Étude du mécanisme de protection des spermatozoïdes de mammifères par le lait

Le lait écrémé est utilisé depuis plus d’un demi-siècle comme diluant protecteur des spermatozoïdes de mammifères. Depuis quelques années, il existe une demande grandissante pour des diluants exempts de produits d’origine animale. Toutefois, le mécanisme par lequel le lait protège les spermatozoïdes n’est pas connu, ce qui rend difficile de lui trouver un substitut. Les protéines majeures du plasma séminal de taureau, les protéines « Binder of SPerm » (BSP), sont néfastes lors de la conservation de la semence. Les spermatozoïdes sont en contact avec une grande concentration de protéines BSP qui stimulent une extraction continuelle de cholestérol/phospholipides de leur membrane plasmique. Les lipoprotéines de faible densité (LDL) du jaune d’oeuf, un autre composé utilisé dans les diluants, empêcheraient les protéines BSP de se lier à la membrane des spermatozoïdes de taureaux et de stimuler un efflux des lipides membranaires, ce qui les protégerait durant la conservation. Notre hypothèse était que les protéines du lait protègent les spermatozoïdes durant la conservation en séquestrant les protéines BSP. Premièrement, nous avons démontré par filtration sur gel qu’il y a une interaction entre les protéines BSP bovines et les protéines du lait. Le lait écrémé a été fractionné en trois fractions : F1 (alpha-lactalbumine, bêta-lactoglobuline et caséine kappa), F2 (toutes les protéines du lait) et F3 (sels, sucres et petits peptides). Les protéines BSP1 et BSP5 ont une affinité plus grande pour F1 que BSP3, tandis que toutes les protéines BSP ont une affinité pour F2. Le titrage calorimétrique isotherme a permis de confirmer l’interaction entre les protéines BSP et les protéines du lait. L’association entre la protéine BSP1 bovine et les micelles de caséines est caractérisée par une constante d’affinité (Ka) de 3.5 × 10^5 M-1 et un paramètre stoichiométrique (n) de 4,5 BSP1 pour une caséine. L’association entre la protéine BSP1 bovine et l’alpha-lactalbumine (une protéine du sérum principale), est caractérisée par un Ka de 2.4 × 10^5 M-1 et une valeur “n” de 0,8. Ces résultats indiquent que le lait protège les spermatozoïdes bovins en séquestrant les protéines BSP grâce à une interaction protéine : protéine, tandis que le jaune d’oeuf les protège grâce à une interaction protéine : lipoprotéine. Deuxièmement, nous avons démontré par filtration sur gel que les protéines homologues aux BSP bovines retrouvées dans le plasma séminal de porc, d’étalon et de bélier ont une affinité avec les protéines du lait, ce qui suggère que le mécanisme de protection des spermatozoïdes par le lait pourrait être le même chez ces espèces. Troisièmement, nous avons caractérisé l’interaction entre BSP1 bovine et les LDL du jaune d’oeuf qui a un Ka de 3.4 ± 0.4 × 10^6 M-1 et une valeur de « n » de 104 BSP1 pour une particule de LDL, indiquant qu’il existe des différences entre le mécanisme de protection des spermatozoïdes par le lait et le jaune d’oeuf. Nous croyons que les résultats présentés dans cette thèse aideront à créer de nouveaux diluants ne contenant pas de produits d’origine animale afin de cryoconserver les spermatozoïdes des mammifères.

