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Große Maßnahmen ließen sich nicht durchsetzen. Große Monokulturen dominieren, etwa die Hälfte nur für Tierfutter. Winderosion und Starkregen tragen Ackerböden fort. Die Grundwasserspiegel sinken, Konflikte nehmen zu. Die Preise für Lebensmittel steigen. – Projekt Zukunftsbilder: Wissenschaftler:innen stellen auf Basis aktueller Forschungsergebnisse und Studien dar, wie eine nachhaltige Welt aussehen könnte. Dieser Text beschreibt eine von über 40 Facetten des Lebens und Wirtschaftens in einem von vier Zukunftsbildern. Weitere Texte finden sich in der Zenodo-Community des Projekts ‘Zukunftsbilder’. Neben einem Weiter-so-Bild (Titel: „Langsam“) werden drei verschiedene positive Zukünfte geschildert (Titel: „Groß“, „Fokussiert“ und „Graswurzel“), die soziale Ziele erreichen und planetare Grenzen (zum Beispiel die Pariser Klimaziele oder Biodiversitätsziele) einhalten. Unsere Texte sind keine formellen wissenschaftlichen Zukunftsszenarien, sondern Beschreibungen von möglichen Zukünften. Sie wurden gemeinsam von Wissenschaftler:innen und Menschen aus sozialen Bewegungen erarbeitet und von Wissenschaftler:innen begutachtet. Die Texte stellen die Sichtweise der Autor:innen dar und sind nicht innerhalb aller beteiligten Organisationen abgestimmt. Das Projekt dient dazu, eine neue, konstruktive Diskussion um unsere Zukunft mit möglichst vielen Menschen anzuregen. Mehr Informationen unter www.zukunftsbilder.net. Bitte die aktuellste Version beachten!

Der Bericht informiert über die Erfassung und Abschätzung von atmosphärischen Bedingungen, die den Aufbau bzw. die Ausprägung von Trockenheit begünstigen. Mit der Erwärmung wird es zunehmend wichtiger, neben dem Niederschlag auch die Verdunstung zu berücksichtigen. Im Klimafolgen-Bereich sind die Aussagen als “atmosphärisches Trockenheitsrisiko” zu interpretieren. Das erarbeitete Konzept lässt sich auch mit Vorhersagen bzw. Projektionen umsetzen. Die Veröffentlichung richtet sich an die mit dem Thema befassten. Redaktionsschluss: 28.02.2020

Die Verbreitungsgebiete von Baumarten überspannen große geographische Areale mit sehr unterschiedlichen Umweltbedingungen. Es wird angenommen, dass diese unterschiedlichen Umweltbedingungen, insbesondere Frost- und Trockenstressereignisse, zur Ausbildung lokal angepasster Populationen innerhalb einer Baumart geführt haben. Diese weisen eine größere Fitness am Herkunftsstandort auf als gebietsfremde Populationen. Um dieser Annahme Rechnung zu tragen und die genetische Struktur der Baumpopulationen in Deutschland zu schützen, wurde das Bundesnaturschutzgesetz 2010 novelliert und im „Leitfaden zur Verwendung gebietseigener Gehölze“ wurden 6 artenunspeziefische Vorkommensgebiete für die Verwendung gebietseigenen Pflanzenmaterials in der freien Natur ausgewiesen. Ab dem 1. März 2020 steht die Ausbringung von Pflanzenmaterial außerhalb seines eigenen Vorkommensgebiets unter Genehmigungspflicht. Allerdings ist das Wissen über die genetische Struktur vieler Baumarten in Deutschland noch lückenhaft. Die vorliegende Arbeit soll grundlegende wissenschaftliche Informationen über mögliche Unterschiede in der lokalen Anpassung von Populationen von Quercus robur und Tilia cordata an Frost- und Trockenstress liefern. Hierzu wurden unter kontrollierten Bedingung Frühfrost-, Spätfrost-, und Trockenstressversuche mit 2-jährigen Sämlingen aus jeweils 3 verschiedenen Populationen beider Baumarten durchgeführt. Um einen größeren geographischen Rahmen abzudecken, wurde bei der Stieleiche zudem eine ungarische Population einbezogen. Neben physiologischen und biochemischen Parametern der Stressantwort wurden auch phänologische Parameter (Zeitpunkt von Triebabschluss und Austrieb) bestimmt. Es konnten nur vereinzelt schwach signifikante Unterschiede in diesen Parametern zwischen den Populationen gefunden werden, insbesondere bei der Betrachtung der deutschen Populationen. Zudem war es nur in einem Fall möglich diese Unterschiede auf die lokalen Umweltbedingungen am Herkunftsstandort zurückzuführen. Mögliche Gründe hierfür könnten die geringen Unterschiede in den Umweltbedingungen an den Herkunftsstandorten der Populationen, sowie Eigenschaften (hoher Genfluss, hohe phänotypische Plastizität, phylogeographische Geschichte) der verwendeten Baumarten sein. Die vom BNatSchG §40 angenommenen Unterschiede in der Ausbildung von Anpassungen an lokale Umweltbedingungen, welche durch die Vorkommensgebiete abgebildet werden können, konnte in dieser Studie demnach nicht bestätigt werden. Die sehr strikten und generellen Regelungen des BNatSchG §40 sollten dahin gehend geändert werden, um unnötige Kosten für die Produktion und die Bereitstellung gebietseigenen Pflanzenmaterials zu vermeiden und die Versorgung mit geeignetem Pflanzenmaterial zu gewährleisten., Distribution areas of tree species in Europe cover large geographical ranges