In lactating cows, intensive genetic selection for improved milk production has been associated with reduced reproductive capacity, leading to increased early embryo loss. During post-calving lactation, the cow’s dietary intake is outmatched by the energy needed for biological processes causing the cow to enter a state of negative energy balance, associated with a perturbed metabolism. This thesis project aimed to investigate the impact of this transient metabolic stress on the epigenetic profile of genes involved in developmental competency of gametes and embryos in lactating cows. To do so, oocytes were collected during early and mid postpartum period from metabolically profiled multiparous cows as well from nulliparous heifers. Comparatively, in vitro derived early cleaving embryos were cultured in vivo in lactating cows as well as heifers to morula stage and collected through uterine flushing. Epigenetic profile of both samples was assessed by whole genome bisulfite sequencing. <br /> Metabolic profiling revealed that selected lactating cows exhibited significantly higher levels of non-esterified fatty acids and beta-hydroxybutyrate during early post-partum and embryo transfer than nulliparous heifers. Accordingly, genome-wide hypomethylation of early post-partum oocytes was observed, and mid postpartum oocytes genomic feature methylation was similar to heifer’s oocytes. Inversely, embryos from lactating cows were generally hypermethylated when compared to heifers. Further methylation profiling of early postpartum oocytes revealed 32,990 differentially methylated regions in early postpartum oocytes overlapping genes involved in metabolic pathways, carbon and fatty acid metabolism. Similarly, embryos grown in lactating cows revealed 13,383 differentially methylated regions in genes involved in metabolic and fatty acid biological processes, as well as trophoblast invasion and embryo implantation. Both oocytes and embryos collected from metabolically stressed animals revealed differentially methylated regions of genes involved in lipid metabolic processes, and imprinted genes putatively acquired during maturation that must be maintained during embryo development. <br /> Taken together, these studies demonstrate that transient metabolic stress associated with early lactation influences epigenetic status of oocytes and embryos of genes involved in developmental competency. Genes found in signaling pathways provide novel candidates for effector supplementation of these signaling molecules both during oocyte maturation and embryo culture to ultimately improve reproductive processes in lactating cows....
<strong>Einfluss des Stoffwechselstatus der Milchkuh auf das epigenetische Profil von Eizellen und Embryonen</strong><br /> Bei laktierenden Kühen führt eine intensive genetische Selektion auf eine verbesserte Milchproduktion zu einer verminderten Fortpflanzungsfähigkeit, die mit einem erhöhten frühen Embryoverlust verbunden ist. Während der Hochlaktation nach der Kalbung wird der Nährstoffbedarf der Kuh durch die Energie, die für biologische Prozesse benötigt wird, versorgt. Das führt dazu, dass die Kuh in einen Zustand der negativen Energiebilanz kommt, was wiederum mit einem abnormalen Metabolisum verbunden ist. Diese Arbeit zielte darauf ab, die Auswirkungen dieser transienten metabolischen Belastung auf das epigenetische Profil von Gameten und Embryonen bei laktierenden Kühen zu untersuchen und Genomregionen zu identifizieren, die durch den metabolischen Stress bei Milchkühen anfällig für epigenetische Veränderungen sind. Dazu wurden Eizellen während der frühen und mittleren postpartum Perioden von metabolisch auffälligen multiparösen Kühen sowie von nulliparen Färsen entnommen. Im Vergleich dazu wurden in vitro gewonnene frühe, sich entwickelnde Embryonen in vivo in laktierende Kühe sowie Färsen bis zum Morula-Stadium kultiviert und durch Uterusspülung gesammelt. Das epigenetische Profil der Eizellen und Embryonen aus beiden Experimenten wurde mittels der Genom Bisulfit Sequenzierung untersucht.<br /> Das metabolische Profiling ergab, dass die ausgewählten laktierenden Kühe signifikant höhere Werte von nicht veresterten Fettsäuren und Beta-Hydroxybutyrat aufwiesen als die Färsen während des frühen post-partum und Embryotransfers. Dementsprechend wurde eine genomweite Hypomethylierung der frühen post-partum Eizellen beobachtet und es zeigte sich, dass das genomische Methylierungsprofil der späten post-partum Eizellen ähnlich zu den Eizellen von Färsen war. Umgekehrt waren Embryonen von laktierenden Kühen generell hypermethytliert im Vergleich zu den Färsen. Das weitere Methylierungs-Profiling der frühen post-partum Eizellen ergab 32.990 differentiell methylierte Regionen. Dabei konnten Gene ermittelt werden die an verschiedenen Stoffwechselwegen wie dem Kohlenstoff- und Fettsäure-Stoffwechsel beteiligt sind. Ebenso zeigten Embryonen die sich in laktierenden Kühen entwickelten 13.383 unterschiedlich methylierte Genregionen, die sowohl an biologischen Stoffwechsel- und Fettsäureprozessen als auch an der Trophoblasteninvasion und der Embryoimplantation beteiligt sind. Sowohl Eizellen als auch Embryonen, die von metabolisch gestressten Tieren entnommen wurden, zeigten unterschiedlich methylierte Regionen bei Genen die am Fettstoffwechsel beteiligt sind sowie geprägte Gene, die vermutlich während der Reifung erworben wurden und die während der Embryoentwicklung erhalten werden müssen.