Wasserknappheit und Dürre sind große Herausforderungen für die Pflanzenproduktion auch in Teilen Mitteleuropas. Weizen aus dem mediterranen Klima sind wegen ihrer Anpassung an dortige Bedingungen eine potenzielle Quelle für eine verbesserte Dürreresistenz. In 2-faktoriellen Gefäßversuchen und 1-faktoriellen Feldversuchen wurden daher Wassernutzung, Biomasseproduktion, Kornertrag, Ertragsstruktur und Stickstoff-Nutzung von zwei mediterranen (Golia, Gönen) und 8 mitteleuropäischen Sommerweizensorten (Triticum aestivum L.) auf der Versuchsstation der Humboldt-Universität in Berlin-Dahlem untersucht. In den Gefäßversuchen (3 Jahre), unter Freilandbedingungen mit Regenschutz, sollte der Effekt von zwei Bewässerungsvarianten (optimale Bewässerung, restriktive Bewässerung nach Ährenschieben) erfasst und mögliche Sortenunterschiede identifiziert werden. Kornertrag und Biomasseproduktion zeigten starken genotypischen Einfluss und eine Reduktion durch das Wasserdefizit (2 Jahre). Die höchsten Kornerträge erreichten die mitteleuropäischen Sorten, gefolgt von Golia aus Italien mit höheren Erträgen als Gönen aus der Türkei. Bezüglich der Wassernutzungseffizienz (WNE) zeigten die Sorten des gemäßigten Klimas höhere Werte aufgrund von gleichzeitig höherer Evapotranspirationseffizienz (ETE) und Ernte-Index (EI). Auch in den Feldversuchen (2 Jahre) konnte für Biomasseproduktion und Kornertrag ein starker Sorteneinfluss gefunden werden, wobei wiederum die mitteleuropäischen Sorten höhere Erträge erzielten als Gönen. Dasselbe gilt für die WNE, wobei die Ursache in höherer ETE und EI bei den mitteleuropäischen Sorten liegt. Golia erreichte hinsichtlich Biomasse, Kornertrag, WNE und ETE das Niveau der mitteleuropäischen Sorten. Die frühe Trockenheit (2011) reduzierte den Kornertrag nur bei den Sorten aus dem mediterranen Raum verglichen mit der späten Trockenheit in 2010. Der Kornertrag der mitteleuropäischen Sorten war stabil zwischen den Jahren. / Water scarcity and drought are big challenges in agricultural production even in parts of Mid-Europe. Wheats from Mediterranean climate with their adaption to the local conditions may be considered a potential source of enhanced drought resistance. Therefore, in two-factorial pot experiments and one-factorial field experiments water use, biomass accumulation, grain yield, yield structure and nitrogen utilization of 2 Mediterranean (Golia, Gönen) and 8 mid-European spring wheat cultivars (Triticum aestivum L.) were studied on the experimental station of the Humboldt-University at Berlin. Pot experiments (3 years) were carried out under field site conditions with rain shelter to quantify effects of two watering regimes (well watered, water deficit after heading) and to identify possible differences between cultivars. Grain yield and biomass accumulation showed strong genotypic influence and were significantly reduces by water deficit in two years. Mid-European cultivars out yielded Mediterranean ones with Italian cultivar Golia showing higher grain yield than Turkish cultivar Gönen. Crude protein values were higher in Mediterranean cultivars with higher nitrogen amount in those from temperate climate. Clear differences between cultivars were found in water use efficiency (WUE) with higher values in mid-European cultivars due to simultaneously higher Evapotranspiration Efficiency (ETE) and Harvest Index (HI). In field experiments (2 years) biomass and grain yield were strongly influenced by cultivar with higher values in Mid-European cultivars than in Gönen. Similar results were found for WUE which was higher in cultivars from temperate climate because of higher ETE and HI. Italian cultivar Golia reached level of mid-European cultivars either in biomass and grain yield but also WUE and ETE. Early drought in 2011 lowered yield only in Mediterranean cultivars compared to terminal drought in 2010. Yield in cultivars from temperate climate was stable between years.