4.A Appendix 123 5 Drought propagation into the terrestrial water cycle 136 5.1 Introduction 137 5.2 Data and methods 139 5.3 Results and discussion 145 5.4 Conclusions 155 5.A Appendix 157 6 Drivers of high river flows in European near-natural catchments 171 6.1 Introduction 172 6.2 Data and methods 173 6.3 Results and discussion 179 6.4 Conclusion 184 6.A Appendix 186 7 Synthesis 193 7.1 What is the relationship between vegetation productivity and water supply? 194 7.2 Can vegetation regulate hydrological extremes? 197 7.3 Can land surface models capture the observed vegetation-water interplay? 199 7.4 Limitations 200 7.4.1 Difficulties in predicting SIF in tropical regions 200 7.4.2 Observing terrestrial photosynthesis and evaporation 201 7.4.3 Methods related to variable importance quantification 202 7.5 Outlook 202 7.5.1 Vegetation sensitivity to soil moisture and its implications 203 7.5.2 Vegetation functioning and related structure and physiology 203 7.5.3 Extreme events: floods and drought 204 References 206 Statement of authorship contributions 238 Acknowledgements 239 Curriculum Vitae 241 Scientific publications 242 IMPRS certificate 244 / In the context of global climate change, vegetation is particularly relevant as it can take up anthropogenic CO2 emissions and regulate water and energy cycling. While previous research provided valuable insights into long-term changes in vegetation greenness and in terms of the vegetation response to increasing temperature and atmospheric CO2, vegetation-water interactions are still not fully understood. In fact, root-zone soil moisture dynamics have a fundamental influence on modulating vegetation greenness and productivity. Nevertheless, neither the sensitivity of vegetation productivity to soil water supply nor the vegetation functional response (i.e., photosynthesis and transpiration) to soil drought episodes have been fully resolved at the global scale. Missing global observations of vegetation functioning and terrestrial water variability are bottlenecks, and statistical tools for analyzing large and multi-stream data are poorly exploited, preventing a better understanding of global vegetation water response. At the same time, a better knowledge of the vegetation response to the water supply in turn advances the understanding of the terrestrial water cycle. Hydrological extremes are damaging infrastructure and can affect human well-being, and have been reported to become more frequent and intense in many regions around the world. While a consensus exists regarding the importance of meteorological drivers for regulating the water cycle and related extreme events, the role of vegetation dynamics and characteristics is understudied. Its greater consideration in hydrological studies offers the potential to more accurately understand the processes driving hydrological extremes. Thereby, a better understanding on vegetation-water interactions in terms of vegetation water sensitivity and vegetation feedbacks on climate extremes can advance the accuracy of land surface modelling which is essential to improve climate projections. Thanks to recent developments in Earth observations and in the applicability of powerful statistical analyses tools, investigating global vegetation-water interactions is now possible with unprecedented accuracy. In this context, this thesis builds particularly on (i) novel data products such as Sun-induced chlorophyll fluorescence or global gridded soil moisture and evapotranspiration products obtained from upscaling station measurements with machine learning algorithms, (ii) longer records and updated processing of established data products such as leaf area index and terrestrial water storage, and (iii) the development of explainable machine learning methods which can efficiently derived information from multivariate data streams, and are furthermore implemented and readily applicable in ecohydrological studies. With these datasets and tools, this thesis revisits the sensitivity of global vegetation to soil water supply across space and time.:Summary 7 Zusammenfassung 11 1 Introduction 15 1.1 Motivation 16 1.2 Terrestrial vegetation and its relationship with water supply 18 1.2.1 Vegetation functioning 18 1.2.2 Hydro-meteorological drivers of evaporation and vegetation productivity 19 1.2.3 Vegetation structure and physiology 21 1.3 Terrestrial water cycle and its relationship with vegetation 24 1.3.1 Water balance 24 1.3.2 Vegetation regulating the water cycle 26 1.3.3 The relevance of vegetation on hydrological extremes 27 1.4 Advances in observations and models 30 1.4.1 Spaceborne remote sensing 30 1.4.2 Data-driven and physical-based models 34 1.5 Research questions and thesis outline 37 1.5.1 What is the relationship between vegetation productivity and water supply? 37 1.5.2 Can vegetation regulate hydrological extremes? 38 1.5.3 Can land surface models capture vegetation-water interplay? 