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Christof Peter, Universität Innsbruck, Masterarbeit, Masterarbeit 2020, (VLID)5204846

Weather and climate models are useful tools for projecting the influence of global climate change on the regional scale. These models are critically dependent on an accurate representation of soil-plant-atmosphere interactions, which are simulated by Land Surface Models (LSMs). The present PhD thesis was designed to improve the representation of land surface exchange processes of croplands in the Noah-MP land surface model. This thesis aims: a) to elucidate the nature of the energy imbalance over a winter wheat stand and to identify the appropriate post-closure method for the study region Kraichgau, southwest Germany; b) to improve the representation of the green vegetation fraction (GVF) dynamics of croplands in the Noah-MP for a more accurate computation of surface energy and water fluxes; and c) to determine the effect of aggregating different crop types with various shares into a single generic cropland class on the simulation of water and energy exchange between land surface and atmosphere., Wetter- und Klimamodelle sind nützliche Werkzeuge, um den Einfluss des globalen Klimawandels auf die regionale Ebene zu projizieren. Diese Modelle sind entscheidend von einer genauen Darstellung der Wechselwirkungen zwischen Boden, Pflanzen und Atmosphäre abhängig, welche durch „Land Surface Models“ (LSMs) simuliert werden. Die Dissertation wurde erstellt, um die Darstellung von Landoberflächenaustauschprozessen von Ackerland im Noah-MP-Landoberflächenmodell zu verbessern. In Doktorarbeit geht es um: a) die Art des Energieungleichgewichts über einem Winterweizenbestand aufzuklären und die geeignete Post- Closure-Methode für die Region Kraichgau (Südwestdeutschland) zu identifizieren; b) die Darstellung der Dynamik der Grünen Vegetationsfraktion (GVF) von Anbauflächen im Noah-MP für eine genauere Berechnung der Oberflächenenergie und der Wasserflüsse zu verbessern; und c) um die Auswirkungen der Aggregation verschiedener Kulturarten mit unterschiedlichen Anteilen zu einer einzigen generischen Ackerflächenklasse auf die Simulation des Wasser- und Energieaustauschs zwischen Landoberfläche und Atmosphäre zu bestimmen.

Eisen (Fe) liegt an vierter Stelle in der Fülle von Elementen in der Erdkruste, aber Fe-Mangel ist ein weit verbreitetes Problem bei Pflanzen und Tieren, da die Fe-Oxide unlöslich sind. Fe-Mangel führt zu einer Verringerung der Pflanzenproduktivität und am deutlichsten zu einer erhöhten Fe-induzierten Anämie beim Menschen. Es wurde angenommen, dass die Biofortifizierung von Fe ein praktischer Ansatz zur Verbesserung der Nährstoffqualität in Pflanzen und damit auch in Lebensmitteln oder Tierfutter ist. In dieser Arbeit wurden neue Strategien zur Erhöhung des Fe-Gehalts in der Modellpflanze Arabidopsis getestet. Vakuoläre Fe-Transportgene der VTL-Familie wurden in Kombination mit dem neu entdeckten Fe-Regulierungsprotein IMA1oder dem Fe-Bindungspeptid NAS3 überexprimiert. Zusammenfassend wurde gezeigt, dass die Überexpression von VTL1, 2, 3, 4 oder 5, IMA1 oder NAS3 mit erhöhtem Eisengehalt im Samen korreliert. Die Expression der Gene für die Aufnahme von Fe und die Homöostase bestätigten den erhöhten Fe-Gehalt in diesen überexprimierenden Pflanzen. Die doppelte Überexpression der VTL-Gene in Kombination mit IMA1 oder NAS3 führte zu keinem weiteren Anstieg des Fe-Gehaltes, der wahrscheinlich durch die Regulation der VTL-Gene durch IMA1-Expression und den Mangel an erhöhtem Nicotianamin im Fall von VTL5 / NAS3-Überexpressionpflanzen verursacht würde. Zukünftige Forschung sollte der Übertragbarkeit dieser Ergebnisse auf Kulturpflanzen gewidmet sein., Iron (Fe) ranks fourth in an abundance of elements in the Earth’s crust, but Fe deficiency is a widespread problem in plants and animals because of the insolubility of Fe oxides. Fe deficiency leads to reduce plant productivity and most significantly to enhanced Fe-induced anemia in humans. Fe biofortification has been suggested to be a practical approach for improving the nutritional quality of plants for food or feed. In this work, we have tested new strategies for increasing Fe content in the model plant Arabidopsis. Vacuolar Fe transport genes of the VTL family (VIT1-like) were over-expressed in combination with the newly discovered Fe regulatory protein IMA1 (IronMan1) or the Fe-binding peptide NAS3. Over-expression of each of the five VTL genes (VTL1 – 5) led to an increased Fe content by 2- to 3-fold in Arabidopsis seeds. IMA1 was greatly induced under Fe deficiency. Over-expression of IMA1 resulted in an Fe deficiency response also in Fe-sufficient plants. Fe content was an increase by 3-fold in seed, leaves, roots, and seedlings of Arabidopsis. The expression of Fe uptake and homeostasis genes was greatly induced in over-expressing plants independent of the Fe supply compared to the wild type. Analyses of NAS3 OE plants showed that Fe content in seeds was increased approximately 2-fold compared to WT. In conclusion, we have demonstrated that single over-expression of VTL1, 2, 3, 4 or 5, IMA1 or NAS3 correlated with increased seed Fe. Expression of Fe uptake and homeostasis genes confirmed the increased Fe content in these over-expressing plants. Double over-expression of the VTL genes in combination with IMA1 or NAS3 resulted in no further increase in Fe likely caused by the regulation of the VTL genes by IMA1 expression and the lack of increased nicotianamine in the case of VTL5/NAS3 over-expressing plants. Future research should be dedicated to extending these findings to crop plants.