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Charakterisierung der Strahlungsstresstoleranz am Beispiel von Impatiens Genotypen unter Berücksichtigung morphologischer, anatomischer und physiologischer Merkmale. Von 2012 bis 2014 wurden Pflanzen von fünf Impatiens Genotypen bei unterschiedlichem Strahlungsangebot im Gewächshaus kultiviert. Zur Sensibilisierung des Pflanzenmaterials wurde ein Teil der Pflanzen während der Anzucht mit einer herkömmlichen Schattierung stark schattiert (70 % Lichtminderung). Nach 10 Wochen bei unterschiedlichem Strahlungsangebot wurden Blattproben für histologische Untersuchungen entnommen und fünf Pflanzen je Genotyp für Strahlungsstressapplikationen in Pflanzgefäße verpflanzt. Diese Applikationen erfolgten im Freiland unter einem UV-undurchlässigen und einem UV-durchlässigen Foliendach, sowie unter voller Sonne mit und ohne Bewässerung. Während der Stressapplikation wurde die stomatäre Leitfähigkeit und die Chlorophyll-Fluoreszenz gemessen, Thermalbilder erstellt und die Nekrosenintensität täglich dokumentiert. Innerhalb von sieben Tagen waren an schattiert angezogene Pflanzen, im Gegensatz zu unschattiert angezogenen Pflanzen, deutliche Reaktionen an sonnenexponierten Blättern in Form von Nekrosen zu erkennen. Ein zusätzlicher Einfluss von Trockenstress intensivierte diese Reaktion nicht. Zudem wurde deutlich, dass physiologische Messungen während der Stressapplikation nicht mit dem Auftreten der Nekrosen übereinstimmten. Hingegen zeigten Blattquerschnitte und physiologische Messungen nach der Anzucht, dass Blätter, die sich unter hohem Strahlungsangebot entwickelt haben, ein dickeres Palisadenparenchym, mehr Chloroplasten und eine höhere Sättigungskurve der Photosyntheserate aufweisen. Letztendlich zeigt die vorliegende Arbeit, dass die Strahlungsstresstoleranz der Pflanzen stärker von den Anzuchtbedingungen beeinflusst wird, als vom Genotyp, was die Identifikation einer Strahlungsstresstoleranz erschwert. / The aims of the investigation were to characterize the light stress reaction regarding the morphology, anatomy and physiology of five Impatiens varieties. For the trials from 2012 to 2014, plants of each variety were grown in greenhouses at different light conditions. To produce plants with a higher light sensitivity, the light intensity was reduced by using common shading systems (70 % shading). After 10 weeks of pre-treatment at different light conditions, five plants of each variety were transferred into balcony boxes. To determine the anatomical reactions, some leaves were harvested and used for histological investigations. For the light stress treatment, plants were placed outside under UV-impermeable foil, UV-permeable foil and in full sun radiation with and without irrigation. In addition, the stress reaction of plants was evaluated by measuring the stomatal conductance and chlorophyll fluorescence, by using thermal images and by documenting leaf damage daily. Within seven days of light stress the plants subjected to the low light pre-treatment had a significantly higher stress reaction on sun exposed leaves than the plants subjected to the high light pre-treatment. The additional drought stress did not intensify this reaction. Furthermore, the physiological measurements during the stress application were not confirmed by the emergence of leaf damage. But pictures of tissue sections and physiological measurements after pre-treatment illustrated that the leaves developed under high light conditions have more densely packed palisade parenchyma, more chloroplasts and a greater saturation curve of photosynthesis rate compared to the leaves developed in low light conditions. Finally, the results demonstrated that the conditions of plant cultivation influence the light stress adaption stronger than the genotype what makes the identification of light stress tolerant difficult.

