Zugl.: Berlin, Humboldt-Univ., Diss., 2006

Diss. Naturwiss. ETH Zürich. / With English summary. Literaturverz.

Zugl.: Göttingen, Univ., Diss., 2010

Techn. Universiẗat, Diss., 2003--München.

Techn. Universiẗat, Diss., 2003--Dresden.

Universiẗat, Diss., 2003--Bayreuth.

Die vorliegende Arbeit stellt ein mechanistisches, dynamisches Modell zur Beschreibung des Kohlenstoffhaushaltes von homogenen Pflanzenbeständen vor. Das Modell wurde für Bestände von Winterweizen (Triticum aestivum L. cv. Kanzler) parametrisiert. Das Modell differenziert die Pflanzenkompartimente Wurzeln, Blätter, Halme, Ähren und Endosperm. Innerhalb dieser Kompartimente werden die Pools Struktursubstanz, Glucose sowie andere Assimilate in Form von Disacchariden unterschieden. Im Modell wird der Pflanzenbestand eindimensional in bis zu elf Bestandesschichten diskretisiert. An relevanten Prozessen werden Photosynthese, Dunkelrespiration, Translokation von Assimilaten, Allokation sowie Konversion von Glucose in Assimilate berücksichtigt. Die typische zeitliche Auflösung des Modells beträgt 15 Minuten. Das Modell ist als System gekoppelter, zum Teil nichtlinearer gewöhnlicher Differentialgleichungen implementiert. Neuartig gegenüber bestehenden Modellansätzen ist vor allem die konsequente, nach Pflanzenorganen und Kohlenstoffpools funktionsorientiert vorgenommene Kompartimentierung sowie die Abbildung aller relevanten Prozesse einschließlich der Translokation und Allokation. Aus dem Modellkonzept konnten Bedingungen abgeleitet werden, unter denen sich ein Teil der Modellparameter experimentell bestimmen lassen. Hierzu wurden ökophysiologische in-vivo-Messungen an einzelnen Pflanzenorganen von Winterweizen durchgeführt. Die Ergebnisse der Experimente veranlaßten Änderungen der Modellstruktur, sodaß das Modell als quantifizierbare Arbeitshypothese des Zusammenwirkens der beteiligten Modellprozesse diente. Die Modellergebnisse wurden mit unabhängigen Messungen der Phytomassenentwicklung validiert. Für zwei unterschiedliche Vegetationsperioden konnte dabei eine gute Übereinstimmung zwischen Modell und unabhängigen Meßwerten nachgewiesen werden. Durch die hohe zeitliche Auflösung des Modells konnten detaillierte Einblicke in die Kohlenstoffdynamik des Pflanzenbestandes erzielt werden. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse decken sich mit publizierten Experimentergebnissen. Das Modell wurde eingesetzt, um den Einfluß veränderter Klimavariablen auf das Wachstum und den Ertrag von Winterweizen (cv. Kanzler) zu simulieren. Im Vergleich zum Referenzszenario wurde für eine Erhöhung der Lufttemperatur um 2 Grad C zu Ende der Vegetationsperiode eine Reduzierung der Gesamtphytomasse um 5-6% und des Ährenertrages um 8 % berechnet.

