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Grünland mit hoher Produktivität und Futterqualität bildet die Grundlage der Wiederkäuerernährung. In Grünlandbeständen mit ausbleibender oder geringer Stickstoffdüngung sind Leguminosen unerlässlich für Produktivität und Futterqualität, was auf die Fähigkeit von Leguminosen Luftstickstoff zu binden zurückzuführen ist. Gegenwärtig ist Trifolium repens L. eine der wichtigsten Futterleguminosen im Grünland der gemäßigten Zonen Europas. Es ist allerdings bekannt, dass T. repens eine gute Wasserversorgung benötigt, um einen hohen Ertrag zu erzielen. Verringerte Niederschlagsmengen in der Vegetationsperiode, die unter Klimawandelbedingungen vorausgesagt werden, könnten somit die Ertragsleistung von T. repens verringern. In Zukunft steigt dadurch möglicherweise auch die Bedeutung anderer Futterleguminosen, die besser an trockenere Bedingungen angepasst sind und somit als Alternative für T. repens dienen könnten. Da die Kenntnisse über das agronomische Potenzial solcher möglichen alternativen Leguminosen begrenzt sind, haben wir in dieser Studie fünf vielversprechende und wahrscheinlich besser an Trockenheit angepasste Leguminosen untersucht. Für unsere Versuche haben wir Lotus corniculatus L., L. uliginosus Schkuhr, Medicago lupulina L., M. falcate L. und Onobrychis viciifolia Scop. ausgewählt. In einem ersten Schritt wurde das agronomische Potenzial der Leguminosen im Hinblick auf Etablierung und frühe Ertragsentwicklung mit nicht limitierter Wasserversorgung getestet. Weiterhin wurden der Ertrag und die Ertragsstabilität sowie die Wassernutzung der alternativen Leguminosen bei temporärer Trockenheit untersucht und mit der von T. repens verglichen. Der Einfluss von Trockenstress auf wichtige Futterwert bestimmende Inhaltsstoffe der Leguminosen (Rohprotein, neutrale Detergenzienfasern, saure Detergenzienfasen und wasserlösliche Kohlenhydrate) war überdies Gegenstand der Betrachtungen. Um die oben genannten Parameter zu untersuchen, wurde von 2009 (Einsaatjahr) bis 2011 ein Experiment in Großgefäßen in einer Vegetationshalle durchgeführt. In diesem Versuch wurden alle Leguminosen sowohl in Monokultur als auch in einer praxisüblichen Mischung mit Lolium perenne L. angesät. Im Versuchszeitraum folgten die klimatischen Bedingungen in der Vegetationshalle einem normalen jahreszeitlichen Verlauf, der Frost im Winter und höhere Temperaturen im Sommer umfasste. Der für den Versuch notwendige Trockenstress wurde in drei Aufwüchsen innerhalb von zwei Jahren durch temporären Bewässerungsstopp erzeugt. Dabei wurde im Frühjahr 2010 (April/Mai) ein moderater und im Sommer 2010 (Juli/August) sowie im Frühjahr 2011 (April/Mai) je ein starker Trockenstress induziert. Mit Ausnahme von M. falcata, welches eine verzögerte Anfangsentwicklung zeigte, waren die Keimung und die Etablierung von allen alternativen Leguminosen vergleichbar mit der von T. repens. Die Ertragsleistung von M. lupulina und L. corniculatus in Monokultur war ähnlich hoch wie die von T. repens. In Mischung zeigten beide alternativen Leguminosen zwar Potenzial, aber die Ertragsleistungen waren dennoch geringer als die der T. repens/L. perenne Mischung. In unserem Versuch führte Trockenstress zu verringertem Ertrag und er beeinflusste auch die agronomische Wassernutzungseffizienz (Verhältnis von Ertrag zu Wasserverbrauch). Ausschlaggebend