Supercomplexes multifonctionnels chez les mitochondries, et chez E. coli

Les processus mitochondriaux tels que la réplication et la traduction sont effectués par des complexes multiprotéiques. Par contre, le métabolisme et la voie de maturation des ARN mitochondriaux (p. ex précurseurs des ARNt et des ARNr) sont habituellement traités comme une suite de réactions catalysées par des protéines séparées. L’exécution fidèle et optimale de ces processus mitochondriaux, exige un couplage étroit nécessaire pour la canalisation des intermédiaires métaboliques. Or, les évidences en faveur de l'interconnexion postulée de ces processus cellulaires sont peu nombreuses et proviennent en grande partie des interactions protéine-protéine. Contrairement à la perception classique, nos résultats révèlent l’organisation des fonctions cellulaires telles que la transcription, la traduction, le métabolisme et la régulation en supercomplexes multifonctionnels stables, dans les mitochondries des champignons (ex Saccharomyces cerevisiae, Aspergillus nidulans et Neurospora crassa), des animaux (ex Bos taurus), des plantes (B. oleracea et Arabidopsis thaliana) et chez les bactéries (ex E. coli) à partir desquelles les mitochondries descendent. La composition de ces supercomplexes chez les champignons et les animaux est comparable à celle de levure, toutefois, chez les plantes et E. coli ils comportent des différences notables (ex, présence des enzymes spécifiques à la voie de biosynthèse des sucres et les léctines chez B. oleracea). Chez la levure, en accord avec les changements dûs à la répression catabolique du glucose, nos résultats révèlent que les supercomplexes sont dynamiques et que leur composition en protéines dépend des stimulis et de la régulation cellulaire. De plus, nous montrons que l’inactivation de la voie de biosynthèse des lipides de type II (FASII) perturbe l’assemblage et/ou la biogenèse du supercomplexe de la RNase P (responsable de la maturation en 5’ des précurseurs des ARNt), ce qui suggère que de multiples effets pléiotropiques peuvent être de nature structurale entre les protéines. Chez la levure et chez E. coli, nos études de la maturation in vitro des précurseurs des ARNt et de la protéomique révèlent l’association de la RNase P avec les enzymes de la maturation d’ARNt en 3’. En effet, la voie de maturation des pré-ARNt et des ARNr, et la dégradation des ARN mitochondriaux semblent êtres associées avec la machinerie de la traduction au sein d’un même supercomplexe multifonctionnel dans la mitochondrie de la levure. Chez E. coli, nous avons caractérisé un supercomplexe similaire qui inclut en plus de la RNase P: la PNPase, le complexe du RNA degradosome, l’ARN polymérase, quatre facteurs de transcription, neuf aminoacyl-tRNA synthétases, onze protéines ribosomiques, des chaperons et certaines protéines métaboliques. Ces résultats supposent l’association physique de la transcription, la voie de maturation et d’aminoacylation des ARNt, la dégradation des ARN. Le nombre de cas où les activités cellulaires sont fonctionnellement et structurellement associées est certainement à la hausse (ex, l’éditosome et le complexe de la glycolyse). En effet, l’organisation en supercomplexe multifonctionnel représente probablement l’unité fonctionnelle dans les cellules et les analyses de ces super-structures peuvent devenir la prochaine cible de la biologie structurale.

Studies on Lactic Acid Bacteria from Tropical Fish and Shellfish

In this study, an attempt has been made to gather enough information regarding lactic acid bacteria from fish and shellfish of tropical regions. The occurrence and distribution of lactic acid bacteria in fresh and frozen marine fish and shellfish, farmed fish and shellfish, cured and pickled fish and shellfish have been investigated. Lactic Acid Bacteria (LAB) have for centuries been responsible for the fermentative preservation of many foods. They are used to retard spoilage and preserve foods through natural fermentations. They have found commercial applications as starter cultures in the dairy, baking, meat, fish, and vegetable and alcoholic beverage industries. They are industrially important organisms recognized for their fermentative ability as well as their nutritional benefits. These organisms produce various compounds such as organic acids, diacetyl, hydrogen peroxide and bacteriocins or bactericidal proteins during lactic fermentations.Biopreservation of foods using bacteriocin producing LAB cultures is becoming widely used. The antimicrobial effect of bacteriocins and other compounds produced during fermentation of carbohydrates are well known to inhibit the growth of certain food spoiling bacteria as well as a limited group of food poisoning and pathogenic bacteria LAB like Lactobacillus plantarum are widely used as starter cultures for the Production of fish ensilage. The present study is the first quantitative and qualitative study on the occurrence and distribution of lactic acid bacteria in fresh and frozen fish and prawn. It is concluded that Lactobacillus plantaruni was the predominant lactobacillus species in fresh and frozen fish and shellfish. The ability of selected Lactobacillus cultures to grow at low temperatures, high salt content, produce bacteriocins, rapidly ferment sugars and decrease the pH make them potential candidates for biopreservation of fish and shellfish.

Biochemical and molecular investigations on Salmonella serovars from seafood

The present investigation was envisaged to determine the prevalence and identify the different Salmonella serovar in seafood from Cochin area. Though, the distribution of Salmonella serovars in different seafood samples of Cochin has been well documented, the present attempt was made to identify the different Salmonella serovars and determine its prevalence in various seafoods. First pan of this investigation involved the isolation and identification of Salmonella strains with the help of different conventional culture methods. The identified isolates were used for the further investigation i.e. serotyping, this provides the information about the prevalent serovars in seafood. The prevalent Salmonella strains have been further characterized based on the utilization of different sugars and amino acids, to identify the different biovar of a serovar.A major research gap was observed in molecular characterization of Salmonella in seafood. Though, previous investigations reported the large number of Salmonella serovars from food sources in India, yet, very few work has been reported regarding genetic characterization of Salmonella serovars associated with food. Second part of this thesis deals with different molecular fingerprint profiles of the Salmonella serovars from seafood. Various molecular typing methods such as plasmid profiling, characterization of virulence genes, PFGE, PCR- ribotyping, and ERIC—PCR have been used for the genetic characterization of Salmonella serovars.The conventional culture methods are mainly used for the identification of Salmonella in seafood and most of the investigations from India and abroad showed the usage of culture method for detection of Salmonella in seafood. Hence, development of indigenous, rapid molecular method is most desirable for screening of Salmonella in large number of seafood samples at a shorter time period. Final part of this study attempted to develop alternative, rapid molecular detection method for the detection of Salmonella in seafood. Rapid eight—hour PCR assay has been developed for detection of Salmonella in seafood. The performance of three different methods viz., culture, ELISA and PCR assays were evaluated for detection of Salmonella in seafood and the results were statistically analyzed. Presence of Salmonella cells in food and enviromnental has been reported low in number, hence, more sensitive method for enumeration of Salmonella in food sample need to be developed. A quantitative realtime PCR has been developed for detection of Salmonella in seafood. This method would be useful for quantitative detection of Salmonella in seafood.