Bacillus amyloliquenaciense FZB42 ist ein bekanntes Pflanzenwachstum-stimulierendes Rhizobakterium. Es produziert neben einer Vielzahl an Sekundärmetaboliten mit antibakterieller und antifungaler Wirkung, auch das Pflanzenhormon IAA. Obwohl viele dieser Mechanismen diskutiert werden, ist wenig darüber bekannt, auf welche Weise die Bakterien das Pflanzenwachstum fördern. In dieser Arbeit wurde eine Transposonmutagenese mithilfe des ‘mariner-transposons’ durchgeführt, und so eine Transposonbibliothek erstellt. Diese wurde dann auf geeignete Phänotypen untersucht, um die Gene zu finden, welche bestimmte Phänotypen verursachen. So konnten drei Mutanten erzeugt werden, die auf Grund der gestörten Biofilmbildung und der Fähigkeit zu schwärmen die Pflanzenwurzeln nicht mehr kolonialisieren konnten. Eine solche degU-Mutante, welche in der Biofilmbildung und ‚Swarming’ defizitär war und zwei Mutanten (yusV und pabB), die eine Beeinträchtigung in der Biofilmbildung aufwiesen, konnten durch Komplementation und Retransformation bestätigt werden. Mithilfe des Lemna-Biosystems und anderer Analysen mit A. thaliana konnten drei Gene bei B. amyloliqufaciens FZB42 gefunden werden, die wichtig für die Förderung des Pflanzenwachstums sind. Koloniesierungsexperimente der Wurzeln von A. thaliana mit diesen Mutanten zeigten deutlich verändertes Wachstum, verglichen mit dem Wildtypstamm. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war es neue Antibiotika in Mutanten, die in ihren nicht-ribosomalen Synthesen blockiert sind, zu finden. So konnten durch die Untersuchungen der Transposonbibliothek der Mutanten zwei neue Antibiotika entdeckt werden. Genauere Analysen dieser Antibiotika bestätigten, dass es sich um ein neues Bacteriocin (Amylocyclicin A) und ein neues Thiazol/Oxazole-modifiziertes Microcin (Plantazolicin) handelt. Die abschließenden Arbeiten beschäftigten sich dann mit Untersuchungen von Genen, welche für die Produktion von Substanzen gegen Nematoden verantwortlich sind. Hierbei konnten vier Mutanten gefunden werden, die durch eine Transposoninsertion eine schlechtere. / Bacillus amyloliqufaciens FZB42 has been known as PGPR which has an impressive effect to improve plant growth. It produces not only vast array of secondary metabolites with antibacterial and antifungal activities, but also produces the plant hormone IAA. Although many mechanisms have been elucidated, our knowledge about basic molecular mechanisms responsible for its beneficial action is far from complete. In this study, transposon mutagenesis based on mariner tranposon was applied to generate tranposon library which then was screened to identify the genes involved in plant growth-promoting activity. Three mutants that were impaired in their ability to colonize plant surface due to defects in biofilm formation and swarming motility were found. One mutant (degU mutant) showed defect in biofilm formation and swarming motility, as well, two mutants (yusV mutant and pabB mutant) impaired in biofilm formation were confirmed by complementation and retransformation. Screening by the Lemna biosystem and further assays with A. thaliana revealed three genes responsible for reduction in plant growth promoting activity of B. amyloliqufaciens FZB42. Colonization studies of these mutants in A. thaliana roots revealed patterns different to the wild type. A further issue pursued in this study was to discover new antibiotics using a mutant which has been blocked in its nonribosomally pathway. Screening of tranposon librabries from this mutant led to the finding of two novel ribosomally synthesized antibiotics. Further characterization revealed that these new antibiotics belonged to a novel bacteriocin (Amylocyclicin A) and a novel thiazole/oxazole-modified microcin (Plantazolicin). Last work in this study was looking for genes responsible for nematocidal production. Four mutants which showed reduction in nematocidal activity due to transposon insertion were found.