Der Klimawandel bedroht Ökosysteme auf der ganzen Welt. Besonders der Anstieg in Länge, Intensität und Häufigkeit von Dürren kann bedeutenden Einfluss auf den globalen Kohlenstoffkreislauf haben. Die Frage, ob Pflanzen und Mikroorganismen anfällig gegenüber ökologischem Stress wie Dürren sind, wurde bereits in vielen Studien für verschiedene Ökosysteme und mit verschiedenen Ansätzen untersucht, aber Analysen von Dürreauswirkungen, die ober- und unterirdische Interaktionen von Pflanzen und Mikroorganismen mit einbeziehen, sind eher selten. Deshalb wird in der vorliegenden Studie die Frage erörtert, wie Trockenheit und/oder Hitze die Interaktionen von Pflanzen und Mikroorganismen in Bezug auf ihre Kohlenstoff-Verbindung beeinflussen. Dies dient zur Bestimmung der Stärke der Pflanze-Mikroorganismen-Kohlenstoff-Verbindung, wenn das Ökosystem an seine Grenzen gebracht wird. Der Fokus liegt deshalb auf durch Trockenstress und Hitze hervorgerufenen Veränderungen in der ober-unterirdischen Kohlenstoff-Dynamik in zwei vom Klimawandel bedrohten Ökosystemen. Es wurde untersucht, wie extreme Klimaereignisse, deren Häufigkeit in Zukunft weiter ansteigen soll, die Kohlenstoff-Verbindung zwischen Pflanzen und Mikroorganismen beeinflusst und wie mikrobielle Gemeinschaften unter diesen Umständen reagieren, um die Resistenz und Reaktionsmechanismen von Ökosystemen im zukünftigen Klimawandel besser vorhersagen zu können. In Kapitel 4 wurde ein Buchenwaldunterholz-Ökosystem untersucht. Buchenwaldmonolithen wurden einem extremen Klimaereignis (Trockenheit und/oder Hitze) ausgesetzt. Die Stärke der Pflanze-Mikroorganismen-Kohlenstoff-Verbindung und Veränderungen in der mikrobiellen Gemeinschaftsstruktur und -aktivität wurden mithilfe von stabilen 13C Isotopenmethoden und Ansätzen auf molekularer Basis, wie 16S rRNA- und Phospholipid-Analysen, bestimmt. In Kapitel 5 wurde ein kleines aquatisches Ökosystems untersucht. Zwei emerse aquatische Makrophyten, Phragmites australis und Typha latifolia, wurden in einem Mesokosmos-Experiment mit Sediment aus einem Soll einer einmonatigen Dürre ausgesetzt. Mithilfe einer 13CO2 Pulsmarkierung, sowie PLFA- und nicht-strukturbildenden Kohlenhydrat-Analysen wurde Kohlenstoff von den Blättern in die Wurzeln bis ins Sediment verfolgt, wo er teilweise in mikrobielle Phospholipide eingebaut wird. Diese Studie hat gezeigt, dass die zwei untersuchten Ökosysteme Trockenstress und Hitze relativ gut widerstehen können, zumindest kurzfristig, und dass das Kohlenstoff-Kontinuum, beziehungsweise die Verbindung zwischen ober- und unterirdischen Gemeinschaften, auch unter starkem Stress intakt bleibt. Zusammenfassend scheint es, dass Ökosysteme stark von einem funktionierenden Pflanze-Boden/Sediment-Mikroorganismen Kohlenstoff-Kontinuum abhängen und versuchen, es auch unter starkem Stress zu erhalten, was möglicherweise dazu beiträgt, dem Anstieg von extremen Dürreperioden aufgrund des Klimawandels besser zu widerstehen. / Climate change is threatening ecosystems around the world. Especially the increase in duration, intensity, and frequency of droughts can have a considerable impact on the global carbon cycle. The question whether plants and microbes are susceptible to environmental stress like drought has been assessed in many studies for different ecosystem types and by using numerous approaches, but research on drought effects that includes above- and belowground interactions is rather scarce. Therefore, the present study assesses the question of how drought and/or heat influence the interactions of plants and microbes, especially the carbon coupling, in order to determine the strength of plant-microbe carbon linkages when an ecosystem is pushed to its limits. The focus of this study thus lies on changes in aboveground-belowground carbon dynamics and the subsequent effects on the soil microbial community under drought and/or heat stress in two climate-threatened ecosystems. It was evaluated how extreme climate events, that are predicted to be more frequent in the near future, affect the carbon coupling between plants and microorganisms and how microbial communities respond under these circumstances, in order to be able to better predict ecosystem resistance and response mechanisms under future climate change. In chapter 4 a beech forest understory ecosystem was investigated. An extreme climate event (drought and/or heat) was imposed on beech forest monoliths and the strength of the plant-microbe carbon linkages and changes in the microbial community structure and activity were determined by using stable 13C isotope techniques and molecular-based approaches like 16S rRNA and microbial phospholipid-derived fatty acid (PLFA) analysis. In chapter 5 a small aquatic ecosystems was investigated. Two emergent aquatic macrophytes, Phragmites australis and Typha latifolia, were grown on kettle hole sediment and then exposed to a month-long summer drought in a mesocosm experiment. By conducting a 13CO2 pulse labeling as well as PLFA and non-structural carbohydrate analyses, the fate of carbon was traced from the plant leaves to the roots and into the sediment, where some of the recently assimilated carbon is incorporated into microbial PLFAs. Overall, this study showed that the two investigated ecosystems can endure environmental stress like heat and drought relatively well, at least in the short-term, and that the carbon continuum, or the linkage between above- and belowground communities, remained intact even under severe stress. In conclusion, it seems that ecosystems strongly depend on and try to maintain a functional plant-soil/sediment microorganism carbon continuum under drought, which might help to withstand the increase in extreme drought events under future climate change.