Studies on isolation, purification and properties of Endoglucanase from the hepatopancreas of Perna viridis

In the attempt to find out catalytic potency and properties of the endoglucanase of green mussel, it could be highlighted that the enzyme is efficient in degrading carboxymethylcellulose to reducing sugars. The immobilized enzyme will find applications in the food industry, paper and pulp industry, wood preservation, alcohol and pharmaceutical industry.The purification method employed i.e. Sephadex G100 chromatography employing affinity and exclusion principles simplify the purification procedure.Addition of Mg2+ and Co2+ at 10mM concentrations enhances endoglucanase activity of green mussel.The immobilized endoglucanase can be used for deinking mixed office waste paper. The endoglucanase if supplemented with exoglucanase and B-glucosidase under appropriate conditions would help in the recycling of paper.

Biochemical and molecular characterization of pathogenic vibrios from hatcheries and aquaculture farms

Vibrio are important during hatchery rearing. aquaculture phase and post-harvest quality of shrimps. Vibrio spp are of concern to shrimp farmers and hatchery operators because certain species can cause Vibriosis. Vibrio species are of concern to humans because certain species cause serious diseases.With the progress in aquaculture, intensive systems used for shrimp aquaculture create an artificial environment that increases bacterial growth. To maintain the productivity of such an intensive aquaculture, high inputs of fish protein have to be employed for feeding together with high levels of water exchange and the massive use of antibiotics/ probiotics / chemicals. It seems that the combination of these conditions favours the proliferation of vibrios and enhances their virulence and disease prevalence. The risk of a microbial infection is high, mainly at larval stages. The effect and severity are related to Vibrio species and dose, water, feed, shrimp quality and aquaculture management.Consumption of seafood can occasionally result in food-bome illnesses due to the proliferation of indigenous pathogens like Vibrio.Of the l2 pathogenic Vibrio species, 8 species are known to be directly food associated. Strict quality guidelines have been laid by the importing nations, for the food products that enter their markets. The microbiological quality requirement for export of frozen shrimp products is that V.cholerae, V.parahaemolyticus and V. vulnificus should be absent in 25g of the processed shrimp (Export Inspection Council of India, 1995). The mere presence of these pathogenic Vibrios is sufficient for the rejection of the exported product.The export rejections cause serious economic loss to the shrimp industry and might harm the brand image of the shrimp products from the countiy.There is a need for an independent study on the incidence of different pathogenic vibrios in shrimp aquaculture and investigate their biochemical characteristics to have a better understanding about the growth and survival of these organisms in the shrimp aquaculture niche. PCR based methods (conventional PCR, duplex PCR, multiplex-PCR and Real Time PCR) for the detection of the pathogenic Vibrios is important for rapid post-harvest quality assessment. Studies on the genetic heterogeneity among the specific pathogenic vibrio species isolated from shrimp aquaculture system provide; valuable information on the extent of genetic diversity of the pathogenic vibrios, the shrimp aquaculture system.So the present study was undertaken to study the incidence of pathogenic Vibrio spp. in Penaeus monodon shrimp hatcheries and aquaculture farms, to carry out biochemical investigations of the pathogenic Vibrio spp isolated from P. monodon hatchery and. aquaculture environments, to assess the effect of salt (NaCl) on the growth and enzymatic activities of pathogenic Vibrio spp., to study the effect of preservatives, and chemicals on the growth of pathogenic Vibrio spp. and to employ polymerase chain reaction (PCR) methods for the detection of pathogenic V ibrio spp.Samples of water (n=7) and post-larvae (n=7) were obtained from seven Penaeus monodon hatcheries and samples of water (n=5), sediment (n=5) and shrimp (n=5) were obtained from five P. monodon aquaculture farms located on the East Coast of lndia. The microbiological examination of water, sediment, post-larvae and shrimp samples was carried out employing standard methods and by using standard media.The higher bacterial loads were obtained in pond sediments which can be attributed to the accumulation of organic matter at the pond bottom which stimulated bacterial growth.Shrimp head. (4.78 x 105 +/- 3.0 x 104 cfu/g) had relatively higher bacterial load when compared to shrimp muscle 2.7 x 105 +/- 1.95 x 104 cfu/g). ln shrimp hatchery samples, the post-larvae (2.2 x 106 +/- 1.9 x 106 cfu/g) had higher bacterial load than water (5.6 x 103 +/- 3890 cfu/ml).The mean E.coli counts were higher in aquaculture pond sediment (204+/-13 cfu/g) and pond water (124+/-88 cfu/ml). Relatively lower Escherichia coli counts were obtained from shrimp samples (12+/-11 to 16+/-16.7 cfu/g). The presence of E.coli in aquaculture environment might have been from the source water. E.coli was not detected in hatchery waters and post-larvae.

