Hohenheim, Univ., Diss., 2008.

München, Techn. University, Diss., 2007.

Stuttgart, Univ., Diss., 2004.

Onset of flowering is a major transition in the plant life cycle and is controlled by environmental factors including photoperiod, light quality and temperature. Prevalence of controlling factors depends on species, hence physiological models were selected for their strong requirement for one or another environmental cue. Among Brassicaceae, Sinapis alba was intensively studied for its strong response to photoperiod while molecular-genetic analyses of Arabidopsis thaliana disclosed complex interactions between pathways inducing flowering in response to photoperiod and other environmental cues, such as vernalization. We were therefore interested in studying the vernalization process in S. alba and its interactions with the previously characterized floral response to long days (LDs). Two-week old seedlings grown in non-inductive short days (SDs) were vernalized at 7°C for increasing durations and a strong promotive effect of vernalization was observed. In contrast to the common view of vernalization as a preliminary step bringing the competence to flower, we observed that vernalization had a direct inductive effect on flowering: floral buds were initiated during cold-exposure. Floral integrator genes SaMADSA (homologous to SUPPRESSOR OF OVEREXPRESSION OF CO 1) and SaLEAFY were up-regulated in the shoot apex after 3-4 weeks of vernalization. To monitor the vernalization process at the molecular level, we isolated SaFLC which, based on sequence analysis, expression patterns and complementation test, appeared as orthologous to FLOWERING LOCUS C. Down-regulation of SaFLC by vernalization was fast since transcript level was already very low after one week of vernalization, but stability of the repression required longer exposure to cold. To test the physiological significance of these observations, we studied the floral response to 16-h LDs after unstable and stable repression of SaFLC. We observed that one week of vernalization which was sufficient for SaFLC repression but not for maintenance of the silenced state - increased the flowering response of S. alba to LDs when the LDs just followed the cold treatment. This effect was lost after two weeks post-vernalization. In contrast, the promotive effect of longer vernalization on flowering response to LDs was maintained post-vernalization. These results suggested that vernalization not only works when plants experience long exposure to cold in winter: short cold periods might stimulate flowering of LD-plants if occurring when photoperiod is increasing, i.e. in spring.