with various environmental conditions. It is assumed that these various conditions, particularly frost and drought stress events, formed local adapted populations within a species. These local adapted populations are again assumed to show higher fitness at the site of origin compared to non-local populations. To prevent loss of genetic structure of tree populations in Germany the German government amended the Federal Nature Conversation Act (BNatSchG) in 2010 and for the use of plants in free nature six species unspecific defined areas of origin have been arranged. The transfer of propagation material between them is forbidden from 1st March 2020. However, the grade of local adaptation in populations of woody species in Germany is not clearly demonstrated. The aim of this study was to investigate possible differences in the response between populations of Quercus robur and Tilia cordata to frost and drought stress. Therefore early and latefrost stress as well as drought stress experiments were conducted under controlled conditions with plants (2-year old seedlings) of three different populations of each target tree species. To cover a bigger geographical range one Hungarian population of pedunculate oak was included. Physiological and biochemical parameters as well as phenological parameters (but set and bud break) were determined. Over all, only weakly significant differences in these parameters between populations could be pointed out. Furthermore, just in one case a correlation between these differences and the environmental conditions at the site of origin existed. Small differences in the environmental conditions between the population’s sites of origin as well as species-specific life history traits (high gene flow, high phenotypic plasticity, phylogeographical history) of the investigated tree species could be the reasons. Regarding frost and drought stress response, local adaptations of German tree populations seem not to be as distinctive as the defined areas of origin assume. Taken this into account, the strong and general restrictions of BNatSchG §40 should be reconsidered to avoid unnecessary costs for production of local plant material and ensure supply of suitable local plant material.

In dieser Broschüre werden die wesentlichen Merkmale (Definition, Ursachen, Folgen etc.) einer hydrologischen Trockenheit erklärt sowie die beiden Trockenjahre 2018 und 2019 an ausgewählten Pegeln im Gebiet der Lausitzer Neiße näher betrachtet. Die Broschüre informiert zudem über institutionelle Maßnahmen (EU-, nationale und regionale Ebene) im Umgang mit Niedrigwasser und gibt praktische Tipps für einen sorgsamen Umgang mit der Ressource. Die Broschüre ist in Kooperation mit dem polnischen Institut für Meteorologie und Wasserwirtschaft (IMGW-PIB), im Rahmen des NEYMO-NW Projektes entstanden und richtet sich an die allgemeine Bevölkerung, insbesondere an die Einwohner des Einzugsgebiets der Lausitzer Neiße. Redaktionsschluss: 09.11.2020

Abiotischer Stress begrenzt den Ernteertrag von Nutzpflanzen. In Gerste (Hordeum vulgare, Hv) vermindert Trockenstress (TrStr) u.a. die Kornfüllrate und das Korngewicht. In der Modellpflanze Arabidopsis thaliana ist das Polyamin Spermin (SPM) am Schutz vor Trocken-und Salzstress beteiligt. In dieser Dissertation wird der Einfluss von TrStr auf Polyamine und auf die Veränderungen der Transkriptmengen von Sperminsynthasen (SPMS) in Hv untersucht. Zwei HvSPMS wurden identifiziert und in vitro funktionell und kinetisch charakterisiert. Sie bilden ausschließlich SPM, Thermospermin war als Produkt nicht nachweisbar. In TrStr-Experimenten mit wassergestressten Pflanzen wurden die Transkriptmengen der HvSPMS-Gene bei moderatem und starkem TrStr gegenüber Kontrollniveau erhöht. Die Putrescin- und SPM-Gehalte stiegen gegenüber den Kontrollen, der Spermidin-Gehalt veränderte sich nur wenig. Die HvSPMS-Gene können somit als Markergene für die Effekte von moderaten und starken TrStr genutzt werden., Abiotic stress limits the yield of crop plants. In barley (Hordeum vulgare, Hv), drought stress (DrStr) reduces grain filling rate and final grain weight. In the model plant in Arabidopsis thaliana, the level of the polyamine spermine (SPM) corresponds to drought and salt stress. This project aims at polyamines and the changes of transcript levels of spermine synthases (SPMS) in Hv reacting to DrStr. Two HvSPMS were identified and functionally and kinetically characterized in vitro. They form SPM only; thermospermine was not detected as product. In DrStr experiments with water stressed plants transcript levels of both HvSPMS genes were increased compared to control level at moderate and strong DrStr. Polyamine contents, putrescine and spermine in particular, were elevated under water stress, while spermidine content increased slightly. Thus HvSPMS gene activity can be used as marker for moderate and strong DrStr.