Efficacy of fermented prawn shell waste as a feed ingredient for Indian white prawn, Fenneropenaeus indicus

Prawn shell waste collected from shrimp-processing plants in Cochin, India, was subjected to fermentation using 20 chitinoclastic and proteolytic/non-proteolytic bacterial strains. The products generated were analysed for protein, lipid, total sugars, N-acetyl glucosamine, free amino acids and ash. Shrimp diets were prepared using these 20 fermented products and a control diet using raw prawn shell waste. Feeding experiment was conducted with postlarvae (PL21) of Indian white prawn, Fenneropenaeus indicus for a period of 21 days. Biogrowth parameters such as mean weight gain, feed conversion ratio, specific growth rate and protein efficiency ratio were estimated and the animals were challenged with white spot virus orally via diet. Enhanced growth could be observed in prawns fed F134 and F124, incorporated with the fermentation products generated using Bacillus spp., C134 and C124 respectively. The percentage survival of prawns after 7 days of challenge was found to be highest for groups fed diet F111 incorporated with fermentation product generated using Bacillus sp. These products of bacterial fermentation hold promise as growth enhancers and immunostimulants in aquaculture. KEY WORDS: biogrowth parameters, feed

A novel medium for the development of in vitro cell culture system from Penaeus monodon

Lack of a valid shrimp cell line has been hampering the progress of research on shrimp viruses. One of the reasons identified was the absence of an appropriate medium which would satisfy the requirements of the cells in vitro. We report the first attempt to formulate an exclusive shrimp cell culture medium (SCCM) based on the haemolymph components of Penaeus monodon prepared in isosmotic seawater having 27 % salinity. The SCCM is composed of 22 amino acids, 4 sugars, 6 vitamins, cholesterol, FBS, phenol red, three antibiotics, potassium dihydrogen phosphate and di-sodium hydrogen phosphate at pH 6.8–7.2. Osmolality was adjusted to 720 ± 10 mOsm kg-1 and temperature of incubation was 25 8C. The most appropriate composition was finally selected based on the extent of attachment of cells and their proliferation by visual observation. Metabolic activity of cultured cells was measured by MTT assay and compared with that in L-15 (29), modified L-15 and Grace’s insect medium, and found better performance in SCCM especially for lymphoid cells with 107 % increase in activity and 85 ± 9 days of longevity. The cells from ovary and lymphoid organs were passaged twice using the newly designed shrimp cell dissociation ‘‘cocktail’’.

Biobutanol from lignocellulosic biomass by a novel Clostridium sporogenes BE01

In the current study, a novel non-acetone forming butanol and ethanol producer Was isolated and identified. Based on the 16s rDNA sequence BLAST and phylogenetic analyses, it was found to have high similarity with the reported hydrogen producing strains of Clostridium sporogenes. Biochemical studies revealed that it is lipase and protease positive. The lipolytic and proteolytic properties are the very important characteristics of Clostridium sporogenes. Sugar utilization profile studies were positive for glucose, saccharose, cellobiose and weakly positive result to xylose. This study demonstrated C. sporogenes BE01, an isolate from NIIST is having potential to compete with existing, well known butanol producers with the advantage of no acetone in the final solvent mixture. Rice straw hydrolysate is a potent source of substrate for butanol production by C. sporogenes BE01. Additional supplementation of vitamins and minerals were avoided by using rice straw hydrolysate as substrate. Its less growth, due to the inhibitors present in the hydrolysate and also inhibition by products resulted in less efficient conversion of sugars to butanol. Calcium carbonate played an important role in improving the butanol production, by providing the buffering action during fermentation and stimulating the electron transport mediators and redox reactions favoring butanol production. Its capability to produce acetic acid, butyric acid and hydrogen in significant quantities during butanol production adds value to the conversion process of lignocellulosic biomass to butanol. High cell density fermentation by immobilizing the cells on to ceramic particles improved the solvents and VFA production. Reduced sugar utilization from the concentrated hydrolysate could be due to accumulation of inhibitors in the hydrolysate during concentration. Two-stage fermentation was very efficient with immobilized cells and high conversions of sugars to solvents and VFAs were achieved. The information obtained from the study would be useful to develop a feasible technology for conversion of lignocellulosic biomass to biobutanol.

