Évaluation du potentiel de croissance et de rendement d’une culture de tomates biologiques cultivées dans une serre climatisée à l’aide d’un système géothermique

Ce projet visait à comparer les effets agronomiques d’une serre de tomates biologiques semi-fermée utilisant un système de climatisation par géothermie comparativement à une serre ouverte. Deux serres de 228 et 230 m2 ont été équipées d’un système d’échangeur d’air avec géothermie qui refroidissait et déshumidifiait l’air (serre semi-fermée) et d’un système de ventilation naturelle (serre témoin). Ces dernières ont été comparées au cours des années 2012 et 2013 entre lesquels les traitements ont été permutés. Les variables mesurées étaient les paramètres de croissance des plants ainsi que le rendement, le calibre des fruits et les propriétés physico-chimiques des tomates. Les résultats ont démontré que le système de climatisation n’a pas eu d’effets significatifs sur la croissance des plants, la qualité des fruits ainsi que le rendement. Les deux serres avaient des cibles de concentration en CO2 comprises entre 450 µL L-1 et 1000 µL L-1 selon l’ensoleillement. Les quantités de CO2 injectées ont été de 11 kg/m2 et 15 kg/m2 respectivement en 2012 et 2013 dans la serre semi-fermée alors qu’elles ont été de 24 kg/m2 et 25 kg/m2 dans la serre témoin. Bien qu’ayant nécessité moins d’injection, la serre semi-fermée a permis de conserver des concentrations en CO2 de 638 µL L-1 en 2012 et de 593 µL L-1 en 2013. Ces concentrations sont plus élevées que celles obtenues dans la serre témoin qui étaient respectivement de 385 µL L-1 et 486 µL L-1 en 2012 et 2013. De ce fait, le coût monétaire associé à l’enrichissement carboné a été de 1,6 à 2,0 fois plus élevé dans la serre témoin que dans la serre semi-fermée.

Perturbation of Cytokinin and Ethylene-signalling Pathways Explain the Strong Rooting Phenotype Exhibited by Arabidopsis Expressing the Schizosaccharomyces Pombe mitotic inducer, cdc25.

Background Entry into mitosis is regulated by cyclin dependent kinases that in turn are phosphoregulated. In most eukaryotes, phosphoregulation is through WEE1 kinase and CDC25 phosphatase. In higher plants a homologous CDC25 gene is unconfirmed and hence the mitotic inducer Schizosaccharomyces pombe (Sp) cdc25 has been used as a tool in transgenic plants to probe cell cycle function. Expression of Spcdc25 in tobacco BY-2 cells accelerates entry into mitosis and depletes cytokinins; in whole plants it stimulates lateral root production. Here we show, for the first time, that alterations to cytokinin and ethylene signaling explain the rooting phenotype elicited by Spcdc25 expression in Arabidopsis. Results Expressing Spcdc25 in Arabidopsis results in increased formation of lateral and adventitious roots, a reduction of primary root width and more isodiametric cells in the root apical meristem (RAM) compared with wild type. Furthermore it stimulates root morphogenesis from hypocotyls when cultured on two way grids of increasing auxin and cytokinin concentrations. Microarray analysis of seedling roots expressing Spcdc25 reveals that expression of 167 genes is changed by > 2-fold. As well as genes related to stress responses and defence, these include 19 genes related to transcriptional regulation and signaling. Amongst these was the up-regulation of genes associated with ethylene synthesis and signaling. Seedlings expressing Spcdc25 produced 2-fold more ethylene than WT and exhibited a significant reduction in hypocotyl length both in darkness or when exposed to 10 ppm ethylene. Furthermore in Spcdc25 expressing plants, the cytokinin receptor AHK3 was down-regulated, and endogenous levels of iPA were reduced whereas endogeous IAA concentrations in the roots increased. Conclusions We suggest that the reduction in root width and change to a more isodiametric cell phenotype in the RAM in Spcdc25 expressing plants is a response to ethylene over-production. The increased rooting phenotype in Spcdc25 expressing plants is due to an increase in the ratio of endogenous auxin to cytokinin that is known to stimulate an increased rate of lateral root production. Overall, our data reveal important cross talk between cell division and plant growth regulators leading to developmental changes.

The hyperaccumulator Sedum plumbizincicola harbors metal-resistant endophytic bacteria that improve its phytoextraction capacity in multi-metal contaminated soil

