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Alternate or biennial bearing in apple (Malus ×domestica Borkh.) is characterized by ‘On’ years with high crop load and inhibited floral bud initiation and ‘Off’ years with little crop load and promoted formation of floral buds, respectively. Apple cultivars differ in their degree of biennial bearing behavior. The cropping irregularity has severe effects on quality and yield of apple harvests in commercial orchards and thereby directly poses an economic risk to apple growers. The aim of this study was to contribute to the understanding of the underlying mechanisms of biennial bearing in apple by analyzing the physiological processes in bud meristems during the time of flower bud induction. A field experiment was conducted during the growing seasons 2015 and 2016 and provided bud meristems of various developmental stages for a variety of analyses. The regular bearing cultivar ‘Royal Gala’ and the biennial bearing cultivar ‘Fuji’ allowed the comparison of two different developmental responses to high and low crop load treatments. Buds from 2-year-old spurs were sampled starting approximately four weeks after full bloom. Histological analysis of bud meristems successfully identified the time point of flower bud initiation in both cultivars at the experimental site. The onset of flower bud initiation was affected by crop load, cultivar and heat accumulation. While heavy cropping delayed the onset in ‘Royal Gala’ trees for 20 days compared to ‘Royal Gala’ trees with no crop load, bud initiation in heavy cropping ‘Fuji’ trees was negligible. ‘Fuji’ trees with no crop load started initiating buds 19 days earlier than ‘Royal Gala’ trees with the same cropping status. Proteomic profiling of the buds sampled during flower bud induction and during flower bud initiation revealed distinct differences in specific protein abundances depending on the cropping status. Buds from trees with a high crop load, where the flower bud initiation was inhibited and the buds primarily remained in a vegetative state, showed a decreased abundance of enzymes belonging to the phenylpropanoid and flavonoid pathways. Specifically, PAL was reduced, which could lead to less active auxin due to the reduced production of chlorogenic acid and thereby inhibiting flower bud formation. Furthermore, increased abundances of histone deacetylase and ferritins were also found in buds from high cropping trees, indicating that histone modification and building up enough iron storage capacities are involved in the vegetative bud development. Buds growing on non-cropping trees with a high rate of flower bud initiation, showed significantly higher concentrations of proteins involved in histone and DNA methylation. Metabolomic profiling and next-generation RNA sequencing showed that thiamine, chlorogenic acid, and an adenine derivative play a role in metabolic pathways promoting early flower bud development in apple, and that tryptophan was more abundant in buds collected from high-cropping trees compared to non-cropping trees. The selection of proteins, metabolites, and genes that the current work produced through its broad, non-targeted approach provides a comprehensive data base for future, more targeted analyses. The results of this study lay a thorough baseline to contribute to the identification of biological markers that are linked to a certain bearing behavior. Such markers can accelerate and facilitate breeding programs aimed at selecting apple cultivars, that are less prone to biennial bearing. Die Ertragsalternanz bei Apfel (Malus ×domestica Borkh.) ist gekennzeichnet durch "On"-Jahre mit hohem Ertrag und gehemmter Blütenknospenbildung und "Off"-Jahre mit geringem Ertrag und Bildung vieler Blütenknospen. Verschiedene Apfelsorten weisen eine unterschiedlich starke Ausprägung des Alternanzverhaltens auf. Die Unregelmäßigkeit des Ertrags hat bedeutende Auswirkungen auf die Qualität und Quantität der Apfelernte in kommerziellen Obstanlagen und stellt somit ein direktes wirtschaftliches Risiko für die Apfelanbauern dar. Ziel dieser Studie war es, durch die Analyse der physiologischen Prozesse in Knospenmeristemen zur Zeit der Blütenknospeninduktion einen Beitrag zum Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen der Alternanz bei Apfel zu leisten. Ein in den Vegetationsperioden 2015 und 2016 durchgeführter Feldversuch lieferte Knospenmeristeme in verschiedenen Entwicklungsstadien für eine Vielzahl von Analysen. Die gleichmäßig tragende Sorte „Royal Gala“ und die stark alternierende Sorte „Fuji“ ermöglichten den Vergleich von zwei unterschiedlichen Entwicklungsreaktionen auf hohe und niedrige Fruchtbehänge. Knospen von 2-jährigen Kurztrieben wurden ab etwa vier Wochen nach Vollblüte beprobt. Durch eine histologische Analyse der Knospenmeristeme konnte der Zeitpunkt der Knospeninitiation bei beiden Sorten am Versuchsstandort bestimmt werden. Der Beginn der Knospeninitiation wurde durch die Stärke des Fruchtbehangs, die Sorte und die gesammelte Wärmesumme beeinflusst. Während sich der Beginn der Knospeninitiation bei „Royal Gala“ mit starkem Fruchtbehang im Vergleich zu „Royal Gala“ mit niedrigem Fruchtbehang um 20 Tage verzögerte, war die Knospeninitiation bei „Fuji“ mit hohem Fruchtbehang vernachlässigbar. „Fuji"-Bäume ohne Fruchtbehang begannen 19 Tage früher mit der Knospeninitiation als die entsprechenden „Royal Gala"-Bäume. Proteom-Profile der Knospen, die während der Knospeninduktion und der Knospeninitiation gesammelt wurden, wiesen deutliche Unterschiede in der Häufigkeit spezifischer Proteine in Abhängigkeit vom Fruchtbehang auf. Knospen von Bäumen mit einem hohen Fruchtbehang, bei denen die Blütenknospenbildung gehemmt war und die Knospen hauptsächlich im vegetativen Zustand verblieben, wiesen eine geringere Abundanz von Enzymen auf, die zu den Phenylpropanoid- und Flavonoid-Stoffwechselwegen gehören. Insbesondere war PAL reduziert, was aufgrund der daraus folgenden verminderten Produktion von Chlorogensäure zu weniger aktivem Auxin führen und damit die Bildung von Blütenknospen hemmen könnte. Darüber hinaus wurden in den Knospen von Bäumen mit hohem Fruchtbehang erhöhte Mengen an Histondeacetylase und Ferritinen gefunden, was darauf hindeutet, dass die Histonmodifikation und der Aufbau ausreichender Eisenspeicherkapazitäten an der Entwicklung der vegetativen Knospen beteiligt sind. Knospen, die an Bäumen mit einer hohen Rate an Blütenknospenbildung wuchsen, wiesen signifikant höhere Konzentrationen von Proteinen auf, die an der Histon- und DNA-Methylierung beteiligt sind. Metabolomanalysen und RNA-Sequenzierung zeigten, dass Thiamin, Chlorogensäure und ein Adenin-Derivat eine Rolle in den Stoffwechselwegen spielen, die die frühe Entwicklung der Blütenknospen bei Äpfeln fördern, und dass Tryptophan in Knospen von Bäumen mit hohem Fruchtbehang im Vergleich zu Bäumen mit niedrigem Fruchtbehang häufiger vorkam. Die Auswahl von Proteinen, Metaboliten und Genen, die diese Arbeit durch die breitangelegte Methodik hervorbrachte, bietet eine umfassende Datenbasis für zukünftige, gezieltere Analysen. Die Ergebnisse dieser Studie bilden eine solide Grundlage für die Identifizierung von biologischen Markern, die mit der Ertragsalternanz verbunden sind. Solche Marker können Züchtungsprogramme beschleunigen und erleichtern, die auf die Auswahl von Apfelsorten abzielen, die weniger anfällig für Ertragsalternanz sind.

West Africa suffers from climate uncertainty, high levels of variability, lack of access to real-time and future climate information, and poor predictive capacity are common barriers to adaptation though the region is identified as climate-change hotspot. The regions vulnerability is heightened by its overdependence on rain-fed agriculture, with its sensitivity to climate change and variability. Rain-fed agriculture contributes 30% of GDP and employs about 70% of the population, and it is the main safety net of the rural poor. Drought affects plantain production in West Africa resulting in high level of food insecurity among the vulnerable. Under rain-fed production, achievable yield of plantain landraces are 11.0t/ha while the potential yield is 20t/ha. Plantain breeding is limited due to the complex nature of the breeding process. Plantain plant itself is a giant herbaceous plant occupying 6m2 of land hence only 1667 could occupy a hectare of land. The production system is faced with a myriad of challenges from inadequate healthy planting materials at the time of plantain through the production system to post-harvest. Unlike bananas which are mainly produce by multinational companies under irrigation, plantain production is mainly by smallholder farmers under rain-fed agriculture. Whereas banana production under irrigation is efficient, plantain production under rainfed production is haphazard and unsustainable. Farm sizes range between 0.4 to 5ha. Major limiting factors of the rainfed system is drought resulting in low yields and economic loses. Our study seeks to understand the effects of drought on the physiological responses of plantain crop under rainfed production. Different experiments were conducted to study the responses of various cultivars to on-farm rapid production of healthy planting materials. The results revealed that drought seriously affects natural regeneration of plantain planting materials as such new approaches need to be used for sufficient production. As each plantain plant produces averagely 42 leaves before flowering and each leaf has at least one axillary bud, it presupposes that 42 suckers should be produced at harvest. However, at harvest only 12 healthy suckers are produced around each plantain plant. The approach is able to exploit the full potential of every sucker to generate healthy planting materials. This technique therefore could be used to set up commercial propagation system for plantain planting material production. The study revealed Apantu and hybrid plantain FHIA-21 to show same responses. Plantain farmers can easily produce in large quantities healthy plantain planting materials using sawdust and building their own humidity chambers near water source. The study also showed that there is the potential for farmers to use this technique for establishing commercial propagation centres to generate healthy planting materials. We also studied the physiological responses of Apantu crop to water regimes and natural mycorrhization of plantains. Also, study was conducted on the fruit maturity index and the effect of climate variability on fruit micronutrient content. The natural mycorrhization of plantain roots was the first to be reported on plantain in Ghana. During the study it was observed that plantain roots were naturally colonised by mycorrhizae. However, this phenomenon was cultivar specific; with Apantu roots more colonised compared to Apem. Sustainable intensification of plantain production could be achieved through the use of beneficial soil microbes in production. Conventional production systems, however, do not promote the survival of these microbes. The study