The key objective of the present work was to acquire fundamental knowledge on the impact of nutrient supply and light quality on the accumulation of pharmaceutically relevant secondary metabolites, particularly saponins and lignans, using <i>Centella asiatica</i> and <i>Hydrocotyle leucocephala</i> as examples. Experiments on the impact of N, P, and K supply on saponin and sapogenin (centelloside) accumulation in leaves of <i>C. asiatica</i> were conducted in the greenhouse using soilless culture. Thereby, the relationship between plant growth and centelloside accumulation as influenced by nutrient supply was investigated. Furthermore, the suitability of fluorescence-based indices for non-destructive tracking of centelloside accumulation <i>in vivo</i> was examined. For this purpose, different levels of N, P, and K supply were selected as experimental factors. In order to investigate the effects of light quality on saponin and lignan accumulation, experiments were conducted in technically complex sun simulators providing almost natural irradiance. Here, we postulated that high intensity of photosynthetic active radiation (PAR) and ambient level of ultraviolet (UV)-B radiation additively promote the accumulation of centellosides in leaves of <i>C. asiatica</i>. The specific UV-B response in terms of flavonoid accumulation was monitored <i>in vivo</i> by fluorescence recordings. Finally, the impact of different PAR/UV-B combinations on the concentration and distribution pattern of selected phenylpropanoids, and in particular the lignan hinokinin, was examined in leaves and stems of <i>H. leucocephala</i>. The results ascertained in the single chapters can be summarized as follows: <br /> 1.The higher levels of N, P, or K supply (in the range from 0 to 150% of the amount in a standard Hoagland solution) enhanced net photosynthesis (Pn) and herb and leaf yield of <i>C. asiatica</i>. However, exceeding nutrient-specific thresholds, the high availability of one single nutrient caused lower leaf N concentrations and a decline in Pn and plant growth. Irrespective of N, P, and K supply, the leaf centelloside concentrations were negatively associated with herb and leaf yield. Moreover, negative correlations were found between saponins and leaf N concentrations, and between sapogenins and leaf K concentrations. <br /> 2.The accumulation of both flavonoids and anthocyanins was affected by N, P, and K fertigation in the same way as the centelloside accumulation, indicating that limitations in plant growth were generally accompanied by higher secondary metabolite concentrations. The fluorescence-based flavonol (FLAV) and anthocyanin (ANTH_RG) indices correlated fairly with flavonoid and particularly with anthocyanin concentrations. Moreover, the centellosides were positively correlated with the FLAV and ANTH_RG indices, and with the BFRR_UV index, which is considered as universal ‘stress-indicator’. Thus, the indices FLAV, ANTH_RG, as well as BFRR_UV enabled the <i>in situ</i> monitoring of flavonoid and centelloside concentrations in leaves of <i>C. asiatica</i>. <br /> 3.UV-B radiation favored herb and leaf production of <i>C. asiatica</i>, and induced higher values of the fluorescence-based FLAV index. Similarly, the ANTH_RG index and the saponin concentrations were raised under high PAR. In contrast, UV-B radiation had no distinct effects on saponin and sapogenin concentrations. In general, younger leaves contained higher amounts of saponins, while in older leaves the sapogenins were the most abundant constituents. <br /> 4.The concentration of the selected phenylpropanoids in <i>H. leucocephala</i> depended on the plant organ, the leaf age, the light regimes, and the duration of exposure. The distribution pattern of the compounds within the plant organs was not influenced by the treatments. Based on the chemical composition of the extracts a principal component analysis enabled a clear separation of the plant organs and harvesting dates. In general, younger leaves mostly contained higher phenylpropanoid concentrations than older leaves. Nevertheless, more pronounced effects of the light regimes were detected in older leaves. As assessed, the individual compounds responded very differently to the PAR/UV-B combinations. Hinokinin was most abundant in the stems, where its accumulation was slightly enhanced under UV-B exposure....