Endophyte-assisted phytoremediation has recently been suggested as a successful approach for ecological restoration of metal contaminated soils, however little information is available on the influence of endophytic bacteria on the phytoextraction capacity of metal hyperaccumulating plants in multi-metal polluted soils. The aims of our study were to isolate and characterize metal-resistant and 1-aminocyclopropane-1-carboxylate (ACC) utilizing endophytic bacteria from tissues of the newly discovered Zn/Cd hyperaccumulator Sedum plumbizincicola and to examine if these endophytic bacterial strains could improve the efficiency of phytoextraction of multi-metal contaminated soils. Among a collection of 42 metal resistant bacterial strains isolated from the tissues of S. plumbizincicola grown on Pb/Zn mine tailings, five plant growth promoting endophytic bacterial strains (PGPE) were selected due to their ability to promote plant growth and to utilize ACC as the sole nitrogen source. The five isolates were identified as Bacillus pumilus E2S2, Bacillus sp. E1S2, Bacillus sp. E4S1, Achromobacter sp. E4L5 and Stenotrophomonas sp. E1L and subsequent testing revealed that they all exhibited traits associated with plant growth promotion, such as production of indole-3-acetic acid and siderophores and solubilization of phosphorus. These five strains showed high resistance to heavy metals (Cd, Zn and Pb) and various antibiotics. Further, inoculation of these ACC utilizing strains significantly increased the concentrations of water extractable Cd and Zn in soil. Moreover, a pot experiment was conducted to elucidate the effects of inoculating metal-resistant ACC utilizing strains on the growth of S. plumbizincicola and its uptake of Cd, Zn and Pb in multi-metal contaminated soils. Out of the five strains, B. pumilus E2S2 significantly increased root (146%) and shoot (17%) length, fresh (37%) and dry biomass (32%) of S. plumbizincicola as well as plant Cd uptake (43%), whereas Bacillus sp. E1S2 significantly enhanced the accumulation of Zn (18%) in plants compared with non-inoculated controls. The inoculated strains also showed high levels of colonization in rhizosphere and plant tissues. Results demonstrate the potential to improve phytoextraction of soils contaminated with multiple heavy metals by inoculating metal hyperaccumulating plants with their own selected functional endophytic bacterial strains.

PHYTOCHROME KINASE SUBSTRATE 1 is a phototropin 1 binding protein required for phototropism.

Phototropism, or plant growth in response to unidirectional light, is an adaptive response of crucial importance. Lateral differences in low fluence rates of blue light are detected by phototropin 1 (phot1) in Arabidopsis. Only NONPHOTOTROPIC HYPOCOTYL 3 (NPH3) and root phototropism 2, both belonging to the same family of proteins, have been previously identified as phototropin-interacting signal transducers involved in phototropism. PHYTOCHROME KINASE SUBSTRATE (PKS) 1 and PKS2 are two phytochrome signaling components belonging to a small gene family in Arabidopsis (PKS1-PKS4). The strong enhancement of PKS1 expression by blue light and its light induction in the elongation zone of the hypocotyl prompted us to study the function of this gene family during phototropism. Photobiological experiments show that the PKS proteins are critical for hypocotyl phototropism. Furthermore, PKS1 interacts with phot1 and NPH3 in vivo at the plasma membrane and in vitro, indicating that the PKS proteins may function directly with phot1 and NPH3 to mediate phototropism. The phytochromes are known to influence phototropism but the mechanism involved is still unclear. We show that PKS1 induction by a pulse of blue light is phytochrome A-dependent, suggesting that the PKS proteins may provide a molecular link between these two photoreceptor families.

The effect of nitrate fertilization on the distribution of exported 14c-photosynthate in nodulated soybean (Glycine max (L.) Merr.) plants

Soybean (Glycine ~ (L.) Merr. cv. Harosoy 63) plants inoculated with Rhizobium japonicum were grown in vermiculite in the presence or absence of nitrate fertilization for up to 6 weeks after planting. Overall growth of nodulated plants was enhanced in the presence of nitrate fertilization, while the extent of nodule development was reduced. Although the number of nodules was not affected by nitrate fertilization when plants were grown at a light intensity limiting for photosynthesis, at light intensities approaching or exceeding the light saturation point for photosynthesis, nitrate fertilization resulted in at least a 30% reduction in nodule numbers. The mature, first trifoliate leaf of 21 day old plants was allowed to photoassimi1ate 14C02. One hour after·· the initial exposure to 14C02, the , plants were harvested and the 14C radioactivity was determined in the 80% ethanol-soluble fraction: in. o:rider to assess· "the extent of photoassimilate export and the pattern of distribution of exported 14C. The magnitude of 14C export was not affected by the presence of nitrate fertilization. However, there was a significant effect on the distribution pattern, particularly with regard to the partitioning of 14C-photosynthate between the nodules and the root tissue. In the presence of nitrate fertilization, less than 6% of the exported 14C photosynthate was recovered from the nodules, with much larger amounts (approximately 37%) being recovered from the root tissue. In the absence of nitrate fertilization, recovery of exported 14C-photosynthate from the nodules (19 to 27%) was approximately equal to that from the root tissue (24 to 33%). By initiating- or terminating the applications of nitrate at 14 days of age, it was determined that the period from day 14 to day 21 after planting was particularly significant for the development of nodules initiated earlier. Addition of nitrate fertilization at this time inhibited further nodule development while stimulating plant growth, whereas removal of nitrate fertilization stimulated nodule development. The results obtained are consistent with the hypothesis that nodule development is inhibited by nitrate fertilization through a reduction in the availability of photosynthate to the nodules.