In the 400-600 mm annual rainfall zone of the Sahel, soil fertility is the main determinant of yield in rainfed millet cropping systems in all but the driest years. Numerous on-farm and on-station experiments have addressed the issue of improving soil fertility. Yet the widespread use of the experimental results is restricted by the highly site specific millet response to fertility management practices due to high spatially variable soil properties as well as high intra- and inter-annual rainfall variability. Mathematical soil-crop growth simulation models could therefore suitably complement experimental research to support decision making regarding soil fertility under variable rainwater supply conditions. The objective of this thesis was therefore to develop the biophysical basis for the use of crop-soil models in decision support regarding water and soil fertility management and risk mitigation strategies in rainfed millet-based systems of Sahelian Niger. Because farmers rely on multiple cultivars with variable length of growing cycle due to sensitivity to temperature and photoperiod as part of their risk management strategies we first characterized seven Sahelian millet genotypes and parameterized the Agricultural Production Systems Simulator (APSIM-millet model). The cultivars include three improved cultivars (CIVT, ICMV-IS-89305, ZATIB) and four landraces (Ankoutes, Hainikirey, Maewa and Zongo). Our research showed that only one of the cultivars, Maewa, was very photosensitive contrary to the six others. The majority of the agronomic state variables (leaf number, leaf area, biomass and grain yield) were negatively affected by late sowing (associated with lower air temperatures). This characterization enabled to compute for the first time in the Sahel the principal eco-physiological or genetic millet parameters (thermal times of development phases, leaf area dynamics) of crop growth models (e.g. APSIM, DSSAT). To gain confidence in the use of the APSIM model for decision support in the Sahelian environment, it was successfully tested to reproduce the agronomic state variables under non-limiting water and nutrient supply conditions. Moreover the APSIM model satisfactorily reproduced the millet CIVT cultivar response to water x N interaction from the combined application of crop residue, cattle manure and mineral fertilizer during two years and for contrasted rainfall conditions. Using the model with site and cultivar specific parameterization, we implemented two applications for decision support. A 23-year, long term factorial numerical experiment showed that a moderate N application of 15 kg N/ha is more appropriate for smallholder, subsistence farmers than the usual 30 kg N/ha recommendation. Although it implies a lower long term average yield than at 30 kg N/ha, the application of 15 kg N/ha guarantees both a higher minimum yield in extreme dry years and a lower inter-annual variability, thereby increasing food security and reducing farmers vulnerability. In the second model application, we integrated GIS information (land tenure, spatially distributed weather data, fertility management) and the APSIM model in a 12-year yield simulation to show that the spatial dispersion of fields of a household throughout the village territory (farmer risk management strategy) leads to more uniform yields across households and reduces the inter-annual yield variability in the Fakara region of Niger. Our research breaks the ground for several other applications of the use of crop-soil simulation models in millet-based systems in the Sahel, e.g. climate change impact and food crisis mitigation. / Dans la zone Sahélienne avec 400 à 600 mm de précipitation annuelle, la fertilité des sols est le principal facteur déterminant des rendements du mil pluvial hormis lors des années plus sèches. De nombreuses expérimentations au champ et en station ont abordé la question de l’amélioration de la fertilité des sols. Cependant, l’extrapolation de ces résultats, et a forciori leur utilisation par les agriculteurs, est limitée par le fait que la réponse du mil à ces pratiques de fertilité dépend fortement des propriétés des sols très variables dans l’espace ainsi que de la pluviométrie annuelle et sa répartition intra-annuelle. Les modèles mathématiques et dynamiques de simulation de la croissance des plantes peuvent donc utilement compléter la recherche expérimentale pour l’aide à la décision en ce qui concerne la gestion de la fertilité des sols dans diverses conditions d’alimentation hydrique. L’objectif de cette thèse était donc de développer les bases biophysiques pour l’utilisation de modèles de croissance des cultures en vue de leur utilisation comme outils d’aide à la décision en matière de gestion de l’eau et la fertilité des sols dans les systèmes de culture à base de mil en zone sahélienne du Niger. Puisque les paysans utilisent de multiples variétés de mil avec des cycles de croissance variables en tant qu’élément dans leurs stratégies de gestion des risques, nous avons d’abord caractérisé sept génotypes de mil Sahelien en vue de la paramétrisation du model dynamique APSIM (Agricultural Production Systems Simulator). Trois variétés améliorées (CIVT, ICMV-IS-89305, ZATIB) et quatre variétés locales paysannes (Ankoutes, Hainikirey, Maewa et Zongo) ont été étudiées. Notre recherche a montré que seule une des variétés, l’écotype Maewa, est très photosensible contrairement aux six autres. La majorité des variables agronomiques (nombre de feuille, surface foliaire, biomasse et rendement en grain) ont été négativement affectées par un semis tardif (associés à des températures de l’air plus faibles). Cette caractérisation a permis de calculer pour la première fois au Sahel les principaux paramètres éco-physiologiques du mil (durée thermique des phases de développement, dynamique de la surface foliaire), indispensables aux modèles dynamiques de croissance des plantes tels qu’APSIM et DSSAT. Le modèle APSIM a permis de reproduire avec succès les variables agronomiques de 6 des 7 variétés de mil en condition nonlimitante d’apport en eau et en nutriments. De plus, le modèle APSIM a reproduit de manière satisfaisante la réponse de la variété améliorée CIVT à l’interaction de l’eau et de l’azote suite à l’apport combiné de résidus de récolte, de fumier de bétail et d’engrais minéral sur deux années ayant des pluviométries contrastées. Ceci a permis de renforcer la confiance dans l’utilisation du modèle APSIM comme outil d’aide à la décision dans l’environnement Sahélien. Sur base du modèle APSIM ainsi paramétrisé pour des conditions spécifiques de site et de variété, nous avons développé deux applications en matière d’aide à la décision. Une expérimentation factorielle numérique à long terme (23 ans) a révélé que l’application d’une dose modérée d’azote (15 kg N/ha) est plus appropriée dans le contexte d’une agriculture de subsistance que la recommandation habituelle de 30 kg N/ha. Bien qu’elle implique un rendement moyen à long terme inférieur à celui obtenu avec 30 kg N/ha, l’application de 15 kg N/ha garantit un plus grand rendement minimum pendant les années sèches extrêmes et une variabilité inter-annuelle plus faible, ce qui permet de garantir une meilleure sécurité alimentaire tout en réduisant la vulnérabilité des paysans. Dans la deuxième application du modèle, nous avons intégré des données SIG (parcellaire villageois, données climatiques et de pratiques de gestion de fertilité distribuées dans l’espace) et le modèle APSIM dans une simulation de rendement de mil sur 12 années. Ceci a permis de montrer que la dispersion spatiale des champs d’un ménage dans le terroir villageois (stratégie paysanne de gestion du risque) permet l’obtention de rendements plus uniformes entre ménages au sein du même village et de réduire la variabilité inter-annuelle des rendements de chaque ménage dans la région de Fakara au Niger. Notre recherche ouvre la voie à plusieurs autres applications de l’utilisation des modèles dynamiques de croissance des plantes dans les systèmes à base de mil au Sahel, par exemple dans l’étude de l’impact des changements climatiques et de prévention des crises alimentaires.