Klimaprojektionen sagen steigende Temperaturen, einen Anstieg des atmosphärischen Kohlenstoffdioxidgehalts und weit verbreitete Dürren voraus. Pflanzen können ihre Wasseraufnahme modulieren, und diese dynamischen Verschiebungen bei der Wasseraufnahme sind wichtig für das Verständnis der Verteilung von Wasserressourcen durch das Bodenprofil in einem sich verändernden Klima. Wir untersuchten die Auswirkungen dieser drei klimatischen Faktoren auf die Wasseraufnahme von Pflanzen in einem bewirtschafteten C3-Gebirgs-Grünland in Österreich; einer Landschaft, die einen hohen wirtschaftlichen Wert und ökologische Bedeutung in Mitteleuropa hat. Wir stellten die Hypothese auf, dass Erwärmung, erhöhte Kohlenstoffdioxidkonzentrationen und Dürre dazu führen würde, dass Pflanzen ihre Wurzelwasseraufnahme (gemessen als Entnahme aus dem Bodenwasser in cm3 cm-3) verändern und die Aufnahme auf verschiedenen Bodentiefen zu verlagern. Dabei erwarteten wir, dass Dürre dazu führen würde, dass die Pflanzen die Wasseraufnahme insgesamt verringern und in flachere Bodenschichten verlagern würden, und dass erhöhte Kohlenstoffdioxidkonzentrationen zu einer Verringerung der Wasseraufnahme und eine Verlagerung in tiefere Bodenschichte führen würden. Schließlich untersuchten wir, ob diese Veränderungen der Wasseraufnahme durch Anpassungen von Wurzelmerkmalen erklärt werden können. Die Wasseraufnahme der Vegetation wurde anhand der tageszeitlichen Dynamiken des Bodenwassergehalts ermittelt. Die Wurzelmerkmale wurden von Bodenproben aus den verschiedenen Versuchsparzellen ermittelt. Unsere Studie zeigte, dass die Wasseraufnahme durch die Vegetation bei Erwärmung und Dürre verringert wurde, während erhöhte Kohlenstoffdioxidkonzentrationen keinen Einfluss hatten. In keiner der Behandlungen kam es zu einer Veränderung der Wasserentnahmetiefe im Boden. Eine Reihe von Wurzelmerkmalen korrelierte mit der Wurzelwasseraufnahme sowohl bei aktuellen Klimabedingungen als auch bei Trockenheit. Wir fanden signi, Climate projections alert us to widespread warming, elevated atmospheric carbon dioxide concentration, and growing drought prevalence. Plants can modulate their water sourcing and these dynamic shifts in extraction are important for understanding water resource partitioning throughout the soil profile under a changing climate. We assessed the impacts of these three climatic factors on the water uptake of plants in a managed C3 mountain grassland in Austria; a landscape that holds high economic value and ecological importance within the central European region. We hypothesised that warming, elevated carbon dioxide concentrations, and drought would drive plants to alter their root water uptake (measured as an extraction from soil water in cm3 cm-3) and shift uptake to different soil depths. Specifically, we expected that in comparison to the ambient baseline, drought would lead plants to reduce absolute root water uptake and shift uptake to shallower soil; elevated carbon dioxide concentrations would lead plants to reduce absolute root water uptake and shift uptake to deeper soil; and warming would increase absolute root water uptake and shift uptake to deeper soil. Lastly, we tested whether plants mediate these changes in water uptake through plastic root trait adjustments. We used the diurnal dynamics of soil water content, obtained using Time-Domain Reflectometry, to estimate plant water uptake, and ingrowth soil cores to assess root traits. Plants under warming and drought reduced their absolute root water uptake, whereas plants under elevated carbon dioxide concentrations retained similar uptake to plants under ambient conditions. However, no significant differences in water sources in different soil layers were found between the treatments. Finally, many root traits correlated well to absolute root water uptake for plants under ambient conditions and plants under drought. We found significant positive relationships between soil water extraction and root length, Maud Tissink, Arbeit an der Bibliothek noch nicht eingelangt - Daten nicht geprüft, Masterarbeit Universität Innsbruck 2020