waren dabei die Stärke und die Dauer des Trockenstresses. Besonders starker, aber auch bereits moderater Trockenstress führten bei T. repens zu erheblichen Ertragsverlusten von bis zu 56%. Demgegenüber zeigten vor allem M. lupulina, aber auch L. corniculatus und M. falcata lediglich marginale Ertragsverluste bei moderatem Trockenstress und meist geringere Ertragsverluste als T. repens bei starkem Stress. Die agronomische Wassernutzungseffizienz war bei moderatem Stress verhältnismäßig stabil, wohingegen starker Stress im Vergleich zur Kontrolle meist zu einer geringeren agronomischen Wassernutzungseffizienz führte. Sowohl unter Kontroll- als auch unter Stressbedingungen zeigte speziell M. lupulina in Monokultur eine ähnliche oder sogar eine höhere agronomische Wassernutzugseffizienz als T. repens. Zudem war die agronomische Wassernutzungseffizienz der Mischungen mit M. lupulina, L. corniculatus und M. falcata weniger negativ von starkem Trockenstress betroffen als die Mischung mit T. repens. Dies bestätigte zum einen die Trockenheitsempfindlichkeit von T. repens und zum anderen die bessere Anpassung der alternativen Leguminosen an trockenere Bedingungen. Wir beobachteten, dass eine Änderung in der Stickstofffixierungsleistung der Leguminosen eine gute Erklärungsgröße für Änderungen des Ertrags und der agronomischen Wassernutzungseffizienz darstellt. Hohe Stickstofffixierungsleistung geht dabei meist mit höherem Ertrag und höherer agronomischer Wassernutzungseffizienz einher. Die intrinsische Wassernutzungseffizienz (Verhältnis von assimiliertem CO2 und stomatärer Leitfähigkeit), gemessen als 13C, war ein schlechterer Indikator für die agronomische Wassernutzungseffizienz: Obwohl die intrinsische Wassernutzungseffizienz unter starkem Trockenstress zunahm, sank die agronomische Wassernutzungseffizienz meist ab. Dennoch besitzt die Erhöhung der intrinsischen Wassernutzungseffizienz ein gewisses Potenzial als Anpassung an trockenere Bedingungen Der Trockenstresseffekt auf die Futterqualität war in unserer Studie generell deutlich geringer als der Effekt auf den Ertrag. Besonders moderater Stress hatte wenig Einfluss auf die Futterqualität, während sich die Effekte bei starkem Stress verstärkten. Starker Trockenstress führte meist zu einer Verringerung des Rohprotein- und Fasergehalts (neutrale und saure Detergenzienfasern), wohingegen sich der Gehalt an wasserlöslichen Kohlenhydraten erhöhte. Dies könnte ein Hinweis darauf sein, dass sich die Futterqualität bei Trockenstress sogar verbessert. Nichtsdestotrotz hatten in unserem Versuch die Leguminosenart und die Einsaat als Monokultur oder Mischung einen größeren Einfluss auf die Futterqualität als der Trockenstress. Der Einfluss von Trockenstress auf die Futterqualität ist deshalb bei der Wahl einer geeigneten Futterleguminose weniger von Bedeutung als andere agronomische Eigenschaften. Zusammenfassend ist zu sagen, dass besonders M. lupulina und in geringerem Maße auch L. corniculatus und M. falcata Potenzial als Alternative für T. repens bei Trockenstress zeigen. Nach ausreichender Etablierungszeit entwickeln sich besonders M. lupulina aber auch L. corniculatus und M. falcata stabiler und können sogar höhere Erträge als T. repens bei Trockenstress produzieren. Bezüglich der Futterqualität sind oben genannte alternative Leguminosen ebenfalls vergleichbar mit T. repens.

