Agrar-, Ernährungs- und Ingenieurwissenschaftliche Fakultät

European land use and land cover futures: a global computable general equilibrium assessment with sub-national detail and a climate application

Tue, 28 Jul 2026 00:00:00 GMT

European land use and land cover futures: a global computable general equilibrium assessment with sub-national detail and a climate application Goebel, Theresa Land constitutes a fundamental foundation for human life and well-being. Beyond providing agricultural land, habitats, and spaces for retreat and recreation, it plays a crucial role in sustaining biodiversity and functioning ecosystems, and it is a key component of the climate system. Today, humanity already uses more than 70% of the global ice-free land surface, making land use and land cover one of the most significant anthropogenic influences on the Earth system.
While humanity has long benefited from changes in land use and land cover, these are now increasingly associated with significant environmental pressures, including land degradation, nutrient run-off, biodiversity loss, and the release of greenhouse gas emissions. In the context of growing land demand and increasingly globalised supply chains, a key challenge for society is therefore to manage land in a way that simultaneously meets social, economic, and environmental objectives.
To address uncertainties in future land use and land cover developments, land and climate research examines various socio-economic development scenarios. Within these scenarios, key drivers of land use and land cover change are quantified based on consistent, predefined narratives. This enables a systematic analysis of potential future developments and their socio-economic and environmental impacts.
The main contribution of this dissertation lies in the development of a new methodological approach for generating land use and land cover scenarios. This approach is based on the computable general equilibrium modelling platform CGEBox and quantifies the five so-called Shared Socio-Economic Pathways up to 2050. Compared to existing approaches, it improves both the transparency and the flexibility of scenario development. Furthermore, the new quantifications combine global economic consistency with a high level of regional and sectoral detail and enhance the representation of socio-economic processes.
As part of this work, the new land use and land cover projections are further used in a climate application to analyse land-atmosphere feedbacks resulting from land cover changes. By integrating socio-economic modelling, spatial downscaling, and physically consistent regional climate simulations, a new conceptual framework enables a coherent analysis of these effects across different scales.
Overall, this dissertation contributes to an improved understanding of how socio-economic uncertainties translate into regional land use and land cover dynamics and associated climate impacts. These insights support economically grounded land use and land cover planning, as well as the design and assessment of land-based adaptation and mitigation measures, and policy-relevant decision-making.

Transgenerationale Effekte von erhöhter Temperatur auf Samen- und Keimlingseigenschaften von Arabidopsis thaliana Histondeacetylase-Mutanten