further revealed that plantains respond to water stress by reduction in stomatal density, movement and reduction in leaf area. In addition, early stages of water stress had little effect on the final yield of the crop. The anatomical and physiological studies were challenges faced in laticiferous plant like the plantain. However, drought stress at advance stage of growth of plantain adversely affect yields. Our study also showed that fruit maturity index could vary with seasons. The various maturity indices used in plantain production could not be used under rain-fed conditions; especially angularity. The angularity index used was observed not to be appropriate in the dry season. The study also revealed high α-carotene levels with seasonality and maturity in plantain. The high levels of provitamin A in plantain fruits during the dry season coincided with high incidence of sun’s UV index. This finding could play a significant role in the plantain industry as a food security crop the vulnerable who could not afford the high provitamin A foods especially for children under five years. However, the retention and bioavailability of the carotenoid after cooking need to be studied. In conclusion all the chapters showed clear understanding of the behaviour of plantain under severe adverse environmental conditions and conclusions drawn to guide future production of the crop. Under climate change with its complexities, further studies on plantain is needed to improve productivity to achieve food security in West Africa. Westafrika leidet unter Klimaunsicherheit, hoher Veränderlichkeit, fehlendem Zugang zu Echtzeit- und zukünftigen Klimainformationen und mangelnder Vorhersagefähigkeit. Dies sind häufige Hindernisse für die Anpassung, obwohl die Region als Hotspot des Klimawandels identifiziert wurde. Die Anfälligkeit der Region wird durch ihre übermäßige Abhängigkeit von der Regenfeldbau-Landwirtschaft mit ihrer Empfindlichkeit gegenüber dem Klimawandel und ihrer Unbeständigkeit noch verstärkt. Regenfeldbau trägt 30% zum BIP bei und beschäftigt etwa 70% der Bevölkerung, und er ist das wichtigste Sicherheitsnetz der armen Landbevölkerung. Die Dürre beeinträchtigt die Kochbananenproduktion in Westafrika und führt zu einem hohen Maß an Ernährungsunsicherheit unter den verwundbaren Bevölkerungsgruppen. Bei Regenfeldbau liegt der erzielbare Ertrag von Kochbananen-Landrassen bei 11,0 t/ha, während der potenzielle Ertrag bei 20 t/ha liegt. Die Kochbananenzüchtung ist aufgrund der komplexen Natur des Züchtungsverfahrens begrenzt. Die Kochbananenpflanze selbst ist eine riesige krautartige Pflanze, die 6m2 Land einnimmt, so dass nur 1667 einen Hektar Land einnehmen könnten.Das Produktionssystem ist mit unzähligen Herausforderungen konfrontiert, von unzureichendem, gesundem Pflanzmaterial zum Zeitpunkt der Pflanzung über das Produktionssystem bis hin zur Nachernte. Im Gegensatz zu Bananen, die hauptsächlich von multinationalen Konzernen unter Bewässerung produziert werden, wird die Bananenproduktion hauptsächlich von Kleinbauern im Regenfeldbau betrieben. Während die Bananenproduktion unter Bewässerung effizient ist, ist die Kochbananenproduktion unter Regenfeldbau ungezielt und nicht nachhaltig. Die Betriebsgrößen liegen zwischen 0,4 und 5 ha. Ein wichtiger limitierender Faktor des Regenfeldsystems ist die Trockenheit, die zu niedrigen Erträgen und wirtschaftlichen Verlusten führt. Unsere Studie versucht, die Auswirkungen von Dürre auf die physiologischen Reaktionen der Kochbananenproduktion im Regenfeldbau zu verstehen. Es wurden verschiedene Experimente durchgeführt, um die Reaktionen verschiedener Sorten auf die schnelle Produktion von gesundem Pflanzmaterial im Betrieb zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigten, dass Dürre die natürliche Regeneration von Kochbananenpflanzmaterial ernsthaft beeinträchtigt. Solche neuen Ansätze sollen für eine ausreichende Produktion genutzt werden. Da jede Kochbananenpflanze vor der Blüte durchschnittlich 42 Blätter produziert und jedes Blatt mindestens eine axillare Knospe hat, setzt dies voraus, dass bei der Ernte 42 Ableger produziert werden sollten. Bei der Ernte werden jedoch nur 12 gesunde Ableger um jede Kochbananenpflanze herum produziert. Dieser Ansatz ist in der Lage, das volle Potenzial jedes einzelnen Ablegers auszuschöpfen, um gesundes Pflanzmaterial zu erzeugen. Diese Technik könnte daher zur Einrichtung eines kommerziellen Vermehrungssystems für die Kochbananenpflanzmaterialproduktion genutzt werden. Die Studie ergab, dass Apantu und die Hybridsorte FHIA-21 dieselben Reaktionen zeigen. Kochbananen-Bauern können problemlos gesundes Kochbananen-Pflanzmaterial in großen Mengen produzieren, indem sie Sägemehl verwenden und ihre eigenen Feuchtigkeitskammern in der Nähe von Wasserquellen bauen. Die Studie zeigte auch, dass es ein Potenzial für Landwirte gibt, diese Technik für den Aufbau kommerzieller Vermehrungszentren zu nutzen, um gesundes Pflanzmaterial zu erzeugen. Wir untersuchten auch die physiologischen Reaktionen der Apantu-Pflanze auf Wasserregime und die natürliche Mykorrhizierung von Kochbananen Ausserdem wurden der Fruchtreife-Index und die Auswirkung der Klimavariabilität auf den Mikronährstoffgehalt von Früchten untersucht. Die natürliche Mykorrhizierung von Kochbananenwurzeln war die erste, über die über Kochbananen in die Ghana berichtet wurde. Während der Studie wurde beobachtet, dass Kochbananenwurzeln auf natürliche Weise von Mykorrhizapilzen besiedelt werden. Dieses Phänomen war jedoch kulturspezifisch, wobei Apantu-Wurzeln im Vergleich zu Apem stärker kolonisiert waren. Eine nachhaltige Intensivierung der Kochbananenproduktion könnte durch den Einsatz von nützlichen Bodenmikroben in der Produktion erreicht werden. Herkömmliche Produktionssysteme fördern jedoch nicht das Überleben dieser Mikroben. Die Studie ergab ferner, dass Kochbananen auf Wasserstress durch Verringerung der Stomataldichte, Bewegung und Verringerung der Blattfläche reagieren. Darüber hinaus hatten frühe Stadien von Wasserstress wenig Einfluss auf den Endertrag der Pflanze. Die anatomischen und physiologischen Studien stellten Herausforderungen dar, denen sich latiziferische Pflanzen wie der Kochbanane stellen mussten. Dürrestress im frühen Wachstumsstadium des Wegerichs beeinträchtigte jedoch die Erträge. Unsere Studie zeigte auch, dass der Fruchtreife-Index mit den Jahreszeiten variieren kann. Die verschiedenen Reifeindizes, die bei der Kochbananenproduktion verwendet werden, konnten unter regenreichen Bedingungen nicht verwendet werden; insbesondere die Winkligkeit. Es wurde festgestellt, dass der verwendete Winkligkeitsindex in der Trockenzeit nicht geeignet ist. Die Studie zeigte auch hohe α -Carotin-Gehalte mit Saisonalität und Reife bei Kochbananen. Die hohen Provitamin-A-Gehalte in Kochbananenfrüchten während der Trockenzeit fielen mit dem hohen Auftreten des UV-Index der Sonne zusammen. Dieser Fund könnte eine bedeutende Rolle in der Kochbananenindustrie als Nahrungsmittelsicherheitskultur für bedürftige Menschen spielen, die sich die Nahrungsmittel mit hohem Provitamin-A-Gehalt nicht leisten konnten, insbesondere für Kinder unter fünf Jahren. Allerdings muss die Rückhaltung und Bioverfügbarkeit des Carotinoids nach dem Kochen untersucht werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass alle Kapitel ein klares Verständnis des Verhaltens von Kochbananen unter ernsthaft widrigen Umweltbedingungen und Schlussfolgerungen für die zukünftige Produktion der Kulturpflanze aufzeigten. Angesichts des Klimawandels und seiner Komplexität sind weitere Studien über Kochbananen erforderlich, um die Produktivität zu verbessern und die Ernährungssicherheit in Westafrika zu erreichen.

This thesis focuses on three climate-related aspects of Para rubber (Hevea brasiliensis) cultivation in areas where altitudes and latitudes higher than its endemic range create conditions which are labeled nontraditional, suboptimal or marginal for rubber cultivation: 1. rubber yield in relation to the meteorological conditions preceding harvest events, 2. potential geographical shifts in rubber cultivation through climate change and 3. assessment of climate driven susceptibility to South American leaf blight (Pseudocercospora ulei) of rubber. Untersucht wurden im Rahmen der Dissertation drei klimabezogene Aspekte des Kautschukanbaus (Hevea brasiliensis) in Gebieten, die im Allgemeinen auf Grund ihrer geographischen Lage (nördl./südl. des 10. Breitengrades) als suboptimal, nicht-traditionell oder wenig geeignet beschrieben werden. Dabei stand die Bildung von Ertragsmodellen in direkter Abhängigkeit von lokalen Wetterbedingungen und die durch den Klimawandel entstehenden Optionen zur Expansion und/oder Reduktion der Flächen für den Kautschukanbau auf überregionaler Ebene, sowie die globale Risikobewertung für die Infektionswahrscheinlichkeit mit der südamerikanischen Blattfallkrankheit (Pseudocercospora ulei) im Zentrum der Arbeit.

This thesis combines optical sensors on a ground and on an aerial platform for field measurements in wheat, to identify nitrogen (N) levels, estimating biomass (BM) and predicting yield. The Multiplex Research (MP) fluorescence sensor was used for the first time in wheat. The individual objectives were: (i) Evaluation of different available sensors and sensor platforms used in Precision Farming (PF) to quantify the crop nutrition status, (ii) Acquisition of ground and aerial sensor data with two ground spectrometers, an aerial spectrometer and a ground fluorescence sensor, (iii) Development of effective post-processing methods for correction of the sensor data, (iv) Analysis and evaluation of the sensors with regard to the mapping of biomass, yield and nitrogen content in the plant, and (v) Yield simulation as a function of different sensor signals. This thesis contains three papers, published in international peer-reviewed journals. The first publication is a literature review on sensor platforms used in agricultural research. A subdivision of sensors and their applications was done, based on a detailed categorization model. It evaluates strengths and weaknesses, and discusses research results gathered with aerial and ground platforms with different sensors. Also, autonomous robots and swarm technologies suitable for PF tasks were reviewed. The second publication focuses on spectral and fluorescence sensors for BM, yield and N detection. The ground sensors were mounted on the Hohenheim research sensor platform “Sensicle”. A further spectrometer was installed in a fixed-wing Unmanned Aerial Vehicle (UAV). In this study, the sensors of the Sensicle and the UAV were used to determine plant characteristics and yield of three-year field trials at the research station Ihinger Hof, Renningen (Germany), an institution of the University of Hohenheim, Stuttgart (Germany). Winter wheat (Triticum aestivum L.) was sown on three research fields, with different N levels applied to each field. The measurements in the field were geo-referenced and logged with an absolute GPS accuracy of ±2.5 cm. The GPS data