<strong>Relevanz der Mineralstoffversorgung und der Lichtqualität für die Akkumulation von Sekundärmetaboliten in Centella asiatica und Hydrocotyle leucocephala</strong><br /> Ziel dieser Arbeit war es, grundlegendes Wissen in Bezug auf den Einfluss des Nährstoffangebots und der Lichtqualität auf die Akkumulation von pharmazeutisch relevanten Sekundärmetaboliten, insbesondere Saponinen und Lignanen, zu erlangen, wobei <i>Centella asiatica</i> und <i>Hydrocotyle leucocephala</i> als Modellpflanzen dienten. Versuche zum Einfluss des N-, P- und K-Angebots auf die Saponin und Sapogenin (Centellosid)-Akkumulation in <i>C. asiatica</i> Blättern wurden im Gewächshaus in hydroponischer Kultur durchgeführt. Dabei wurde die Beziehung zwischen Pflanzenwachstum und Centellosid-Akkumulation in Abhängigkeit vom Nährstoffangebot untersucht. Weiterhin wurde die Eignung von Fluoreszenz-basierten Indizes für die nicht-destruktive Erfassung der Centellosid-Akkumulation <i>in vivo</i> geprüft. Dazu wurde ein unterschiedliches N-, P- und K-Angebot als experimenteller Faktor gewählt. Um die Effekte der Lichtqualität auf die Saponin- und Lignan-Akkumulation zu untersuchen, wurden Experimente in technisch komplexen Sonnensimulatoren durchgeführt, die eine nahezu natürliche Strahlung generierten. Die Studien basierten auf der Hypothese, dass eine hohe photosynthetisch aktive Strahlung (PAR) und eine ambiente Ultraviolett (UV)-B Intensität die Centellosid-Akkumulation in <i>C. asiatica</i> Blättern additiv fördern. Die spezifische UV-B Antwort, d.h. die Akkumulation von Flavonoiden, wurde mit Hilfe von Fluoreszenz-Messungen <i>in vivo</i> verfolgt. Schließlich wurde der Einfluss von verschiedenen PAR/UV-B Kombinationen auf die Konzentration und das Verteilungsmuster von ausgewählten Phenylpropanoiden, insbesondere dem Lignan Hinokinin, in den Blättern und Stängeln von <i>H. leucocephala</i> untersucht. Die in den einzelnen Kapiteln ermittelten Ergebnisse können wie folgt zusammengefasst werden: <br /> 1.Ein höheres N-, P- bzw. K-Angebot (im Bereich von 0 bis 150% der Nährstoffmenge in einer Standard Hoagland-Nährlösung) erhöhte die Nettophotosyntheserate (Pn) und den Kraut- und Blattertrag von <i>C. asiatica</i>. Bei Überschreitung nährstoffspezifischer Schwellenwerte hatte die hohe Verfügbarkeit der einzelnen Nährstoffe niedrigere Blatt N-Konzentrationen und eine Abnahme der Pn und des Pflanzenwachstums zur Folge. Unabhängig vom N-, P- und K-Angebot war die Centellosid-Konzentration negativ mit dem Kraut- und Blattertrag assoziiert. Des Weiteren wurden negative Korrelationen zwischen den Saponinen und der Blatt N-Konzentration und zwischen den Sapogeninen und der Blatt K-Konzentration gefunden.<br /> 2.Die Flavonoid- und Anthozyan-Akkumulation wurde durch die N-, P- und K-Fertigation auf die gleiche Weise beeinflusst wie die Centellosid-Akkumulation, was darauf hinweist, dass ein limitiertes Pflanzenwachstum generell mit einer höheren Konzentration an Sekundärmetaboliten einherging. Die Fluoreszenz-basierten Flavonol- (FLAV) und Anthozyan- (ANTH_RG) Indizes korrelierten gut mit den Flavonoid- und insbesondere mit den Anthozyan-Konzentrationen. Zudem korrelierten die Centelloside positiv mit den FLAV und ANTH_RG Indizes sowie dem BFRR_UV Index, der als universeller ‚Stressindikator‘ betrachtet wird. Somit ermöglichten die Indizes FLAV, ANTH_RG und BFRR_UV die <i>in situ</i> Beobachtung der Flavonoid- und Centellosid-Konzentration in den Blättern von <i>C. asiatica</i>. <br /> 3.UV-B Strahlung förderte die Kraut- und Blattproduktion von <i>C. asiatica</i>, und induzierte höhere Werte des Fluoreszenz-basierten FLAV Index. Ebenso waren der ANTH_RG Index und die Saponin-Konzentration unter hoher PAR Intensität erhöht. Im Gegensatz dazu hatte UV-B Strahlung keine eindeutigen Effekte auf die Saponin- und Sapogenin-Konzentrationen. Grundsätzlich enthielten jüngere Blätter höhere Saponin-Konzentrationen, während in älteren Blättern die Sapogenine die am häufigsten vorkommenden Substanzen waren. <br /> 4.Die Konzentration der ausgewählten Phenylpropanoide in<i>H. leucocephala</i> war abhängig von Pflanzenorgan, Blattalter, Lichtzusammensetzung und Behandlungsdauer. Das Verteilungsmuster der Substanzen zwischen den Pflanzenorganen wurde nicht durch die Behandlungen beeinflusst. Basierend auf der chemischen Komposition der Extrakte ermöglichte eine Hauptkomponentenanalyse eine klare Trennung der Pflanzenorgane und Erntetermine. Grundsätzlich enthielten jüngere Blätter meist höhere Phenylpropanoid-Konzentrationen als ältere Blätter. Stärkere Effekte der Lichtzusammensetzung wurden jedoch in älteren Blättern detektiert. Wie festgestellt, reagierten die einzelnen Substanzen sehr unterschiedlich auf die PAR/UV-B Kombinationen. Hinokinin kam am häufigsten im Stängel vor, wo die Akkumulation unter UV-B Strahlung leicht erhöht war....