Provenance, Isolation and Characterisation of Organic Matter in the Cochin Estuarine Sediment-“a Diagenetic Amino Acid Marker Scenario

Cochin estuarine system is among the most productive aquatic environment along the Southwest coast of India, exhibits unique ecological features and possess greater socioeconomic relevance. Serious investigations carried out during the past decades on the hydro biogeochemical variables pointed out variations in the health and ecological functioning of this ecosystem. Characterisation of organic matter in the estuary has been attempted in many investigations. But detailed studies covering the degradation state of organic matter using molecular level approach is not attempted. The thesis entitled Provenance, Isolation and Characterisation of Organic Matter in the Cochin Estuarine Sediment-“ A Diagenetic Amino Acid Marker Scenario” is an integrated approach to evaluate the source, quantity, quality, and degradation state of the organic matter in the surface sediments of Cochin estuarine system with the combined application of bulk and molecular level tools. Sediment and water samples from nine stations situated at Cochin estuary were collected in five seasonal sampling campaigns, for the biogeochemical assessment and their distribution pattern of sedimentary organic matter. The sampling seasons were described and abbreviated as follows: April- 2009 (pre monsoon: PRM09), August-2009 (monsoon: MON09), January-2010 (post monsoon: POM09), April-2010 (pre monsoon: PRM10) and September- 2012 (monsoon: MON12). In order to evaluate the general environmental conditions of the estuary, water samples were analysed for water quality parameters, chlorophyll pigments and nutrients by standard methods. Investigations suggested the fact that hydrographical variables and nutrients in Cochin estuary supports diverse species of flora and fauna. Moreover the sedimentary variables such as pH, Eh, texture, TOC, fractions of nitrogen and phosphorous were determined to assess the general geochemical setting as well as redox status. The periodically fluctuating oxic/ anoxic conditions and texture serve as the most significant variables controlling other variables of the aquatic environment. The organic matter in estuary comprise of a complex mixture of autochthonous as well as allochthonous materials. Autochthonous input is limited or enhanced by the nutrient elements like N and P (in their various fractions), used as a tool to evaluate their bioavailability. Bulk parameter approach like biochemical composition, stoichiometric elemental ratios and stable carbon isotope ratio was also employed to assess the quality and quantity of sedimentary organic matter in the study area. Molecular level charactersation of free sugars and amino acids were carried out by liquid chromatographic techniques. Carbohydrates are the products of primary production and their occurrence in sediments as free sugars can provide information on the estuarine productivity. Amino acid biogeochemistry provided implications on the system productivity, nature of organic matter as well as degradation status of the sedimentary organic matter in the study area. The predominance of carbohydrates over protein indicated faster mineralisation of proteinaceous organic matter in sediments and the estuary behaves as a detrital trap for the accumulation of aged organic matter. The higher lipid content and LPD/CHO ratio pointed towards the better food quality that supports benthic fauna and better accumulation of lipid compounds in the sedimentary environment. Allochthonous addition of carbohydrates via terrestrial run off was responsible for the lower PRT/CHO ratio estimated in thesediments and the lower ratios also denoted a detrital heterotrophic environment. Biopolymeric carbon and the algal contribution to BPC provided important information on the better understanding the trophic state of the estuarine system and the higher values of chlorophyll-a to phaeophytin ratio indicated deposition of phytoplankton to sediment at a rapid rate. The estimated TOC/TN ratios implied the combined input of both terrestrial and autochthonous organic matter to sedimentsAmong the free sugars, depleted levels of glucose in sediments in most of the stations and abundance of mannose at station S5 was observed during the present investigation. Among aldohexoses, concentration of galactose was found to be higher in most of the stationsRelative abundance of AAs in the estuarine sediments based on seasons followed the trend: PRM09-Leucine > Phenylalanine > Argine > Lysine, MON09-Lysine > Aspartic acid > Histidine > Tyrosine > Phenylalanine, POM09-Lysine > Histadine > Phenyalanine > Leucine > Methionine > Serine > Proline > Aspartic acid, PRM10-Valine > Aspartic acid > Histidine > Phenylalanine > Serine > Proline, MON12-Lysine > Phenylalanine > Aspartic acid > Histidine > Valine > Tyrsine > MethionineThe classification of study area into three zones based on salinity was employed in the present study for the sake of simplicity and generalized interpretations. The distribution of AAs in the three zones followed the trend: Fresh water zone (S1, S2):- Phenylalanine > Lysine > Aspartic acid > Methionine > Valine ῀ Leucine > Proline > Histidine > Glycine > Serine > Glutamic acid > Tyrosine > Arginine > Alanine > Threonine > Cysteine > Isoleucine. Estuarine zone (S3, S4, S5, S6):- Lysine > Aspartic acid > Phenylalanine > Leucine > Valine > Histidine > Methionine > Tyrosine > Serine > Glutamic acid > Proline > Glycine > Arginine > Alanine > Isoleucine > Cysteine > Threonine. Riverine /Industrial zone (S7, S8, S9):- Phenylalanine > Lysine > Aspartic acid > Histidine > Serine > Arginine > Tyrosine > Leucine > Methionine > Glutamic acid > Alanine > Glycine > Cysteine > Proline > Isoleucine > Threonine > Valine. The abundance of AAs like glutamic acid, aspartic acid, isoleucine, valine, tyrosine, and phenylalanine in sediments of the study area indicated freshly derived organic matter.