40 1.5.4 Thesis outline 40 2 Global vegetation controls using multi-layer soil moisture 41 2.1 Introduction 42 2.2 Data and methods 43 2.3 Results and discussion 45 2.4 Conclusions 53 2.A Appendix 54 3 Widespread increasing vegetation sensitivity to soil moisture 70 3.1 Introduction 71 3.2 Data and methods 72 3.3 Results and discussion 78 3.4 Conclusions 85 3.A Appendix 86 4 The drought effect on vegetation physiology inferred from space 101 4.1 Introduction 102 4.2 Data and methods 104 4.3 Results and discussion 111 4.4 Conclusions 122 4.A Appendix 123 5 Drought propagation into the terrestrial water cycle 136 5.1 Introduction 137 5.2 Data and methods 139 5.3 Results and discussion 145 5.4 Conclusions 155 5.A Appendix 157 6 Drivers of high river flows in European near-natural catchments 171 6.1 Introduction 172 6.2 Data and methods 173 6.3 Results and discussion 179 6.4 Conclusion 184 6.A Appendix 186 7 Synthesis 193 7.1 What is the relationship between vegetation productivity and water supply? 194 7.2 Can vegetation regulate hydrological extremes? 197 7.3 Can land surface models capture the observed vegetation-water interplay? 199 7.4 Limitations 200 7.4.1 Difficulties in predicting SIF in tropical regions 200 7.4.2 Observing terrestrial photosynthesis and evaporation 201 7.4.3 Methods related to variable importance quantification 202 7.5 Outlook 202 7.5.1 Vegetation sensitivity to soil moisture and its implications 203 7.5.2 Vegetation functioning and related structure and physiology 203 7.5.3 Extreme events: floods and drought 204 References 206 Statement of authorship contributions 238 Acknowledgements 239 Curriculum Vitae 241 Scientific publications 242 IMPRS certificate 244

In dieser Doktorarbeit untersuchen wir den Einfluss von Elektron-Phonon-Wechselwirkungen (EPW) auf die Bandlueckenrenormierung in kristallinen Festkoerpern bei endlichen Temperaturen. Das Hauptziel besteht darin, den Einfluss der Kernbewegung und der thermischen Ausdehnung des Gitters auf die Bandstruktur in einer Vielzahl von Materialien zu quantifizieren. Zu diesem Zweck wird der Temperatureinfluss auf das EPW in harmonischen Naeherungen unter Verwendung der stochastischen Abtastmethode und vollstaendig anharmonisch durch Durchführung von ab initio Molekulardynamiksimulationen (aiMD). Die Bandluecke bei endlichen Temperaturen wird aus der thermodynamisch gemittelten Spektralfunktion extrahiert, die unter Verwendung der Bandentfaltungstechnik berechnet wird. Waehrend die Verwendung von aiMD bereits fuer Berechnungen von EPW verwendet wurde, wurde die Kombination von aiMD und Bandentfaltung zur Behandlung der Bandluecken renormalisierung erst kuerzlich verwendet. In dieser Doktorarbeit haben wir eine verbesserte Bandentfaltungstechnik verwendet, um die Berechnung effektiv zu verwalten. Diese verbesserte Methode enthaelt mehrere methodische Neuerungen, die dazu dienen, den Rechenaufwand zu verringern und das statistische Rauschen in den Endergebnissen zu minimieren. Die aktualisierte Methode wurde gruendlich bewertet, dokumentiert und mit einer benutzerfreundlichen Oberflaeche gestaltet. Wir praesentieren eine umfassende Untersuchung der numerischen Aspekte der thermodynamischen Mittelung, der Schaetzung von Fehlerbalken und der Bewertung der Konvergenz in Bezug auf die Groesse der Simulationssuperzelle. Unser etabliertes Protokoll ermoeglicht die Berechnung der Bandlückenrenormierung bei endlichen Temperaturen, was in guter Uebereinstimmung mit frueheren theoretischen Studien und experimentellen Daten steht. / In this thesis, we investigate the influence of electron-phonon interactions (EPI) on the band gap renormalization in crystalline solids at finite temperatures. The main goal is to identify the impact of the nuclear motion and the lattice thermal expansion on the band structure in a wide range of materials. For this purpose, the temperature influence on the EPI is calculated in the harmonic approximations by utilizing the stochastic sampling methodology and fully anharmonically, by performing ab initio molecular dynamics simulations (aiMD). The band gap at finite temperatures is extracted from the thermodynamically averaged spectral function, which is calculated using band-unfolding technique. While utilization of aiMD was already used for calculations of EPI the combination of aiMD and band-unfolding to treat the band gap renormalization was used only recently. In this thesis, we employed an improved band unfolding technique in order to effectively manage the calculations. This improved method incorporates several methodological innovations that serve to mitigate computational cost and minimize statistical noise in the final results. The updated method was thoroughly benchmarked, documented, and designed with a user-friendly interface. We present a comprehensive examination of the numerical aspects of thermodynamic averaging, the estimation of error bars, and the evaluation of convergence with respect to the size of the simulation supercell. Our established protocol enables the calculation of band gap renormalization at finite temperatures, which is in good agreement with prior theoretical studies and experimental data.