Wed, 22 Jul 2026 00:00:00 GMT

Transgenerationale Effekte von erhöhter Temperatur auf Samen- und Keimlingseigenschaften von Arabidopsis thaliana Histondeacetylase-Mutanten Klasen, Daniel Pflanzensamen dienen zur Erhaltung und Verbreitung der Art, z.B. durch Überdauern im Boden und Erschließen neuer Lebensräume durch Wind und Tiere. Dafür sind von der Mutterpflanze beeinflusste Sameneigenschaften, wie das Keimverhalten und die Samenmorphologie von besonderer Relevanz. Die detaillierte Untersuchung des maternalen Einflusses erfordert eine individuelle Bestimmung des Phänotyps von Samen (Volumen, Masse etc.) und Keimlingen (Wachstum, Keimungszeitpunkt). Dies ist aufwendig und bei dem hier untersuchten Modellorganismus Arabidopsis aufgrund der äußerst geringen Samen- und Keimlingsgröße auch technisch herausfordernd. Daher wurde zunächst eine Seed-to-Plant Tracking Pipeline entwickelt und getestet, die aus verbesserten Versionen der Phänotypisierungs-Plattformen phenoSeeder (Sameneigenschaften) und Growscreen (Keimungsdetektion und Wachstum) besteht und eine verlässliche, präzise und automatisierte Charakterisierung von Arabidopsis-Samen und -Keimlingen ermöglicht. Das Seed-to-Plant Tracking wurde genutzt, um den Einfluss von transgenerationalem Stress zu untersuchen, indem Eigenschaften von Samen und Keimlingen gemessen und miteinander korreliert wurden, bei denen die Mutterpflanze vom Beginn der Blüte bis zur Samenernte erhöhter Temperatur ausgesetzt war. Diese Behandlung wurde sowohl über zwei aufeinanderfolgende Generationen als auch jeweils nur für die Eltern- bzw. Großelterngeneration durchgeführt. Beim Wildtyp Col-0 führte eine erhöhte Temperatur in der Elterngeneration zu einem Anstieg der Samenmasse und einer Abnahme der Samenhelligkeit. Weiterhin korrelierten Wachstum und Samenmasse positiv miteinander, dabei hing die Stärke der Abhängigkeit von der Behandlung ab.Die Effekte der erhöhten Temperatur konnten als plastisch identifiziert werden, da die Behandlung der Großeltern keine wesentlichen Auswirkungen auf die Messgrößen hatte. Mittels einer Transkriptomanalyse wurden Transkripte von Hitzeschockproteinen sowie Gene, welche im Zusammenhang mit Nährstoffspeicherung und ABA stehen, ermittelt, welche den Phänotyp beeinflussen könnten. Weiterhin wurden Effekte von Mutationen der pflanzenspezifischen Histon-deacethylasen (HDAC) in Interaktion mit der erhöhten Temperatur quantifiziert. Die Untersuchung des Phänotyps und der Expression erfolgte in Referenz zu Col-0. Die HDACs scheinen eine gewisse funktionelle Redundanz untereinander zu haben. Die hd2b-kd wies in allen Behandlungen jedoch die größte Anzahl unterschiedlich exprimierter Gene auf. Daher wurden Kombinationen des HD2B-knockdown mit anderen HDACs-knockouts untersucht. Die Tripelmutante hd2a/hd2b/hd2d besaß eine stark reduzierte Keim- und Wachstumsrate, verursacht durch die Kombination der hd2a-ko und hd2b-kd. Die HD2B scheint eine wichtige Rolle bei der Regulation von Genen der Samenentwicklung und des ABA-Gleichgewichts sowie der Stressreaktion auf erhöhte Temperatur zu spielen und wäre daher ein wichtiger Gegenstand für zukünftige Untersuchungen.; Transgenerational effects of elevated temperature on seed and seedling properties of Arabidopsis thaliana histone deacetylase mutants
Plant seeds are especially important in ensuring the distribution of a species, either by persisting within the soil or by being dispersed through animals or the wind to new habitats. In this regard seed characteristics influenced by the mother plant, such as germination behaviour and seed morphology are particularly relevant. A detailed investigation of the maternal influence requires the individual determination of seed- (volume, mass etc.) and seedlings- (growth and germination time) phenotype. This process is time-consuming and technically demanding, especially in the case of the model organism Arabidopsis due to the extremely small size of its seeds and seedlings. For this purpose, a Seed-to-Plant Tracking Pipeline was developed and tested. This pipeline uses optimised versions of the phenoSeeder (seed traits) and Growscreen (germination detection and growth) platforms to achieve a reliable, precise, and automated quantification of the Arabidopsis phenotype. The Seed-to-Plant Tracking was employed to investigate the effect of transgenerational stress by characterization and correlation of seed and seedlings traits, where the mother plant was treated with treated with elevated temperature from the beginning of flowering until seed harvest. This treatment was carried out over two successive generations as well as for the grandparent or parent generation, respectively. In the wildtype (Col-0), elevated temperatures resulted in an increase in seed mass and a decrease in seed brightness. Furthermore, a positive correlation was found between seed mass and growth rate. The strength of this correlation varied across the different treatments. The effects of elevated temperature could be identified as plastic, as the treatment of the grandparent showed no significant impact on the measured variables. The Transcriptome analysis (RNA-Seq) detected transcripts of heat shock protein, nutrient storage and ABA responsive genes, which may lead to a changed phenotype. Furthermore, the effects of mutations in plant-specific histone deacetylase (HDAC) in interaction with elevated temperature were quantified. The phenotype and gene expression were examined in reference to Col-0. The HDAC appear to have a certain functional redundancy among themselves. However, hd2b-kd showed the largest number of differentials expressed genes in all treatments. Therefore, combinations of the HD2B-knockdown with other HDAC-knockouts were investigated. The triple mutant hd2a/hd2b/hd2d had greatly reduced germination and growth rate, caused by the combination of hd2a-ko and hd2b-kd. The current results indicate that HD2B may have an important role in seed development and ABA balance, as well as stress reaction to elevated temperature, which should be further investigated in the future.

