Humboldt-Universität zu Berlin - Albrecht Daniel Thaer-Institut für Agrar- und Gartenbauwissenschaften

Intensive Plant Food Systems (Betreuer Prof. Chen und Mitarbeiter*innen):

Generelle Hinweise:

-Die folgenden Themen erfordern eine statistische Bearbeitung der Ergebnisse. Dafür nutzen wir "R". Mit den folgenden online-Kursen können Sie Schritt für Schritt R selber beibringen:

https://librarycarpentry.org/lc-r/

https://swcarpentry.github.io/r-novice-gapminder/

-Bitte schauen Sie nach, ob Sie schon diese Vorkenntnisse haben. Sie werden beim Einarbeiten in das Programm und bei der Bearbeitung der Ergebnisse durch unser Team begleitet.

-Zusätzlich zur schriftlichen Arbeit muss ein R-Skript mit den Rohdaten eingereicht werden, mit dem sich die Ergebnisse reproduzieren lassen, sowie der Zugang zu den Daten in der HU-Box gewährt werden.

Vermeidung züchterischer Selektionsfehler in den frühen Generationen (F2-F4) durch Berück­sichtigung der Konkurrenzfähigkeit

Die Selektion in den F2 bis F4 Generationen ist der wichtigste Schritt im Züchtungsverfahren. Die Pflanzenbestände dieser Generationen sind heterogen. Eine theoretische Studie über Mais (Chen et al., 2019, Journal of Experimental Botany) sowie eine experimentelle Arbeit mit Winterweizen (Weiner et al., 2017, Ecology, 98:2261–2266) lassen vermuten, dass die Konkurrenzfähigkeit eines Genotyps in einem heterogenen Pflanzenbestand dessen Ertragsleistung beeinflusst. In diesem Zusammenhang soll untersucht werden, welche Pflanzeneigenschaften für Konkurrenzfähigkeit eine Rolle spielen (z.B. Lichtaufnahme von Sprossen und Nährstoffaufnahme von Wurzeln) und wie man die Konkurrenzfähigkeit quantifizieren kann. Mithilfe der Ertragsleistung eines Genotyps aus einem heterogenen Bestand und dessen Konkurrenzfähigkeit, soll zusätzlich die Ertragsleistung dieses Genotyps in einem homogenen Bestand prognostiziert werden. (Kultur: Winterweizen).

Forschungsprojekt: DFG Emmy Noether Programm (2021-2026)

Nährstoffaufnahme (N und P) und Nährstoffflüsse zwischen Produktionssysteme und Ernteorganen bei hydroponischem Gemüseanbau

Stickstoffs- und Phosphorbedarf der Gemüse sind hoch. Wie schnell und wann Nährstoffe von Pflanzen aufgenommen werden können, ist immer noch unklar. In dieser Arbeit sollen N- und P-Flüsse zwischen Nährlösung und Pflanzenorgane in Abhängigkeit kontrollierbarer Produktionsparameter untersucht werden, um Einflussgrößen zu identifizieren, mit deren Regelung die N- und P-Flüsse so gesteuert werden können. Dadurch sollen der Ertrag und der Nährwert für den Konsumenten sowie die Nährstoffeffizienz erhöht werden. (Kultur: Pak Choi, Gurke oder Tomate)

Forschungsprojekt: BMBF CUBES Circle (2020-2024)

Pflanzenzüchterische Innovationen – Ist die Speicherkapazität von Stickstoff und Kohlenhydraten wichtig für die Ertragsstabilität?

Die Erträge der Weizensorten wurden im Laufe der letzten 50 Jahre erheblich verbessert, aber nicht die Ertragsstabilität. In dieser Arbeit wird die Hypothese getestet, dass die vegetativen Organe ertragsstabiler Weizensorten eine höhere Speicherkapazität für Stickstoff und Kohlenhydrate haben, die in der generativen Phase in die Körner verlagert werden können. (Kultur: Winterweizen)

Forschungsprojekt: DFG Ertragsstabilität (2018-2022)

Physiologische Grundlage für Ertragsstabilität im Winterweizen

Die Ertragsstabilität von Winterweizen ist eine wichtige Sorteneigenschaft für die deutschen Landwirte. Unser Wissen über die physiologischen Mechanismen, die zur Ertragsstabilität führen, ist bis heute sehr begrenzt. In dieser Arbeit geht es darum, die Ertragsstabilität mithilfe eines großmaßstäblichen Modellierungsansatzes in Kombination mit Phänomik neu zu betrachten. Eine Hypothese wäre, dass die Weizensorten, die während der vegetativen Phase ihren Pflanzenbestand stabiler entwickeln können, auch stabiler im Ertrag sind, da Stickstoff und wasserlöslicher Kohlenstoff in den vegetativen Organen für die Kornfüllung gespeichert werden können.  (Kultur: Winterweizen)