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For each species there were two groups: control group, which had maintained irrigation; low water availability group, which irrigation was stopped and the experiment continued until the subtrate reached 40% of field capacity. The main objective of this work was to identify differentially expressed genes (DEG) in four species - two from the Brazilian savannah (T. aurea and Handroanthus ochraceus) and two from seasonally dry forests (H. impetiginosus and H. serratifolius). Then, RNA was extracted from the plants for sequencing on the Illumina platform with paired-end sequences of 100 base pairs (bp). Sequences were evaluated for quality control and mapped onto the genome of H. impetiginosus to identify DEG using the R software. The DGEs obtained by DESeq2 were subjected to functional enrichment analysis and potential changes in the level of expression of genes encoding enzymes of particular metabolic pathways. In all tools, H. serratifolius species showed the highest number of DGE (4908 noDESeq2), while H. ochraceus had the lowest number of DGE (6 in DESeq2). Functional enrichment analyzes demonstrated that the species presented, individually or collectively, typical responses of low water availability such as decrease of photosynthetic rate, increase of proline and increase of starch degradation. Although species share some responses, the complexity of organisms does not allow them to exhibit identical behaviors. / Considerando-se o aumento crescente da temperatura média anual e a sazonalidade das chuvas em diversas regiões do país, investigações acerca dos mecanismos de resposta vegetais à baixa disponibilidade hídrica tornam-se pertinentes. Espécies da Aliança Tabebuia – clado monofilético da família Bignoniaceae são comumente conhecidas como ipê – possuem uma ampla distribuição, ocupando áreas com diferentes condições edafoclimáticas. Esta característica torna-as um modelo interessante para se entender os mecanismos de tolerância a estresses abióticos. Sob este cenário, o presente trabalho teve como principal objetivo a identificação de genes diferencialmente expressos (GDE) em quatro espécies – das quais duas são de cerrado stricto sensu (T. aurea e Handroanthus ochraceus) e duas de floresta estacional (H. impetiginosus e H. serratifolius). Para cada espécie houve dois grupos experimentais: grupo controle, o qual teve a irrigação mantida; grupo de baixa disponibilidade hídrica, o qual a irrigação foi interrompida e o experimento mantido até que o subtrato atingisse 40% da capacidade de campo. Em seguida, extraiu-se o RNA das plantas para sequencimento em plataforma Illumina com sequências do tipo “paired-end” de 100 pares de base (pb). As sequências foram avaliadas para o controle de qualidade e alinhadas no genoma de H. impetiginosus para identificação de genes diferencialmente expressos (GDEs) com o uso de pacotes do R. Os GDEs obtidos pelo DESeq2 foram submetidos a análise de enriquecimento funcional e potenciais alterações no nível de expressão de genes que codificam enzimas de determinadas vias metabólicas. Em todas as ferramentas, a espécie H. serratifolius apresentou o maior número de GDEs (4908 noDESeq2), enquanto H. ochraceus apresentou o menor número de GDEs (6 no DESeq2). As análises de enriquecimento funcional demonstraram que as espécies apresentaram, individual ou coletivamente, respostas típicas de baixa disponibilidade hídrica como diminuição de taxa fotossintética, aumento de prolina e aumento da degradação de amido. Ainda que as espécies compartilhem algumas respostas, a complexidade dos organismos não permite que exibam comportamentos idênticos.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / The difference in rainfall throughout the year is a recurring problem that the plants in the field must contend as a result of the moments of drought to which they can be submitted. In the Caatinga, this problem is even greater, since the rains are very sparse and irregular, causing drought for months. The plants of the Caatinga have several adaptations to resist such conditions. This work aimed to evaluate physiological parameters of two endemic species of the Caatinga, the |catingueira| (Poincianella pyramidalis) and |pinhão-bravo| (Jatropha mollissima), in search to discover what strategies these species adopt to survive the drought. Two collections, one in the dry season and one in the wet, were made to evaluate parameters of water relations, concentrations of organic solutes and photosynthetic pigments, chlorophyll a fluorescence and gas exchange. The |catingueira| shown to have been damaged