Étude structurale du mode de liaison des protéines Whirly de plantes à l’ADN monocaténaire

Les plantes doivent assurer la protection de trois génomes localisés dans le noyau, les chloroplastes et les mitochondries. Si les mécanismes assurant la réparation de l’ADN nucléaire sont relativement bien compris, il n’en va pas de même pour celui des chloroplastes et des mitochondries. Or il est important de bien comprendre ces mécanismes puisque des dommages à l’ADN non ou mal réparés peuvent entraîner des réarrangements dans les génomes. Chez les plantes, de tels réarrangements dans l’ADN mitochondrial ou dans l’ADN chloroplastique peuvent conduire à une perte de vigueur ou à un ralentissement de la croissance. Récemment, notre laboratoire a identifié une famille de protéines, les Whirly, dont les membres se localisent au niveau des mitochondries et des chloroplastes. Ces protéines forment des tétramères qui lient l’ADN monocaténaire et qui accomplissent de nombreuses fonctions associées au métabolisme de l’ADN. Chez Arabidopsis, deux de ces protéines ont été associées au maintien de la stabilité du génome du chloroplaste. On ignore cependant si ces protéines sont impliquées dans la réparation de l’ADN. Notre étude chez Arabidopsis démontre que des cassures bicaténaires de l’ADN sont prises en charge dans les mitochondries et les chloroplastes par une voie de réparation dépendant de très courtes séquences répétées (de cinq à cinquante paires de bases) d’ADN. Nous avons également montré que les protéines Whirly modulent cette voie de réparation. Plus précisément, leur rôle serait de promouvoir une réparation fidèle de l’ADN en empêchant la formation de réarrangements dans les génomes de ces organites. Pour comprendre comment les protéines Whirly sont impliquées dans ce processus, nous avons élucidé la structure cristalline d’un complexe Whirly-ADN. Nous avons ainsi pu montrer que les Whirly lient et protègent l’ADN monocaténaire sans spécificité de séquence. La liaison de l’ADN s’effectue entre les feuillets β de sous-unités contiguës du tétramère. Cette configuration maintient l’ADN sous une forme monocaténaire et empêche son appariement avec des acides nucléiques de séquence complémentaire. Ainsi, les protéines Whirly peuvent empêcher la formation de réarrangements et favoriser une réparation fidèle de l’ADN. Nous avons également montré que, lors de la liaison de très longues séquences d’ADN, les protéines Whirly peuvent s’agencer en superstructures d’hexamères de tétramères, formant ainsi des particules sphériques de douze nanomètres de diamètre. En particulier, nous avons pu démontrer l’importance d’un résidu lysine conservé chez les Whirly de plantes dans le maintien de la stabilité de ces superstructures, dans la liaison coopérative de l’ADN, ainsi que dans la réparation de l’ADN chez Arabidopsis. Globalement, notre étude amène de nouvelles connaissances quant aux mécanismes de réparation de l’ADN dans les organites de plantes ainsi que le rôle des protéines Whirly dans ce processus.

Comparative mitochondrial genomics toward understanding genetics and evolution of arbuscular mycorrhizal fungi