Kurzfassung Der folgende Bericht untersucht die ökonomischen Auswirkungen von Hochwasser auf die Landwirtschaft in Deutschland anhand von Hochwasserrisikogebieten sowie die Auswirkungen von extremen Dürre und Frostereignissen auf landwirtschaftliche Erträge von Weizen, Roggen, Gerste, Raps, Kartoffeln, Mais und Zuckerrüben. Damit baut der Bericht auf das Projekt „Agrarrelevante Extremwetterlagen und Möglichkeiten von Risikomanagementsystemen“ auf, welches vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) beauftragt und gefördert wurde und 2015 abgeschlossen wurde (Gömann et al. 2015). Der Literaturüberblick über die zukünftige Entwicklung von Hochwasserereignissen zeigt überwiegend eine steigende Tendenz von Hochwasserereignissen in der Zukunft, wobei das Ausmaß des Anstiegs regional und zwischen den Studien unterschiedlich ist. Insgesamt konnte in den Analysen ein maximaler Erlösverlust von 394 Mio. € beim Ackerland (davon 189 Mio. € auf Getreideflächen) ermittelt werden, wenn im Jahr 2010 100 Prozent der HQ100-Fläche in Deutschland betroffen gewesen wären. Für die Abschätzung der monetären Schäden von weiteren Extremwetterereignissen wurde der in Gömann et al. (2015) verwendete Schätzansatz geringfügig weiterentwickelt. Bei Winterweizen stellen die Verluste aufgrund von Kahlfrostextremereignissen mit ca. 30 Mio. €/Jahr den wichtigsten der untersuchten Schäden dar. Auch Trockenheit/Dürre zu unterschiedlichen Zeiten des Vegetationsverlaufes sowie extreme Hitze in der Blütezeit führen zu deutlichen Schäden auf sektoraler Ebene. In der Summe lagen die berechneten Schäden aufgrund von Trockenheit/Dürre/Hitze bei ca. 40 Mio. €/Jahr. Alle untersuchten Extremereignisse zusammen summieren sich auf 78 Mio. €/Jahr auf. Die Situation bei Wintergerste stellt sich insgesamt recht ähnlich dar und die Kosten summieren sich zusammen auf 36 Mio. €/Jahr auf. Für Winterraps summieren sich alle untersuchten Extremereignisse auf 47 Mio. €/Jahr, für Körnermais auf ca. 12 Mio. €/Jahr auf. Bei Kartoffeln haben Schäden aufgrund von extremer Sommertrockenheit die größte Bedeutung für Betriebe ohne Bewässerung, gefolgt von Ertragsverlusten aufgrund von Spätfrösten und Staunässe. Für Zuckerrüben konnten Schäden nur das Ereignis ‚Extreme Sommertrockenheit‘ bestimmt werden. Diese belaufen sich auf ca. 7 Mio. €/Jahr.