Background: Bioadhesion and surface interactions on enamel are of essential relevance for initiation, progression and prevention of caries and erosions. Salivary proteins on and within initial carious and erosive lesions can facilitate or aggravate de- and remineralization. This applies for the pellicle layer, the subsurface pellicle and for proteins within initial carious lesions. Little is known about these proteinaceous structures related to initial caries and erosion. Accordingly, there is a considerable demand for an understanding of the underlying processes occurring at the interface between the tooth surface and the oral cavity in order to develop novel agents that limit and modulate caries and erosion. Objectives and findings: The present paper depicts the current knowledge of the processes occurring at the interface of the tooth surface and the oral fluids. Proteinaceous layers on dental hard tissues can prevent or aggravate demineralization processes, whereas proteins within initial erosive or carious lesions might hinder remineralization considerably and restrict the entry of ions into lesions. Conclusions: Despite the fact that organic–inorganic surface interactions are of essential relevance for de- and remineralization processes at the tooth surface, there is limited knowledge on these clinically relevant phenomena. Accordingly, intensive research is necessary to develop new approaches in preventive dentistry.

Die Identifizierung von Apoptose-modifizierten Proteinen erfolgte durch Proteomanalyse per 2D-Gelelektrophorese und Massenspektrometrie. Zunächst wurde eine 2DE-Datenbank errichtet, die im Internet zugänglich ist. Die Identifikation von Proteinen durch Peptidmassenfingerabdruck konnte durch Verwendung einer zweiten Matrix verbessert werden. Die Analyse ausgelassener tryptischer Spaltstellen, N-terminaler Pyroglutamatbildung und Oxidation von Tryptophan konnte die Identifikation von Proteinen mittels Peptidmassenfingerabdruck verbessern. Die Apoptose wurde über den Fas-Rezeptor-Signalweg oder durch DNA-Schädigung mittels Cis-Platin eingeleitet und das Totallysat oder die Kompartimente von Jurkat T-Zellen der Proteomanalyse unterworfen. Große Übereinstimmungen der beiden Prozesse wurden festgestellt. 95 Apoptose-modifizierte Proteine wurden identifiziert, wovon 78 Proteine bisher unbekannt für den Apoptoseprozess waren. Auffällig war, dass 40 % der Proteine RNA-Bindungsmotive enthielten und das 21 Onkoprotein oder Onkoprotein-interagierende Proteine identifiziert wurden. Für 39 Proteine konnten bisher proteolytische Spaltungen vorausgesagt werden. Eine Fülle von Informationen wurde über putative Translokationen der Proteine erhalten. Für das Protein p54nrb wurden drei Caspase-3 Spaltstellen durch die Einführung von Mutationen und die Abhängigkeit der Caspase-3 Spaltung von RNA bewiesen. Mitochondriale ribosomale Proteine von Mensch, Maus und Ratte wurden durch Abgleichung von EST-Datenbanken mit partiellen Aminosäuresequenzen aus dem Rind bestimmt. Die Konservierung der Sequenzen der Säugetierproteine der mitochondrialen ribosomalen Proteinen war geringer als von den bekannten cytosolischen ribosomalen Proteinen. Weiterhin wurden unterschiedliche Ergebnisse bzgl. der mitochondrialen Signalsequenzen der Proteine gefunden. RNA-Protein-Wechselwirkungen im Ribosom wurden nach Quervernetzung auf einzelne Aminosäuen bzw. Nukleotide bestimmt. Die Daten wurden zur Verbesserung von ribosomalen Modellen verwendet. Die mittlerweile erhaltenen Kristallstrukturen des Ribosoms zeigten, dass die Ergebnisse der Quervernetzungsexperimente mit den tatsächlichen RNA-Protein-Wechselwirkungen weitgehend übereinstimmen. Die Affinität von verschiedenen Komponenten zu einem Zielmolekül zur Bildung von nicht-kovalenten RNA-Peptid-Wechselwirkungen wurde mit Hilfe von MALDI-MS ermittelt. Die Interaktionen sind stark abhängig von der Anzahl der Arginine. / Apoptosis-modified proteins were identified by proteome analysis via 2D gel electrophoresis and mass spectrometry. First, a internet-accessible 2DE database was rendered. The identification of the proteins by peptide mass fingerprinting was improved using a second matrix. The analysis of missed tryptic cleavage sites, the formation of N-terminal pyroglutamine and oxidation of tryptophan could improve the identification of proteins by peptide mass fingerprinting. Apoptosis was induced via the Fas-receptor signaling pathway or by means of DNA damage by cis-platin. The total lysate and the compartments of Jurkat T cells were analyzed by proteome analysis. High similarities between both processes were observed. 