Die mikrobielle Besiedlung von Wurzeloberfläche und Rhizosphäre in ihrer Bedeutung für Stoffumsätze in Böden

Im Vordergrund der Arbeit stand die Erfassung der mikrobiellen Biomasse bzw. Residualmasse an der Wurzeloberfläche, im Rhizosphärenboden und im umgebenden Boden. Durch den Vergleich von verschiedenen Methoden zur Erfassung der mikrobiellen Biomasse wurden die Gehalte von pilzlichem und bakteriellem Kohlenstoff an der Rhizoplane und in der Rhizosphäre quantifiziert. Dabei wurde die Fumigations-Extraktions-Methode zur Erfassung der mikrobiellen Biomasse eingesetzt. Ergosterol diente als Indikator für die pilzliche Biomasse und die Aminozucker Glucosamin und Muraminsäure sollten Aufschluss geben über die bakterielle und pilzliche Biomasse bzw. Residualmasse in den drei Probenfraktionen. Dazu wurden Umrechnungsfaktoren erstellt, die zur Berechnung des bakteriellen und pilzlichen Kohlenstoffs aus den Gehalten von Muraminsäure und Pilz-Glucosamin dienten. Die Bestimmung von Aminozuckern wurde insoweit modifiziert, dass sowohl in Boden- als auch in Wurzelhydrolysaten die Messung von Glucosamin, Galactosamin, Muraminsäure und Mannosamin gleichzeitig als automatisiertes Standardverfahren mit Hilfe der HPLC erfolgen konnte. Es wurden drei Gefäßversuche durchgeführt: Im ersten Versuch wurde der Einfluss der Pflanzenart auf die mikrobielle Besiedlung der Wurzeloberflächen untersucht. Dabei wurden Wurzeln und Rhizosphärenboden von 15 verschiedenen Pflanzenarten miteinander verglichen. Im zweiten Versuch stand der Einfluss der mikrobiellen Biomasse eines Bodens auf die mikrobielle Besiedlung von Wurzeloberflächen im Vordergrund. Deutsches Weidelgras (Lolium perenne L.) wurde auf sieben verschiedenen Böden angezogen. Bei den Böden handelte es sich um sechs Oberböden, die sich hinsichtlich des Bodentyps und der Bewirtschaftungsform voneinander unterschieden, und einen Unterboden. Im dritten Versuch wurde die mikrobielle Besiedlung von Wurzeln nach teilweiser und vollständiger Entfernung der oberirdischen Biomasse beobachtet. Welsches Weidelgras (Lolium multiflorum Lam.) wurde 24 Tage nach der Aussaat beschnitten. Anschließend wurde über einen Versuchszeitraum von acht Tagen die mikrobielle Besiedlung an den Wurzeln und in den Bodenfraktionen bestimmt. Es bestätigte sich, dass der Einfluss der einzelnen Pflanzenart von entscheidender Bedeutung für die mikrobielle Besiedlung von Wurzeln ist. Bei fast allen Pflanzen wurde die mikrobielle Biomasse an den Wurzeln von Pilzen dominiert. Das Verhältnis von pilzlichem zu bakteriellem Kohlenstoff an den Wurzeln der 15 Pflanzenarten lag im Mittel bei 2,6. Bei der Betrachtung verschiedener Böden zeigte sich, dass die mikrobielle Besiedlung in tieferen Bodenschichten signifikant niedriger ist als in den Oberböden. Dabei war der Pilzanteil an der mikrobiellen Biomasse im Unterboden deutlich erhöht. Der Vergleich der Oberböden untereinander ergab, dass sowohl der Bodentyp als auch die Bewirtschaftungsform einen signifikanten Einfluss auf mikrobielle Besiedlung ausüben. Durch die teilweise oder vollständige Entfernung der oberirdischen Biomasse wurde eine Veränderung der mikrobiellen Besiedlung an den Wurzeln beobachtet. Das Verhältnis von pilzlichem zu bakteriellem Kohlenstoff sank in dem Versuchszeitraum von 2,5 auf 1,4. Dabei war die Förderung der Pilze in der Variante mit teilweise entfernter oberirdischer Biomasse relativ größer als in der Variante mit vollständig entfernter oberirdischer Biomasse. Entgegen der weit verbreiteten Annahme, dass bei den wurzelbesiedelnden Mikroorganismen die Bakterien gegenüber den Pilzen dominieren, zeigten die Ergebnisse ein gegensätzliches Bild. In allen drei Versuchen ergab sich gleichermaßen, dass sowohl im Boden als auch an den Wurzeln die Pilze gegenüber den Bakterien dominieren.

Effects of post-harvest treatments on the carbohydrate composition of yacon roots in the Peruvian Andes

Yacon (Smallanthus sonchifolius [Poepp. & Endl.] H. Robinson) is an under-exploited native root crop of the Andes, which stores oligofructans (fructo-oligosaccharides, FOS) as its main component of dry matter (DM). FOS are of increasing economic interest because of their low caloric value in human diets and bifidogenic benefits on colon health. Two on-farm experiments were conducted to: (i) determine the effect of shaded, short-term storage at 1990 and 2930 m a.s.l. in the Andean highlands; and (ii) address the effects of a traditional sunlight exposure (‘sunning’) on the carbohydrate composition in the DM of tuberous yacon roots. After a 6-day shade storage FOS concentrations were smaller at the lower (36–48% of DM) than at the higher altitude (39–58% of DM). After 12 days FOS concentrations were nearly equal at both sites (27–39% of DM). The concentration of free sugars (fructose, glucose, sucrose) increased accordingly from 29–34 to 48–52%. During the 6-day sunning experiment FOS concentrations decreased from 50–62 to 29–44% and free sugars increased from 29–34 to 45–51%. The results indicate that partial hydrolysis of oligofructans starts shortly after harvest. Storage in highland environments should wherever possible exploit the cooler temperatures at higher altitudes. Sunning of yacon’s tuberous roots effectively reduces much of the roots’ water content, in this experiment 40%, and thus allows energy to be saved if yacon is processed into dehydrated products.