Vascular calcification is present in atherosclerosis, ageing, chronic kidney diseases and diabetes and is strongly associated with an increased morbidity and mortality. Calcification of arteries occurs at the tunica intima and the tunica media. Thereby, vascular smooth muscles cells (VSMC) transdifferentiate into an osteoblastic phenotype. Modifiable calcification inhibitors were identified of which matrix gla protein (MGP) is regarded as the most potent one being expressed in the vascular wall. MGP gets posttranslationally gamma carboxylated at 5 glutamic acid residues, which achieve calcium binding properties. This carboxylation step requires reduced vitamin K as a cofactor. It is provided and recycled in the so called vitamin K cycle, which consists of the vitamin K epoxide reductase (VKOR), DT-diaphorase and γ-glutamyl carboxylase (GGCX). The effects of uremia on vitamin K recycling via the vitamin K cycle are unknown. Besides MGP, other vitamin K dependent proteins are known. One is the Gas6 protein, which is also expressed by VSMC, but its role is not yet fully understood. Gas6 offers one n-terminal carboxylation site. Aim of this thesis was to characterize the activities of three enzymes of the vitamin K cycle and the role of vitamin K dependent Gas6 protein under uremic conditions. <br /> First, a fluorescence method for the quantification of GGCX activity in vitro in tissue samples was developed. This method employs a fluorescein isothiocyanate (FITC) labelled Glu containing hexapeptide which gets carboxylated by the GGCX. <br /> Second, the influences of uremia and pharmacological doses of vitamin K supplementation on the activity of the vitamin K cycle and extraosseous calcification were investigated. Uremia was induced in rats by adenine diet, in part supplemented with vitamin K₁ or K₂ for 4 or 7 weeks. The GGCX activity was decreased under uremic conditions possibly contributing to calcifications. The GGCX activity can be restored by vitamin K supplementation. <br /> Third, the influence of Gas6 protein on vascular calcification was investigated in murine in vitro VSMC culture and different in vivo models using a) Warfarin diet, b) uninephrectomy or c) electrocautery of the kidney as well d) ageing mice. No differences were found in tissue calcium content, echocardiography and biochemical serum and urine parameter between Gas6^-/- mice and wildtype controls. This does not support a role of Gas6 in the pathogenesis of vascular calcification....