Les champignons mycorhiziens arbusculaires (CMA) sont très répandus dans le sol où ils forment des associations symbiotiques avec la majorité des plantes appelées mycorhizes arbusculaires. Le développement des CMA dépend fortement de la plante hôte, de telle sorte qu'ils ne peuvent vivre à l'état saprotrophique, par conséquent ils sont considérés comme des biotrophes obligatoires. Les CMA forment une lignée évolutive basale des champignons et ils appartiennent au phylum Glomeromycota. Leurs mycélia sont formés d’un réseau d’hyphes cénocytiques dans lesquelles les noyaux et les organites cellulaires peuvent se déplacer librement d’un compartiment à l’autre. Les CMA permettent à la plante hôte de bénéficier d'une meilleure nutrition minérale, grâce au réseau d'hyphes extraradiculaires, qui s'étend au-delà de la zone du sol explorée par les racines. Ces hyphes possèdent une grande capacité d'absorption d’éléments nutritifs qui vont être transportés par ceux-ci jusqu’aux racines. De ce fait, les CMA améliorent la croissance des plantes tout en les protégeant des stresses biotiques et abiotiques. Malgré l’importance des CMA, leurs génétique et évolution demeurent peu connues. Leurs études sont ardues à cause de leur mode de vie qui empêche leur culture en absence des plantes hôtes. En plus leur diversité génétique intra-isolat des génomes nucléaires, complique d’avantage ces études, en particulier le développement des marqueurs moléculaires pour des études biologiques, écologiques ainsi que les fonctions des CMA. C’est pour ces raisons que les génomes mitochondriaux offrent des opportunités et alternatives intéressantes pour étudier les CMA. En effet, les génomes mitochondriaux (mt) publiés à date, ne montrent pas de polymorphismes génétique intra-isolats. Cependant, des exceptions peuvent exister. Pour aller de l’avant avec la génomique mitochondriale, nous avons besoin de générer beaucoup de données de séquençages de l’ADN mitochondrial (ADNmt) afin d’étudier les méchanismes évolutifs, la génétique des population, l’écologie des communautés et la fonction des CMA. Dans ce contexte, l’objectif de mon projet de doctorat consiste à: 1) étudier l’évolution des génomes mt en utilisant l’approche de la génomique comparative au niveau des espèces proches, des isolats ainsi que des espèces phylogénétiquement éloignées chez les CMA; 2) étudier l’hérédité génétique des génomes mt au sein des isolats de l’espèce modèle Rhizophagus irregularis par le biais des anastomoses ; 3) étudier l’organisation des ADNmt et les gènes mt pour le développement des marqueurs moléculaires pour des études phylogénétiques. Nous avons utilisé l’approche dite ‘whole genome shotgun’ en pyroséquençage 454 et Illumina HiSeq pour séquencer plusieurs taxons de CMA sélectionnés selon leur importance et leur disponibilité. Les assemblages de novo, le séquençage conventionnel Sanger, l’annotation et la génomique comparative ont été réalisés pour caractériser des ADNmt complets. Nous avons découvert plusieurs mécanismes évolutifs intéressant chez l’espèce Gigaspora rosea dans laquelle le génome mt est complètement remanié en comparaison avec Rhizophagus irregularis isolat DAOM 197198. En plus nous avons mis en évidence que deux gènes cox1 et rns sont fragmentés en deux morceaux. Nous avons démontré que les ARN transcrits les deux fragments de cox1 se relient entre eux par épissage en trans ‘Trans-splicing’ à l’aide de l’ARN du gene nad5 I3 qui met ensemble les deux ARN cox1.1 et cox1.2 en formant un ARN complet et fonctionnel. Nous avons aussi trouvé une organisation de l’ADNmt très particulière chez l’espèce Rhizophagus sp. Isolat DAOM 213198 dont le génome mt est constitué par deux chromosomes circulaires. En plus nous avons trouvé une quantité considérable des séquences apparentées aux plasmides ‘plasmid-related sequences’ chez les Glomeraceae par rapport aux Gigasporaceae, contribuant ainsi à une évolution rapide des ADNmt chez les Glomeromycota. Nous avons aussi séquencé plusieurs isolats de l’espèces R. irregularis et Rhizophagus sp. pour décortiquer leur position phylogénéque et inférer des relations évolutives entre celles-ci. La comparaison génomique mt nous montré l’existence de plusieurs éléments mobiles comme : des cadres de lecture ‘open reading frames (mORFs)’, des séquences courtes inversées ‘short inverted repeats (SIRs)’, et des séquences apparentées aux plasimdes ‘plasmid-related sequences (dpo)’ qui impactent l’ordre des gènes mt et permettent le remaniement chromosomiques des ADNmt. Tous ces divers mécanismes évolutifs observés au niveau des isolats, nous permettent de développer des marqueurs moléculaires spécifiques à chaque isolat ou espèce de CMA. Les données générées dans mon projet de doctorat ont permis d’avancer les connaissances fondamentales des génomes mitochondriaux non seulement chez les Glomeromycètes, mais aussi de chez le règne des Fungi et les eucaryotes en général. Les trousses moléculaires développées dans ce projet peuvent servir à des études de la génétique des populations, des échanges génétiques et l’écologie des CMA ce qui va contribuer à la compréhension du rôle primorial des CMA en agriculture et environnement.

Développement des marqueurs moléculaires spécifiques pour l'identification et la quantification de deux espèces de champignons mycorhiziens arbusculaires en utilisant la PCR en temps réel

Les champignons mycorhizien à arbuscules (CMA) sont des organismes pouvant établir des symbioses avec 80% des plantes terrestres. Les avantages d'une telle symbiose sont de plus en plus caractérisés et exploités en agriculture. Par contre, jusqu'à maintenant, il n'existe aucun outil permettant à la fois l'identification et la quantification de ces champignons dans le sol de façon fiable et rapide. Un tel outil permettrait, entre autres, de mieux comprendre les dynamiques des populations des endomycorhizes dans le sol. Pour les producteurs d'inoculum mycorhiziens, cela permettrait également d'établir un suivi de leurs produits en champs et d'avoir un contrôle de qualité de plus sur leurs inoculants. C'est ce que nous avons tenté de développer au sein du laboratoire du Dr. Hijri. Depuis environ une trentaine d'années, des outils d'identification et/ou de quantification ont été développés en utilisant les profiles d'acides gras, les isozymes, les anticorps et finalement l'ADN nucléaire. À ce jour, ces méthodes d’identification et de quantification sont soit coûteuses, soit imprécises. Qui plus est, aucune méthode ne permet à la fois la quantification et l’identification de souches particulières de CMA. L’ADN mitochondrial ne présente pas le même polymorphisme de séquence que celui qui rend l’ADN nucléaire impropre à la quantification. C'est pourquoi nous avons analysé les séquences d’ADN mitochondrial et sélectionné les régions caractéristiques de deux espèces de champignons mycorhiziens arbusculaires (CMA). C’est à partir de ces régions que nous avons développé des marqueurs moléculaires sous forme de sondes et d’amorces TaqMan permettant de quantifier le nombre de mitochondries de chacune de ces espèces dans un échantillon d’ADN. Nous avons ensuite tenté de déterminer une unité de quantification des CMA, soit un nombre de mitochondries par spore. C’est alors que nous avons réalisé que la méthode de préparation des échantillons de spores ainsi que la méthode d’extraction d’ADN avaient des effets significatifs sur l’unité de quantification de base. Nous avons donc optimisé ces protocoles, avant d’en e tester l’application sur des échantillons de sol et de racines ayant été inoculés avec chacune des deux espèces cibles. À ce stade, cet outil est toujours semi-quantificatif, mais il permet 9 l’identification précise de deux espèces de CMA compétentes dans des milieux saturés en phosphore inorganique. Ces résultats , en plus d’être prometteurs, ont permis d’augmenter les connaissances méthodologiques reliées à la quantification des CMA dans le sol, et suggèrent qu’à cause de leurs morphologies différentes, l’élaboration d’un protocole de quantification standardisé pour toutes les espèces de CMA demeure un objectif complexe, qui demande de nouvelles études in vivo.