95 apoptosis-modified proteins were identified, 78 of these were until now unknown to be involved in apoptosis. Noticeable, 40% of the proteins include a RNA-binding motif and 21 oncogene or oncogene-interacting proteins were identified. A proteolytic cleavage could be predicted for 39 proteins. Some information was received about the putative translocation of the proteins. Three caspase-3 cleavage sites were shown for the protein p54nrb with the incorporation of mutations. Furthermore, the caspase-3 cleavage was dependent on the occurrence of RNA. Mitochondrial ribosomal proteins of human, mouse and rat were determined by screening of EST-databases with partial amino acid sequences from bovine. The conservation of sequences of mammalian proteins of the mitochondrial ribosomal proteins was less than for known cytosolic ribosomal proteins. Furthermore, different results were obtained considering mitochondrial signal sequences. RNA-protein interaction within the ribosome were determined on single amino acids and nucleotides, respectively, after cross-linking. These data were used to improve models of the ribosome. The in the meantime obtained 3D-structures of the ribosome showed high consistency with the revealed RNA-protein interaction sites after cross-linking. The affinity of different components to a target molecule to form RNA-peptide interactions was determined by MALDI-MS. The interactions were strongly dependent on the number of arginines.

In dieser Arbeit wurde die Rolle selektiver, nicht-kovalenter Wechselwirkungen bei der Selbstorganisation von Diblockcopolymeren untersucht. Durch Einführung elektrostatischer, dipolarer Wechselwirkungen oder Wasserstoffbrückenbindungen sollte es gelingen, komplexe Mesostrukturen zu erzeugen und die Ordnung vom Nanometerbereich auf größere Längenskalen auszuweiten. Diese Arbeit ist im Rahmen von Biomimetik zu sehen, da sie Konzepte der synthetischen Polymer- und Kolloidchemie und Grundprinzipien der Strukturbildung in supramolekularen und biologischen Systemen verbindet. Folgende Copolymersysteme wurden untersucht: (i) Blockionomere, (ii) Blockcopolymere mit chelatisierenden Acetoacetoxyeinheiten und (iii) Polypeptid-Blockcopolymere. / In this work, the basic principles of self-organization of diblock copolymers having the in¬herent property of selective or specific non-covalent binding were examined. By the introduction of electrostatic, dipole–dipole, or hydrogen bonding interactions, it was hoped to add complexity to the self-assembled mesostructures and to extend the level of ordering from the nanometer to a larger length scale. This work may be seen in the framework of biomimetics, as it combines features of synthetic polymer and colloid chemistry with basic concepts of structure formation applying in supramolecular and biological systems. The copolymer systems under study were (i) block ionomers, (ii) block copolymers with acetoacetoxy chelating units, and (iii) polypeptide block copolymers.

Es wird heute weltweit versucht, Konzepte für vielfältige taktile kartographische Medien zu entwickeln, die vorrangig der allgemeinen Orientierung und Mobilität, aber auch verstärkt dem Wissenserwerb, z.B. im Geographieunterricht an Schulen für Blinde und Sehbehinderte, dienen sollen. Diese Konzepte müssen von denen der "visuellen Kartographie"1 zwangsläufig mehr oder weniger abweichen und auf weitgehend anderen Methoden, Regeln und Techniken beruhen. Wesentliche und durch die Praxis verifizierte Erkenntnisse der visuellen Kartographie sind der taktilen Kartographie zugänglich zu machen bzw. in/an diese zu adaptieren. Trotzdem dürfen grundlegende Theorien und Erfahrungen der Kartengestaltung und Kartennutzung für Sehende nicht völlig negiert werden.

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