Themen für Studienprojekte und Graduierungsarbeiten
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.
Phasenspezifische Reaktionsvariabilität der Ertragskomponente von Winterweizen auf Umweltschwankungen während der generativen Entwicklung
Die Ertragskomponente von Winterweizen umfassen die Ährenanzahl, die Kornanzahl pro Ähre und das Tausendkorngewicht. Ihre Formation bestimmt den Kornertrag, jedoch variieren sie erheblich unter Feldbedingungen aufgrund signifikanter positiver oder negativer Effekte von Umweltschwankungen während ihrer Entwicklung. Daher ist es wichtig, die sorten- und phasenspezifischen Auswirkungen kurzfristiger Schwankungen in Umweltvariablen auf die Formation der Ertragskomponente zu verstehen. In diesem Projekt werden zwei Datensätze aus groß angelegten Feldexperimenten mithilfe eines innovativen statistischen Ansatzes analysiert, um die sorten- und phasenspezifischen linearen oder nichtlinearen Reaktionen der Ertragskomponente auf Umweltvariablen zu identifizieren. Anschließend werden sensible und nicht sensible Sorten für die Validierung in zwei Reihen von Gewächshaus- und Klimakammerexperimenten ausgewählt.
Forschungsprojekt: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Themenbereich: Pflanzenbau, Pflanzenernährung, Agrartechnik
Bearbeitungsbeginn: sofort
Typ: Datenauswertung
Dynamische Anpassung der Quellenkapazität an fluktuierende Licht- und Temperaturumgebungen
Weizen ist eine der wichtigsten Nahrungspflanzen weltweit und hohe Erträge von Weizen tragen maßgeblich zur globalen Ernährungssicherheit bei. Erfolgreiche Züchtung hat die Erträge im letzten Jahrhundert kontinuierlich gesteigert, doch die Ausschöpfung des Ertragspotenzials wird zunehmend durch klimatische Herausforderungen und regulatorische Beschränkungen im Pflanzenbau limitiert. Unsere umfangreichen Vorarbeiten zeigten, dass in erster Linie kontextabhängige Senke-Quelle-Beziehungen das Ertragspotenzial einschränken. Ziel dieses Teilprojekts im Paketantrag "Weizen Senke-Quelle-Beziehungen und Grenzen (WheatSouSi)" ist es, die Auswirkungen von Umweltfluktuationen auf die Formation, Akklimatisierung und Limitierung der Quellenkapazität zu verstehen. Pflanzen passen ihre photosynthetische Kapazität ständig an fluktuierende Licht- und Temperaturumgebungen an. Diese Anpassung (Akklimatisierung) beruht auf dynamischen physiologischen Prozessen, die Größe und Leistungsfähigkeit der photosynthetischen Organe beeinflussen. Um die Ergebnisse zu synthetisieren, werden Strukturgleichungsmodelle verwendet, um die Stärke und Signifikanz kausaler Wechselwirkungen zwischen physiologischen Merkmalen, Quelle-Stärke, Senke-Stärke und Kornertrag systematisch zu testen.
Forschungsprojekt: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Themenbereich: Pflanzenzüchtung, Pflanzenpathologie
Bearbeitungsbeginn: sofort
Typ: Experimentelle Arbeit oder Datenauswertung
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)
Themenbereich: Ertragsphysiologie, Pflanzenzüchtung
Bearbeitungsbeginn: sofort
Typ: Experimentelle Arbeit
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)
Themenbereich: Ertragsphysiologie, Pflanzenzüchtung
Bearbeitungsbeginn: sofort
Typ: Experimentelle Arbeit oder chemische Analyse oder Datenauswertung
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.)
Themenbereich: Ökophysiologie, Pflanzenzüchtung
Bearbeitungsbeginn: sofort
Typ: Experimentelle Arbeit
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.
Themenbereich: Ertragsphysiologie, Ökophysiologie
Bearbeitungsbeginn: sofort
Typ: Mathematische Modellierung
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