A Study on the Water Retention Characteristics of Soils and their Improvements

Soil moisture plays a cardinal role in sustaining eclological balance and agricultural development – virtually the very existence of life on earth. Because of the growing shortage of water resources, we have to use the available water most efficiently by proper management. Better utilization of rainfall or irrigation management depends largely on the water retention characteristics of the soil.Soil water retention is essential to life and it provides an ongoing supply of water to plants between periods of irrigation so as to allow their continued growth and survival.It is essential to maintain readily available water in the soil if crops are to sustain satisfactory growth. The plant growth may be retarded if the soil moisture is either deficient or excessive. The optimum moisture content is that moisture which leads to optimum growth of plant. When watering is done, the amount of water supplied should be such that the water content is equal to the field capacity that is the water remained in the saturated soil after gravitational drainage. Water will gradually be utilized consumptively by plants after the water application, and the soil moisture will start falling. When the water content in the soil reaches the value known as permanent wilting point (when the plant starts wilting) fresh dose of irrigation may be done so that water content is again raised to the field capacity of soil.Soil differ themselves in some or all the properties depending on the difference in the geotechnical and environmental factors. Soils serve as a reservoir of the nutrients and water required for crops.Study of soil and its water holding capacity is essential for the efficient utilization of irrigation water. Hence the identification of the geotechnical parameters which influence the water retention capacity, chemical properties which influence the nutrients and the method to improve these properties have vital importance in irrigation / agricultural engineering. An attempt in this direction has been made in this study by conducting the required tests on different types of soil samples collected from various locations in Trivandrum district Kerala, with and without admixtures like coir pith, coir pith compost and vermi compost. Evaluation of the results are presented and a design procedure has been proposed for a better irrigation scheduling and management.

Biochemical and Biotechnological investigations on the water-fern Salvinia molesta Mitchell

The present work is focussed mainly on the utilization of this weed-biomass on a biochemical and biotechnological basis. Before designing scientific and systematic utilization of any given biomass, the detailed analysis of its chemical componets is essential. Hence, as the preliminary part of the experimental works, samples of Salvinia were analysed for its chemical constituents.Before designing scientific and systematic utilization of any given biomass, the detailed analysis of its chemical componets is essential .The composition of the substrate contributes much to the nutritive value of mushrooms. Hence, alterations in the nutritive value of mushrooms (in terms of total carbohydrates, proteins, lipids and minerals) in response to Salvinia as substrate were analyzed.Substrate after mushroom harvest (spent substrate) can be utilized for various purposes such as cattle feed, as a source of degradative enzymes, as a substrate for other mushrooms and as garden manure. But studies are limited with regard to the utilization of Pleurotus spent substrate as garden manure. So the value of spent substrate as an organic supplement and its multidimensional impacts on soil chemical status, soil microbial population dynamics and plant growth (Amhurium andreanum) were carried out.Major findings of this work have got much relevance in designing measures to utilize different types of plant biomass, especially aquatic weeds, with the aid of a powerful biological tool, the lignocellulolytic fungus, Pleurorus

Studies on the induction of variation through in vitro culture in Jatropha curcas L

Given the economic importance of Jatropha curcas, and its limited availability in the wild, it would be desirable to establish plantations ofthe tree so as to obtain assured supply of raw material for extraction of phytochemicals, and seeds for production of biodiesel. However both seed propagation as well as propagation by cuttings is unsatisfactory in this tree species. Seeds have poor viability and are genetically heterozygous leading to genetic variability in terms of growth, biomass, seed yield, and oil content. Stern cuttings have poor roots and the trees are easily uprooted. Tissue culture techniques could possibly be gainfully employed in the propagation of elite plants ofJaIropha. When plant tissue is passaged through in vitro culture, there is possibility of induction of variations. An estimation of somaclonal variability is useful in a determination of culture protocols. Molecular markers could be employed to estimate the amount of variations induced in callus and regenerants by different honnonal combinations used in culture. In this context the present study aims to develop an in vitro propagation protocol for the production of plantlets and to evaluate the variation induced in callus and regenerants in comparison with mother plant by the use of molecular markers and by studying phytochemicals and bio active compounds present in callus and regenerated plants