of the UAV was corrected based on the pitch and roll position of the UAV at each measurement. In the first step of the data analysis, raw data obtained from the sensors was post-processed and was converted into indices and ratios relating to plant characteristics. The converted ground sensor data were analysed, and the results of the correlations were interpreted related to the dependent variables (DV) BM weight, wheat yield and available N. The results showed significant positive correlations between the DV’s and the Sensicle sensor data. For the third paper, the UAV sensor data was included into the evaluations. The UAV data analysis revealed low significant results for only one field in the year 2011. A multirotor UAV was considered as a more viable aerial platform, that allows for more precision and higher payload. Thereby, the ground sensors showed their strength at a close measuring distance to the plant and a smaller measurement footprint. The results of the two ground spectrometers showed significant positive correlations between yield and the indices from CropSpec, NDVI (Normalised Difference Vegetation Index) and REIP (Red-Edge Inflection Point). Also, FERARI and SFR (Simple Fluorescence Ratio) of the MP fluorescence sensor were chosen for the yield prediction model analysis. With the available N, CropSpec and REIP correlated significantly. The BM weight correlated with REIP even at a very early growing stage (Z 31), and with SAVI (Soil-Adjusted Vegetation Index) at ripening stage (Z 85). REIP, FERARI and SFR showed high correlations to the available N, especially in June and July. The ratios and signals of the MP sensor were highly significant compared to the BM weight above Z 85. Both ground spectrometers are suitable for data comparison and data combination with the active MP fluorescence sensor. Through a combination of fluorescence ratios and spectrometer indices, linear models for the prediction of wheat yield were generated, correlating significantly over the course of the vegetative period for research field Lammwirt (LW) in 2012. The best model for field LW in 2012 was selected for cross-validation with the measurements of the fields Inneres Täle (IT) and Riech (RI) in 2011 and 2012. However, it was not significant. By exchanging only one spectral index with a fluorescence ratio in a similar linear model, it showed significant correlations. This work successfully proves the combination of different sensor ratios and indices for the detection of plant characteristics, offering better and more robust predictions and quantifications of field parameters without employing destructive methods. The MP sensor proved to be universally applicable, showing significant correlations to the investigated characteristics such as BM weight, wheat yield and available N. Diese Arbeit kombiniert optische Sensoren auf einer Sensorplattform (SPF) am Boden und in der Luft bei Messungen in Weizen, um die Stickstoff-(N)-Werte zu identifizieren, während gleichzeitig die Biomasse (BM) geschätzt und der Ertrag vorhergesagt wird. Erstmals wurde hierfür der Fluoreszenzsensor Multiplex Research (MP) in Weizen eingesetzt. Die Ziele dieser Dissertation umfassen: (i) Bewertung verfügbarer Sensoren und SPF, die in der Präzisionslandwirtschaft zur Quantifizierung des Ernährungszustandes von Nutzpflanzen verwendet werden, (ii) Erfassung von Daten mit zwei Spektrometern am Boden, einem Spektrometer auf einem Modellflugzeug (UAV) und einem Fluoreszenzsensor am Boden, (iii) Erstellung effektiver Nachbearbeitungsmethoden für die Datenkorrektur, (iv) Analyse und Evaluation der Sensoren für die Abbildung der BM, des Ertrags und des N-Gehaltes in der Pflanze, und (v) Ertragssimulation als Funktion von Merkmalen unterschiedlicher Sensorsignale. Diese Arbeit enthält drei Artikel, die in international begutachteten Fachzeitschriften publiziert wurden. Die erste Veröffentlichung ist eine Literaturrecherche über SPF in der Agrarforschung. Ein detailliertes Kategorisierungsmodell wird für eine allgemeine Unterteilung der Sensoren und deren Anwendungsgebiete herangenommen, die Stärken und Schwächen bewertet, und die Forschungsergebnisse von Luft- und Bodenplattformen mit unterschiedlicher Sensorik diskutiert. Außerdem werden autonome Roboter und für landwirtschaftliche Aufgaben geeignete Schwarmtechnologien beschrieben. Die zweite Publikation fokussiert sich auf Spektral- und Fluoreszenzsensoren für die Erfassung von BM, Ertrag und N. In der Arbeit wurden die Bodensensoren auf der Hohenheimer Forschungs-SPF „Sensicle“ und der Sensor auf dem UAV in dreijährigen Feldversuchen auf der Versuchsstation Ihinger Hof der Universität Hohenheim in Renningen für die Bestimmung von Pflanzenmerkmalen und des Ertrags eingesetzt. Auf drei Versuchsfeldern wurde Winterweizen ausgesät, und in einem randomisierten Versuchsdesign unterschiedliche N-Düngestufen angelegt. Die Sensormessungen im Feld wurden mit einer absoluten GPS Genauigkeit von ±2,5 cm verortet. Die GPS Daten des UAV’s wurden mittels der Nick- und Rollposition lagekorrigiert. Im ersten Schritt der Datenanalyse wurden die Sensorrohdaten nachbearbeitet und in Indizes und Ratios umgerechnet. Die Bodensensordaten wurden analysiert, und die Ergebnisse der Korrelationen in Bezug zu den abhängigen Variablen (DV) BM-Gewicht, Weizenertrag, verfügbarer sowie aufgenommener N dargestellt. Die Ergebnisse zeigen signifikant positive Korrelationen zwischen den DV’s und den Sensicle-Sensordaten. Für die dritte Publikation wurden die Sensordaten des UAV in die Auswertungen miteinbezogen. Die Analyse der UAV Daten zeigte niedrige signifikante Ergebnisse für nur ein Feld im Versuchsjahr 2011. Ein Multikopter wird als zuverlässigere Luftplattform erachtet, der mehr Präzision und eine höhere Nutzlast ermöglicht. Die Sensoren auf dem Sensicle zeigten ihren Vorteil bedingt durch einen kürzeren Messabstand zur Pflanze und eine kleinere Messfläche. Die Ergebnisse der beiden Sensicle-Spektrometer zeigten signifikant positive Korrelationen zwischen dem Ertrag und den Indizes von CropSpec, NDVI (Normalised Difference Vegetation Index) und REIP (Red-Edge Inflection Point). Auch FERARI und SFR (Simple Fluorescence Ratio) des MP-Sensors wurden für die Analyse des Ertragsvorhersagemodells ausgewählt. Mit dem verfügbaren N korrelierten CropSpec und REIP hochsignifikant. Das BM-Gewicht korrelierte bereits ab einem sehr frühen Wachstumsstadium (Z31) mit REIP und im Reifestadium (Z85) mit SAVI (Soil-Adjusted Vegetation Index). REIP, FERARI und SFR zeigten hohe Korrelationen mit dem verfügbaren N, insbesondere im Juni und Juli. Die Ratios und Signale des MP Sensors sind vor allem ab Z85 gegenüber dem BM-Gewicht hochsignifikant. Durch eine Kombination von Fluoreszenzwerten und Spektrometerindizes wurden lineare Modelle zur Vorhersage des Weizenertrags erstellt, die im Verlauf der Vegetationsperiode für das Versuchsfeld Lammwirt (LW) im Jahr 2012 signifikant korrelierten. Das beste Modell für das Feld LW im Jahr 2012 wurde für die Kreuzvalidierung mit den Messungen der Versuchsfelder Inneres Täle (IT) und Riech (RI) in den Jahren 2011 und 2012 ausgewählt. Sie waren nicht signifikant, jedoch zeigten sich durch den Austausch nur eines Spektralindexes mit einem Fluoreszenzratio in einem ähnlichen linearen Modell signifikante Korrelationen. Die vorliegende Arbeit zeigt erfolgreich, dass sich die Kombination verschiedener Sensorwerte und Sensorindizes zur Erkennung von Pflanzenmerkmalen gut eignet, und ohne den Einsatz destruktiver Methoden die Möglichkeit für bessere und robustere Vorhersagen bietet. Vor allem der MP-Fluoreszenzsensor erwies sich als universell einsetzbarer Sensor, der signifikante Korrelationen zu den untersuchten Merkmalen BM-Gewicht, Weizenertrag und verfügbarem N aufzeigte.

Even when total nitrogen (N) and phosphorus (P) concentrations in most agricultural soils are high, the concentrations of plant-available N and P fractions are often inadequate for acceptable yield. In comparison to conventional fertilizer application by homogenous broadcast over the soil surface (with or without subsequent incorporation), fertilizer placement in defined soil areas/volumes close to seeds or crop roots is a more effective application method to enhance the plant-availability of applied fertilizers. Nevertheless, considerable root growth in subsurface nutrient patches or around concentrated fertilizer-depots (and/or improved nutrient influx rates in roots) is a prerequisite for improved uptake of placed nutrients. Furthermore, zones with intense rooting around placed fertilizer depots (“rhizosphere hotspots”) with high concentrations of organic nutrients released as root exudates may be favorable for the survival and establishment of inoculated plant-growth-promoting microorganisms (PGPMs), which mobilize nutrients in soil to favor plant growth. In the last three decades, several published field studies comparing fertilizer placement to fertilizer broadcast arrived at different and often conflicting results regarding their effects on yield and nutrient status of various crops. For this reason, the first task was to conduct a Meta-analysis on data in published peer-reviewed field studies on fertilizer placement that met a set of pre-defined criteria for inclusion. We investigated the relative effect of fertilizer placement for specific fertilizer formulations (e.g. NH4+ and CO(NH2)2 without or in combination with soluble P (HPO42-; H2PO4-); soluble K; solid or liquid manure) in a precise restricted area on surface or subsurface soil in comparison to fertilizer broadcast on yield, nutrient concentration and content in above-ground plant parts. We utilized data from a total of 40 field studies published between 1982 and 2015 (85% of studies published from 2000) that met our criteria. We used the method of “baseline contrasts” to compare different fertilizer placement treatments to fertilizer broadcast as a common control or baseline treatment. Results showed that overall, fertilizer placement led to +3.7% higher yields, +3.7% higher concentrations of nutrients in above-ground plant parts and +11.9% higher contents of nutrients also in above-ground plant parts than fertilizer broadcast application. Placement depth had a strong effect of the outcome of fertilizer placement because relative placement effects increased with increasing fertilizer placement depth. Composition of fertilizer formulations was also an important factor. High yields of fertilizer placement relative to fertilizer broadcast application were obtained for CO(NH2)2 in combination with soluble P (HPO42-; H2PO4-) (+27%) or NH4+ in combination with HPO42-; H2PO4- (+15%) (Nkebiwe et al., 2016 a: Field Crops Research 196: 389–401). The next aim was to investigate the effect of fertilizer placement in subsurface soil in combination with application of bio-effectors (BEs) (PGPMs and natural active substances such as humic acids and seaweed extracts) on root growth of crop plants, establishment of inoculated PGPM in the rhizosphere, grain and biomass production as well as plant nutrient status for