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Elevated arsenic content in food crops pose a serious human health risk. Apart from rice wheat being another main food crop is possibly cultivated on contaminated sites. But for wheat uptake mechanisms are not entirely understood especially with regard to nutrient fertilization and different moisture regimes taking into account heavy rainfall events due to climate change. Here we show that especially higher P-fertilization under changing redox conditions may enhance arsenic uptake. This counteracts with higher N-fertilization reducing arsenic transfer and translocation into aboveground plant parts for both higher P-fertilization and reducing soil conditions. Arsenic speciation did not change in grain but for leaves P-fertilization together with reducing conditions increased the As(V) content compared to other arsenic species. Our results indicate important dependencies of nutrient fertilization, moisture conditions and substrate type on As accumulation of wheat as one of the most important crop plants worldwide with implications for agricultural practices.

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Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Betrachtung der regionalen Klimawandelfolgen auf die landwirtschaftlichen Erträge des agrarintensiven Landes Niedersachsen. Zu diesem Zweck wurde das neuentwickelte robuste Pflanzenmodell BioStar herangezogen um mittels hochaufgelösten (100 × 100 m) Wettreg Klimadaten des 21. Jahrhunderts die Entwicklung der Biomasseerträge von vier Wintergetreiden (Weizen, Gerste, Roggen & Triticale), drei Maissorten (differenziert nach Reifezeitpunkt) und drei weiterer Feldfrüchte (Sonnenblume, Sorghum & Sommerweizen) zu modellieren. Bei dem Pflanzenmodell BioStar handelt es sich um ein kohlenstoffbasiertes Pflanzenmodell, mit dem anhand von Eingangsklimadaten (Niederschlagshöhe, Temperatur, Globalstrahlung, Luftfeuchte und Windgeschwindigkeit) und dem verfügbaren Bodenwasser (Feldkapazität) der Ertragszuwachs im Verlauf der Vegetationsperiode simuliert wird. Das Modell eignet sich für die Thematik insbesondere auch deshalb, da es an der Universität Göttingen entwickelt und auf Niedersächsischen Standorten validiert wurde. Die zur Modellierung benötigten Bodenparameter wurden der Niedersächsischen BÜK50n entnommen. Dabei kamen nur Flächen zur Anwendung, die nach der Corine Landbedeckungserhebung von 2005 zu den landwirtschaftlich genutzten Flächen in Niedersachsen zählen. Die mittlere Größe dieser gut 90.000 Flächen liegt damit um 33 ha. Die Entwicklung wird unter Berücksichtigung des IPCC Szenarios A1B sowie des CO2-Düngeeffekts bis zum Ende des Jahrhunderts pflanzenabhängig stagnierend bis deutlich positiv verlaufen, wovon allerdings nicht alle Regionen in gleicher Weise profitieren können. Insgesamt verschieben sich die landwirtschaftlichen Gunstgebiete weiter nach Westen — was aber durch die bessere Entwicklung des Westens und nicht in einer negativen Entwicklung der östlichen Flächen begründet ist. Das Ostbraunschweigische Hügelland ist meist unter den Regionen mit der besten Entwicklung, kann im absoluten Vergleich aber nie zu den guten landwirtschaftlichen Standorten aufschließen. Größter Verlierer wird den Ergebnissen nach das südliche Hügelland sein, das über die kommenden Jahrzehnte zusehends schlechtere Voraussetzungen für den Pflanzenanbau bietet. Die gesamte Entwicklung wird dabei aber erst ab etwa der Jahrhunderthälfte einsetzen, vorher lassen sich für den Großteil der Pflanzen kaum Veränderungen konstatieren. In den kommenden 20 Jahren zeigt nur die Gerste deutliche Anzeichen eines Ertragszuwachses und mittelreifender Mais eines Ertragsrückgangs. Bis 2099 kehrt sich dieser Trend dann wieder um. Eigentlich alle Feldfrüchte zeigen spätestens zum Jahrhundertende eine positive Entwicklungstendenz, wenn Winterweizen, Winterroggen und Wintertriticale auch nur vergleichsweise schwach. Die beiden hauptausschlaggebenden Entwicklungsfaktoren werden in Zukunft zum einen die atmosphärische CO2-Konzentration sein, über deren Düngeeffekt die Erträge positiv beeinfluss werden. Ihr stehen die abnehmenden Sommerniederschläge gegenüber, die sich deutlich negativ auf die Erträge auswirken. Vieles wird in Zukunft davon abhängen, inwieweit diese Niederschläge tatsächlich zurückgehen werden und wie stark der CO2-Düngeeffekt tatsächlich ausfallen wird. Ungeachtet dessen werden sich aber die Wintergerste und der Sommerweizen dennoch tendenziell positiv entwickeln können, da beider Entwicklung relativ unabhängig von den CO2- Konzentrationen verläuft, wobei die Gerste zusätzlich weniger anfällig auf sinkende Sommerniederschläge reagiert. Interessant wird auch die Entwicklung des Maises werden. Im Gegensatz zu anderen Studien die nur mit „Mais“ modellieren, wurde hier auf früh-, mittel- und spätreifende Sorten zurückgegriffen. Die unterschiedlichen Sorten besitzen über das Jahrhundert deutlich größere Unterschiede als etwa die Arten Weizen, Roggen und Triticale. Während mittelreifender Mais die schlechtesten Aussichten, eigentlich unter allen behandelten Pflanzen, besitzt, wird spätreifender Mais mit den deutlichsten Ertragszuwächsen im kommenden Jahrhundert rechnen können.