Etablierung neuer Methoden zur in vitro Kultivierung der Baumart Fraxinus excelsior L. und Entwicklung von Verfahren zur Kryokonservierung von in vitro Sprossspitzen

Die hier vorliegende Arbeit wurde im Rahmen eines europäischen Projektes mit dem Titel „Improving Fraxinus (Ash) productivity for European needs by testing, selection, propagation and promotion of improved genetic resources“ an der Niedersächsischen Forstlichen Versuchsanstalt, Abteilung Waldgenressourcen erstellt. Im Rahmen des Projektes wurden 62 Plusbäume aus einem 15 Jahre alten europäischen Herkunfts-/ Nachkommenschaftsversuch in den Niedersächsischen Forstämtern Bovenden und Dannenberg nach den Kriterien Stammform und Wuchsleistung für die vegetative Vermehrung ausgewählt. Ziel dieser Arbeit war die Optimierung bestehender in vitro Protokolle sowie die Entwicklung eines bisher noch nicht existierenden Kryokonservierungsprotokolls für in vitro Sprossspitzen. Im ersten Teil dieser Arbeit wird die Entwicklung des in vitro Protokolls für Fraxinus excelsior dargestellt. Die Optimierung der Methoden zur Etablierung, Vermehrung und Bewurzelung erfolgte durch Versuchsreihen mit unterschiedlichen Klonen, so dass insgesamt 26 der selektierten Plusbäume erfolgreich in vitro etabliert werden konnten. Achselknospen frischer Triebe der Pfropflinge der Mutterbäume stellten die beste Explantatquelle dar. Die Explantate wurden mit 0,2 % Quecksilberchlorid (HgCl2) oberflächensterilisiert bevor sie auf hormonfreies Woody Plant Medium (WPM) transferiert wurden. Nach zwei Wochen erfolgte ein Transfer auf WPM mit 4 mg/l 6-Benzylaminopurine (BAP) und 0,15 mg/l Indole-3-butyric acid (IBA). Die besten Vermehrungsraten wurden auf WPM mit 4 mg/l BAP, 0,15 mg/l IBA und 0,01 mg/l TDZ und 0,7 % Agar in Honiggläsern mit einem Plastikdeckel erzielt. Als Bewurzelungsmedium wurde 0,5 konzentriertes Murashige und Skoog (MS) Medium mit 2 mg/l IBA, 0,25 mg/l BAP und 0,8 % Agar verwandt. Im zweiten Teil der Arbeit werden die Versuchsreihen zur Entwicklung des Kryokonservierungsprotokolls von in vitro Sprossspitzen dargestellt. Zur Entwicklung der Methode wurden die Vorbehandlungsbedingungen verbessert und zwei Techniken, die Alginat- / Dehydrati-onsmethode und die Vitrifikationsmethode mit Hilfe der sogenannten PVS2-Lösung (Plant Vitrification solution number 2) getestet. Die optimierte PVS2-Methode erwies sich als die für Esche besser geeignete Technik und ließ sich erfolgreich zur Kryokonservierung juveniler und adulter Kulturen anwenden. Die Regenerationsraten lagen zwischen 50 und 100 % für juvenile bzw. 50 und 80 % für adulte Kulturen.