Der folgende Bericht untersucht die ökonomischen Auswirkungen von Hochwasser auf die Landwirtschaft in Deutschland anhand von Hochwasserrisikogebieten sowie die Auswirkungen von extremen Dürre und Frostereignissen auf landwirtschaftliche Erträge von Weizen, Roggen, Gerste, Raps, Kartoffeln, Mais und Zuckerrüben. Damit baut der Bericht auf das Projekt 'Agrarrelevante Extremwetterlagen und Möglichkeiten von Risikomanagementsystemen' auf, welches vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) beauftragt und gefördert wurde und 2015 abgeschlossen wurde (Gömann et al. 2015). Der Literaturüberblick über die zukünftige Entwicklung von Hochwasserereignissen zeigt überwiegend eine steigende Tendenz von Hochwasserereignissen in der Zukunft, wobei das Ausmaß des Anstiegs regional und zwischen den Studien unterschiedlich ist. Insgesamt konnte in den Analysen ein maximaler Erlösverlust von 394 Mio. € beim Ackerland (davon 189 Mio. € auf Getreideflächen) ermittelt werden, wenn im Jahr 2010 100 Prozent der HQ100-Fläche in Deutschland betroffen gewesen wären. Für die Abschätzung der monetären Schäden von weiteren Extremwetterereignissen wurde der in Gömann et al. (2015) verwendete Schätzansatz geringfügig weiterentwickelt. Bei Winterweizen stellen die Verluste aufgrund von Kahlfrostextremereignissen mit ca. 30 Mio. €/Jahr den wichtigsten der untersuchten Schäden dar. Auch Trockenheit/Dürre zu unterschiedlichen Zeiten des Vegetationsverlaufes sowie extreme Hitze in der Blütezeit führen zu deutlichen Schäden auf sektoraler Ebene. In der Summe lagen die berechneten Schäden aufgrund von Trockenheit/Dürre/Hitze bei ca. 40 Mio. €/Jahr. Alle untersuchten Extremereignisse zusammen summieren sich auf 78 Mio. €/Jahr auf. Die Situation bei Wintergerste stellt sich insgesamt recht ähnlich dar und die Kosten summieren sich zusammen auf 36 Mio. €/Jahr auf. Für Winterraps summieren sich alle untersuchten Extremereignisse auf 47 Mio. €/Jahr, für Körnermais auf ca. 12 Mio. €/Jahr auf. Bei Kartoffeln haben Schäden aufgrund von extremer Sommertrockenheit die größte Bedeutung für Betriebe ohne Bewässerung, gefolgt von Ertragsverlusten aufgrund von Spätfrösten und Staunässe. Für Zuckerrüben konnten Schäden nur das Ereignis 'Extreme Sommertrockenheit' bestimmt werden. Diese belaufen sich auf ca. 7 Mio. €/Jahr. This working paper analyses the economic impacts of floods in agriculture with the help of flood risk areas as well as the economic impacts of other extreme weather events such as droughts and frost on agricultural yields of wheat, barley, rye, potato, maize and sugar beets. The working paper builds upon research of the project of agricultural relevant extreme weather events which was initiated and supported by the German Federal Ministry of Nutrition and Agriculture (Gömann et al. 2015). A literature review about the future development of flood events shows an increasing tendency of flood events in the future whereas the dimension of this expected increase is very diverse between regions and studies analyzed. Altogether the analysis of this paper shows a maximum loss of revenues of 394 Mio. € on crop land (of which 189 Mio. € are on land cultivated with cereals) under the assumption that in the year 2010 hundred percent of HQ100 areas would be affected. For the estimation of monetary damages of further extreme weather events the estimation approach by Gömann et al. (2015) was slightly modified. For wheat the most important monetary losses of 30 Mio €/year are due to frost on snow-free areas. Furthermore dryness and drought during different steps of the vegetation period and extreme heat in the blooming period lead to considerable losses. In total the calculated sum of losses due to dryness, drought and heat are estimated to approximately 40 Mio €/year. Summing up the losses of all extreme weather events affecting wheat leads to costs of 78 Mio € /year. For winter barley the situation is similar to wheat and sums up to a total of 36 Mio €/year. For winter rye, losses of all extreme weather events sum up to 47 Mio €/year, and for maize to 12 Mio €/ year. Potatoes are mostly affected in farms without irrigation, followed by crop yield losses due to late frosts and soil wetness. For sugar beets losses could only be determined for the event of extreme summer dryness. Here losses are estimated around 7 Mio €/year.

[no abstract]

Der Bericht enthält den aktuellen Wissensstand zu Dürreindizes für die Anwendung in Sachsen. Dafür werden mehr als 100 Indizes aus den Gebieten Meteorologie, Hydrologie und Landwirtschaft sowie kombinierte Indizes charakterisiert. Berechnungen ausgewählter meteorologischer Dürreindizes für fünf Klimamessstationen und Modellierungen der Bodenfeuchte werden verglichen. Danach sind z. B. niederschlagsbasierte Indizes für Sachsen deutlich aussagekräftiger als rein temperaturbasierte. Die Veröffentlichung richtet sich an regionale Akteure sowie Planungsbüros, Bildungseinrichtungen und Unternehmen.