Elevated arsenic content in food crops pose a serious human health risk. Apart from rice wheat being another main food crop is possibly cultivated on contaminated sites. But for wheat uptake mechanisms are not entirely understood especially with regard to nutrient fertilization and different moisture regimes taking into account heavy rainfall events due to climate change. Here we show that especially higher P-fertilization under changing redox conditions may enhance arsenic uptake. This counteracts with higher N-fertilization reducing arsenic transfer and translocation into aboveground plant parts for both higher P-fertilization and reducing soil conditions. Arsenic speciation did not change in grain but for leaves P-fertilization together with reducing conditions increased the As(V) content compared to other arsenic species. Our results indicate important dependencies of nutrient fertilization, moisture conditions and substrate type on As accumulation of wheat as one of the most important crop plants worldwide with implications for agricultural practices.

Als Zielstellung wurde in mehrjährigen Gefäß- und Feldversuchen geprüft, welche Wechselwirkungen bei fortgesetztem Zwischenfruchtanbau und organischer Düngung (Kompost, Stalldung, Gülle) auf den Nährstoffumsatz im Boden sowie auf Ertrag und Qualität der nachgebauten Hauptfrüchte sich entwickelt haben. Die Nachwirkung dieser Anbaukombinationen wurden bis zu acht Jahre detailliert dargestellt, da sehr interessante und aktuelle Ergebnisse ermittelt werden konnten. Die Veröffentlichung richtet sich an Einrichtungen zur Beratung und Forschung zum ökologischen Landbau.:1 Einleitung 2 Material und Methoden 2.1 Gefäßversuch 2.2 Feldversuch 2.2.1 Standortbeschreibung 2.2.2 Versuchsaufbau 2.2.3 Versuchsauswertung 2.3 Untersuchungsmethoden 3 Ergebnisse und Diskussion 3.1 Gefäßversuch 3.1.1 Versuchsjahr 2000/2001 3.1.2 Versuchsjahr 2001/2002 3.1.3 Versuchsjahr 2002/2003 3.1.4 Erträge und Nährstoffentzüge im Verlauf der drei Versuchsjahre 3.1.5 Auswirkungen der dreijährigen Versuchsausführung auf den Boden 3.1.6 Schlussfolgerungen zum Gefäßversuch 3.2 Feldversuch 3.2.1 Grundnährstoffgehalte im Boden und Nährstoffentzüge der Hauptfrüchte 3.2.2 Zwischenfruchtanbau und Nmin-Gehalt des Bodens 3.2.3 Erträge der Hauptfrüchte in den einzelnen Untersuchungsjahren 3.2.4 Nährstoffbilanzen 3.2.5 Qualitätsparameter 3.2.6 Schlussfolgerungen zum Feldversuch 4 Fazit 5 Literaturverzeichnis 6 Anhang

Das Pflanzenwachstum fördernde Bakterien (PGPB) kommen ubiquitär sowohl an der Wurzel als auch am Spross der Pflanzen vor und sie können über direkte oder indirekte Mechanismen einen bedeutenden Beitrag zur Stickstoffernährung der Pflanzen leisten. Die vorliegende Arbeit umfasst a) die Isolierung von PGPB, welche das Wachstum verschiedener Pflanzenarten fördern und durch Fusarien verursachte Pflanzenkrankheiten bekämpfen, b) die Analyse der Möglichkeiten Probleme der Pflanzenernährung durch den Einsatz von PGPB zu lösen, c) die Entwicklung neuer molekularbiologischer Methoden zur Messung der Diversität und Aktivität der PGPB. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Methoden zur Beschreibung der Diversität von rhizosphären PGPB entwickelt und verbessert um Verbindungen zwischen applizierten PGPB und deren Aktivitäten zu prüfen. Die sensitive quantitative real-time-PCR Methode wurde zur Quantifizierung bzw. zum Nachweis der inokulierten PGPB und zum Nachweis des nitrogenase-reduktase-Gens (nifH), des Markergens für potentiell diazotrophe Bakterien. Bakterienartspezifische Primer wurden aus dem Sequenzvergleich der 16S-23S ISR ausgewählter Bakterienstämme selektiert und Protokolle zur Quantifizierung dieser Bakterienarten erarbeitet. Die nifH Gen Quantifizierung an Pflanzen eröffnet die Möglichkeit Schlüsselorganismen in der assoziativen biologischen Luftstickstoffbindung zu identifizieren und kurzfristige Reaktionen der Bakteriengesellschaften auf Umweltveränderungen und Regulationsmechanismen in situ zu analysieren. / Plant growth promoting bacteria (PGPB) are ubiquitous in both plant root and shoot, and are important contributors to the nitrogen-input of plants exerting their positive effects on plant growth directly or indirectly through different mechanisms. The present work focuses on a) the isolation of PGPB, which promotes the growth of different plant cultures and controls plant diseases caused by Fusarium species, b) the prospects of PGPB to solve plant nutritional problems, c) developing new molecular methods for the assessment of their diversity and activity. In the frame of this thesis, the methods for the description of the diversity of root colonizing PGPB have been developed and improved to provide links between introduced PGPB abundance and activities. The approach used was based on the sensitive real – time PCR detection/quantification of introduced PGBP and the nitrogenase reductase gene (nifH), which served as a marker gene for potential diazotrophs. The amplified 16S-23S ISR sequences of studied bacteria were subjected to strain – specific primer design and a highly specific bacteria quantification protocol were developed. The bacteria quantification protocol was based on real – time PCR using strain specific primers in order to evaluate the colonization ability of studied bacteria, which were inoculated to plant roots. The results presented in this thesis have shown that monitoring of nifH amount in plant root is a suitable and promising approach to link inoculated diazotrophic bacteria abundance and its potential activity. The study of nifH gene abundance in plant offers the opportunity to identify key players in asymbiotic nitrogen fixation, to study short-term community responses in changing environments, or to analyze the effect of regulation in situ.

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