Modelling of global crop production and resulting N2O emissions

Landwirtschaft spielt eine zentrale Rolle im Erdsystem. Sie trägt durch die Emission von CO2, CH4 und N2O zum Treibhauseffekt bei, kann Bodendegradation und Eutrophierung verursachen, regionale Wasserkreisläufe verändern und wird außerdem stark vom Klimawandel betroffen sein. Da all diese Prozesse durch die zugrunde liegenden Nährstoff- und Wasserflüsse eng miteinander verknüpft sind, sollten sie in einem konsistenten Modellansatz betrachtet werden. Dennoch haben Datenmangel und ungenügendes Prozessverständnis dies bis vor kurzem auf der globalen Skala verhindert. In dieser Arbeit wird die erste Version eines solchen konsistenten globalen Modellansatzes präsentiert, wobei der Schwerpunkt auf der Simulation landwirtschaftlicher Erträge und den resultierenden N2O-Emissionen liegt. Der Grund für diese Schwerpunktsetzung liegt darin, dass die korrekte Abbildung des Pflanzenwachstums eine essentielle Voraussetzung für die Simulation aller anderen Prozesse ist. Des weiteren sind aktuelle und potentielle landwirtschaftliche Erträge wichtige treibende Kräfte für Landnutzungsänderungen und werden stark vom Klimawandel betroffen sein. Den zweiten Schwerpunkt bildet die Abschätzung landwirtschaftlicher N2O-Emissionen, da bislang kein prozessbasiertes N2O-Modell auf der globalen Skala eingesetzt wurde. Als Grundlage für die globale Modellierung wurde das bestehende Agrarökosystemmodell Daycent gewählt. Neben der Schaffung der Simulationsumgebung wurden zunächst die benötigten globalen Datensätze für Bodenparameter, Klima und landwirtschaftliche Bewirtschaftung zusammengestellt. Da für Pflanzzeitpunkte bislang keine globale Datenbasis zur Verfügung steht, und diese sich mit dem Klimawandel ändern werden, wurde eine Routine zur Berechnung von Pflanzzeitpunkten entwickelt. Die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit Anbaukalendern der FAO, die für einige Feldfrüchte und Länder verfügbar sind. Danach wurde das Daycent-Modell für die Ertragsberechnung von Weizen, Reis, Mais, Soja, Hirse, Hülsenfrüchten, Kartoffel, Cassava und Baumwolle parametrisiert und kalibriert. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass Daycent die wichtigsten Klima-, Boden- und Bewirtschaftungseffekte auf die Ertragsbildung korrekt abbildet. Berechnete Länderdurchschnitte stimmen gut mit Daten der FAO überein (R2 = 0.66 für Weizen, Reis und Mais; R2 = 0.32 für Soja), und räumliche Ertragsmuster entsprechen weitgehend der beobachteten Verteilung von Feldfrüchten und subnationalen Statistiken. Vor der Modellierung landwirtschaftlicher N2O-Emissionen mit dem Daycent-Modell stand eine statistische Analyse von N2O-und NO-Emissionsmessungen aus natürlichen und landwirtschaftlichen Ökosystemen. Die als signifikant identifizierten Parameter für N2O (Düngemenge, Bodenkohlenstoffgehalt, Boden-pH, Textur, Feldfrucht, Düngersorte) und NO (Düngemenge, Bodenstickstoffgehalt, Klima) entsprechen weitgehend den Ergebnissen einer früheren Analyse. Für Emissionen aus Böden unter natürlicher Vegetation, für die es bislang keine solche statistische Untersuchung gab, haben Bodenkohlenstoffgehalt, Boden-pH, Lagerungsdichte, Drainierung und Vegetationstyp einen signifikanten Einfluss auf die N2O-Emissionen, während NO-Emissionen signifikant von Bodenkohlenstoffgehalt und Vegetationstyp abhängen. Basierend auf den daraus entwickelten statistischen Modellen betragen die globalen Emissionen aus Ackerböden 3.3 Tg N/y für N2O, und 1.4 Tg N/y für NO. Solche statistischen Modelle sind nützlich, um Abschätzungen und Unsicherheitsbereiche von N2O- und NO-Emissionen basierend auf einer Vielzahl von Messungen zu berechnen. Die Dynamik des Bodenstickstoffs, insbesondere beeinflusst durch Pflanzenwachstum, Klimawandel und Landnutzungsänderung, kann allerdings nur durch die Anwendung von prozessorientierten Modellen berücksichtigt werden. Zur Modellierung von N2O-Emissionen mit dem Daycent-Modell wurde zunächst dessen Spurengasmodul durch eine detailliertere Berechnung von Nitrifikation und Denitrifikation und die Berücksichtigung von Frost-Auftau-Emissionen weiterentwickelt. Diese überarbeitete Modellversion wurde dann an N2O-Emissionsmessungen unter verschiedenen Klimaten und Feldfrüchten getestet. Sowohl die Dynamik als auch die Gesamtsummen der N2O-Emissionen werden befriedigend abgebildet, wobei die Modelleffizienz für monatliche Mittelwerte zwischen 0.1 und 0.66 für die meisten Standorte liegt. Basierend auf der überarbeiteten Modellversion wurden die N2O-Emissionen für die zuvor parametrisierten Feldfrüchte berechnet. Emissionsraten und feldfruchtspezifische Unterschiede stimmen weitgehend mit Literaturangaben überein. Düngemittelinduzierte Emissionen, die momentan vom IPCC mit 1.25 +/- 1% der eingesetzten Düngemenge abgeschätzt werden, reichen von 0.77% (Reis) bis 2.76% (Mais). Die Summe der berechneten Emissionen aus landwirtschaftlichen Böden beträgt für die Mitte der 1990er Jahre 2.1 Tg N2O-N/y, was mit den Abschätzungen aus anderen Studien übereinstimmt.