maize (Zea mays L) and wheat (Triticum aestivum L) cultures. Through various pot and rhizobox experiments, we observed that placement of a subsurface concentrated NH4+-fertilizer depot stabilized with the nitrification inhibitor DMPP (3,4-di-methylpyrazolphosphate) induced dense rooting around the depot contributing to more efficient exploitation of the depot. For this, it was crucial the N persisted in the depot mainly as poorly mobile NH4+, in order to induce localized depot-zone root-growth as well as favorable chemical and biological changes in the rhizosphere to improve N and P uptake by crop plants. Through in vitro culture experiments on solid and liquid media, we could show that via acidification of the growth media, several selected microbial BEs were capable to solubilize sparingly soluble inorganic phosphates and also that these BEs showed considerable tolerance to high concentrations of NH4+ und DMPP. The latter indicated a potential for the BEs to colonize plant roots in NH4+-rich well rooted soil zones around a subsurface NH4+-fertilizer depot (Nkebiwe et al., 2016 c: Manuscript submitted). Through further pot experiments and four others experiments as Bachelor and Master theses conduction under my supervision, we observed that certain BEs that readily solubilized tri-calcium phosphates in vitro were able to mobilize rock phosphate (RP) applied in soil-based substrates when N was supplied as stabilized NH4++DMPP, thereby contributing to enhanced P uptake and growth of maize and wheat plants. The bacterial BE Pseudomonas sp. DSMZ 13134 and BE consortia products containing bacteria and fungi such as CombiFectorA were good candidates. BE-induced RP-solubilzation occurred mainly in substrates with low CaCO3 contents indicating low P sorption capacity for neutral and moderately alkaline soils. With CombiFectorA, maize P-acquisition from sewage sludge ash could be enhanced, thus increasing the efficiency of a sparingly soluble fertilizer based of recycled wastes. Possible explanations for the beneficial effects of best performing BEs to improve plant growth were enhanced solubility of sparingly soluble P fertilizers via acidification of the rhizosphere and release of nutrient-chelating substances as well as improvement of root growth for better spatial interception of nutrients (Nkebiwe et al., 2016 d: Manuscript in preparation). Alongside, more greenhouse and two field experiments (grain maize 2014 and maize silage 2015) were designed, planned, conducted and evaluated. A peer-reviewed paper from this work has already been published (Nkebiwe et al., 2016 b: Chemical and Biological Technologies in Agriculture 3:15). In the greenhouse and experiments, placement of a concentrated stabilized NH4+-fertilizer depot led to improved root and shoot growth, and increased shoot N and P contents. Through intense root growth of maize around the NH4+-depot, increased root-colonization by Pseudomonas sp. DSMZ 13134 close to seeds could be observed. In the field, many weeks after subsurface placement of the concentrated stabilized NH4+-depot, it could be shown that N considerably persisted in the depot-zone as NH4+, which strongly induced depot-zone root growth. Placement of the NH4+-depot led to +7.4 % increase in grain yield of maize (2014) and +5.8% increase in maize silage yield (2015) in comparison to fertilizer broadcast. Placement of Pseudomonas sp. DSMZ 13134 inoculum in the sowing row let to +7.1% increase in yield of maize silage (2015) in comparison to the non-inoculated control. In total, these results showed that precise placement of specific fertilizer formulations in combination with the application of selected PGPMs can lead to improved plant growth, improved N and P uptake with a potential to save resources. In landwirtschaftlichen Böden kommt es oft vor, dass die Konzentrationen von pflanzen-verfügbarem Stickstoff (N) und Phosphor (P) für einen guten Ertrag nicht ausreichen, selbst bei hohen Konzentrationen vom Gesamt-N und -P. Im Vergleich zur üblichen breitflächigen Düngerausbringung auf der Bodenoberfläche (mit oder ohne anschließender Einarbeitung), ist die präzise Platzierung von Dünger möglichst nah an Saatgut oder Wurzel eine vielversprechende Alternative zur Erhöhung der Pflanzenverfügbarkeit von Düngemitteln. Eine gute Durchwurzelung um den Depotbereich ist allerdings eine Voraussetzung für die wirksame Platzierung von Dünger, mit dem Ziel die Nährstoffaufnahme zu verbessern und gleichzeitig günstige Bedingungen für wachstumsfördernden Bodenmikroorganismen zu schaffen. In den letzten drei Jahrzehnten kamen zahlreiche Feldversuche zur Platzierung von Dünger im Vergleich zur breitflächige Ausbringung zu scheinbar unterschiedlichen Ergebnissen hinsichtlich Ertrag und Nährstoffaufnahme von Kulturpflanzen. Deshalb wurde zum Beginn, mit Studien die bestimmten Voraussetzungen erfüllten, eine Meta-Analyse durchgeführt,. Dabei wurde der Effekt der gezielten Platzierung von unterschiedlichen Dünger (zB. NH4+ oder CO(NH2)2 ohne oder mit wasserlöslichem Phosphor (HPO42-; H2PO4-); wasserlöslichem Kaliumr; Stallmist oder Gülle) in einen begrenzten Bereich auf der Bodenoberfläche oder im Unterboden im Vergleich zur breitflächigen Ausbringung auf Ertrag, Nährstoffgehalt und Nährstoffaufnahme bei verschiedenen Kulturpflanzen untersucht. Insgesamt wurden Ergebnissen aus vierzig Feldversuchen verwendet, die zwischen 1982 und 2015 stattfanden (85% der Versuche ab 2000). Mit Hilfe der Methode “Baseline contrasts”, haben wir unterschiedliche Behandlungen von Düngerplatzierung mit breitflächiger Ausbringung von Dünger als Kontrolle verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass Düngerplatzierung zu +3,7 % mehr Ertrag, +3,7% höherer Nährstoffkonzentration und +11,9% höherer Nährstoffgehalte in oberirdischer Biomasse als breitflächige Ausbringung führt. Die Tiefe der Platzierung hatte auch einen deutlichen Effekt (je tiefer, desto höherer der Platzierung-Effekt), ebenso die Kombination von Nährstoffen, mit höheren Erträgen bei der Platzierung eine Düngermischung aus Harnstoff und Phosphat (+27% Ertrag) oder Ammonium und Phosphat (+15% Ertrag) als bei der breitflächigen Ausbringung (Nkebiwe et al., 2016 a: Field Crops Research 196: 389–401). Zunächst wurde der Effekt der Platzierung von Düngern in Kombination mit der Applikation von Bio-Effektoren (Pflanzenwachstums-stimulierende Mikroorganismen und natürliche, wirkaktive Stoffen wie Huminsäure und Algenextrakte) auf das Wurzelwachstum von Kulturpflanzen, die Etablierung der mikrobiellen Inokula in der Rhizosphere, Korn- und Biomassebildung, sowie Nährstoffinhalt bei Mais (Zea mays L) und Weizen (Triticum aestivum L) untersucht. Mit Hilfe von Topf- und Wurzelkastenversuchen habe ich festgestellt, dass ein konzentriertes Düngedepot aus NH4+ stabilisiert mit DMPP (der Nitrifikationshemmer 3,4-Dimethylpyrazolphosphat) zu einer starken Durchwurzelung und Erschließung des Düngerdepots führt. Dabei war es wichtig, dass die Stickstoffform im Depot hauptsächlich als wenig mobiles NH4+ besteht, sowohl um lokalisiertes Wurzelwachstum anzuregen, als auch um günstige chemische und biologische Bedingungen für eine verbesserte Stickstoff- und Phosphataufnahme der Pflanzen zu ermöglichen. Durch in vitro Versuche auf feste und flüssige Kulturmedien konnte gezeigt werden, dass einige wachstumsfördernde Bakterien und Pilze in der Lage sind, schwerlösliches, unorganisches P durch Ansäuerung aufzulösen und dass sie Toleranz an hohen Konzentrationen von NH4+ und DMPP zeigen. Damit zeigen die wachstumsfördernde Mikroorganismen ein Potenzial den ammonium-reichen Boden um das Düngerdepot gut zu besiedeln (Nkebiwe et al., 2016 c: Manuskript in eingereicht). Durch eigene Topfversuche und vier betreute Bachelor- und Masterarbeit haben wir festgestellt, dass einige Trikalciumphosphat-lösende mikrobielle Bio-Effektoren das Rohphosphat- aneignungsvermögen von Mais und Sommerweizen verbessern wenn N als stabilisiertem Ammonium (NH4++DMPP) gedüngt ist. Dies galt besonders für bakterielle Bio-Effektoren wie Pseudomonas sp. DSMZ 13134 oder Kombi-Produkten aus Bakterien und Pilzen wie CombiFectorA. Dieser Effekt war deutlich in Substraten mit geringem Kalkgehalt bzw. mit geringer Sorptionsfähigkeit für Phosphat in Böden mit neutralem oder leicht erhöhtem pH-Werten. Mit CombiFectorA konnte die P-Aneignungsvermögen von Mais aus schwerlöslicher Klärschlammasche verbessert. Auf diese Weise konnte die Effizienz der schwerlöslichen Klärschlammasche als Recycling-Phosphatdünger erhöht werden. Die Verbesserung der Lösbarkeit von schwerlöslichem Phosphat durch Ansäuerung der Rhizosphäre und Ausscheidung von Chelaten wie auch die Verstärkung des Wurzelwachstums bei Mais und Sommerweizen waren mögliche Wirkmechanismen der erfolgreichsten mikrobiellen Bio-Effektoren (Nkebiwe et al., 2016 d: Manuskript in Vorbereitung). Daneben wurden weitere Gewächshausversuche und zwei Feldversuche (Körnermais 2014 und Maissilage 2015) geplant, umgesetzt, ausgewertet und evaluiert. Ein peer-reviewed Paper wurde mit Ergebnissen aus diesen Versuchen publiziert (Nkebiwe et al., 2016 b: Chemical and Biological Technologies in Agriculture 3:15). Bei Gewächshausversuchen hat die Platzierung von stabilisiertem Ammoniumdepot zum verbesserten Wurzel- und Sproßwachstum und zu höheren Sproß-N und -P Gehalt geführt. Durch gute Erschließung des Ammoniumdepots mit Maiswurzeln wurde die Besiedlung des Inokulums Pseudomonas sp. DSMZ 13134 im Bereich des Düngerdepots verbessert. In den Feldversuchen konnte mehrere Wochen nach Platzierung des Düngerdepots (Ammonium+DMPP) nachgewiesen werden, dass Stickstoff hauptsächlich als NH4+ in dem Depotbereich verblieb, was zu verstärktem Wurzelwachstum im Depotbereich führte. Durch Platzierung von Ammoniumdepot konnte ein Ertrag von +7,4% für Körnermais (2014) und +5,8% für Maissilage (2015) in Vergleich zu breitflächiger Ausbringung erzielt werden. Auch durch die Platzierung von Pseudomonas sp. DSMZ 13134 unter der Saatreihe wurde +7,1% mehr Maissilage (2015) im Vergleich zur Kontrolle ohne Inokulum festgestellt. Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass die präzise Platzierung von speziellen Düngemitteln und die Applikation von wachstumsfördernde Mikroorganismen zu verbessertem Pflanzenwachstum, verbesserter N und P Aufnahme und höherer Ertrag bei gleichzeitiger Ressourcensparung führen.

Genomic selection offers a greater potential for improving complex, quantitative traits in winter rye than marker-assisted selection. Prediction accuracies for grain yield for unrelated test populations have, however, to be improved. Nevertheless, they are already favorable for selecting phenotypic stability of quality traits. Zusammenfassend zeigte die genomische Selektion ein größeres Potential für die Verbesserung von komplexen, quantitativen Merkmalen in Winterroggen als die markergestützte Selektion. Allerdings müssen die Vorhersagegenauigkeiten für nicht-verwandte Genotypen noch deutlich verbessert werden. Sie sind jetzt schon vorteilhaft für die Vorhersage der phänotypischen Stabilität von Qualitätsmerkmalen.