<strong>Vitamin K abhängige Gamma-Carboxylierung in der chronischen NIereninsuffizienz</strong><br /> Vaskuläre Kalzifizierung tritt als eine Begleiterscheinung von Atherosklerose, Alter, chronischen Nierenerkrankungen und Diabetes auf und geht mit einer stark erhöhten Morbidität und Mortalität einher. Arterielle Kalzifizierungen erfolgen in der Tunica intima und der Tunica media. Hier transdifferenzieren glatte Gefäßmuskelzellen (vascular smooth muscle cells, VSMC) in einen osteoblastären Phänotyp. Regulierbare Verkalkungsinhibitoren sind bekannt, wie das Matrix Gla Protein (MGP), welches insbesondere in der Gefäßwand von VSMC exprimiert wird. MGP wird an 5 Glutamatresten posttranslational γ-carboxyliert, wodurch eine Kalziumbindung ermöglicht wird. Zur γ-Carboxylierung wird reduziertes Vitamin K als Cofaktor benötigt. Dieses wird im sogenannten Vitamin K Zyklus bereitgestellt und recycelt. Die beteiligten Enzyme sind die Vitamin K Epoxid-Reduktase (VKOR), DT-Diaphorase und γ-glutamyl-Carboxylase (GGCX). Der Einfluss einer Urämie auf das Vitamin K Recycling im Vitamin K Zyklus ist unbekannt. Neben MGP sind weitere Vitamin K abhängige Proteine bekannt. Hierzu zählt auch das Gas6 Protein, welches ebenfalls von VSMC exprimiert wird, aber dessen Funktion noch nicht vollständig geklärt ist. Das Ziel dieser Arbeit war die Charakterisierung der Enzymaktivitäten im Vitamin K Zyklus und die Rolle des Vitamin K abhängigen Gas6 Proteins in der experimentellen Urämie. <br /> Dazu wurde zunächst eine Fluoreszenz-gestützte Methode entwickelt, zur Bestimmung der GGCX Aktivität in Gewebeproben. Verwendet wurde ein Fluorescein Isothiocanat (FITC) gekoppeltes Glu-haltiges Hexapeptid, welches durch die GGCX carboxyliert wird. <br /> Zweitens wurde der Einfluss einer Urämie sowie die Verabreichung pharmakologischer Dosen Vitamin K auf die Enzyme des Vitamin K Zyklus und extraossäre Kalzifikation untersucht. Durch Gabe von Adenin über einen Zeitraum von 4 oder 7 Wochen wurde in Ratten eine Urämie induziert, teilweise unter Supplementation mit Vitamin K₁ oder K₂. Die GGCX-Aktivität war unter urämischen Bedingungen erniedrigt, wodurch möglicherweise Kalzifizierungen getriggert werden. Die erniedrigte GGCX-Aktivität kann durch zusätzliche Vitamin K Gabe aufgehoben werden. <br /> Drittens wurde der Einfluss des Gas6 Proteins auf die Gefäßkalzifikation in murinen in vitro VSMC Kultur und in verschiedenen in vivo Modellen untersucht: a) Warfarin Diät b) Uninephrektomie c) Elektrokoagulation der Niere sowie d) alternde Mäuse. Keine Unterschiede wurden festgestellt im Calciumgehalt des Gewebes, echokardiographisch und in den gemessenen Serum- und Urin-Parameteren. Diese Daten unterstützen keine Rolle von Gas6 in der Pathogenese der vaskulären Kalzifikation....

Herbicides are an important tool for agricultural production to control weeds, avoid soil erosion, and maintain high yields. Highly competitive weeds like <i>Amaranthus</i> ssp. and <i>Sorghum halepense</i> have to be ...

Sustainable and efficient water management is of central importance for the dominant agricultural sector and thus for the population and the environment of the Khorezm region. Khorezm is situated in the lower Amu Darya ...

The aim of this work is to evaluate the ecological implications of the whole range of urban and rural land use systems from a common perspective focused on carbon stocks and land use change (LUC) in urbanizing areas of ...

Communal rangelands in semi-arid areas are complex socio-ecological systems (SES). Their complexity arises from non-linear feedbacks between the social- and the ecosystem. To understand the social system requires tackling ...

Diseases of the respiratory system are a main problem in pig production. Pulmonary alveolar macrophages (PAMs) are key players to defend these respiratory diseases like lung inflammation caused by bacterial infection. ...

Computational modelling for quantitative agricultural policy assessment in the EU employs more farm level oriented approaches in recent years. This follows policy instruments that increasingly target the farm level and ...