Deriving surface water level and discharge from improved nadir- and early SWOT altimetry observations

Tue, 21 Jul 2026 00:00:00 GMT

Deriving surface water level and discharge from improved nadir- and early SWOT altimetry observations Chen, Jiaming Reliable observations of river water levels and discharge are essential for water security, flood and drought risk management, and inland navigation. However, in-situ gauge networks are often sparse, unevenly distributed, and affected by delays in data availability. In particular, the declining number of terrestrial gauge measurements of water level and river discharge in main repositories, such as the Global Runoff data Center (GRDC) poses a major problem. At the same time, increasing hydrological variability is creating demand for observational systems that are robust and scalable across political borders and remote basins.
Satellite radar altimetry has evolved from its origins in oceanography into an important technique for monitoring inland water levels. Advances in Synthetic Aperture Radar (SAR) modes, including Delay-Doppler and Fully Focused SAR (FFSAR) processing, have significantly improved along-track resolution and measurement quality over hydrologically complex environments such as narrow and braided rivers. These techniques are now operationally implemented on missions including Sentinel-3 and Sentinel-6. Furthermore, the SWOT mission introduces wide-swath interferometric techniques, enabling two-dimensional mapping of water elevation, extent, and slope. These observations offer unprecedented potential for consistent, high-frequency monitoring of river systems from regional to global scales.
This thesis has two primary objectives. First, it focuses on the development, implementation, and assessment of SAR altimetry processing methods tailored to inland water bodies for the accurate estimation of water surface elevation and time-varying river slope. Second, it develops and evaluates a joint framework for estimating river discharge by combining multi-altimetry data from both nadir altimetry and SWOT, Sentinel-1 imagery, and supplementary information such as prior mean discharge or bathymetry. This integrated approach exploits complementary spatio-temporal sampling to advance hydrological monitoring across diverse river systems.
For the first objective, a refined frequency-domain Omega–Kappa FFSAR Level-1B processor is developed and implemented for Sentinel-3A, Sentinel-3B, and Sentinel-6A. The resulting FFSAR waveforms are then processed using the SAMOSA+ retracker, and the water level estimates are further improved by considering prior water masks and a constant slope derived from SWOT River Database (SWORD). In addition, an automated off-nadir processing method is introduced within the FFSAR radargram, enabling the retrieval of longitudinal water surface profiles and time-varying slopes in the cross-track direction beyond the limitations of nadir altimetry, thereby enabling spatiotemporal mapping of river profiles using nadir altimeters. Validation against in-situ data indicates that water levels derived from FFSAR exhibit improved accuracy compared to Hydroweb products, with off-nadir processing further reducing standard deviation of difference (STDD) to below 10 cm. Time-varying slope estimates achieve an accuracy of better than 1 cm/km.
As part of the second objective, four flow law parameter estimations (FLPEs) algorithms (Metro-Man, Momma, NeoBAM, and SIC4DVar) are evaluated under consistent preprocessing conditions to assess their performance in estimating unconstrained discharge from SWOT observations over European rivers. The biases are analyzed in relation to reach-scale depth characterization and Manning roughness parameterization. Furthermore, three complementary nadir-altimetry-based discharge estimation methods are developed to extend the temporal coverage of SWOT: (1) Manning-equation-based estimation combining FFSAR water levels with prior bathymetry; (2) rating curves calibrated using concurrent SWOT stage-discharge pairs and applied to FFSAR water levels; and (3) off-nadir discharge retrieval within the Confluence framework by integrating FFSAR river profiles and Sentinel-1-derived widths. Collectively, these approaches establish a consistent, multi-sensor discharge ensemble that advances reach-scale discharge estimation and improves applicability in sparsely gauged and ungauged basins.; Zuverlässige Beobachtungen von Flusswasserständen und Abflüssen sind entscheidend für die Wassersicherheit, das Management von Hochwasser- und Dürrerisiken sowie die Binnenschifffahrt. Allerdings sind stationäre Messnetze oft räumlich lückenhaft, ungleichmäßig verteilt und unterliegen Verzögerungen in der Datenverfügbarkeit. Insbesondere die abnehmende Anzahl terrestrischer Messungen von Wasserstand und Abfluss in zentralen Datenbanken wie dem GRDC stellt ein großes Problem dar. Gleichzeitig verschärft sich die hydrologische Variabilität, was die Nachfrage nach robusten und skalierbaren Beobachtungssystemen erhöht, die über politische Grenzen und entlegene Einzugsgebiete hinweg einsetzbar sind.