by drought, with a significant reduction in their rates of water relations, particularly in the relative water content, which reached values below 60%, and the performance indices of chlorophyll a fluorescence. The |pinhão-bravo| was able to maintain their high tissue turgor, but the rates of fluorescence and net photosynthesis demonstrated that he was affected by drought since their photosynthetic parameters suffered very significant reductions. / A diferença de precipitação ao longo do ano é um problema recorrente que as plantas em campo precisam enfrentar, em decorrência dos momentos de déficit hídrico aos quais elas podem ser submetidas. Na Caatinga, esse problema é ainda maior, já que as chuvas são muito esparsas e irregulares, ocasionando meses a fio de estiagem. As plantas da Caatinga possuem diversas adaptações para suportar tais condições. Esse trabalho teve por objetivo avaliar parâmetros fisiológicos de duas espécies endêmicas da Caatinga, a catingueira (Poincianella pyramidalis) e o pinhão-bravo (Jatropha mollissima), em busca de descobrir que estratégias essas espécies adotam para sobreviver ao período de estiagem. Foram feitas duas coletas, uma na estação seca e outra na chuvosa, para avaliar parâmetros de relações hídricas, concentrações de solutos orgânicos e de pigmentos fotossintéticos, fluorescência de clorofila a e trocas gasosas. A catingueira demonstrou ter sido bastante afetada pela seca, com redução significativa nos seus parâmetros de relações hídricas, sobretudo no teor relativo de água, que atingiu valores abaixo de 60%, e nos índices de desempenho da fluorescência da clorofila a. O pinhão-bravo conseguiu manter a turgescência de seus tecidos alta, mas os índices da fluorescência e da fotossíntese líquida demonstraram que ele também foi afetado pelo déficit hídrico, uma vez que seus parâmetros fotossintéticos sofreram reduções bastante significativas.

Massive parallel sequencing (MPS) data analysis tasks are often computationally demanding and their execution time would take too long using standard computing machines. Thus there is a need for parallelization of this tasks and ability to execute them on a sufficiently powerful computing machines. In the first chapter we describe a newly created platform for resequencing analysis of MPS data - MOLDIMED and novel annotation tool, which is ready to deploy on HPC infrastructure. The second chapter describes MPS approaches in Diamond-Blackfan anaemia (DBA), which is predominantly underlined by mutations in genes encoding ribosomal proteins (RP); however, its etiology remains unexplained in approximately 25% of patients. We performed panel sequencing of all ribosomal genes in DBA patient without previously known molecular pathology. A novel heterozygous RPS7 mutation coding RPS7 p.V134F was found in one female patient and subsequently confirmed in two asymptomatic family members, in whom mild anemia were detected on further examination. Subsequently, we performed whole transcriptome analysis in all family members and patient with RPS7 mutation in comparison with healthy control group and with DBA patients with known mutation in RPS19. We observed dysregulation mainly in signal pathways of translation,...

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Diese Dissertation untersucht die Wechselwirkungen zwischen Getreideproduktion und Klimawandel, um Erkenntnisse für eine gezielte Klimaanpassung und -minderung im Getreideanbau zu gewinnen. Ein zentrales Augenmerk liegt auf der Rolle der Genetik (G), Umwelt (E) und Management (M) in Deutschland. Vier Studien adressieren diese Themen: In Studie 1 wurde eine Lebenszyklusanalyse des Winterweizen- und Winterroggenanbaus mit Sortenversuchsdaten über 30 Jahre durchgeführt. Es konnte erstmals bewiesen werden, dass der Züchtungsfortschritt in Deutschland den CFP von Winterweizen und Winterroggen erheblich reduziert hat. In Studie 2 wurden räumlich dynamische Wetterindizes entwickelt, um die Auswirkungen von Hitze und Trockenheit auf Winterweizen mit Praxisertragsdaten zu untersuchen. Es wurden deutliche Unterschiede in der regionalen Ertragswirkung von Hitze und Trockenheitsstress identifiziert. In Studie 3 wurden standortspezifische Einflüsse auf Hitze und Trockenstresstoleranz von Winterweizen und Winterroggen mit Sortenversuchsdaten vertiefend geprüft. Es wurde bewiesen, dass die Bodengüte einen entscheidenden Einfluss auf die abiotische Stresstoleranz hat. Darüber hinaus konnte keine Verbesserung der abiotischen Stresstoleranz durch den Züchtungsfortschritt nachgewiesen werden. In Studie 4 wurde die Rückkopplung des Klimawandels auf die CFP von