<br /> Zusammenfassend zeigten diese Studien, dass transienter metabolischer Stress in der frühen Laktation den epigenetischen Status von Eizellen und Embryonen in Genregionen beeinflusst, die an der Entwicklungskompetenz beteiligt sind. Gene, die in diesen Signalwegen gefunden wurden, sind neue Kandidaten für zukünftige Untersuchung zur Entwicklung von molekularen oder epigenetischen Marker die auf verschiedene Umweltfaktoren einschließlich dem metabolischen Stresses bei Milchkühen sensitiv reagieren....

The subject of this thesis is the global and regional gravity field determination from GOCE data using the short arc approach. The focus is on the extension of the regional method regarding an adaption of the model resolution ...

For dairy cows, the transition from late pregnancy to early lactation is characterized by dramatic changes in endocrine status, nutrient utilization as well as tissue metabolism. Specific metabolic processes, e.g., in adipose tissue (AT) thereby contribute to the physiological adaptation to the increased nutrient demands imposed by the onset of lactation. Even though AT is known to be a major site for regulating glucose and lipid metabolism, its role in systemic protein and amino acid metabolism in dairy cows is not clear. The branched-chain amino acids (BCAA) are taken up by the mammary gland in excess and are greatly used for the synthesis of (milk) protein as well as the supply of metabolic intermediates and energy. Their cellular transport and break-down are highly regulated key processes, involving the interaction of several metabolic tissues, one of them possibly AT. Yet, studies on the BCAA transporters or degrading enzymes in ruminant tissues are sparse. Thus, one aim of the present thesis was to characterize the potential capacity of bovine AT (along with liver, skeletal muscle and mammary gland) for BCAA metabolism during late gestation and early lactation by analyzing the tissue abundance (and activity) of the most relevant BCAA transporters and catabolic enzymes as well as the concentration of circulating BCAA on selected time points before and after parturition. Moreover, as high BCAA levels have been linked with obesity and certain metabolic dysfunctions such as impaired insulin sensitivity in mammals, we further aimed to investigate the effect of over-conditioning at calving on the aforementioned variables of BCAA metabolism. Overall, AT consistently had the greatest mRNA abundance of the BCAA transporters and the BCAA transaminating enzyme, branched-chain aminotransferase 2 (BCAT2) when compared to most other tissues, but expressed a rather low oxidative capacity for BCAA (more specifically their keto acids), indicating that AT could be an important site of BCAA uptake and initial degradation in dairy cows. Together with the marginal hepatic mRNA abundance of BCAA transporters and BCAT2 and the high mRNA and protein abundance as well as activity of the subsequent oxidative enzyme in liver, the branched-chain α-keto acid dehydrogenase, it seems that BCAA are only degraded in the liver after being deaminated in peripheral tissues, most likely AT. Furthermore, we detected a decrease in circulating BCAA levels around parturition in our studies, which was associated with the reduced feed intake during this time. Both observations were more pronounced for cows that were over-conditioned at calving. Interestingly, despite the lower feed intake, those cows appeared to have a greater ability than normal-conditioned cows to irreversibly catabolize BCAA in AT, especially before parturition. It is likely that, due to a nutrient oversupply, the over-conditioned cows were in a more anabolic situation during late pregnancy and might have used BCAA metabolites in addition to glycolytic metabolites for synthesizing even more body fat. The present thesis thus provides information about a possible anaplerotic link between BCAA and lipid metabolism in AT of over-conditioned dairy cows and might serve as basis for further studies investigating the role of AT in systemic protein and AA metabolism in cattle during different physiological and pathophysiological conditions....