Forschungsprojekt: DFG Ertragsstabilität (2018-2022)

Einflüsse des Ploidiegrads auf morphologische (Blattanatomie) und physiologische (Gasaustausch und Stresstoleranz) Eigenschaften der Pflanzen

Veränderung des Ploidiegrads ist eine pflanzenzüchterische Möglichkeit, Kulturpflanzen zu verbessern. Die morphologischen Änderungen durch Ploidiegradveränderung beeinflussen auch die physiologischen Funktionen der Pflanzen, z.B. Transpiration und CO₂-Aufnahme. In dieser Arbeit werden die Einflüsse des Ploidiegrads in Brassica spp. (Mason et al., 2014, New Phytologist) auf morphologische und physiologische Merkmale untersucht, um die Beziehung zwischen Genomgröße und Merkmalausprägung zu klären. (Kultur: Brassica spp.)

Theoretische Grundlagen der Photosyntheseeffizienz auf Bestandesebene (Canopy Enhance­ment)

Die photosynthetische Effizienz auf der Bestandsebene (canopy) ist höher als die auf der Blattebene. Was entscheidend ist für die Größe dieser Verstärkung der photosynthetischen Effizienz bleibt aber immer schwer fassbar. In dieser Arbeit soll das Phänomen der Bestandsverstärkung mittels Modellierung und Sensitivitätsanalyse des Modells untersucht werden. Diese Analyse wird den Einblick in die Erhöhung der Lichtnutzungseffizient und die Gestaltung der Pflanzenarchitektur ermöglichen.

Nicht-destruktive Messverfahren für die Bestimmung von Blattmorphologie und Stomataphysiologie

Stomata spielen eine entscheidende Rolle beim Gaswechsel für Photosynthese und Transpiration. Bisher werden destruktive Methoden zur Bestimmung von Stomatagröße und –dichte sowie physiologische Messungen zum Gaswechsel eingesetzt. Auf der einen Seite erhält man ein statisches Bild über ein Segment der Blattfläche auf der anderen Seite misst man eine dynamische integrierte Größe, die sowohl durch Anzahl, Größe, Öffnungsweite und –Geschwindigkeit der Stomata bestimmt wird. Mit dem Handmikroskop ProScope5 kann nicht-destruktiv neben Stomatagröße und –dichte auch die Anzahl der reagierenden Stomata und ihre Porengröße erhoben werden (Liang et al., 2022. Plant Biotechnology 20:577–591, https://doi.org/10.1111/pbi.13741; Dunn et al, 2019, J Exp Bot 70: 4737–4747, 2019, https://academic.oup.com/jxb/article/70/18/4737/5512262; Wall et al., 2022, New Phytologist, https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/nph.18257)

Das gleiche Blatt kann damit unter verschiedenen Umwelteinflüssen untersucht werden. Durch die Schnelligkeit der Messung könnte Geschwindigkeit der Öffnung erhoben werden und können verschiedene Blattbereiche verglichen werden. Diese Methodik könnte genutzt werden, um

• Weizensorten unter Standardwachstumsbedingungen hinsichtlich adaxialen und abaxialen Epidermiseigenschaften (genetische Variabilität) zu vergleichen, oder
• unterschiedlich leistungsfähigen Weizensorten unter verschiedenen Licht- und Temperaturbedingungen zu vergleichen (phänotypische Plastizität), oder
• Reaktionsmuster von Blättern unterschiedlicher Entwicklungsstadien und unterschiedlicher Blattsegmente zu untersuchen (intragenotypische Variabilität), oder
• die Epidermiseigenschaften mit Gaswechselmessungen (LiCor) zu vergleichen, oder
• die Einsetzbarkeit der Methode für verschiedenen Pflanzenarten zu testen.

Themenbereich: Blattmorphologie, Stomataphysiologie, Ökophysiologie

Bearbeitungsbeginn: sofort oder nach Vereinbarung mit Prof. Tsu-Wei Chen)

Typ: Experimentelle Arbeit, Mathematische Modellierung

What does “Speed Breeding” select?