Reservoirs serve to compensate naturally fluctuating water availability and socio-economically driven water demand. To achieve this, flood water is retained and stored water is released to bridge periods of low flow. The required storage capacity when planning new dams and the operating rules of existing dams are determined on the basis of the observed flows at the site of the reservoir. The flow properties depend on the hydrology of the catchment area, which in turn is influenced by the climatic boundary conditions. Changes in climate therefore directly influence the input data used in reservoir design and the subsequent reservoir performance. A significant change in climate conditions is expected in the future due to the increasing concentration of greenhouse gases in the atmosphere. This raises the question of the impact of climate change on the performance of reservoirs and how adaption measures can be planed and chosen. The performance of reservoirs is evaluated probabilistically by considering the consequences and the probability of failure events. A distinction is made between failures due to floods and failures due to low flows. Probabilistic methods for evaluating the performance of flood protection provided by dams are well-established, whilst the corresponding method to evaluate the performance of dams that protectagainst low flows is newly developed. Combining these two methods makes it possible to determine the overall performance of a dam by means of the integrated water management risk for floods and low flows. The applied methods of stochastic generation of inflow boundary conditions allow us to quasi-continuously capture the potential impact of projected climate change and to map it using the climate impact function, which represents the relationship between climate-induced change of statistical properties of the inflow and the change in the performance of the studied reservoirs. The climate impact function assesses of the robustness of the reservoir. Robustness describes how sensitively the performance of the reservoir responds to changes in the inflow. Comparing the climate impact functions derived for different operation rules enables us to find adaption measures which preserve the performance of the reservoir for a climate-induced change in the inflow boundary conditions.

Diese Arbeit war ein Teilprojekt des Kompetenzzentrums „Flut und Hitze“ der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz. Das gesamte Projekt beinhaltete bereits Untersuchungen über mögliche Folgen des lokalen Klimawandels (Überflutung/Trockenheit) auf andere Tiergruppen (z.B. Collembolen, Arachniden, etc.). Mit Hilfe der Laufkäfer als Bioindikatoren sollten mögliche Tendenzen des Klimawandels, aufgrund von Überflutungen, bzw. dem Ausbleiben von Überflutungen, aufgezeigt werden. In diesem Zusammenhang erfolgte die phänologische Erfassung der Laufkäfer in drei Untersuchungsgebieten entlang des Rheins: ein geschütztes Auwaldfragment und ein Polder in Ingelheim sowie ein Polder in Worms. Über einen Zeitraum von 2-3 Jahren wurde, mittels klassischer Fangmethoden (Bodenfallen), die Laufkäferfauna kontinuierlich erfasst. Insgesamt konnten im Auwald Ingelheim 2861 Individuen aus 59 Arten gefangen werden, im Polder Ingelheim 16029 Individuen aus 96 Arten und im Polder Worms 6946 Individuen aus 72 Arten. Seit 2003 wurde das Auwaldfragment nicht mehr vollüberflutet, was die geringe Anzahl an gefundenen auetypischen Arten erklärte. Die Laufkäferfauna des Auwaldes zeigte zwar noch einen deutlich feuchtegeprägten Charakter, jedoch war der Druck der einwandernden eurytopen Offenlandarten aus der Umgebung enorm. Der Polder Ingelheim wurde 2006 fertiggestellt und direkt im Anschluss beprobt. Der Polderinnenraum wurde durch den Bau eines ökologischen Flutungskanals an die Dynamik des Rheins angeschlossen. Der tiefergelegte Innenraum zeigte eine deutlich feuchteliebende Laufkäferfauna. Die trockenen höher gelegenen Randbereiche wiesen im Gegensatz dazu eine deutliche Ruderalfauna auf. Der Polder in Worms wurde bereits direkt nach seiner Fertigstellung 2001 von der Arbeitsgruppe Prof. Dr. Seitz (Universität Mainz) beprobt. Die erneute Datenerhebung 2008 sollte mögliche Veränderungen in der Laufkäferfauna sowie eine mögliche Sukzession aufzeigen. Es zeigten sich deutliche Veränderungen der Laufkäfergemeinschaften an den Standorten sowie die Ausbildung verschiedener Mikrohabitate., This Dissertation was a project of the Kompetenzzentrums „Flood and Heat” of the Johannes-Gutenberg-Universität Mainz. The hole project implies studies outcome climate change like flooding or drought impact of other arthropods (Collembola, Araneae). We used the carabid beetles as bioindicators to show possible changes in their population. In this study the carabid beetle fauna were investigated in three areas near the river rhine. The first habitat was a floodplain forest the second one a polder in Ingelheim. Third there was a polder in Worms. During a period of 2-3 years there was constantly pitfall trapping to show changes in the carabid beetle population because of the climate change. Altogether in the floodplain forest we found 2861 individuals of 59 species, in the polder Ingelheim 16029 individuals of 96 species and in the polder Worms 6946 individuals of 72 species. Since 2003 there was no flooding of the floodplain forest so we found there only a few specific species. We found a high number of immigrated carabid beetles from the outside fields and agricultural used grassland. In 2006 the Polder Ingelheim was completed. To preserve the former seepage areas an ecological flood channel was built. This areas are flooded caused by elevated Rhine levels. The effect of repeated flooding upon the Carabid beetles has been investigated. The results showed a lot of differences in the carabid population between the seepage areas and the nearer grassland. The Polder Worms was completed in 2001 and was investigated till 2004 by the AG Prof. Dr. Seitz (Uni Mainz). Since 2008 the hole area was examined again and a succession of the carabid fauna could be showed.