Der Übergang von der späten Trächtigkeit zur frühen Laktation ist bei Milchkühen mit drastischen Veränderungen des endokrinen Status, der Nährstoffverwertung sowie des Gewebestoffwechsels verbunden. Spezielle Stoffwechselprozesse, beispielsweise im Fettgewebe (AT), tragen dabei zur physiologischen Anpassung an den durch die einsetzende Laktation erhöhten Nährstoffbedarf bei. Obwohl die regulativen Funktionen des AT im Glukose- und Lipidstoffwechsel bereits bekannt sind, weiß man bisher wenig über dessen Rolle im systemischen Protein- und Aminosäurestoffwechsel bei Milchkühen. Die verzweigtkettigen Aminosäuren (branched-chain amino acids, BCAA) werden im Übermaß von der Milchdrüse aufgenommen und dort verstärkt für die Synthese von (Milch-) Protein sowie für die Zufuhr von Stoffwechselintermediaten und Energie verwendet. Der zelluläre Transport und der Abbau der BCAA sind intensiv regulierte Kernprozesse, welche die Interaktion verschiedener metabolischer Gewebe, darunter möglicherweise auch AT, erfordern. Bislang gibt es jedoch nur wenige Studien, in welchen die BCAA-Transporter oder die BCAA-abbauenden Enzyme auf Gewebeebene bei Wiederkäuern untersucht worden sind. Demzufolge war ein Ziel dieser Arbeit die potenzielle Kapazität von bovinem AT (neben Leber, Skelettmuskulatur und Euter) für den BCAA-Stoffwechsel während der späten Trächtigkeit und frühen Laktation zu charakterisieren. Dies erfolgte durch Analyse der Gewebeexpression (und -aktivität) der relevantesten BCAA-Transporter und katabolen Enzyme sowie durch Messung der BCAA-Konzentration in der Zirkulation an ausgewählten Zeitpunkten vor sowie nach der Kalbung. Ferner, da erhöhte BCAA-Konzentrationen in Verbindung mit Übergewicht und gewissen metabolischen Dysfunktionen wie beispielsweise einer verschlechterten Insulinsensitivität bei Säugetieren stehen könnten, war es ein weiteres Ziel, den Einfluss von Überkonditionierung zum Zeitpunkt der Kalbung auf die zuvor genannten Parameter des BCAA-Stoffwechsels zu untersuchen. Fettgewebe wies generell die höchste mRNA-Expression der BCAA-Transporter und des BCAA-transaminierenden Enzyms branched-chain aminotransferase 2 (BCAT2) im Vergleich zu den meisten anderen Geweben auf, jedoch zeigte es eine recht geringe oxidative Kapazität für die BCAA (genauer deren Ketosäuren). Dies deutet darauf hin, dass AT von großer Bedeutung für die Aufnahme und den initialen Abbau von BCAA bei Milchkühen sein könnte. Zusammen mit der geringen hepatischen mRNA-Expression der BCAA-Transporter und der BCAT2 sowie der erhöhten mRNA- und Proteinexpression und Aktivität des nachfolgenden oxidativen Enzyms, der branched-chain α-keto acid dehydrogenase, in der Leber, weist dies darauf hin, dass BCAA nur in der Leber abgebaut werden können nachdem sie in peripheren Geweben, höchstwahrscheinlich dem AT, deaminiert wurden. Des Weiteren wurde in den dargestellten Studien eine Verringerung der BCAA-Konzentrationen zum Zeitpunkt der Kalbung festgestellt, welche mit der zeitgleich reduzierten Futteraufnahme assoziiert wurde. Diese Beobachtungen waren bei Kühen, welche zum Zeitpunkt der Kalbung überkonditioniert waren, deutlicher ausgeprägt. Interessanterweise schienen diese Tiere, trotz der geringeren Futteraufnahme, ein höheres Vermögen zu besitzen, BCAA irreversibel im AT zu katabolisieren als normalkonditionierte Kühe. Dies traf insbesondere für die Zeit vor der Kalbung zu. Es ist denkbar, dass sich die überkonditionierten Kühe während der späten Trächtigkeit, aufgrund eines Nährstoffüberangebots, in einer mehr anabolen Stoffwechselsituation befanden und demnach zusätzlich zu glykolytischen Stoffwechselprodukten ebenfalls BCAA-Metabolite für den Aufbau von weiterem AT nutzen konnten. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen somit eine mögliche anaplerotische Verbindung zwischen BCAA- und Lipidstoffwechsel im AT überkonditionierter Milchkühe auf. Folglich dient diese Arbeit als essentielle Grundlage weiterer Untersuchungen, um die Funktionen des AT im systemischen Protein- und Aminosäurestoffwechsel bei Kühen in verschiedenen physiologischen und pathophysiologischen Stadien zu erforschen....