Phytoplanktonarten unterscheiden sich in ihren Ansprüchen hinsichtlich Ressourcen wie Nährstoffe, Licht und andere physikalische Faktoren. Wechselwirkungen zwischen Nährstoffen und physikalischen Faktoren beeinflussen daher die Artenzusammensetzung einer Phytoplanktongemeinschaft. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss von Temperatur und Photoperiode auf das Phytoplanktonwachstum in Abhängigkeit vom Lichtregime und dem Angebot an Phosphor (P) und Silizium (Si) untersucht. Hierfür wurden Wachstums- und Konkurrenzexperimente unter Laborverhältnissen mit Stephanodiscus minutulus, Nitzschia acicularis (beides Bacillariophyceae) und Limnothrix redekei (Cyanophyceae) durchgeführt, ein Modell der Faktorinteraktionen entwickelt sowie ökologische Langzeitdaten des Müggelsees (Berlin) statistisch ausgewertet. Die Effekte von Temperatur und Photoperiode auf die Wachstumsraten unterschieden sich nicht zwischen konstantem und fluktuierendem Licht. Die Auswirkungen der Photoperiode und der Lichtfluktuationen auf die Wachstumsraten waren hierbei additiv. Der Grad der Limitation der Wachstumsraten durch P oder Si wurde durch die Photoperiode nicht signifikant beeinflusst. Wechselwirkungen zwischen Temperatur und P oder Si waren hingegen komplex und artspezifisch. Unabhängig davon, ob die Wachstumsraten durch P, Si oder fluktuierendes Licht gesteuert wurden, war S. minutulus konkurrenzstärker bei niedrigeren Temperaturen und N. acicularis bei höheren Temperaturen. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass die Faktorinteraktionstypen artspezifisch sind, die Adaptation der Arten widerspiegeln und so zur Nischen-Differenzierung beitragen. Kenntnisse dieser Wechselwirkungen fördern deshalb unser Verständnis der Phytoplanktondiversität und ermöglichen es, Reaktionen des Phytoplanktons auf Klimaerwärmung und Trophieveränderung, die mit einer Verschiebung der Verhältnisse zwischen Nährstoffen, Temperatur und Licht einhergehen, besser vorherzusagen. / Phytoplankton species have different resource requirements and different sensitivities to important growth factors. Interactions between nutrients and physical factors, such as temperature and light should therefore influence the species composition. Because these interactions are poorly understood, this study investigated the interactive effects of temperature and photoperiod on phytoplankton growth controlled by fluctuating light, phosphorus (P) and silicon (Si). Growth and competition experiments were performed in the laboratory on Stephanodiscus minutulus, Nitzschia acicularis (both Bacillariophyceae) and Limnothrix redekei (Cyanophyceae). A model of factor interactions was developed and long-term field data from Lake Müggelsee (Berlin) were statistically analysed. Temperature and photoperiod had the same influence on growth under fluctuating light as they did under constant light. The photoperiod and short term light fluctuations caused by mixing had additive effects on growth. P and Si interacted strongly with temperature with respect to growth, but less with the photoperiod. The Droop relation fitted to S. minutulus but not N. acicularis. The Monod equation could not sufficiently account for non-steady dynamics of diatom growth under Si limitation, underestimating uptake rates and overestimating uptake affinity. Estimates based on the Monod model may therefore considerably underestimate the degree of Si limitation. The types of factor interactions were generally species-specific, reflected niche adaptation and enhanced niche differentiation. Interactions between nutrients and physical factors are relevant to growth during spring and contribute to the phytoplankton composition. Understanding the interactions should improve our knowledge of phytoplankton diversity and increase our ability to predict phytoplankton response to climate and trophic change, which shift the relationship between nutrients, temperature and light.