Weeds can cause high yield losses. Knowledge about the weeds occurring, their distribution within fields and their effects on the crop yield is important to achieve effective weed control. The critical period for weed control (CPWC) and the economic threshold (ET) are important key concepts and management tools in weed control. While the former helps to time weed control in crops of low competitiveness, the latter provides a decision aid to determine whether weed control is necessary. This decision is generally taken at the field level. Weeds have been found to be distributed heterogeneously within fields. Site-specific weed control (SSWC) addresses this sub-field variation by determining weed distribution as input, by taking control decisions in the decision component and by providing control measures as output at high spatial resolution. Sensor systems for automated weed recognition were identified as prerequisite for SSWC since costs for scouting are too high. While experiences with SSWC using sensor data as input are still scarce, studies showed that considerable herbicide savings could be achieved with SSWC. ETs can serve as thresholds for the decision component in SSWC systems. However, the commonly used ETs were suggested decades ago and have not been updated to changing conditions since. The same is the case for the CPWC in maize in Germany. In addition, the approaches to determine the CPWC are usually not based on economic considerations, which are highly relevant to farmers. Thus, the objectives of this thesis are: 1. To test different models and to provide a straightforward approach to integrate economical aspects in the concept of the CPWC for two weed control strategies: Herbicide based (Germany) and hoeing based (Benin); 2. To determine the effect of weeds on yield and to calculate ETs under current conditions which can be used for SSWC; 3. To evaluate the use of bi-spectral cameras and shape-based classification algorithms for weed detection in SSWC; and 4. To determine changes in weed frequencies, herbicide use and yield over the last 20 years in southwestern Germany. Datasets in maize from Germany and Benin served as input for the CPWC analyses. The log-logistic model was found to provide a similar fit as the commonly used models but its parameters are biologically meaningful. For Germany, analyses using a full cost model revealed that farmers should aim at applying herbicides early before the 4-leaf stage of maize. In Benin, where weed control is mainly done by hoeing, analyses showed that one well- timed weeding operation around the 10-leaf stage could already be cost-effective. A second weeding operation at a later stage would assure profit. The precision experimental design (PED) was employed to determine the effect of weeds, soil properties and herbicides on crop yield in three winter wheat trials. In this design, large field trials’ geodata of weed distribution, herbicide application, soil properties and yield are used to model the effects of the former three on yield. Galium aparine, other broadleaved weeds and Alopecurus myosuroides reduced yield by 17.5, 1.2 and 12.4 kg ha-1 plant-1 m2 determined by weed counts. The determined thresholds for SSWC with independently applied herbicides were 4, 48 and 12 plants m-2, respectively. Bi-spectral camera based weed–yield estimates were difficult to interpret showing that this technology still needs to be improved. However, large weed patches were correctly identified. ETs derived of field trials’ data carried out at several sites over 13 years in the framework of the ’Gemeinschaftsversuche Baden-Württemberg’ were 9.2-9.8 and 4.5-8.9 % absolute weed coverage for winter wheat and winter barley and 3.7% to 5.5% relative weed coverage for maize. Overall, the weed frequencies in winter cereals were found to be more stable than the weed frequencies in maize during the observation period. In maize, a frequency increase of thermophilic species was found. Trends of considerable yield increases of 0.16, 0.08 and 0.2 t ha-1 for winter wheat, winter barely and maize, respectively, were estimated if weeds were successfully controlled. In order to evaluate the use of bi-spectral cameras and shapebased classification algorithms for weed detection in SSWC, herbicides were applied site-specifically using weed densities determined by bi-spectral camera technology in a winter wheat and maize field. Threshold values were employed for decision taking. Using this approach herbicide savings between 58 and 83 % could be achieved. Such reductions in herbicide use would meet the demand of society to minimize the release of plant protection products in the environment. Misclassification occurred if weeds overlapped with crop plants and crop leaf tips were frequently misclassified as grass weeds. Improvements in equipment, especially between the interfaces of camera, classification algorithms, decision component and sprayer are advisable for further trials. In conclusion, the derived ETs can be easily implemented in a straightforward SSWC system or can serve as decision aid for farmers in winter wheat and winter barley. Further model testing and adjusting would be necessary. For maize, the use of ETs at the field level is not suggested by this study, however the need for early weed control is clearly demonstrated. Bi-spectral camera technology combined with classification algorithms to detect weeds is promising for research use and for SSWC, but still requires some technical improvements. Unkräuter können hohe Ertragsverluste verursachen. Kenntnis über die vorkommenden Unkräuter, deren Verteilung in den Feldern und deren Wirkung auf den Ertrag sind wichtig, um eine wirksame Unkrautkontrolle zu erzielen. Die kritische Periode (KP) und Schadensschwelle (SSW) sind Schlüsselkonzepte und wichtige Kontrolmaßnahmen in der Unkrautkontrolle. Erstere hilft die Unkrautkontrolle in Kulturen mit geringer Konkurrenzkraft zu determinieren, letztere ermöglicht eine Entscheidungshilfe um zu bestimmen, ob eine Kontrollmaßnahme notwendig ist. Diese Entscheidung wird meist für das ganze Feld getroffen. Unkräuter weisen jedoch eine heterogene Verteilung im Feld auf. Die teilschlagspezifische Unkrautkontrolle (SSWC) berücksichtigt diese Variabilität innerhalb eines Feldes, in dem sie die Unkrautverteilung als Input bestimmt, in der Entscheidungskomponente entscheidet, ob eine Kontrollmaßnahme notwendig ist und diese auch mit einer hohen räumlichen Auflösung als Output ausführt. Sensoren für eine automatisierte Unkrauterkennung sind als notwendig für SSWC identifiziert worden, da die Kosten zu hoch sind, um die Unkrautverteilung von Hand zu bestimmen. Obwohl noch relativ wenig Erfahrung mit SSWC unter Verwendung von Sensordaten vorliegt, konnte in Studien nachgewiesen werden, dass beträchtliche Herbizideinsparungen mit SSWC erzielt werden können. SSWs können als Schwellenwerte innerhalb der Entscheidungskomponente eines SSWC-Systems dienen. Die zurzeit verwendeten SSWs wurden jedoch vor Jahrzehnten vorgeschlagen und seitdem nicht konsequent an die sich ändernden Bedingungen angepasst. Das Gleiche ist der Fall für die KP in Mais in Deutschland. Außerdem werden zur Bestimmung der KP normalerweise keine ökonomische Aspekte herangezogen, was jedoch sehr relevant für die Landwirte ist. Daher waren die Ziele dieser Arbeit: 1. Verschiedene Modelle zu testen und einen einfachen Ansatz zu finden, um ökonomische Aspekte in das Konzept der KP für zwei Strategien zu integrieren: Herbizid basiert (Deutschland) und basierend auf Hacken (Benin). 2. Die Unkrautwirkung auf den Ertrag zu bestimmen und SSWs unter aktuellen Bedingungen zu berechnen, die dann auch für SSWC genutzt werden können. 3. Den Einsatz von Bispektralkameras und formbasierter Klassifizierungsalgorithmen für die Unkrauterkennung in SSWC zu evaluieren. 4. Änderungen im Vorkommen von Unkräutern und Herbizideinsatz und Ertragssveränderungen in den letzten 20 Jahren in Südwestdeutschland zu untersuchen. Datensätze von Maisversuchen aus Deutschland und Benin wurden für die Auswertungen zur KP herangezogen. Das log-logistische Model wies eine vergleichbare Güte auf wie die üblicherweise benutzten Modelle, wobei das genannte Modell jedoch über biologisch interpretierbare Parameter verfügt. Für Deutschland zeigte ein Vollkostenmodell, dass die Landwirte die chemische Unkrautkontrolle zu einem sehr frühen Zeitpunkt vor dem 4- Blattstadium des Maises durchführen sollten. In Benin, wo die Unkrautkontrolle vor allem mit Hacken erfolgt, zeigten die Auswertungen, dass bereits ein Hackdurchgang um das 10- Blattstadium zu einem Gewinn führen kann und ein weiterer Durchgang diesen sichert. Der ’Precision Experimental Design’ Ansatz (PED) wurde verwendet, um den Ertragseffekt von Unkräutern, Bodeneigenschaften und Herbizidanwendung in drei Winterweizenversuchen zu bestimmen. In diesem Ansatz, werden Geodaten von grossflächigen Feldversuchen bzw., deren Unkrautverteilung, Herbizidanwendung, Bodeneigenschaften und Ertrag verwendet um den Effekt der ersteren drei auf den Ertrag zu modellieren. Galium aparine, andere breitblättrige Unkräuter und Alopecurus myosuroides reduzierten den Ertrag um 17.5, 1.2 und 12.4 kg ha-1 Pflanze-1 m2 berechnet anhand der manuell bestimmten Verunkrautung. Die Schadensschwellen für SSWC mit der Möglichkeit Herbizide unabhängig zu applizieren, waren 4, 48 und 12 Pflanzen je m2, jeweils. Schätzungen der Unkraut–Ertragswirkung anhand der Bispektralkameradaten waren schwierig zu beurteilen. Das zeigt, dass diese Technologie noch weiter verbessert werden muss. Jedoch wurden große Unkrautnester richtig erkannt. SSWs bestimmt anhand von Feldversuchsdaten, die an verschiedenen Standorten über einen Zeitraum von 13 Jahren innerhalb der Gemeinschaftsversuche Baden-Württemberg durchgeführt worden waren, betrugen 9.2-9.8 und 4.5-8.9% absolute Unkrautbedeckung in Winterweizen und Wintergerste sowie 3.7% bis 5.5% relative Unkrautbedeckung in Mais. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass die beobachteten Unkrauthäufigkeiten in Wintergetreide stabiler waren als in Mais in dem beobachteten Zeitraum. In Mais, konnte eine Zunahme der Häufigkeit von thermophilen Arten festgestellt werden. Eine tendenzielle und beträchtliche Ertragszunahme von 0.16, 0.08 und 0.2 t ha-1 für Winterweizen, Wintergerste und Mais konnte ermittelt werden, wenn das Unkraut erfolgreich kontrolliert wurde. Um den Einsatz von Bispektralkameras und formbasierter Klassifizierungsalgorithmen für SSWC zu evaluieren, wurden die Unkrautdichten in einem Winterweizen und in einem Maisfeld mit dieser Technologie bestimmt und Herbizide teilschlagspezifisch appliziert. Schwellenwerte wurden für die Entscheidungsfindung verwendet. Unter Verwendung dieses Ansatzes konnten Herbizideinsparungen von 58 bis 83 % erreicht werden. Derartige Einsparungen würden auch dem gesellschaftlichen Wunsch, die Freisetzung von Pflanzenschutzmitteln in die Umwelt zu minimieren, entsprechen. Eine Fehlklassifizierung trat vor allem auf, wenn es zu Überlappungen zwischen den Unkräutern und Kulturpflanzen gab und oft wurden auch Blattspitzen der Kulturpflanze als Ungräser klassifiziert. Verbesserungen in der Ausstattung der Geräte ins besondere der Schnittstellen zwischen Bispektralkameras, Klassifizierungsalgorithmen, der Entscheidungskomponente und der Feldspritze sind empfehlenswert für weitere Versuche. Die bestimmten SSWs können einfach in ein überschaubares SSWC-System eingebaut werden oder auch als Entscheidungshilfe für Landwirte in Winterweizen und Wintergerste dienen. Jedoch sind weitere Tests und Anpassungen notwendig. Für Mais ist von der Verwendung von SSWs auf Ebene ’Feld’ abzuraten. Die Notwendigkeit einer frühen Unkrautkontrolle konnte jedoch in dieser Studie deutlich gezeigt werden. Bispektralkamera Technologie kombiniert mit formbasierten Klassifizierungsalgorithmen zur Erfassung der Verunkrautung in Feldern ist erfolgsversprechend für die Anwendung in der Forschung und für SSWC, weitere technische Verbesserungen sind jedoch notwendig.

Schwefel zählt, wie auch Phosphor oder Stickstoff, zu den essentiellen Makronährstoffen für die pflanzliche Ernährung. Hauptquellen waren bis in die 80er Jahre vor allem atmosphärische Einträge in Form von SO2 oder H2S, die bei Verbrennungsprozessen fossiler Rohstoffe freigesetzt wurden. Im Zuge von internationalen und nationalen Gesetzen zur Luftreinhaltung Ende der 80er Jahren wurden die Schwefeldepositionen stark reduziert. Dazu kommen verminderte Schwefeleinträge durch die Nutzung schwefelfreier Düngemittel und Fungizide, Diesen verminderten Einträgen stehen jedoch unveränderte bzw. aufgrund eines steigenden Ernteniveaus erhöhte Schwefelentzüge durch die Ernteabfuhr entgegen. Dies führt dazu, dass Schwefelmangel in vielen Regionen weltweit zu beobachten ist und in vielen Fällen Schwefel sogar ein limitierende Produktionsfaktor wird. Vor allem für die im organischen Landbau besonders bedeutsamen Leguminosen spielt Schwefel eine bedeutende Rolle. Bei Schwefelmangel ist die Stickstofffixierung der Leguminosen gehemmt und diese ist im Organischen Landbau die einzig relevante Stickstoffquelle. Vor diesem Hintergrund wurde 2010 und 2011 auf dem Lehr- und Versuchsbetrieb Gladbacherhof der Universität Gießen jeweils ein Parzellenversuch in Luzerne-Kleegrasbeständen durchgeführt um zum einen die aktuelle Schwefelversorgungssituation festzustellen, zum anderen um den Einfluss unterschiedlicher Schwefeldünger (Calciumsulfat, Magnesiumsulfat und Elementarschwefel) auf verschiedene Parameter (wie z.B. Smin-Gehalt im Boden, Schwefel- bzw. Stickstoffkonzentration in der Pflanze, TS-, Schwefel- und Stickstoff-Ertrag) zu untersuchen. Der Versuch hat gezeigt, dass unter den hier gegebenen Rahmenbedingungen, keine ausreichende Schwefelversorgung in Leguminosenbeständen vorlag. Eine Schwefeldüngung konnte über einen erhöhten Smin-Gehalt im Boden die Schwefel- wie auch die Stickstoffkonzentration in der Pflanze erhöhen und letztlich höhere Trockensubstanzerträge erzielen. Dies hatte zur Folge, dass ebenfalls die jährlichen Schwefel- und Stickstofferträge signifikant, um bis zu 50%, gesteigert werden konnten. Besides nitrogen or phosphorus sulphur (S) is one of the important plant nutrients. The main atmospheric entries of sulphur are SO2 and H2S, which are produced from combustion processes of fossil fuels. In course of international and national clean-air laws early 80s the sulphur depositions were reduced drastically. In addition to low S depositions from the atmosphere other sulphur inputs have been also decreased by using fertilizers low in S content and S free fungicides even so the cultivation of high-yielding varieties. Therefore in many regions in the world is sulphur deficiencies present and in many cases a limiting factor for crop production. Especially in the organic farming sulphur becomes very important regarding N2 fixation of legumes. Legumes are highly dependent on adequate sulphur supply. A sulphur deficiency reduces the rate of N2 fixation by legumes and this is the most relevant nitrogen source. University Gießen conducted an experiment in 2010 and 2011 with the aim to test whether alfalfa clover grass mixture can still realize its growth potential under the actual S nutritional status of organically managed fields. In an field experiment different sulphur fertilisers (MgSO4, CaSO4, Selementary) were applied in a second year alfalfa grass clover mixture. Our results showed, that sulphate fertilization was resulting in higher Smin in soil. Resulting from that S- and N-concentration in plants as well as the dry matter production was increased. Resulting from higher nutrient content and higher dry matter production, the N yield and the total yearly S uptake of the mixture was increased up to 50 % by sulphate fertilization. The results showed that S fertilization can increase the N yield in grass legume mixtures and may help to maintain the fertility of organically managed fields.