Piglet survival determines the success of piglet production. Decreased piglet survivability raises animal welfare concerns and increasing litter sizes intensified this situation. In the recent work, the prospects to select ...

Lameness, which is usually the cause of a painful claw disease, continues to be the third most common reason for culling on dairy-producing farms in Germany. Claw diseases are not only painful, affecting both health and ...

Attenuating the postprandial stress response and its associated inflammatory and endothelial events through specific nutritional and lifestyle interventions seems to be a promising and important approach to decrease the susceptibility to the development of cardiovascular diseases (CVD) in the long term. This might be particularly relevant in individuals already at increased risk to develop cardiovascular or neurodegenerative complications (e.g., individuals with metabolic syndrome). The present study followed a holistic approach and examined the effects of meal composition and moderate physical activity on postprandial events in 26 older subjects with increased risk for the development of cardiovascular and neurodegenerative diseases (age 70 ± 5 y; BMI 30.3 ± 2.3 kg/m²). In a randomized crossover design, two highenergy meals reflecting different dietary patterns (Mediterranean-type diet meal, MD; Western diet high-fat meal, WD) were combined with either 30-minutes of postprandial moderate walking or 30-minutes of postprandial resting. Next to metabolic outcomes (serum triglycerides, serum non-esterified fatty acids, plasma glucose, serum insulin) the present study included selected oxidative (plasma oxidized low density lipoprotein), endothelial (plasma soluble intercellular adhesion molecule-1, plasma soluble vascular cell adhesion molecule-1, serum soluble endothelial selectin), and inflammatory (plasma interleukin-6) parameters, as well as blood pressure and heart rate. Additional focus was set on neuropsychological parameters (attention, mood, and the feeling of hunger and satiety) and plasma cortisol concentration. All outcome measures were analyzed at fasting and 1.5 h, 3.0 h, and 4.5 h postprandially. The study tested the following hypotheses: i) a MD generates a lower postprandial response than a WD; ii) moderate walking in the postprandial period as compared to remaining sedentary, results in attenuated postprandial events; iii) a MD generates higher postprandial satiety, postprandial attention, and a better subjective mood than a WD; and iv) moderate walking in the postprandial period as compared to remaining sedentary, results in increased postprandial attention and a better subjective mood. In comparison to the WD, the MD was associated with superior effects on several postprandial parameters (e.g., lower serum triglyceride concentration). Contrary to the hypothesis, data revealed no beneficial effects of walking over resting. Furthermore, meal composition had no relevant impact on attention and mood. However, after the WD, resting instead of walking resulted in increased postprandial attention. Additionally, the MD led to a stronger and longer-lasting feeling of satiety, compared to the WD. Overall, none of the four treatment conditions could be particularly recommended to optimally reduce postprandial metabolic, oxidative, inflammatory, and endothelial events, and to improve postprandial attention and mood. However, due to the steady rise in obesity and metabolic syndrome in recent years, the need for targeted dietary and lifestyle strategies for primary and secondary prevention of concomitant cardiovascular and neurodegenerative complications is constantly increasing. Therefore, further hypothesis-driven postprandial intervention trials reflecting realistic lifestyle conditions are warranted in order to be able to further develop scientifically based prevention recommendations in the long term....