Winterweizen, Winterroggen und Wintergerste mit Sortenversuchsdaten analysiert. Die Ergebnisse weisen erstmals nach, dass Hitze und Trockenheit die CO2-Emissionen erhöhen. Außerdem wurde gezeigt, dass hohe Bodenqualität zu geringeren Emissionen pro Fläche und einem geringeren CFP führt. Basierend auf den Ergebnissen der vier Studien wurden wichtige Hebel zum Klimaschutz in der Landwirtschaft unter gleichzeitigen Klimaeinflüssen identifiziert. Hier wurden insbesondere Maßnahmen entlang G × E × M hervorgehoben, die hohe und stabile Erträge sowie maximale Input Effizienzen gewährleisten. / This dissertation examines the interactions between cereal production and climate change to gain insights for targeted climate adaptation and mitigation in cereal cultivation. A central focus is on the role of genetics (G), environment (E), and management (M) in Germany. Four studies address these topics: In Study 1, a life cycle assessment of winter wheat and winter rye cultivation was conducted using variety trial data over 30 years. It was demonstrated for the first time that breeding progress in Germany has significantly reduced the carbon footprint (CFP) of winter wheat and winter rye. In Study 2, spatially dynamic weather indices were developed to investigate the effects of heat and drought on winter wheat using on-farm yield data. Significant regional differences in heat and drought stress yield effects were identified across Germany. In Study 3, site-specific influences on heat and drought stress tolerance of winter wheat and winter rye were examined in depth using variety trial data. It was proven that soil quality has a decisive impact on abiotic stress tolerance. Additionally, no improvement in abiotic stress tolerance due to breeding progress was found. In Study 4, the feedback of climate change on the CFP of winter wheat, winter rye, and winter barley was analyzed using variety trial data. The results indicate for the first time that heat and drought increase the CFP of cereal production. It was also shown that high soil quality sites exhibit lower GHG emissions per unit of land (GHGL) and lower CFPs. Based on the results of the four studies, important levers for climate protection in agriculture under simultaneous climate influences were identified. Particularly, measures along G × E × M were emphasized, which ensure high and stable yields as well as maximum input efficiencies.

réalisé en cotutelle avec la Faculté des Sciences de Tunis, Université Tunis El Manar. / Le pois chiche (Cicer arietinum L.) a l’avantage de pouvoir assimiler l'azote atmosphérique grâce à son association symbiotique avec des bactéries du genre Mesorhizobium. Malgré cet effet bénéfique sur les systèmes culturaux, le pois chiche réduit parfois la productivité du blé qui la suit. Cet effet négatif du pois chiche pourrait provenir d’une réaction allélopathique à ses exsudats racinaires ou résidus, ou de changements inopportuns dans la communauté microbienne du sol induits par la plante. L'amélioration des interactions symbiotiques du pois chiche pourrait améliorer la performance économique et environnementale des systèmes culturaux basés sur le blé. L’objectif à long terme de ce travail est d'améliorer l’influence du pois chiches sur son environnement biologique et sur la productivité du système cultural. À court terme, nous voulons 1) vérifier l'effet des champignons endophytes sur la performance de cultivars de pois chiche de type desi et kabuli, particulièrement en conditions de stress hydrique, ainsi que sur celle d’une culture subséquente de blé dur, 2) identifier des cultivars de pois chiche capables d’améliorer la qualité biologique de sols cultivés, 3) vérifier que des composés biologiquement actifs sont présents dans les racines des différents cultivars de pois chiches et 4) définir la nature de l’activité (stimulation ou inhibition) des ces composés sur les champignons endomycorhiziens à arbuscules (CMA), qui sont des microorganismes bénéfiques du sol reconnus. L’inoculation du pois chiche avec des champignons endophytes indigènes en serre a augmenté la tolérance à la sécheresse du cultivar de type kabuli à feuille simple CDC Xena et amélioré la nutrition azotée et phosphatée d’un cultivar de type desi, cv. CDC Nika, cultivé en conditions de stress hydrique. La germination des graines de blé dur fut meilleure lorsque celles-ci étaient semées dans les débris de pois chiche inoculé de type kabuli. Le sol dans lequel le génotype de pois chiche à feuille simple CDC Xena fut cultivé mais duquel tout le matériel végétal de pois chiche fut retiré a fortement inhibé la germination des semences de blé