Maize breeders develop a large number of inbred lines in each breeding cycle, but, owing to resource constraints, evaluate only a small proportion of all possible crosses among these lines in field trials. Therefore, predicting the performance of hybrids by utilising the data available from related crosses to identify untested but promising hybrids is extremely important. The objectives of this thesis research were to develop and evaluate methods for marker-based prediction of hybrid performance (HP) in unbalanced data as typically generated in commercial maize hybrid breeding programs. For HP prediction, a promising approach uses the sum of effects across quantitative trait loci (QTL) as predictor. However, comparison of this approach with established prediction methods based on general combining ability (GCA) was lacking. In addition, prediction of specific combining ability (SCA) is also possible with this approach, but was so far not used for HP prediction. The objectives of the first study in this thesis were to identify QTL for grain yield and grain dry matter content, combine GCA with marker-based SCA estimates for HP prediction, and compare marker-based prediction with established methods. Hybrids from four Dent × Flint factorial mating experiments were evaluated in field trials and their parental inbreds were genotyped with amplified fragment length polymorphism (AFLP) markers. Efficiency for prediction of hybrids, of which both parents were testcross evaluated (Type 2), was assessed by leave-one-out cross-validation. The established GCA-based method predicted HP better than the approach exclusively based on markers. However, with greater relevance of SCA, combining GCA with marker-based SCA estimates was superior compared with HP prediction based on GCA only. Linkage disequilibrium between markers was expected to reduce the prediction efficiency due to inflated QTL effects and reduced power. Thus, in the second study, multiple linear regression (MLR) with forward selection was employed for HP prediction. In addition, adjacent markers in strong linkage disequilibrium were combined into haplotype blocks. An approach based on total effects of associated markers (TEAM) was developed for multi-allelic haplotype blocks. Genome scans to search for significant QTL involve multiple testing of many markers, which increases the rate of false-positive associations. Thus, the TEAM approach was enhanced by controlling the false discovery rate. Considerable loss of marker information can be caused by few missing observations, if the prediction method depends on complete marker data. Therefore, the TEAM approach was improved to cope with missing marker observations. Modification of the cross-validation procedure reflected, that often only a subset of parental lines is crossed with all lines from the opposite heterotic group in a factorial mating design. The prediction approaches were evaluated with the same field data as in the previous study. The results suggested that with haplotype blocks instead of original marker data, similar or higher efficiencies for HP prediction can be achieved. Marker-based HP prediction of inter-group crosses between lines, which were marker genotyped but not testcross evaluated, was not investigated hitherto. Heterosis, which considerably contributes to maize grain yield, was so far not incorporated into marker-based HP prediction. Combined analyses of field trials from multiple experiments of a breeding program provide valuable data for HP prediction. With a mixed linear model analysis of such unbalanced data from nine factorial mating experiments, best linear unbiased prediction (BLUP) values for HP, GCA, SCA, line per se performance, and heterosis of 400 hybrids were obtained in the third study. The prediction efficiency was assessed in cross-validation for prediction of hybrids, of which none (Type 0) or one (Type 1) parental inbred was testcross evaluated. An extension of the established HP prediction method based on BLUP of GCA and SCA, but not using marker data, resulted in prediction efficiency intermediate for Type 1 and very low for Type 0 hybrids. Combining line per se with marker-based heterosis estimates (TEAM-LM) mostly resulted in the highest prediction efficiencies of grain yield and grain dry matter content for both Type 0 and Type 1 hybrids. For the heterotic trait grain yield, the highest prediction efficiencies were generally obtained with marker-based TEAM approaches. In conclusion, this thesis research provided methods for the marker-based prediction of HP. The experimental results suggested that marker-based HP prediction is an efficient tool which supports the selection of superior hybrids and has great potential to accelerate commercial hybrid breeding programs in a very cost-effective manner. The significance of marker-based HP prediction is further enhanced by recent advances in production of doubled haploid lines and high-throughput technologies for rapid and inexpensive marker assays. In kommerziellen Maiszüchtungsprogrammen werden zur Entwicklung von ertragreichen Hybridsorten sehr viele Inzuchtlinien erzeugt. Aus der Vielzahl möglicher Kreuzungen kann jedoch in Feldversuchen nur ein geringer Teil auf Ertragsleistung hin geprüft werden. Die Vorhersage der Hybridleistung (HL) durch die Nutzung von Prüfergebnissen verwandter Kreuzungen ermöglicht das Auffinden aussichtsreicher, aber bislang ungeprüfter Hybriden. Ziel dieser Forschungsarbeit ist die Entwicklung von Methoden zur Nutzung molekularer Marker für die Vorhersage der HL auf der Grundlage unbalancierter Daten aus kommerziellen Maiszüchtungsprogrammen. Ein Erfolg versprechender Ansatz zur Vorhersage der HL nutzt die Summe der Markereffekte von Genloci eines quantitativen Merkmals (quantitative trait loci, QTL); ein Vergleich mit gängigen Vorhersagemethoden, die auf allgemeiner Kombinationseignung (general combining ability, GCA) basieren, fehlt jedoch. Auch eine Vorhersage der spezifischen Kombinationseignung (specific combining ability, SCA) ist mit diesem Ansatz möglich, wurde bislang jedoch nicht für die Vorhersage der HL genutzt. Ziele der ersten Studie waren die Identifikation von QTL für Kornertrag und Korntrockenmassegehalt, die Kombination von GCA mit marker-basierten SCA-Schätzwerten zur HL-Vorhersage und ein Vergleich der marker-basierten Vorhersage mit gängigen Methoden. Hybriden aus vier faktoriellen Dent × Flint Kreuzungsexperimenten wurden in Feldversuchen geprüft und ihre Elternlinien mit molekularen Markern genotypisiert. Durch Kreuzvalidierung mit Einzelwerten wurde die Güte der Vorhersage für Hybriden untersucht, bei denen beide Eltern bereits in Testkreuzungen geprüft worden waren (Typ 2). Dabei wurde mit der gängigen GCA-basierten Methode eine bessere Vorhersage der HL erreicht als mit ausschließlich marker-basierten Methoden. Bei größerer Bedeutung der SCA war die Kombination von GCA mit marker-basierter SCA jedoch dem einfachen GCA-basierten Ansatz überlegen. Gametenphasenungleichgewicht zwischen Markern kann zur Minderung der Vorhersagegüte führen. Daher wurde in der zweiten Studie eine multiple lineare Regression (MLR) für die HL-Vorhersage genutzt. Darüber hinaus wurden benachbarte Markerloci mit starkem Gametenphasenungleichgewicht zu Haploblöcken zusammengefasst. Ein Ansatz zur HL-Vorhersage auf der Grundlage der Gesamteffekte assoziierter Marker (total effects of associated markers, TEAM) wurde für multiallelische Haploblockdaten entwickelt. Die genomweite Suche nach signifikanten QTL bedingt ein multiples Testen vieler Markerloci und erhöht das Risiko falsch-positiver Prüfergebnisse. Daher wurde für den TEAM-Ansatz die Einhaltung der sog. ?false discovery rate? berücksichtigt. Ein beträchtlicher Informationsverlust wird durch das Fehlen weniger Markerdatenpunkte verursacht, wenn die Vorhersagemethode vollständige Daten erfordert. Der TEAM-Ansatz wurde deshalb so weiterentwickelt, dass auch Marker mit fehlenden Werten nutzbar sind. In der Kreuzvalidierung wurde berücksichtigt, dass innerhalb faktorieller Kreuzungsschemata häufig nur ein Teil der Linien einer heterotischen Gruppe mit allen Linien der anderen Gruppe gekreuzt werden. Die Güte der Vorhersagemethoden wurde mit denselben Daten wie in der vorherigen Studie geprüft. Die Ergebnisse zeigten, dass mit Haploblockdaten anstelle der ursprünglichen Markerdaten eine ähnliche oder höhere Vorhersagegüte für HL erzielt werden kann. Die marker-basierte Leistungsvorhersage von Kreuzungen zwischen Linien, die zwar mit Markern genotypisiert, nicht aber in Testkreuzungen geprüft wurden, war noch nicht erforscht. Ebenso wurde Heterosis, die wesentlich zum Kornertrag von Maishybriden beiträgt, bislang bei der marker-basierten HL-Vorhersage nicht berücksichtigt. Mit einem gemischten linearen Modell wurden in der dritten Studie unbalancierte Daten aus neun faktoriellen Kreuzungsexperimenten zur Ermittlung von ?best linear unbiased prediction? (BLUP) Werten für HL, GCA, SCA, Linieneigenleistung und Heterosis von 400 Hybriden analysiert. Durch Kreuzvalidierung wurde die Vorhersagegüte für Kreuzungen zweier Linien untersucht, wovon keine (Typ 0) oder nur eine (Typ 1) in Testkreuzungen geprüft worden war. Die gängige Vorhersagemethode, basierend auf BLUP Werten für GCA und SCA, erzielte für Typ 1 Hybriden eine mittlere und für Typ 0-Hybriden eine sehr geringe Vorhersagegüte. Die Kombination von Linieneigenleistung mit marker-basierter Heterosis (TEAM-LM) erreichte meist die höchste Vorhersagegüte für Kornertrag und Korntrockenmassegehalt sowohl für Typ 1- als auch Typ 0-Hybriden. Für Kornertrag wurde mit den marker-basierten TEAM Ansätzen generell die höchste Vorhersagegüte erzielt. In der vorliegenden Arbeit wurden Methoden zur marker-basierten Vorhersage der HL entwickelt und bewertet. Nach diesen Ergebnissen ist die marker-basierte Vorhersage der HL ein effizientes Werkzeug zur Selektion überlegener Hybriden und ermöglicht die Beschleunigung kommerzieller Hybridzuchtprogramme in sehr kosteneffizienter Weise. Insbesondere haben Fortschritte bei (1) der Herstellung von doppelhaploiden Linien und (2) der schnellen und kostengünstigen Markeranalyse mittels Hochdurchsatztechnologien die Voraussetzungen geschaffen, um die in dieser Studie als aussichtsreich eingestuften Vorhersageverfahren künftig erfolgreich in praktischen Maiszüchtungsprogrammen einzusetzen.