Die Satelliten-Radaraltimetrie hat sich von einem ozeanographischen Werkzeug zu einer wichtigen Technik für die Überwachung von Binnenwasserständen entwickelt. Fortschritte in SAR-Verfahren, einschließlich der Delay-Doppler- und FFSAR-Prozessierung, haben die Entlang-der-Bahn-Auflösung und Messqualität in hydrologisch komplexen Umgebungen wie schmalen und verzweigten Flüssen erheblich verbessert. Diese Techniken werden operationell auf Missionen wie Sentinel-3 und Sentinel-6 eingesetzt. Darüber hinaus führt die SWOT-Mission weitstreifige interferometrische Verfahren ein, die eine zweidimensionale Kartierung von Wasserhöhe, Überflutungsausdehnung und Gefälle ermöglichen. Diese Beobachtungen bieten ein bisher unerreichtes Potenzial für konsistente, Beobachtung mit hoher zeitlicher Auflösung von Flusssystemen auf regionaler bis globaler Skala.
Diese Arbeit verfolgt zwei Hauptziele. Erstens konzentriert sie sich auf die Entwicklung, Implementierung und Bewertung von SAR-Altimetrie-Verfahren, die für Binnengewässer angepasst sind, um die Wasseroberflächenhöhe und zeitlich variable Flussgefälle genau zu bestimmen. Zweitens implementiert und evaluiert sie einen gemeinsamen Rahmen zur Schätzung von Abfluss durch die Kombination von Altimetriedaten aus verschiedenen Missionen (sowohl von Nadir-Altimetrie als auch SWOT), Sentinel-1-Bilddaten und Zusatzinformationen wie vorherigen mittleren Abflusswerten oder Bathymetrie. Dieser integrierte Ansatz nutzt komplementäre räumlich-zeitliche Abtastung, um die hydrologische Überwachungsfähigkeit in verschiedenen Flusssystemen zu verbessern.
Für das erste Ziel wurde ein verbesserter Omega–Kappa-FFSAR-Level-1B-Prozessor im Frequenzbereich für Sentinel-3A/-3B und Sentinel-6A entwickelt und implementiert. Die resultierenden FFSAR-Wellenformen werden mit dem SAMOSA+-Retracker verarbeitet, und die Wasserstandsschätzungen werden weiter verbessert, indem vorherige Wassermasken und ein konstantes, aus SWORD abgeleitetes Gefälle berücksichtigt werden. Zusätzlich wird eine automatisierte Off-Nadir-Prozessierungsmethode innerhalb des FFSAR-Radargramms eingeführt. Diese ermöglicht die Erfassung longitudinaler Wasseroberflächenprofile sowie zeitlich variabler Gefälle in Querspurrichtung über die bisherigen Grenzen der Nadir-Altimetrie hinaus und so die räumlich-zeitliche Profilkartierung von Flüssen mit Nadir-Altimetern erlaubt. Validierungen gegen In-situ-Daten zeigen, dass aus FFSAR abgeleitete Wasserstände eine bessere Genauigkeit aufweisen, vergleichbar mit Hydroweb-Produkten, wobei die Off-Nadir-Prozessierung die STDD auf unter 10 cm reduziert. Schätzungen des zeitlich variablen Gefälles erreichen eine Genauigkeit von besser als 1 cm/km.
Im Rahmen des zweiten Ziels werden vier FLPEs-Algorithmen (MetroMan, Momma, NeoBAM und SIC4DVar) unter konsistenten Vorverarbeitungsbedingungen zunächst evaluiert, um ihre Leistung bei der Schätzung von unkalibriertem Abfluss aus SWOT-Beobachtungen in europäischen Flüssen zu bewerten; die systematischen Fehler werden durch Charakterisierung der Wassertiefe auf Abschnittsebene und Manning-Rauigkeitsparametrisierung analysiert. Des Weiteren werden drei komplementäre, auf Nadir-Altimetrie basierende methoden zur Abflussschätzung entwickelt, um die zeitliche Abdeckung von SWOT zu erweitern: (1) auf der Manning-Gleichung basierende Schätzung, die FFSAR-Wasserstände mit vorheriger Bathymetrie kombiniert; (2) Pegel-Abfluss-Beziehungen, kalibriert mit gleichzeitigen SWOT-Pegel-Abfluss-Paaren und angewendet auf FFSAR-Wasserstände; und (3) Off-Nadir-Abflussbestimmung innerhalb des Confluence-Rahmens durch Integration von FFSAR-Flussprofilen und Sentinel-1-abgeleiteten Breiten. Gemeinsam bilden diese Ansätze ein konsistentes, multisensorisches Abfluss-Ensemble, das die Abflussschätzung auf der Ebene von Flussabschnitten voranbringt und die Anwendbarkeit in spärlich beobachteten und unbeobachteten Einzugsgebieten verbessert.