dur, ce qui suggère un effet des exsudats racinaires sur la communauté microbienne du sol associée à cette variété de pois chiche. En champ, les cultivars de pois chiche ont influencé différemment la composition des communautés de champignons de la rhizosphère. Les espèces de champignons pathogènes étaient infréquentes et les espèces saprotrophiques et de CMA étaient fréquentes dans la zone des racines du cultivar de type desi CDC Anna. L’effet des composés contenus dans les fractions séparées par HPLC et solubles en solution de méthanol à 25% et 50% de l’extrait racinaire de ce cultivar sur la germination de spores de CMA a été testé in vitro. Les deux espèces de CMA utilisées ont répondu différemment à l’exposition aux composés testés, révélant un mécanisme impliqué dans l’association préférentielle entre les plantes hôtes et les CMA qui leurs sont associés. Nous concluons que le génotype de pois chiche influence la composition de la communauté microbienne qui lui est associée et que cette influence est reliée au moins en partie aux molécules bioactives produites par les racines de la plante. D’autre part, la productivité du pois chiche et de la culture subséquente pourrait être favorisée par la manipulation de leurs champignons endophytes par inoculation. / Chickpea (Cicer arietinum L.) has the ability to bring free N into cropping systems, but is only a fair rotation crop, leading to lower yield in following wheat crops, as compared to medic, vetch or lentil. The negative effects of a chickpea plant on the following wheat crops could come from chickpea root exudates, their residues or their influence on the soil microbial community. The identification of chickpea cultivars best able to promote soil biological quality and the growth of a subsequent crop in rotation will help farmers in selecting better crop rotations and, thus, will improve crop management in soil zone growing chickpea. The global objective of this research is to improve the fitness of chickpea crops to their biological environment and to improve the ability of the plant to enhance soil biological quality. The specific objectives were (1) to verify that the productivity of chickpea and subsequent crops could be promoted through the inoculation by some indigenous endophytic fungi particularly under drought stress conditions (2) to verify the existence of variation in the rhizospheric associations of field-grown chickpea, as it is a necessary condition for the selection of genotypes with improved compatibility with beneficial microorganisms. (3) to identify the biologically active compounds present in the root extracts of chickpea cultivars with contrasting phenotypes, and assess their effect on beneficial and pathogenic soil microorganisms. The greenhouse experiments show that inoculation with indigenous endophytes increased drought tolerance of the unifoliate Kabuli chickpea CDC Xena and the N and P nutrition of the drought stressed Desi chickpea CDC Nika. Inoculation of both Kabuli chickpea varieties with indigenous endophytes improved wheat seeds germination in tissues amended soil. Residue-free soil previously growing the unifoliate Kabuli chickpea CDC Xena strongly inhibited durum seed germination suggesting an effect of root exudates on the soil microbial community, with this Kabuli chickpea variety. In a field experiment, the fungal diversity in cultivated Prairie dryland appeared to host a large array of fungal groups known to reduced plant nutrient, water and biotic stresses, and chickpea genotypes influenced differently the composition and biomass of the soil microbial community. The Desi chickpea CDC Anna was associated with high diversity of arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) and culturable fungi, favored the proliferation of soil bacteria and fungal genus hosting biocontrol agents, and developed high AM root colonization level, as compared to the three Kabuli genotypes examined. The HPLC fractions of the roots of chickpea cultivar CDC Anna were recovered and the effects of these fractions on AM fungal spore germination were assayed in multi-well plates. Root extract fractions affect in a different ways the percentage of spores’ germination of Glomus etunicatum and Gigaspora Rosea. We concluded that the genotype of chickpea plants influences the composition of the associated microbial community, and this influence may be related to molecular signals produced by the plants. Furthermore, the productivity of chickpea and subsequent crops could be promoted through the inoculation with indigenous endophytic fungi.

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