Organic potatoes for processing

Drei Feldversuche auf zwei Standorten (DFH: 51°4, 9°4’, BEL: 52°2’, 8°08’) wurden in den Jahren 2002 bis 2004 durchgeführt, um den Einfluss der Vorfrucht, des Vorkeimens, der N- und K-Düngung und der Sorte auf Nährstoffverfügbarkeit, Gesamt- und sortierte Knollenerträge sowie die Qualität von Kartoffeln und deren Eignung für die industrielle Verarbeitung zu Pommes frites und Chips zu untersuchen. Bestimmt wurden die N- und K-Verfügbarkeit im Boden, die N- und K-Aufnahme von Kraut und Knollen, gesamte Frisch- und Trockenmasseerträge, sortierte Frischmasseerträge für die Verarbeitung, sowie die Gehalte der Knollen an Trockensubstanz und reduzierenden Zuckern. In einer sensorischen Prüfung wurden Qualitätsparameter von Pommes frites (Aussehen/Farbe, Textur und Geschmack/Geruch) bewertet, die gewichtet in einen Qualitätsindex eingingen. Die Qualität der Chips wurde maschinell durch den L-Wert (Helligkeit) des Produktes quantifiziert. Der Gehalt des Bodens an mineralisiertem Nitrat-Stickstoff hing von der Vorfrucht und dem Jahr ab. Nach Erbsen wurden zum Auflaufen der Kartoffeln in den Versuchsjahren 2003 und 2004 (187 und 132 kg NO3-N ha-1) die höchsten NO3-N-Werte in 0-60 cm Boden gemessen verglichen mit Kleegras (169 bzw. 108 kg NO3-N ha-1 oder Getreide (112 kg bzw. 97 kg NO3-N ha-1), obgleich die Differenz nicht in allen Fällen signifikant war. Entsprechend wurden nach Erbsen die höchsten Knollen-Frischmasseerträge (414 und 308 dt ha-1) geerntet. Dasselbe galt für die Trockenmasserträge, was belegt, dass der Trockensubstanzgehalt der Knollen bei verbesserter N-Versorgung nicht im selben Maße sinkt, wie der Frischmasseertrag steigt. Das Vorkeimen der Pflanzknollen führte zu einer rascheren phänologischen Entwicklung im Jugendstadium der Pflanze, beschleunigter Trockenmassebildung des Krautes und einer früheren Einlagerung von Assimilaten vom Kraut in die Knollen. Obwohl die positive Wirkung des Vorkeimens auf den Gesamtertrag bis Ende Juli (+ 26 in 2003 bzw. 34 dt ha-1 in 2004) im Jahr ohne Krautfäuleepidemie von den nicht vorgekeimten Varianten bis zur Endernte im September kompensiert wurde, konnte in diesem Jahr durch Vorkeimen dennoch ein erhöhter Ertragsanteil (+ 12%) der besonders nachgefragten Übergrößen (>50 mm für Pommes frites) erzielt werden. Die durchschnittliche Knollenmasse reagierte positiv auf Vorkeimen (+ 5,4 g), Sortenwahl (Sorte Agria) und ein erhöhtes N-Angebot (Leguminosenvorfrucht). Generell wurde deutlich, dass die Knollengesamterträge unter den Bedingungen des Ökologischen Landbaus (geringe bis mittlere Nährstoffversorgung, verkürzte Vegetationsdauer) sehr stark vom Anbaujahr abhängen. Die Ergebnisse belegen jedoch, dass organisch-mineralische N-K-Düngung den sortierten Ertrag an Knollen für die Verarbeitung signifikant erhöht: Höchste Gesamt- und sortierte Knollenfrischmasseerträge wurden nach kombinierter N (Horngrieß) und mineralischer K- (Kaliumsulfat) Gabe erzielt (348 dt ha-1 im Durchschnitt von 2002-2004). Im Gegensatz dazu kann eine Wirkung von Stallmist auf den Ertrag im Jahr der Ausbringung nicht unbedingt erwartet werden. Steigende Erträge nach Stallmistdüngung wurden lediglich in einem von drei Versuchsjahren (+58 dt ha-1) festgestellt und ließen sich eher auf eine K- als eine N-Wirkung zurückführen. Die Ergebnisse belegen, dass die Sortenwahl eine entscheidende Rolle spielt, wenn die Kartoffeln für die industrielle Verarbeitung zu den oben genannten Produkten angebaut werden. Insgesamt kann festgestellt werden, dass Kartoffelknollen aus ökologischen Anbauverfahren ausreichend hohe Trockensubstanzgehalte aufweisen, um für die Verarbeitung zu Pommes frites (>19%) geeignet zu sein und ohne dass dadurch die Konsistenz des Endproduktes gefährdet würde. Der Trockensubstanzgehalt der Referenzsorte für Chips, „Marlen“, unterschritt das in der Literatur geforderte Minimum für Chips von 23% lediglich, wenn die kombinierte Horngrieß-Kaliumsulfatdüngung zur Anwendung kam. Die Trockensubstanzgehalte der Knollen konnten durch Vorkeimen signifikant gesteigert werden und der Effekt war besonders groß (+1.2% absolut) in dem Jahr mit frühem Auftreten der Krautfäule (Phytophthora infestans), d.h. verkürzter Vegetationszeit. Die Knollen-Trockensubstanzgehalte waren in zwei von drei Experimenten nach Lagerung höher (+0.4 und 0.5% absolut) als noch zur Ernte. Sorten der sehr frühen und frühen Reifegruppe wiesen den größten relativen Anstieg der Gehalte an reduzierenden Zuckern (Glukose und Fruktose) während der Lagerung auf. Den mittelfrühen Sorten „Agria“ und „Marena“ hingegen kann aufgrund des von ihnen erreichten höchsten Qualitätsstandards (Pommes frites) zur Ernte eine sehr gute Eignung für die Bedingungen des Ökologischen Landbaus unterstellt werden. Die durchgehend beste Chipseignung wies die mittelfrühe Referenzsorte „Marlen“ auf. Insgesamt konnte nachgewiesen werden, dass durch gezielte Sortenwahl der Trockensubstanzgehalt und die Konzentration reduzierender Zucker, sowie die Qualität der Endprodukte (Pommes frites und Chips) gezielt beeinflusst werden kann. Im Gegensatz dazu haben acker- und pflanzenbauliche Maßnahmen wie Düngung, Wahl der Vorfrucht und Vorkeimen der Pflanzknollen einen eher geringen Einfluss. Dementsprechend sollte der Landwirt versuchen, durch die Wahl der Sorte den hohen Anforderungen der Industrie an die Rohware gerecht zu werden.