Studies on arbuscular mycorrhiza (AM) in the Alentejo (Portugal) using pea mutants resistant to AM fungi as a control tool for field conditions

The utilization and management of arbuscular mycorrhiza (AM) symbiosis may improve production and sustainability of the cropping system. For this purpose, native AM fungi (AMF) were sought and tested for their efficiency to increase plant growth by enhanced P uptake and by alleviation of drought stress. Pot experiments with safflower (Carthamus tinctorius) and pea (Pisum sativum) in five soils (mostly sandy loamy Luvisols) and field experiments with peas were carried out during three years at four different sites. Host plants were grown in heated soils inoculated with AMF or the respective heat sterilized inoculum. In the case of peas, mutants resistant to AMF colonization were used as non-mycorrhizal controls. The mycorrhizal impact on yields and its components, transpiration, and P and N uptake was studied in several experiments, partly under varying P and N levels and water supply. Screening of native AMF by most probable number bioassays was not very meaningful. Soil monoliths were placed in the open to simulate field conditions. Inoculation with a native AMF mix improved grain yield, shoot and leaf growth variables as compared to control. Exposed to drought, higher soil water depletion of mycorrhizal plants resulted in a haying-off effect. The growth response to this inoculum could not be significantly reproduced in a subsequent open air pot experiment at two levels of irrigation and P fertilization, however, safflower grew better at higher P and water supply by multiples. The water use efficiency concerning biomass was improved by the AMF inoculum in the two experiments. Transpiration rates were not significantly affected by AM but as a tendency were higher in non-mycorrhizal safflower. A fundamental methodological problem in mycorrhiza field research is providing an appropriate (negative) control for the experimental factor arbuscular mycorrhiza. Soil sterilization or fungicide treatment have undesirable side effects in field and greenhouse settings. Furthermore, artificial rooting, temperature and light conditions in pot experiments may interfere with the interpretation of mycorrhiza effects. Therefore, the myc- pea mutant P2 was tested as a non-mycorrhizal control in a bioassay to evaluate AMF under field conditions in comparison to the symbiotic isogenetic wild type of var. FRISSON as a new integrative approach. However, mutant P2 is also of nod- phenotype and therefore unable to fix N2. A 3-factorial experiment was carried out in a climate chamber at high NPK fertilization to examine the two isolines under non-symbiotic and symbiotic conditions. P2 achieved the same (or higher) biomass as wild type both under good and poor water supply. However, inoculation with the AMF Glomus manihot did not improve plant growth. Differences of grain and straw yields in field trials were large (up to 80 per cent) between those isogenetic pea lines mainly due to higher P uptake under P and water limited conditions. The lacking N2 fixation in mutants was compensated for by high mineral N supply as indicated by the high N status of the pea mutant plants. This finding was corroborated by the results of a major field experiment at three sites with two levels of N fertilization. The higher N rate did not affect grain or straw yields of the non-fixing mutants. Very efficient AMF were detected in a Ferric Luvisol on pasture land as revealed by yield levels of the evaluation crop and by functional vital staining of highly colonized roots. Generally, levels of grain yield were low, at between 40 and 980 kg ha-1. An additional pot trial was carried out to elucidate the strong mycorrhizal effect in the Ferric Luvisol. A triplication of the plant equivalent field P fertilization was necessary to compensate for the mycorrhizal benefit which was with five times higher grain yield very similar to that found in the field experiment. However, the yield differences between the two isolines were not always plausible as the evaluation variable because they were also found in (small) field test trials with apparently sufficient P and N supply and in a soil of almost no AMF potential. This similarly occurred for pea lines of var. SPARKLE and its non-fixing mycorrhizal (E135) and non-symbiotic (R25) isomutants, which were tested in order to exclude experimentally undesirable benefits by N2 fixation. In contrast to var. FRISSON, SPARKLE was not a suitable variety for Mediterranean field conditions. This raises suspicion putative genetic defects other than symbiotic ones may be effective under field conditions, which would conflict with the concept of an appropriate control. It was concluded that AMF resistant plants may help to overcome fundamental problems of present research on arbuscular mycorrhiza, but may create new ones.

Precision mapping

The nondestructive determination of plant total dry matter (TDM) in the field is greatly preferable to the harvest of entire plots in areas such as the Sahel where small differences in soil properties may cause large differences in crop growth within short distances. Existing equipment to nondestructively determine TDM is either expensive or unreliable. Therefore, two radiometers for measuring reflected red and near-infrared light were designed, mounted on a single wheeled hand cart and attached to a differential Global Positioning System (GPS) to measure georeferenced variations in normalized difference vegetation index (NDVI) in pearl millet fields [Pennisetum glaucum (L.) R. Br.]. The NDVI measurements were then used to determine the distribution of crop TDM. The two versions of the radiometer could (i) send single NDVI measurements to the GPS data logger at distance intervals of 0.03 to 8.53 m set by the user, and (ii) collect NDVI values averaged across 0.5, 1, or 2 m. The average correlation between TDM of pearl millet plants in planting hills and their NDVI values was high (r^2 = 0.850) but varied slightly depending on solar irradiance when the instrument was calibrated. There also was a good correlation between NDVI, fractional vegetation cover derived from aerial photographs and millet TDM at harvest. Both versions of the rugged instrument appear to provide a rapid and reliable way of mapping plant growth at the field scale with a high spatial resolution and should therefore be widely tested with different crops and soil types.