Die Abschwächung der postprandialen Stoffwechselreaktionen durch spezifische Ernährungs- und Lebensstilmaßnahmen stellt einen vielversprechenden und wichtigen Forschungsansatz dar, welcher insbesondere für Personen mit erhöhtem Risiko für kardiovaskuläre und neurodegenerative Erkrankungen (z.B. Personen mit Metabolischem Syndrom) eine hohe Relevanz hat. Die vorliegende Studie verfolgte einen ganzheitlichen Ansatz und untersuchte die Effekte von Mahlzeitenzusammensetzung und moderater Bewegung auf den postprandialen Stoffwechsel, bei 26 älteren Personen mit erhöhtem Risiko für die Entwicklung kardiovaskulärer und neurodegenerativer Erkrankungen (70 ± 5 Jahre; BMI 30,3 ± 2,3 kg/m²). Im Rahmen eines randomisierten crossover Designs wurden zwei energiereiche Mahlzeiten, welche in ihrer Zusammensetzung an das Mediterrane- bzw. das Westliche Ernährungsmuster angelehnt waren (Mediterranean-type diet meal, MD; Western-diet high fat meal, WD), mit einer 30-minütigen postprandialen Walking-Einheit, oder einer 30-minütigen postprandialen Ruhephase kombiniert. Die Zielgrößen der Studie umfassten metabolische (Serum-Triglyceride, Serum-Freie Fettsäuren und Serum-Insulin, Plasma-Glucose), oxidative (oxidiertes low density lipoprotein im Plasma), inflammatorische (Interleukin-6 im Plasma) und endotheliale (soluble intercellular adhesion molecule-1 und soluble vascular cell adhesion molecule-1 im Plasma, soluble endothelial selectin im Serum) Parameter sowie Blutdruck und Herzfrequenz. Außerdem wurden neuropsychologische Zielgrößen (Aufmerksamkeit, Befindlichkeit, Sättigungsempfinden) und die Plasma-Cortisol-Konzentration erfasst. Die folgenden Hypothesen wurden der Studie zugrunde gelegt: i) eine MD resultiert in einer abgeschwächten postprandialen Stoffwechselantwort im Vergleich zu einer WD; ii) eine postprandiale Walking-Einheit resultiert in einer abgeschwächten postprandialen Stoffwechselantwort im Vergleich zu einer postprandialen Ruhephase; iii) eine MD resultiert in einem erhöhten Sättigungsempfinden und einer verbesserten Aufmerksamkeit und Stimmung im Vergleich zu einer WD; und iv) eine postprandiale Walking-Einheit resultiert in einer verbesserten postprandialen Aufmerksamkeit und Stimmung im Vergleich zu einer postprandialen Ruhephase. Alle Zielgrößen wurden nüchtern sowie 1,5 h, 3,0 h und 4,5 h postprandial erfasst. Im Vergleich zur WD zeigte die MD einen günstigeren Einfluss auf den postprandialen Verlauf einzelner Parameter (z.B. niedrigere Triglycerid-Konzentration im Serum). Entgegen der Erwartungen zeigte das moderate Walking keine vorteilhafteren Effekte im Vergleich zur Ruhephase. Weiterhin nahm die Mahlzeitenzusammensetzung keinen relevanten Einfluss auf Aufmerksamkeit und Stimmung in der postprandialen Phase. Nach dem Verzehr der WD wirkte sich die Ruhephase im Vergleich zur Walking-Einheit verbessernd auf die postprandiale Aufmerksamkeit aus. Darüber hinaus führte der Verzehr der MD zu einem stärkeren und länger anhaltenden Sättigungsempfinden. Zusammenfassend ist festzuhalten, dass keine der vier Interventionsgruppen besonders empfohlen werden kann, um postprandiale metabolische, oxidative, inflammatorische und endotheliale Ereignisse zu reduzieren und um Aufmerksamkeit und Stimmung in der postprandialen Phase zu verbessern. Weitere realitätsnahe postprandiale Interventionsstudien sind unabdingbar, um langfristig Präventionsempfehlungen wissenschaftlich fundiert weiterentwickeln zu können....

Approximately 817 million people are currently estimated to be undernourished and 85 million people across 46 countries are estimated to be in need of food emergency assistance over the course of 2019. Conflict, migration ...