Oxylipine sind Signalmoleküle, welche durch die enzymatische oder nicht-enzymatische Oxidation von Fettsäuren gebildet werden. Eine bedeutende Gruppe von Oxylipinen in Pflanzen sind die Jasmonate. Dazu zählen Jasmonsäure (JA), deren Vorstufe 12-Oxophytodiensäure (OPDA) sowie deren Metabolite. Ein bedeutender Metabolit von JA ist das Aminosäure-Konjugat JA-Isoleucin (JA-Ile), welches hohe biologische Aktivität besitzt. Besonders für die oberirdischen Organe von Pflanzen wurden bisher vielfältige Funktionen von Jasmonaten beschrieben. Sie sind beteiligt an verschiedenen Entwicklungsprozessen wie der Fertilität von Blüten, aber auch an der Abwehr von Pathogenen und Herbivoren und bei der Reaktion von Pflanzen auf abiotische Stressoren wie hohe Salzkonzentrationen oder Trockenheit. Über die Bildung und Funktion von Oxylipinen in Wurzeln ist bisher jedoch nur wenig bekannt. Aus diesem Grund wurden in der vorliegenden Arbeit die Gehalte von Galaktolipiden und Jasmonaten in Spross und Wurzel von Arabidopsis thaliana Pflanzen verglichen. Mit Hilfe verschiedener JA Biosynthese-Mutanten konnte zudem die Bildung von Jasmonaten in der Wurzel und deren biologische Funktion in diesem Pflanzenorgan untersucht werden. Um die Wurzeln der Arabidopsis Pflanzen einfach behandeln zu können und um schnell und stressfrei größere Mengen von Wurzelmaterial ernten zu können, wurde ein hydroponisches Anzuchtsystem etabliert. Die Analyse von Galaktolipiden zeigte, dass in der Wurzel deutlich geringere Galaktolipid Gehalte als im Spross vorhanden sind. Da Galaktolipide den Hauptbestandteil plastidärer Membranen ausmachen, in den Wurzeln insgesamt jedoch weniger Plastiden vorkommen als in Blättern, wäre dies ein möglicher Grund für den beobachteten Unterschied. Das Vorkommen von mit OPDA oder dnOPDA veresterten Galaktolipiden (Arabidopsiden) wird in der Literatur für die Thylakoidmembranen der Chloroplasten beschrieben. Die Analyse der Arabidopsid Gehalte von Wurzeln konnte diese Aussage stützen, da in Wurzeln, welche normalerweise keine Chloroplasten besitzen, nahezu keine Arabidopside detektiert werden konnten. Die Analyse der Jasmonate zeigte anhand von Pfropfungsexperimenten mit der Jasmonat-freien dde2 Mutante, dass die Wurzeln unabhängig vom Spross in der Lage sind Jasmonate zu bilden, obwohl die Expression vieler JA-Biosynthese-Gene in den Wurzeln sehr gering ist. Zudem zeigten diese Experimente, dass es keinen direkten Transport von Jasmonaten zwischen Spross und Wurzel gibt. Die Bildung von Jasmonaten in der Wurzel konnte durch verschiedene Stresse wie Verwundung, osmotischen Stress oder Trockenheit induziert werden. Kälte und Salzstress hatten hingegen keinen Jasmonat-Anstieg in den Wurzeln zur Folge. Anders als bei osmotischem Stress und Trockenheit, wo sowohl die Gehalte von OPDA als auch von JA und JA-Ile anstiegen, konnte bei Verwundung keine Zunahme der OPDA-Spiegel detektiert werden. Hier kam es zu einer deutlichen Abnahme, wohingegen die JA und JA-Ile Spiegel sehr stark anstiegen. Dies deutet darauf hin, dass es sehr komplexe und vielfältige Regulationsmechanismen hinsichtlich der Bildung von Jasmonaten gibt. Der erste Schritt der JA-Biosynthese, die Bildung von 13-Hydroperoxyfettsäuren (HPOTE), wird durch 13-Lipoxygenase (LOX) Enzyme katalysiert. In Arabidopsis sind vier unterschiedliche 13-LOX Isoformen bekannt. Die Untersuchung verschiedener 13-LOX-Mutanten ergab, dass nur die LOX6 an der Biosynthese von Jasmonaten in der Wurzel beteiligt ist. So konnten in Wurzeln der lox6 Mutante weder basal noch nach verschiedenen Stressen bedeutende Mengen von Jasmonaten gemessen werden. Im Spross dieser Mutante war basal kein OPDA vorhanden, nach Stresseinwirkung wurden jedoch ähnliche Jasmonat Gehalte wie im Wildtyp detektiert. Um Hinweise auf die biologische Funktion von Jasmonaten in Wurzeln zu erhalten, wurden Untersuchungen mit einer lox6 KO Mutante durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass abgeschnittene lox6 Wurzeln, welche keine Jasmonate bilden, im Vergleich zum Wildtyp von saprobiont lebenden Kellerasseln (Porcellio scaber) bevorzugt als Futter genutzt werden. Blätter dieser Mutante, welche nach Stress annähernd gleiche Jasmonat Gehalte wie der Wildtyp aufweisen, wurden nicht bevorzugt gefressen. Von der Jasmonat-freien dde2 Mutante wurden hingegen sowohl die Wurzeln als auch die Blätter bevorzugt gefressen. Neben den Experimenten mit Kellerasseln wurden auch Welke-Versuche mit lox6 und dde2 Pflanzen durchgeführt. Hierbei wiesen die lox6 Pflanzen, nicht aber die dde2 Pflanzen, eine erhöhte Suszeptibilität