The method of "speed breeding" is presented as a solution to address the slow improvement rate of crops due to their long generation times (Watson et al., 2018. Nature Plants 4:23-29 https://www.nature.com/articles/s41477-017-0083-8). By using fully enclosed growth chambers with supplemental LED lighting, this technique allows for up to six generations per year for certain crops, such as wheat, barley, chickpea, and pea, instead of the usual 2-3 generations. This accelerated breeding method can greatly accelerate research programs and has the potential to be integrated with other modern crop breeding technologies, leading to a faster rate of crop improvement. Despite its benefits, there are concerns if results from speed breeding technique can are representative for field environment, since the plants are selected in artificial environments and it remains uncertain whether only the plant traits specifically adaptive to enhancing fitness under these controlled conditions are being selected. In a previous study (Voss-Fels et al., 2019. Nature Plants 5:706-714. https://www.nature.com/articles/s41477-019-0445-5), we assessed the grain yield and straw biomass performance of a breeding panel consisting of 60 winter wheat genotypes with diverse phenotypes under field conditions. The primary objective of this study is to investigate whether the speed breeding conditions can effectively select, from the 60 genotypes, the desired genotypes that exhibit high performance under field environments. Furthermore, if the desired genotypes are not selected, we aim to explore whether the observed differences can be attributed to the phenotypic plasticity of these genotypes.

Subject area: plant breeding leaf morphology, stomata physiology, ecophysiology

Start of work:  immediately after contact with Prof. Tsu-Wei Chen

Type: Experimental work and data analyses or statistic modelling

Obstbau:

Betreuer: Dr. S. Müller

- Mykorrhiza-Applikation bei Kulturheidelbeeren

- Die Kommerzialisierung des Obstbaus am Beispiel von Karls Erdbeerhof Elstal

- Obst als Nahrungsergänzungsmittel

Bei Interesse bitte sofort melden bei

susann.mueller@cms.hu-berlin.de

Erdbeerzüchtung

Untersuchung der Salztoleranz in einer F2 Erdbeer-Modell-Population

Salztoleranz ist sehr wichtig für den Anbau in intensiven, geschützten Anbausystemen, da in diesen die Möglichkeit besteht, die Pflanzen maximal zu düngen, damit maximale Erträge erzielt werden können. Das birgt gleichzeitig die Gefahr der Überdüngung und der Schädigung durch hohe Salzgehalte im Substrat. Bei Erdbeeren setzt sich zunehmend die Substratkultur im geschützen Anbau durch.

Wildarten der Gattung Fragaria L. zeigen Salztoleranz, z. B. die Akzession Fragaria chiloensis subsp. lucida USA, die nahe der "Golden Gate Brücke" gesammelt wurde. In diesen Habitaten sind die natürlichen Vorkommen der Erdbeere in der Nähe zum Meer mit seinem Salzeintrag angepaßt und zeigen Eigenschaften von Halophyten.

Diese Salzverträglichkeit soll für die Züchtung neuer, salztoleranter Sorten genutzt werden. Dazu sind Kenntnisse zur Vererbbarkeit dieser Eigenschaft und zum physiologischen Verhalten in unterschiedlich hohen Salzkonzentrationen erforderlich.

Zum Versuch:

• Bearbeitung einer bereits existierenden und vorbereiteten Modellpopulation (95 Genotypen mit je 10 Pflanzen sowie die Kreuzungseltern) (Hinweis auf die Population: DOI:10.1101/2020.06.12.148015)
• Experiment unter Gewächshausbedingungen (Hansabred GmbH & Co.KG, Radeburger Landstr. 12, 01108 Dresden)
• Untersuchung physiologischer Reaktionen unter Salzstress (Chlorophyllgehalt, Blattnekrosen, Wachstum, Gaswechsel)
• Daten-Management und Selektion von besonders salztoleranten Typen

Themenbereich: Salztoleranz, Ökophysiologie, Erdbeerzüchtung, genetische Ressourcen

Bearbeitungsbeginn:  März 2023 (Betreuer: Prof. Tsu-Wei Chen/ PD Dr. Klaus Olbricht)

Typ: Experimentelle Arbeit und Datenverarbeitung bzw. mathematische Modellierung

Weitere Themen für Studienprojekte und Graduierungsarbeiten können direkt mit den Lehrenden vereinbart werden.

Hinweise zur Anfertigung der schriftlichen Arbeit und zur Verteidigung erfragen Sie bitte bei dem/der Betreuer*in