Investigating the Interactions of the Gut Microbiome, Metabolism, and Hormones in Individual Dietary Responses: A Pathway to Personalized Nutrition

Thu, 09 Jul 2026 00:00:00 GMT

Investigating the Interactions of the Gut Microbiome, Metabolism, and Hormones in Individual Dietary Responses: A Pathway to Personalized Nutrition Schieren, Alina Malin The global rise in lifestyle-associated cardiometabolic diseases calls for personalized nutritional strategies to address highly variable individual responses to dietary interventions. This thesis investigated the complex interactions between diet, the gut microbiome, metabolism, and hormones. By evaluating individual responses to two plant-based dietary patterns—a Nordic diet and a Vegetarian diet—in a cohort with elevated cardiometabolic risk using integrative multi-omics analyses, this research identified distinct baseline and diet-induced signatures that separate "Responders" from "Non-Responders" as defined based on their LDL-cholesterol changes. Notably, a cross-over trial proved that participants classified as “Non-Responders” to one diet could successfully achieve Responder status when transitioned to the alternative diet. Additionally, this work demonstrated that glucose tolerance may fluctuate across the menstrual cycle, with emerging evidence suggesting that the gut microbiome may influence this association. Moreover, this thesis provides evidence that postprandial GLP-1 secretion is altered by metabolic conditions (such as diabetes and overweight) and is strongly influenced by meal composition. Ultimately, these findings show that utilizing multi-omics signatures and accounting for hormonal variations may significantly improve the effectiveness of targeted dietary interventions, offering a powerful tool for personalized disease prevention and health optimization.