gegenüber Trockenheit auf. dde2 Pflanzen haben im Gegensatz zu LOX Mutanten unveränderte 13-HPOTE Gehalte, aus denen auch andere Oxylipine als Jasmonate gebildet werden können. Dies zeigt, dass durch LOX6 gebildete Oxylipine, im Falle von Trockenheit aber nicht Jasmonate, an der Reaktion von Arabidopsis Pflanzen auf biotische und abiotische Stresse beteiligt sind., Oxylipins are signaling molecules derived by enzymatic or non-enzymatic oxidation of fatty acids. Jasmonates are one important group of oxylipins in plant. This group includes jasmonic acid (JA), its precursor 12-oxophytodienoic acid, and all JA metabolites. The amino acid conjugate JA-isoleucine (JA-Ile) is one relevant metabolite of JA which shows high biological activity. For the aerial parts of plants, many different functions of jasmonates have been described. Jasmonates are involved in developmental processes like the flower fertility. Furthermore, these compounds function as signals in defense reactions against pathogens and herbivores and in the response to abiotic stress like high salt concentrations or drought. For roots, much less is known about the formation and function of jasmonates. Therefore, in this work the levels of galactolipids and jasmonates in roots of Arabidopsis thaliana in comparison to leaves were analyzed. Using mutants in different steps of jasmonate biosynthesis the formation and biological function of jasmonates in roots were investigated. For easy handling, treatment, and harvest of root material a hydroponic system was established. The analysis of galactolipids showed reduced contents of these compounds in roots in comparison to the shoots. These differences might occur due to the fact that galactolipids are the main compounds of plastid membranes and that roots in general contain less plastids than the leaves. In the literature it is described, that galactolipids esterified with OPDA or dnOPDA (arabidopsides) only occur in the thylakoid membranes of chloroplasts. The analysis of arabidopsid contents in roots supports this statement since nearly no arabidopsides were detectable in roots, which do normally not have chloroplasts. The analysis of jasmonates with different grafting experiments using the jasmonate free dde2 mutant showed that roots were able to synthesize jasmonates independently of the shoot although the expression of several JA biosynthesis genes is very low. These experiments also pointed out that there is no transport of jasmonates between the shoot and the root. Jasmonates accumulated in roots upon different stresses such as wounding, osmotic stress, or drought. Cold and salt stress did not lead to increased jasmonate levels in the roots. Osmotic and drought stress resulted in an increase of all three analyzed jasmonates whereas after wounding only JA and JA-Ile showed higher concentrations. OPDA levels strongly decreased after this type of stress. This suggests the existence of diverse and complex regulatory mechanisms of stress-induced jasmonate synthesis. 13-lipoxygenase (13-LOX) enzymes are involved in the first step of the JA biosynthesis, the formation of 13-hydroperoxy fatty acids (HPOTE), and four 13-LOX isoforms exist in Arabidopsis. Investigation of different 13-LOX mutants revealed that only the LOX6 enzyme is involved in the biosynthesis of jasmonates in roots. In roots of the lox6 mutant no jasmonate levels were detectable, neither basal nor after different stress treatments. In the shoot of this mutant no basal OPDA was measurable. However, after stress treatment nearly the same amounts of jasmonates were detected. To investigate the function of jasmonates in roots a lox6 KO mutant was used. The experiments showed that detached roots of the lox6 mutant which do not produce jasmonates were the preferred food of the detritivorous crustacean Porcellio scaber in comparison to roots of the wild type. Detached leaves of this mutant which show nearly the same amount of jasmonates after stress like the wild type were not eaten faster. However, detached roots and leaves of the jasmonate free dde2 mutant were both preferred in comparison to the wild type. Besides the investigations with P. scaber also drought experiments were carried out. The lox6 mutant but not dde2 was more susceptible to drought. In contrast to LOX mutants, dde2 plants show unaltered levels of 13-HPOTE which can also be converted to other oxylipins than jasmonates. This indicates that LOX6 derived oxylipins are important for the response to biotic and abiotic factors. However, concerning to drought this is not the case for jasmonates.