Der Einfluss veränderter Wintertemperaturverläufe auf die mikrobielle C und N Nutzung aus Ernterückständen und die Überlebensrate pilzlicher Phytopathogene

Die vorliegende Dissertation wurde im Rahmen des vom Niedersächsischen Ministerium für Wissenschaft und Kultur geförderten Forschungsverbundes „KLIFF – Klimafolgenforschung in Niedersachsen“ an der Universität Kassel im Fachbereich Ökologische Agrarwissenschaften im Fachgebiet Bodenbiologie und Pflanzenernährung angefertigt. Die Arbeit wurde von der Universität Kassel gefördert und ist mit dem DFG-Graduiertenkolleg 1397 assoziiert.

Suppression of root-knot nematode through innovative mustard biofumigation

The nematicidal activity of mustard plant against hatching, migration and mortality of the root-knot nematode Meloidogyne javanica was investigated. In vitro test confirmed that mixing the sandy clay soil mixture with mustard as 4% as a biofumigant significantly reduce the percentage of egg hatching at all different incubation periods 24, 48, 72, 96 and 168 h, compared to control treatment (un-amended mixture soil and eggs in free water). Results indicate that the percentage of egg hatching reduction was 88.5, 90, 81.4, 74 and 69.4%, respectively. Mustard mixed with soil as a biofumigant led to high percentage of larval mortality at the different intervals periods in vitro. The percentage of larval mortality was 94, 100, 90.5, 90.5, and 79.4%, respectively compared to control. Laboratory results confirmed that the highest reduction in egg hatching and larval mortality was obtained after incubation period for 48 h. In vivo experiment reveals that the incorporation of the soil pots with mustard at all different doses used 3, 5% (48 h before nematode inoculation, or soil infestation with nematode), and 5% (one week before nematode inoculation or 7% of soil weight) significantly reduces all the nematode parameters compared to plant treated nematode alone. All nematode parameters i.e. the number of galls per root system, gall index, number of egg masses per root system, as well as number of juveniles per 250g soil showed high reduction with mixing the soil pots with mustard at 5% (one week before nematode inoculation), followed by the same treatment for 48h before nematode inoculation. Mustard application, one week before nematode inoculation, reduced the nematode parameters by 97, 64, 97, and 93%, respectively, compared to control. The percent of chemical components i.e. total sugars, total amino acids and total phenols were markedly enhanced compared to positive and negative control. The highest percentage was obtained with mustard at 5% one week before nematode inoculation by 68.7, 57.3 and 45%, respectively. Finally, we have to conclude that this modified technology is an innovative and can be used efficiently to control Root-knot nematode under organic agriculture and Global GAP agricultural systems instead of these carcinogenic nematicides.