Plant parasitic nematodes are considered as key pathogens in agricultural crop production. They cause substantial yield losses in numerous crops and across all climatic regions worldwide. Antagonistic effects on various life stages of economically relevant plant pathogenic nematode species were reported for different amino acids (aa). In order to screen for effects induced by exogenous application and to reveal their underlying mechanistic methionine (Met), lysine (Lys), threonine (Thr), isoleucine (Ile), 2-ketobutyric acid (Ket), homoserine (Hom) and tryptophan (Trp) were tested on the free-living nematode Caenorhabditis elegans and the plant parasite Heterodera schachtii. <br /> Try applications reduced the activity and development of C. elegans, whereas only Ket affected the activity of H. schachtii. Interestingly, soaking J2 stage nematodes in aa solutions for twenty-four hours, induced a sex ratio change for both Lys isomers. The strongest effects were observed when aa were supplemented to the nutrient-medium in a monoxenic culture of the host plant, Arabidopsis thaliana. This approach reduced the number of female nematodes per plant for Iso, Met, Thr, and Ket. Additionally, slight negative effects could be detected on the adult female sizes. Interestingly, these effective aa all belong to the aspartate pathway. Herein, in particular the plant inherent enzyme methionine-γ-lyase (MGL) was identified as possible key functional element....

Pilzwiderstandsfähige Sorten (PIWI) sind eine der Innovationen im Weinbau. Das Projekt Novel Viticulture Systems for sustainable production and products (NoViSys) kombiniert die PIWIs zur Effizienzsteigerung mit einem neuen Erziehungssystem für Weinreben, dem Minimalschnitt im Spalier (MSS) und vergleicht es mit der Erziehung im Traditionellen Spalier System (TS). Ein wichtiges phänotypisches Merkmal zum Vergleich beider Erziehungssysteme ist der Ertrag. Für vergleichende Untersuchungen und Optimierungsmaßnahmen soll der Ertrag während der Saison in mehreren Reifestadien BBCH75 und BBCH89 ermittelt werden. Die Trauben müssen daher intakt an den Weinreben verbleiben. Um den Ertrag nicht-invasiv zu bestimmen, werden die sog. Ertragsparameter ermittelt: die Anzahl der Trauben und Beeren, sowie die Beerengröße. <br /> Traditionellerweise werden die Ertragsparameter durch einen erfahrenen Züchter aus wenigen visuell erhobenen Stichproben extrapoliert und zur Ertragsschätzung genutzt. Sensorbasierte Methoden zielen darauf ab, im Hochdurchsatz auf automatische und nicht-invasive Weise, objektive und genaue Ertragsparameter von einer Vielzahl von Weinreben zu bestimmen. Ziel ist es, durch eine größere und vollständigere Stichprobe der Ertragsparameter die statistische Sicherheit der Ertragsschätzung zu erhöhen. Die Aufgabe dieser Dissertation lautet daher: <br /> "Entwicklung einer nicht-invasiven, sensorgestützten Hochdurchsatz-Methode zur automatischen Schätzung der Ertragsparameter und eine auf den Ertragsparametern basierende Schätzung des Ertrages für TS- und MSS-Erziehungssysteme im Reifestadium BBCH75 und BBCH89 unter Feldbedingungen." <br /> In dieser Arbeit wird eine auf RGB-Kameras basierende Lösung der Aufgabe vorgestellt und evaluiert. Drei Teilaufgaben zur Schätzung der Ertragsparameter und des Ertrages werden dazu gelöst: <br /> 1) Datenerhebung: Entwicklung und Untersuchung mobiler Sensorplattformen für die Datenerhebung im Hochdurchsatz unter Feldbedingungen für beide Erziehungssysteme. Zwei mobile Sensorplattformen werden untersucht. Auf ihnen montierte RGB-Kameras nehmen in Bewegung automatisch Bilder der Weinreben aus multiplen Perspektiven entlang der Horizontalen und der Vertikalen auf. Aus den über GPS georeferenzierten RGB-Bildern werden mittels einer Multi-View-Stereo Software farbige, metrisch skalierte Punktwolken der Weinreben mit hoher geometrischer Auflösung rekonstruiert. <br /> 2) Datenklassifikation: Entwicklung einer geeigneten algorithmenbasierten Klassifikationsstrategie, um in den Daten Beeren und Trauben von Blättern, Ästen und anderen Bestandteilen automatisch zu unterscheiden. Zur Klassifikation wird der überwachte Klassifikator Import Vector Machine genutzt. Mehrere geometrieund farbbasierte Deskriptoren werden hinsichtlich der Klassifikationsgenauigkeit untersucht und der beste Deskriptor identifiziert. Räumliche Beziehungen zwischen den 3D-Punkten der klassifizierten Punktwolken werden in einem Graph-Cut Ansatz zur Verbesserung der Klassifikationsergebnisse ausgenutzt. <br /> 3) Quantifikation: Entwicklung einer algorithmenbasierten Strategie zur automatischen Schätzung der Ertragsparameter und des Ertrages aus den klassifizierten Daten. Die Untersuchungen umfassen die Schätzung der Ertragsparameter für beide Erziehungssysteme und Reifestadien, sowie einen Vergleich mit Referenzdaten. Die Ertragsparameter werden anhand der klassifizierten 3DPunkte durch ein 3D-Connected-Components Verfahren in Kombination mit Kugelapproximationen, sowie Kalibrierwerten zur Korrektur nicht detektierter und unsichtbarer Beeren und Trauben bestimmt. Des Weiteren wird eine Funktionsvorschrift zur Schätzung des Ertrages auf Basis der geschätzten Ertragsparametern formuliert. Die Ertragsschätzung wird für beide Erziehungssysteme im BBCH89 Reifestadium vorgenommen. Zwischen geschätztem und tatsächlichem Ertrag werden Abweichungen von 5% für das TS-Erziehungssystem und −21% für das MSS-Erziehungssystem erreicht....