Johanna Margarete Schüller Graz, Univ., Dipl.-Arb., 2010

von Martin Reinhold Zetter Zsfassung in engl. Sprache Wien, Univ. für Bodenkultur, Dipl.-Arb., 2008

Hohe Stickstoff(N)düngung im Maisanbau führt häufig zu einer starken Umweltbelastung. Daraus lässt sich in Bedarf an Maissorten ableiten, die an Böden mit geringerer N-Versorgung angepasst sind. In der vorliegenden Studie sollte ermittelt werden, ob Hybriden mit spezieller Anpassung an Böden mit geringer N-Versorgung eine höhere Ertragssicherheit aufweisen als solche, die auf einem hohen N-Düngungsniveau selektiert worden waren. Es wurde geprüft, inwiefern N-effiziente Hybriden über eine höhere Trockenstresstoleranz verfügen. Zudem stellte sich die Frage, ob Elternlinien unterschiedlicher N-Effizienz zu einem erhöhten Heterosiszuwachs führen. Die Hybriden wurden auf Unterschiede bezüglich der Komponenten der N-Effizienz, insbesondere der N-Aufnahme und N-Verwertungseffizienz, untersucht. Zur Beantwortung dieser Fragestellungen wurden Feldexperimente in insgesamt 14 Umwelten auf jeweils niedrigem (NL) und hohem (NH) N-Niveau durchgeführt. Zur Untersuchung gelangte ein Satz von Hybriden, deren Elternlinien aufgrund überlegener Testkreuzungsleistung auf der NL-Stufe (L-Linien) bzw. NH-Stufe (H-Linien) miteinander kombiniert worden waren. Im Mittel zeigten die L×L-Hybriden im Vergleich zu den H×H-Hybriden auf der NL-Stufe eine signifikante Ertragsüberlegenheit, auf der NH-Stufe war ein entgegengesetzter Effekt zu beobachten. Die erhöhte N-Effizienz einer Hybride war jedoch nicht gleichzeitig mit einer verbesserten Toleranz gegenüber Trockenstress verbunden. Die L×L-Hybriden verfügten tendenziell über eine höhere Ertragssicherheit als die H×H-Hybriden. Auf keiner der beiden N-Stufen konnte ein signifikant erhöhter Heterosiszuwachs für die Merkmale Korntrockenmasse und Korntrockensubstanzgehalt nachgewiesen werden. Hinsichtlich der Komponenten der N-Effizienz konnte auf der NL-Stufe festgestellt werden, dass die Hybriden im Mittel eine geringere N-Aufnahme als auf der NH-Stufe aufwiesen. Unter N-Mangelbedingungen wurde der zur Verfügung stehende Stickstoff jedoch effizienter verwertet. Increased fertilization with nitrogen (N) in maize production areas often leads to pollution. Maize varieties with improved N-use efficiency under low soil N conditions can therefore contribute to sustainable agriculture. The objectives of this study were to investigate, whether i) hybrids with special adaptation to low soil nitrogen condition show higher yield stability than those which were selected in high nitrogen environments ii) N-efficient hybrids are more tolerant to drought conditions, iii) combination of parent lines with differences in N-efficiency leads to increased heterosis and iiii) hybrids show differences concerning components of N-efficiency, in particular N-uptake and N-utilization efficiency. A set of hybrids was generated with parent lines showing superior testcross performance at low or high N-levels, designated L-lines and H-lines, respectively. Field trials were conducted in 14 environments: each trial was grown under high (NH) and low (NL) nitrogen level. Under NL-conditions LxL-hybrids outyielded HxH-hybrids significantly, while at NH the HxH-hybrids showed higher grain yield than LxL hybrids. N-efficient hybrids did not show increased drought tolerance. LxL-hybrids tended to have higher yield stability than HxH-hybrids. Significant increase of heterosis for the traits dry matter yield and dry matter content was not found, neither at NL nor at NH-level. Under NL-conditions N-uptake was reduced, but N-utilization efficiency increased.