Agriculture is one of the most important human activities providing food and more agricultural goods for seven billion people around the world and is of special importance in sub-Saharan Africa. The majority of people depends on the agricultural sector for their livelihoods and will suffer from negative climate change impacts on agriculture until the middle and end of the 21st century, even more if weak governments, economic crises or violent conflicts endanger the countries’ food security. The impact of temperature increases and changing precipitation patterns on agricultural vegetation motivated this thesis in the first place. Analyzing the potentials of reducing negative climate change impacts by adapting crop management to changing climate is a second objective of the thesis. As a precondition for simulating climate change impacts on agricultural crops with a global crop model first the timing of sowing in the tropics was improved and validated as this is an important factor determining the length and timing of the crops´ development phases, the occurrence of water stress and final crop yield. Crop yields are projected to decline in most regions which is evident from the results of this thesis, but the uncertainties that exist in climate projections and in the efficiency of adaptation options because of political, economical or institutional obstacles have to be considered. The effect of temperature increases and changing precipitation patterns on crop yields can be analyzed separately and varies in space across the continent. Southern Africa is clearly the region most susceptible to climate change, especially to precipitation changes. The Sahel north of 13° N and parts of Eastern Africa with short growing seasons below 120 days and limited wet season precipitation of less than 500 mm are also vulnerable to precipitation changes while in most other part of East and Central Africa, in contrast, the effect of temperature increase on crops overbalances the precipitation effect and is most pronounced in a band stretching from Angola to Ethiopia in the 2060s. The results of this thesis confirm the findings from previous studies on the magnitude of climate change impact on crops in sub-Saharan Africa but beyond that helps to understand the drivers of these changes and the potential of certain management strategies for adaptation in more detail. Crop yield changes depend on the initial growing conditions, on the magnitude of climate change, and on the crop, cropping system and adaptive capacity of African farmers which is only now evident from this comprehensive study for sub-Saharan Africa. Furthermore this study improves the representation of tropical cropping systems in a global crop model and considers the major food crops cultivated in sub-Saharan Africa and climate change impacts throughout the continent. / Landwirtschaft ist eine der wichtigsten menschlichen Aktivitäten, sie stellt Nahrungsmittel und andere landwirtschaftliche Produkte für weltweit 7 Milliarden Menschen zur Verfügung und ist in den Ländern Afrikas südlich der Sahara von besonderer Bedeutung. Die Mehrheit der afrikanischen Bevölkerung bestreitet ihren Lebensunterhalt in der Landwirtschaft und wird von Klimaänderungen stark betroffen sein. Die Doktorarbeit ist durch die Frage motiviert, wie sich von Klimamodellen vorhergesagte Temperaturerhöhungen und sich verändernde Niederschlagsverteilungen auf die landwirtschaftliche Vegetation auswirken werden. Die Forschungsfragen in diesem Kontext beschäftigen sich mit regionalen Unterschieden von Klimaänderungen und ihren Auswirkungen auf die Landwirtschaft und mit möglichen Anpassungsstrategien die mit geringem technischem Aufwand genutzt werden können. In diesem Zusammenhang wird schnell deutlich, dass Daten über die komplexen landwirtschaftlichen Systeme in Afrika südlich der Sahara häufig nur selten vorhanden sind, aus fragwürdigen Quellen stammen oder von schlechter Qualität sind. Die Methoden und Modelle zur Untersuchung der Auswirkungen von Klimaänderungen auf die Landwirtschaft werden zudem ausschließlich in Europa oder Nordamerika entwickelt and häufig in den temperierten Breiten aber seltener in tropischen Gebieten angewendet. Vor allem werden globale, dynamische Vegetationsmodelle in Kombination mit Klimamodellen eingesetzt um Änderungen in der landwirtschaftlichen Produktion auf Grund von Klimaänderungen in der zweiten Hälfte des 21.Jahrhunderts abzuschätzen. Die Ergebnisse der Arbeit zeigen einen mittleren Ertragsrückgang für die wichtigsten landwirtschaftlichen Pflanzen um 6% bis 24% bis 2090 je nach Region, Klimamodell und Anpassungsstrategie. Dieses Ergebnis macht deutlich, dass Landwirte die negativen Folgen von Klimaänderungen abschwächen können, wenn sie die Wahl der Feldfrucht, die Wahl des Anbausystems und den Aussaattermin an geänderte Klimabedingungen anpassen. Die Arbeit stellt methodische Ansätze zur Berechung des Aussaattermins in temperierten und tropischen Gebieten (Kapitel 2) sowie zur Simulation von Mehrfachanbausystemen in den Tropen vor (Kapitel 3). Dabei werden wichtige Parameter für das globale, dynamische Vegetationsmodell LPJmL überprüft und neu berechnet. Es zeigt sich, dass das südliche Afrika und die Sahelregion die am stärksten betroffenen Regionen sind, vor allem aufgrund von Niederschlagsänderungen, weniger aufgrund von Temperaturerhöhungen. In den meisten anderen Teilen, vor allem Zentral- und Ostafrikas bedingen Temperaturerhöhungen Rückgänge der Erträge (Kapitel 4). Diese Arbeit leistet einen wichtigen und umfassenden Beitrag zum Verständnis der Auswirkung von Klimaänderung auf die landwirtschaftliche Vegetation und damit zu einem großen Teil auf die Lebensgrundlage von afrikanischen Landwirten.

Freie Univ., Diss.--Berlin, 2005. / Zusfassung in engl. Sprache.