Bei enterohämorrhagischen Escherichia coli (EHEC) handelt es sich um humanpathogene Bakterien, welche beim Menschen schwerwiegende gastrointestinale Erkrankungen auslösen können. Der Gastrointestinaltrakt von Rindern wird als Hauptreservoir von EHEC angesehen und die primäre Infektionsquelle des Menschen stellt kontaminiertes, rohes Fleisch dar. Jedoch kam es in den letzten Jahrzehnten vermehrt zu EHEC-Infektionen, welche mit dem Verzehr von rohem Gemüse und Salatpflanzen assoziiert wurden. Heute ist es anerkannt, dass diese Infektionen dadurch begünstigt werden, dass EHEC-Bakterien in der Lage sind, Pflanzen als Sekundärwirte zu nutzen und damit eine Übertragung auf den Menschen erleichtern. Um diese Interaktion zwischen Pathogen und Pflanze besser zu verstehen, sind grundlegende Kenntnisse in der molekularen Anpassung an pflanzliche Bestandteile nötig. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Anpassung verschiedener EHEC Stämme an pflanzliche Bestandteile untersucht, dazu wurden O157:H7 Stamm Sakai, O104:H4 Stamm C227-11phicu und O157:H- Stamm 3072/96 als Prototypen ausgewählt. Zunächst konnte in Wachstumsexperimenten in einem artifiziellen Salatmedium gezeigt werden, dass Inhaltsstoffe des Salatmediums für ein erfolgreiches Wachstum aller drei Stämme ausreichend waren. In der RNA-Sequenzierung wurde die differentielle Genexpression der drei Stämme nach Wachstum in Salatmedium gegenüber dem Wachstum in M9-Minimalmedium bestimmt. Um Gene zwischen den Stämmen anhand einer einheitlichen Genbezeichnung miteinander zu vergleichen, wurde die differentielle Genexpression mit der Grundlage eines geteilten Genoms der drei pathogenen Stämme inklusive Referenzstamm Escherichia coli Stamm K-12 Substamm MG1655 durchgeführt. Analog zum erfolgreichen Wachstum in Anwesenheit pflanzlicher Bestandteile zeichnete sich eine erhöhte Transkription von zahlreichen Genen des Kohlenhydrat- und Peptidmetabolismus in allen drei Stämmen ab. Besonders die Gene des Lactose- (lacZ), Ribose- (rbsAC) un, Enterohemorrhagic Escherichia coli (EHEC) are human pathogens which are able to cause severe gastrointestinal diseases in humans. The gastrointestinal tract of cattle is considered as the main reservoir for EHEC and contaminated raw meat represents the primary source of infection. Yet there have been increasing reports over the last few decades of EHEC infections that were linked to the consumption of raw vegetables. Today it is generally accepted that EHEC bacteria are able to use plants as their secondary hosts, thus favouring the transmission to humans. To improve the understanding of this pathogen-plant interaction fundamental knowledge about the pathogens’ molecular adaptions towards plant material is urgently required. In the cope of this study the adaption of different EHEC strains towards components of the plant was examined. Therefore O157:H7 strain Sakai, O104:H4 strain C227-11phicu and O157:H strain 3072/96 were chosen as surrogates. In growth experiments performed with an artificial lettuce medium it could be shown that components of the lettuce were sufficient for the proliferation of the three strains. RNA-sequencing was performed to study the differential gene expression of the three strains after the growth in lettuce medium compared to the growth in M9 minimal medium. In order to compare genes according to standardized gene denotations, the differential gene expression analysis was performed on the basis of a shared genome including the genomes of the three pathogenic strains as well as the genome of Escherichia coli strain K-12 substrain MG1655. Analogous to the successful growth in presence of components of the plant an upregulation of genes involved in carbohydrate and peptide metabolism throughout all three strains was observed. Especially genes involved in the catabolism of lactose (lacZ), ribose (rbsAC) and xylose (xylF) were found to be uniformly upregulated. The greatest differences among the strains accounted for the regulation of motility