Drought stress is a major constraint to common bean (Phaseolus vulgaris L.) production worldwide. Understanding the physiological basis of drought resistance may help to target the key traits that limit yield of the crop under drought situations. The objective of this study was to test the hypotheses that I) differences exist in biomass accumulation, yield and water-use efficiency among common bean cultivars developed for wider agro-ecological adaptation and inbred lines selected for specific adaptation to drought situations when subjected to drought stress; II) a drought-resistant genotype has a higher sink strength than a susceptible genotype and the difference between the genotypes is related to the ability to maintain assimilate synthesis and availability of assimilates for metabolism in the reproductive sink organs under drought stress; III) drought stress induces higher accumulation of ABA in sink leaves of a drought-susceptible genotype than in the leaves of a resistant genotype; and IV) relative to non-stressed plants, drought stress alters the protein pattern in a mature bean leaf. Three adapted cultivars and three inbred lines of common bean were initially screened to assess seed yield-based drought resistance and water-use efficiency of the genotypes. A drought-resistant (SEA 15) and a susceptible genotype (Brown Speckled) were selected and used for subsequent experiments carried out thereafter. Drought stress was initiated at different growth stages (vegetative or reproductive phases) by withholding the amount of water applied in order to keep the moisture level at about 30% of the maximum water-holding capacity (WHC) of the soil. For control treatments, the soil moisture was maintained at 70% of the maximum WHC. Parameters related to growth, yield, water-use efficiency, leaf-water relations, gas-exchange, seed sink size, and the concentration of assimilates in various source and sink organs were determined. Changes in mature leaf proteins due to drought stress imposed during the vegetative phase were detected using 2D gel electophoresis. Drought stress initiated during the reproductive phase significantly reduced the seed yields of the tested genotypes. However, seed yield reductions owing to the stress imposed were considerably higher for the old adapted cultivars than for the inbred lines selected for specific adaptation to drought conditions. With ca. 30 and 53% decrease in seed yield, SEA 15 and Brown Speckled were the most drought-resistant and susceptible genotypes, respectively. Drought stress initiated during different growth phases of the crop adversely affected biomass accumulation, although apparent genotypic differences were lacking. However, the harvest index of the drought-susceptible genotype (Brown Speckled) was reduced by about 29% due to drought, whereas that of SEA 15 remained unaffected. The maintenance of higher sink strength (larger numbers of pods and seeds per plant) under drought stress of SEA 15 was partly contributed by the higher efficiency of the genotype to remobilize biomass from vegetative parts to reproductive organs. SEA 15 maintained higher water-use efficiency (WUE) than Brown Speckled when subjected to drought stress. Relatively smaller transpiration rate (less water consumption), efficient stomatal regulation, faster vegetative biomass accumulation and higher seed yield production accounted for the observed higher WUE of the drought-resistant genotype. These features may confer a fitness advantage for drought-resistant inbred lines over drought-susceptible cultivars under drought conditions. Drought stress commenced at the vegetative as well as reproductive growth phases decreased net photosynthetic rate of the bean genotypes differing in drought resistance. Drought-induced stomatal closure (limited availability of CO2) was the main factor responsible for the reduced carbon assimilation rate of both genotypes, although there was evidence of non-stomatal inhibition of photosynthesis for the drought-susceptible genotype. During the vegetative phase, drought-induced reductions in A corresponded with the decreases in leaf sugar concentrations of the bean genotypes. Thus, shortage of assimilate as a consequence of reduced carbon assimilation could be the growth-limiting factor during the vegetative phase. Similarly, drought initiated during the pod-filling stage reduced not only A but also the concentrations of sucrose in the leaves and seeds of Brown Speckled demonstrating that reproductive sink establishment and yield of the susceptible genotype was primarily source-limited. Moreover, higher pod sucrose to hexose sugars ratio found for Brown Speckled demonstrates that the capability to utilize the imported sucrose was inhibited due to drought. Drought stress initiated during the same period did not alter the availability of assimilates for the drought-resistant genotype (SEA 15) both at source and sink levels. The results suggest that at whole plant level of SEA 15, total A is less affected than total carbohydrate demand because the genotype was able to adjust sink demand with source supply under drought conditions. In addition to assimilate synthesis, availability and metabolism, the differences found in drought-induced ABA accumulation and the decrease in pod water concentration could also be responsible for the differential drought-sensitivity of the bean genotypes. Drought stress also negatively affected seed starch accumulation of the bean genotypes mainly through arresting the expansion growth of starch granules (amyloplasts). In summary, although apparent genotypic differences were observed for sink strength under drought stress, the underlying variation in sink establishment and ultimate yield of the bean genotypes reside in the capacity to supply assimilates by the source (source-strength). Drought stress imposed during the vegetative phase of Brown Speckled resulted in the differential expression of ca. 42% of the total leaf proteins detected. Out of these proteins, 1.5% disappeared, 1.8% were newly produced, 23.5% were down-regulated and 15.1% were up-regulated in response to drought. The sizes of the drought-responsive proteins were widely variable. Weltweit ist Dürrestress der stärkste ertragslimitierende Produktionfaktor für die Bohne (Phaseolus vulgaris L.). Das Verständis der physiologischen Grundlagen der Dürreresistenz trägt dazu bei Ertragsminderungen bei Trockenheit zu reduzieren. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die nachstehenden Hypothesen zu prüfen: I) Bestehen genotypische Unterschiede in der Biomasseproduktion von Bohnensorten und Bohnenlinien, die aufgrund ihrer Biomasseakkumulation und Wassernutzungseffizienz unter Dürre selektiert wurden? II) Hat ein trockenresistenter Genotyp eine größere Sinkkapazität als ein trockenempfindlicher Genotyp, und steht dieser Unterschied zwischen den Genotypen in Zusammenhang zur Assimilatsynthese und zum Vermögen bei Dürrestress die Assimilate in den reproduktiven Sinkorganen zu metabolisieren? III) Verursacht Dürrestress eine höhere Akkumulation von ABA in den Sinkblättern eines dürreempfindlichen Genotyps als in den Sinkblättern eines dürreresistenten Genotyps? IV) Verändert ein Dürrestress das Proteinmuster in einem vollentwickelten Bohnenblatt? Drei angepasste Sorten und drei Linien von Bohnen wurden zuerst selektiert, um eine auf den Samenertrag begründete Dürreresistenz und Wassernutzungseffizienz der Genotypen festzustellen. Für die folgenden Versuche wurde ein dürreresistenter (SEA 15) und ein dürreempfindlicher Genotyp (Brown Speckled) ausgewählt. Dürrestress wurde in verschiedenen Wachstumsphasen (vegetative oder reproduktive Phase) durch Wasserentzug appliziert, so dass die Bodenfeuchte bei ca. 30% von der maximalen Wasserhaltekapazität (WHK) des Bodens lag. In der Kontrolevariante wurde die Bodenfeuchte auf 70% der maximalen WHK eingestellt. Bezogen auf das Wachstum wurden die Parameter Ertrag, Wassernutzungseffizienz, Wassergehalt des Blattes, Gasaustausch, Sink-Größe der Samen und die Assimilat-Konzentration in verschiedenen Organen von Source und Sink bestimmt. Eine mögliche Änderung des Proteinmusters in den vollentwickelten Blättern infolge von Dürrestress wurde mit der 2D- Gelelektrophorese analysiert. Ein während der reproduktiven Phase induzierter Dürrestress führte zur Verminderung der Samenerträge bei den getesteten Genotypen. Die aufgrund von Dürrenstress beobachtete Reduktion im Samenertrag war bei der alten angepassten Sorte stärker ausgeprägt als bei den Inzuchtlinien, die auf Dürreresistenz selektiert worden waren. Mit ca. 30 und 53% Abnahme im Samenertrag war SEA 15 bzw. Brown Speckled der jeweilig dürreresistenteste und dürreempfindlichste Genotyp. Dürrestress, der während der unterschiedlichen Wachstumphasen induziert wurde, beeinflusste die Biomasseakkumulation ungünstig, obwohl deutliche genotypische Unterschiede verlagen. Jedoch wurde der Ernteindex des dürreempfindlichen Genotyps (Brown Speckled) um ungefähr 29% aufgrund von Dürre verringert, während der von SEA 15 unbeeinflusst blieb. Bei Dürrestress trug die Sinkgröße (größere Anzahl von Hülsen und Samen pro Pflanze) von SEA 15 dazu bei, dass Assimilate effizienter aus der vegetativen Biomasse in die reproduktiven Organen verlagert wurden. Bei Dürrestress zeigte SEA 15 eine höhere Wassernutzungseffizienz (WUE) als Brown Speckled. Die höhere WUE von SEA 15 beruhte auf einer kleineren Transpirationsrate (geringer Wasserverbrauch), effizienten Stomataregelung, einem raschen vegetativen Wachstum und einem hohen Samenertrag. Diese Eigenschaften könnten die Dürreresistanz der dürreresistenten Genotypen erklären. Dürrestress, der während der vegetativen sowie reproduktiven Wachstumsphasen induziert wurde, reduzierte die Nettophotosyntheserate (A) der Bohnengenotypen, die sich in der Dürrenresistenz unterschieden. Dürreverursachtes Stomataschließen (limitierende Verfügbarkeit von CO2) war der Hauptfaktor, der für die reduzierte Assimilationsrate beider Genotypen verantwortlich war. Dennoch gab es Hinweise auf eine nicht-stomatäre Hemmung der Photosynthese beim dürreempfindlichen Genotyp. Während der vegetativen Phase stand die durch Dürre bedingte Abnahme von A mit der Reduktion der Blattzuckerkonzentrationen der Bohnengenotypen in Beziehung. Folglich könnte ein Assimilatmangel, der durch eine verminderte CO2-Assimilation bedingt war, ein Grund für die Wachstumshemmung in der vegetativen Phase sein. Dürrestress, der während der Hülsenfüllungsphase induziert wurde, reduziert nicht nur Nettophotosyntheserate, sondern auch die Saccharosekonzentrationen in den Blättern und in den Samen von Brown Speckled. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Anlage von reproduktiven Sinkorganen und der Ertrag des empfindlichen Genotyps hauptsächlich vom Source begrenzt waren. Ferner weist das höhere Verhältnis der Saccharosekonzentration zur Hexosekonzentration in den Hülsen von Brown Speckled daraufhin, dass die Kapazität zur Nutzung von importierter Saccharose durch Trockenheit gehemmt wurde. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass bei SEA 15, bezogen auf die Gesamtpflanze, Nettophotosyntheserate weniger beeinflusst wurde als der Gesamt-Kolenhydratbedarf. Dieser Genotyp ist in der Lage, die Sinknachfrage durch eine Sourceversorgung auszugleichen. Neben Synthese, Verfügbarkeit und Stoffwechsel von Assimilaten, könnte die Dürreempfindlichkeit der Bohnengenotypen mit einer dürreinduzierten ABA- Akkumulation und einer Abnahme der Hülsenwasserkonzentration erklärt werden. Dürrestress reduzierte die Stärkeakkumulation in den Samen von beiden Bohnengenotypen infolge einer Wachstumshemmung der Stärkekörnchen (Amyloplasten). Zusammenfassend ist festzustellen, dass, obwohl deutliche genotypische Unterschiede in der Sinkgröße unter Dürrestress beobachtet wurden, die Variation in der Sinkanlage und der Ertrag der Bohnengenotypen besonders auf dem Vermögen des Sources beruht Assimilate bereitzustellen (Sourcegröße). Der während der vegetativen Phase von Brown Speckled induzierte Dürrestress führte zu einer differentiellen Expression von ca 42% der bestimmten Blattproteine. Von diesen Proteinen waren 1,5% verschwunden, 1,8% neu synthetisiert, 23,5% herunterreguliert und 15,1% hochreguliert. Die Größe der Proteine, die infolge von Dürre auftraten, war sehr variabel.

