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.

Stickstoffdüngung und Bodenbewirtschaftung sind die Hauptquellen für Treibhausgase aus Anbausystemen. Dennoch sind diese Maßnahmen in Ackerbaubetrieben unerlässlich. In Anbetracht der Notwendigkeit, rasch Maßnahmen gegen den Klimawandel zu ergreifen, ist es notwendig Minderungspotentiale und Kosten in diesen Betrieben zu ermitteln und vergleichen. Es wurden Fallstudien in den USA, in Brasilien und in Deutschland durchgeführt, wobei jeweils eine Kultur in jeder Region untersucht wurde. Wissenschaftliche Literatur und Fokusgruppen mit lokalen Experten wurden genutzt, um realistische Ergebnisse zu generieren, die den lokalen Kontext abbilden. Diese Arbeit zeigt, dass die Wirtschaftlichkeit der Minderungsstrategien von dem betrachteten Zeithorizont abhängt, der sich aus der Kohlenstoffdynamik im Boden ergibt. Kurzfristig bieten Strategien, die die Kohlenstoffbindung fördern, ein größeres Minderungspotenzial, was jedoch langfristig nicht zutrifft. Kurzfristig wurden in Brasilien und den USA die geringsten Minderungskosten durch die Optimierung der Stickstoffdüngung erreicht. Diese Kosten sind negativ, was bedeutet, dass die Anwendung dieser Strategien, nicht nur ihre Emissionen, sondern auch ihre Kosten senken würden. Weitere kosteneffiziente Strategien waren die Verringerung der Bodenbearbeitungsintensität und Zwischenfrüchte, die in allen Fällen mit vergleichbaren Minderungskosten durchführbar waren und die Kohlenstoffbindung fördern. Der Einsatz von Hemmstoffen schließlich, der in den USA und in Brasilien möglich war, hatte die höchsten Minderungskosten. Langfristig betrachtet stiegen die Minderungskosten von Strategien mit Kohlenstoffbindung an und waren ähnlich hoch oder höher als bei Strategien ohne Kohlenstoffbindung. Da in allen Fällen dieselbe Methodik angewandt wurde, sind die Ergebnisse vergleichbar. Darüber hinaus sind die Ergebnisse zwar spezifisch für den Kontext, in dem sie berechnet wurden, sie liefern jedoch Erkenntnisse für ähnliche Regionen. / Nitrogen fertilization and soil management are the main sources of greenhouse gases from cropping systems. Yet these operations are essential on arable farms. Considering the need to take quick action against climate change, it is necessary to understand which mitigation potentials and cost can be attained in these farms and how they compare. Case studies in the USA, Brazil and in Germany were conducted, assessing one crop in each region. Scientific literature and focus groups with local experts were used to generate realistic results which depict the local context. This thesis identified that the economics of the mitigation strategies depended on the time horizon considered, which results from the carbon dynamics in the soil. In the short term, strategies promoting carbon sequestration offer a larger mitigation potential, yet this is not valid in the long term. In the short term, the lowest mitigation costs were attained by optimizing the nitrogen rate, feasible in the USA and Brazil. These costs are indicated to be negative, implying that adopting the strategy would not only lower emissions, but also reduce their costs. The next most cost efficient strategies were the reduction of the tillage intensity and cover crops, which were feasible in all cases with comparable mitigation costs and promote carbon sequestration. Lastly, the adoption of inhibitors, feasible in the USA and in Brazil, had among the highest mitigation costs. Assuming the long term, the mitigation costs of strategies with carbon sequestration increased, becoming similar to or higher than strategies without carbon sequestration. By applying the same methodology in each case, the results are comparable. Moreover, while the findings are specific to the context in which they were calculated, they provide insights for similar regions.