<strong>Automatic, high-resolution 3D-phenotyping of grapevine bunches and berries under field conditions</strong><br />Fungus resistant grape varieties (PIWI) are one of the innovations in viticulture. The project Novel Viticulture Systems for sustainable production and products (NoViSys) combines the PIWIs with the new semi-minimal pruned hedge (SMPH) training system to further increase their efficiency and compares their training in the SMPH system to the traditional vertical shoot-positioned (VSP) training system. One important phenotypic trait to compare both training systems by is the yield. For comparative studies and optimization procedures the yield has to be determined multiple times during the season for the ripeness stages BBCH75 and BBCH89. For this reason the grape bunches have to remain intact and attached to the grape vines. To predict the yield non-invasively the so called yield-parameters are determined: the number of grape bunches, berries and the size of the berries. <br /> Traditionally the yield parameters are extrapolated by an experienced breeder from a few visually determined samples which are then used to predict the yield. Sensor based methods aim at predicting objective and accurate yield parameters from a multitude of grape vines automatically and non-invasively. The purpose is to increase the statistic reliability of the prediction through a larger and more complete sample of the yield parameters. The objective of this dissertation is thus as follows:<br /> "Development of a high-throughput, non-invasive, sensor-based method for the automated prediction of yield parameters and a yield prediction based on the yield parameters for the VSP and SMPH training system in the ripeness stages BBCH75 and BBCH89 under field conditions."<br /> In this work a solution based on the usage of RGB-Cameras is presented and evaluated. Three subtasks to predict the yield parameters and the yield are solved: <br /> 1) Data Acquisition: Development and Evaluation of mobile sensor platforms for highthroughput data acquisition under field conditions for both training systems. The performance of two mobile sensor platforms is studied. While moving RGB-cameras mounted on the platforms take images from multiple vertical and horizontal perspectives toward the grape vine rows. From the images georeferenced by GPS colored metric point clouds with a high geometric resolution are reconstructed using a Multi-View-Stereo software. <br /> 2) Data classification: Development of an algorithm driven classification strategy to automatically differentiate berries and grape bunches from leaves, branches and other objects present in data. Classification is done using the Import Vector Machine classificator. Multiple geometry- and color-based feature descriptors are studied regarding classification accuracy and the best feature descriptor is identified. Spatial relationships between the 3D-points of the classified point clouds are exploited in a graph-cut approach to improve the classification results. <br /> 3) Quantification: Generation and evaluation of an algorithm driven method to automatically determine the yield parameters and predict the yield. from the classified data. The experiments encompass the determination of yield parameters for both training systems and for both ripeness stages as well as a comparison with reference data. Yield parameters are determined from the classified 3D-points through a 3D connected-components method combined with sphere approximation and calibration parameters to correct for non-detected and invisible berries and grape bunches. Further a function to predict the yield based on the yield parameters is defined. Yield prediction is done for both training systems in the BBCH89 ripeness stage. Deviations of 5% for the VSP and −21% for the SMPH training system are achieved....

Human-induced global change has driven drastic modifications of ecosystems that could lead to unexpected and unprecedented transformations in the present and future decades. Current systems modifications increased the need ...