Minimale Schnittmethoden (MP) bei der Kultivierung von Reben gelten als die extensivste und damit u.a. als die ökonomischste Form der Kultivierung von Vitis vinifera. Diese Arbeit befasst sich mit spezifischen Problemstellungen und Besonderheiten eines derart revolutionären Bewirtschaftungskonzeptes bei Vitis vinifera L. cv. Riesling unter den kühlen Anbaubedingungen Mitteleuropas im Vergleich zu geschnittenen Reben (VSP).Die zyklische Entwicklung der Reserven von Stickstoff und Kohlehydraten verlief bei beiden Systemen analog im Verlauf mehrerer Jahre. Bei geringfügig geringeren Gehalten an Kohlehydraten lag die Konzentration an Stickstoff bei MP jedoch durchschnittlich tendenziell in allen untersuchten Holzfraktionen höher. Aufgrund des größeren Holzkörpers bei MP im Vergleich zu VSP weist damit MP absolut höhere Reserven auf. Die Nachhaltigkeit des Konzeptes von MP scheint somit unter kühlen Anbaubedingungen gegenüber VSP nicht herabgesetzt. Die höhere Dynamik der Mobilisierung und Bildung von Reserven im Holzkörper bei MP korrelierten dabei eng mit der Blattflächenentwicklung, die bei MP im Vergleich zu VSP ebenfalls eine weitaus höhere Dynamik aufwies. Über die Jahre stetig sinkende Blattwasserpotentiale gingen mit geringeren Reserven in beiden Systemen einher.Die größere Blattfläche und räumliche Ausdehnung von MP im Vergleich zu VSP führte zu einer höheren Lichtinterzeption dieses Systems während eines Tagesverlaufs als auch innerhalb der Vegetationsperiode. Die hierdurch bedingte höhere Transpiration führte zu niedrigeren Blattwasserpotentialen und teilweise zu niedrigeren stomatären Leitfähigkeiten und reduzierte die Assimilationsleistung von MP.Innerhalb der Laubwände beider Systeme assimilierten gut exponierte Laubwandsegmente (Südostseite, Top) mehr Kohlenstoff als weniger gut exponierte Segmente (Nordwesten, untere und innere Segmente). Trotz der teils verringerten assimilatorischen Leistung und höheren modellierten nächtlichen Respiration von MP lag bei diesem System die geschätzte Netto-Kohlenstoffakkumulation je Pflanze mit einem Faktor von 2,5 – 3,0 über der von VSP, wobei dies eng mit der um etwa den Faktor 3 gesteigerten Blattfläche von MP einherging.Nicht im Ertrag regulierte MP-Reben wiesen einen deutlich höheren Mengenertrag, der über den für die Qualitätsweinproduktion zugelassenen Werten la, jedoch niedrigere Mostzuckergehalte sowie höhere Mostsäurewerte als VSP-Reben auf. Eine annuale Applikation der MP-Reben in die Blüte mit Gibberellinsäure (GA3) führte vor allem über die Folgewirkung auf die Fruchtbarkeit im Folgejahr zu einem deutlich geringeren Mengenertrag bei der Sorte Riesling. Die ertragsreduzierende Wirkung von GA3 bzw. weitere physiologische Wirkungen führten zu einer beträchtlichen Entlastung des Trockenstresses und erhöhten teils die assimilatorische Leistungsfähigkeit der Reben. Dies kann als ein Hauptgrund für die höhere Zuckerreife behandelter MP-Reben zum Zeitpunkt der Ernte in Vergleich zu unbehandelten MP-Reben im Jahr nach der Applikation von GA3 in die Blüte gesehen werden und stellt einen ein essentielles Management-Tool ein derartiges Bewirtschaftungssystem in der weinbaulichen Praxis Mitteleuropas zu etablieren. Minimal pruning (MP) can be a viable and low cost management technique for the cultivation of Vitis vinifera. The present study addresses specific problems and particularities this revolutionary management concept for the cultivar Riesling under cool climate conditions as compared to standard pruned and vertical shoot positioned (VSP) growing systems.Seasonal dynamics of reserves of nitrogen (N) and single non-structural carbohydrates proceeded analogous for both systems over the course of several years. On average, single carbohydrates showed slightly lower concentrations for MP, while N reserves had higher concentrations in all wood fractions suggesting that storage and mobilization of those reserves are influenced by the pruning system. On a whole vine basis, MP exhibited higher contents of both, single-non-structural carbohydrates and N, due to the larger woody frame of MP as compared to VSP. Thus, sustainability of reserves will not become a limitng factor of MP management techniques under cool climate growing conditions. N-mobilization from wood and roots in spring and retranslocation out of leaves into the wood corresponded with leaf area formation and leaf area loss, respectively. In all cases these rates were higher for MP vines than for VSP vines, denoting a direct relationship between N-dynamics and leaf area. Continously decreasing water potentials over 5 years in this long term study corresponded with lower reserve concentrations in all wood fractions for both systems.Faster growth and larger leaf area formation and greater spatial expansion for MP vines correlated with an increased light interception of the MP system, both diurnally and seasonally. The higher light interception of MP vines caused pre-dawn leaf water potential to decrease faster and to remain lower than for VSP for most parts of the season. This caused stomatal conductance and assimilation to be more limited for MP than for VSP vines during certain periods.Within the canopies of both systems well exposed canopy segments (southeast side, top) assimilated more carbon than less well exposed segments (northwest, lower and interior segments). Despite partly reduced assimilation rates and higher modelled nocturnal respiration losses for MP vines the estimated net-carbon-uptake for this system was 2.5 - 3.0 fold higher compared to VSP. This roughly corresponded to the increased leaf area of the MP system.MP vines grown under cool climate and short season often yield far beyond standard VSP systems and permitted quantities for quality wine production. Some of the consequences are delayed ripening and insufficient maturity along with higher acidity levels at harvest in some years. The annual application of gibberellic acid during bloom with the goal to reduce bud fruitfulness in the forthcoming season seems a promising tool to adjust yield and quality of MP vines to levels comparable to the standard VSP system for the variety Riesling. The reduction in yield reduced water stress and partly increased assimilation rates. This can be seen as the main reason for a higher sugar-concentration and quality in fruits from treated MP vines compared to untreated MP vines without loosing MP typical advantages such as loose bunches that are less prone to bunch rot while still showing small berries with a high skin to pulp ratio. Thus, gibberellic acid bloom time applications may become a useful management tool to establish MP in the viticultural practice of Central Europe.

Eine extensive Form agrarischer Landnutzung stellt die ganzjährige Freilandhaltung von Mutterkühen, Fleischrindern und Schafen dar. Gegenüber der Winterstallhaltung bietet die Ganzjahresaußenhaltung den Vorteil reduzierter Gebäudekosten und Aufwendungen für Futterkonserven sowie eine Verminderung des Arbeitzeitbedarfes. Der Mangel an ausreichend trittfesten Dauergrünlandnarben ist für die Winteraußenhaltung meist der limitierende Faktor. Wo Winterweiden eine unzureichende Tragfähigkeit aufweisen, bieten Acker- und Strohpferche eine Alternative. Bedingt durch den hohen Strohbedarf sind Ackerpferche günstiger als Strohpferche. Neben der traditionellen Form der Stoppelweide, bei der die Tiere auf Ackerschlägen Ausfallgetreide und Stoppelreste aufnehmen, bietet sich die Möglichkeit der gezielten Verbesserung des Futterangebots durch Zwischenfrüchte an. Die Untersuchungen waren auf die Erfassung von Futterertragsleistung und wertgebenden Merkmalen der Futterqualität verschiedener Ackerpferch-Zwischenfrüchte für Mutterkühe und Fleischrinder ausgerichtet. Die dreijährigen Freilandversuche - gelegen 160 m ü. NN, südlich von Gießen – wiesen folgende Faktoren und Stufen auf: Saattermin (= Ende Juli, Mitte August), Erntezeitpunkt (= November, Dezember, Januar) und Früchte (= Wintergerste als Ausfallgetreide-Simulation, Winterraps, Sommerraps Weidetyp, Sommerraps Schnitttyp, Herbstrübe, Einjähriges und Welsches Weidelgras). Zielgrößen waren TS-Ertrag, N-Akkumulation, Energiedichte, Rohprotein, Ergosterol und bei ausgewählten Früchten die Konzentrationen an Glucosinolaten sowie Nitrat. With year –round outdoor stock keeping of suckler cows a near natural livestock production is possible. It is the least intensive farming system and plays an important role in peripheral sites particularly. Insufficient availability of soils that are resistant to trampling is the most limiting factor for winter-grazing systems. Instead of winter pastures folds on arable land or folds with straw can be an alternative, if the bearing capacity of the soil is insufficient. In contrast to folds on arable land – with lower stocking density than in winter grazing systems – the stocking rate in straw folds are comparable with stable keeping. The offered forage in folds are conserves (hay, silage), litter material inclusive. Because of high stocking densities solid mobile fence systems are required, corral systems. In arable land folds with mobile electric fences the stocking density is lower than in winter pasture systems. The least intensive forage in these folds is emerged volunteer cereal and field rests. For a better forage quality and higher yields it is also possible to use special catch crops for winter grazing systems on arable land. The objective of the research was to determine DM yield and forage quality of several catch crops in arable land folds for suckler cows and beef cattle. The triennial experiment - established 160 m above sea-level in the south of Giessen (research station: department for grassland management and forage growing) - consisted of the following factors: date of sowing (= end of July, mid of August), date of winter harvest (= November, December and January) and variety (volunteer cereals (Hordeum vulgare), winter forage rape, summer forage rape pasture-type and summer forage rape cutting-type (= Brassica napus ssp. napus), stubble turnip (= Brassica rapa ssp. rapa), annual and Italian ryegras (= Lolium multiflorum ssp. gaudini and Lolium multiflorum ssp. italicum). DM yield, N accumulation, energy concentration, crude protein, ergosterol and - in selected variants - nitrate and glucosinolate concentration were determined.

Seit Bestehen der GUS ist in den zwölf Nachfolgestaaten der UdSSR insgesamt die Getreideerzeugung im Trend rückläufig. Während 1992 noch 185 Mio.t produziert worden waren, konnte 1998 mit 95 Mio.t nur noch rund die Hälfte dieser Menge geerntet werden. 1999 ist mit rund 100 Mio.t kein wesentlich besseres Ernteergebnis zu erwarten. Dem steht gegenüber, daß der Pro-Kopf-Verbrauch von Getreide und Getreideerzeugnissen für Ernährungszwecke in den GUS- Ländern im genannten Zeitraum nicht zurückgegangen ist, sondern sich wegen der durch die Einkommensverminderung herbeigeführten Änderung in der Ernährungsweise (Substitution von Fleisch und anderen höherwertigen Produkten) sogar leicht erhöht hat. Gleichzeitig ist allerdings die Verwendung von Getreide als Tierfutter beträchtlich zurückgegangen, wobei Nachfrage- und Angebotsfaktoren zusammentrafen. Eine Stabilisierung der Getreideerzeugung in der GUS auf dem 1998 und 1999 erreichten Niveau kann allerdings - bei sonst gleichbleibenden Verhältnissen - nicht durch einen weiteren Rückgang des Futtergetreides kompensiert werden, sondern hat die Leerung der Getreidelager zur Folge, die durch weit bessere Ernten in den neunziger Jahren gefüllt worden waren. Für die Jahre ab 2000 stehen somit keine Reserven mehr zur Verfügung. Darüber hinaus ist mittelfristig mit einer weiteren Verschlechterung der Produktionsbedingungen zu rechnen: Es wird - zumindest in den großen Produktionsländern der GUS - zu einem weiteren Rückgang der Aussaatflächen, abnehmender Flächenproduktivität wegen geringer Düngerzufuhr sowie Ernteproblemen wegen zu geringem Maschinenpark und Treibstoffmangel kommen. Wenn ab 2000 nicht einige Jahre mit besonders günstigen Klimabedingungen folgen, ist eine Getreidekrise in der GUS nicht zu vermeiden, die sich allerdings auf die Großproduzenten Rußland, Ukraine und Kasachstan konzentrieren wird, während in der restlichen GUS eher eine Stabilisierung auf einem zur Selbstversorgung ausreichenden Niveau zu erwarten ist. (BIOst-Dok)