African indigenous vegetables (AIV) are essential for dietary diversification and ensuring nutritional requirements for people in sub-Sahara Africa. AIV have been largely marginalized by agriculture research, yet they are hardy and tolerant to varying environmental conditions. Plant-parasitic nematodes particularly root-knot nematodes (RKN: Meloidogyne spp.) and cyst nematodes (CN: Globodera and Heterodera spp.) cause severe yield reduction on most cultivated crops and are of high economic importance. Despite the significance of nematode surveys and diagnosis, the occurrence and correct identity of RKN and potato cyst nematodes (PCN) on AIV such as African nightshade (Solanum spp.) and African spinach (Amaranthus spp.) remains largely unknown. In Chapter 2 and 3, a survey was conducted in Kenya and a DNA barcode based assay was used to identify RKN and PCN species. Our survey revealed that S. villosum exhibited high root galling whereas on S. scabrum, A. cruentus, and A. dubius root galling was rare or very low. Moreover, soil collected from the rhizosphere of S. villosum and S. scabrum contained few cysts of PCN and no developing PCN females were observed on the roots of growing plants. The resulting RKN and PCN mitochondrial DNA haplotypes are globally distributed, indicating that areas of high native nematode species richness (RKN species) are not resistant to colonization by alien nematode species (PCN species). In this context we detected RKN - PCN co-infection in potato and RKN - RKN co-infection in tomato and Parthenium hysterophorus (an invasive weed in Africa). In Chapter 3, the dynamics of RKN and PCN on A. dubius, A. cruentus, S. scabrum, and S. villosum over 2 years was studied in a field experiment at KALRO, Kenya. The effects of AIV crop species on RKN and PCN soil infestation were evaluated using susceptible S. lycopersicum or S. tuberosum. After the successive cultivation of A. dubius and S. scabrum our results show that RKN soil infestation decreased by 85%, whereas S. scabrum and S. villosum decreased PCN by more than 80%. When cropping susceptible crops, after three seasons of successive cultivation of these AIV, galling index and number of developing PCN females measured on susceptible crops decreased by more than 75%. Wilting incidences and RKN-PCN co-infection incidences also decreased significantly. In Chapter 4, the resistance mechanism of African nightshade and African spinach to RKN and PCN species was studied. We showed that successful parasitism was impaired by localized root tissue necrosis and disintegration during the early stages of nematode infection in resistant African nightshade and African spinach. Notably, A. dubius (broad leaf) showed full resistance to M. enterolobii, a highly pathogenic nematode known for overcoming plant resistance in most cultivated crops. For PCN, both S. scabrum and S. villosum stimulated PCN hatching but not their reproduction with a similar mechanism of resistance as proposed before. These findings reveal that nematode resistant AIV evolved cellular self-destruction of root tissue as a mechanism for defense against RKN and PCN. In that way, a cell suicide process orchestrates the containment, starving, and expulsion of parasitic nematodes. Inevitably, the information generated in this study is important in breeding programmes, designing crop rotation schemes, and cropping systems in order to avoid yield losses caused by high RKN and PCN soil infestation. This will help to support the implementation of a productive and effective integrated pest management strategy that is needed to meet the nutritional requirements of people in sub-Saharan Africa....
In Afrika heimische Blattgemüse (AIV) sind essentielle Komponenten einer reichhaltigen und ausreichenden Ernährung der Einwohner sub-Sahara Afrikas. Obwohl AIV ausdauernd und tolerant gegen wechselnde Umweltbedingungen sind, wurden sie von der agrarwissenschaftlichen Forschung bisher weitgehend ignoriert. Pflanzenparasitäre Nematoden, insbesondere Wurzelgallennematoden (RKN: Meloidogyne spec.) und Zystennematoden (CN: Globodera and Heterodera spp.) verursachen schwerwiegende Schäden an einer Vielzahl von Nutzpflanzen und sind von hoher ökonomischer Bedeutung.Trotz der wichtigen Rolle, die Untersuchungen zum Vorkommen von Nematoden und diagnostischen Ansätze spielen, ist bisher wenig über das Vorkommen und die korrekte Identität von RKN und CN an AIV wie z.B. dem Afrikanischen Nachtschatten (Solanum spec.) und Afrikanischem Spinat (Amaranthus spec.) bekannt. In Kapitel 2 und 3 der vorliegenden Arbeit wird eine Studie beschrieben, in der Zysten- und Wurzelgallennematoden in Kenia in einem Barcode-System identifiziert wurden. Die Studie ergab, dass S. villosum stark von Wurzelgallennematoden (RKN) befallen wurde, während S. scabrum und A. dubius nur wenig infiziert war. Boden aus der Rhizosphäre von S. villosum und S. scabrum enthielt nur wenige Zysten von Kartoffelzystennematoden (PCN) und es wurde keine Neuentwicklung von Zysten an Wurzeln dieser Pflanzen beobachtet. Die analysierten RKN und PCN Haplotypen mitochondrialer DNA sind weltweit verbreitet, was darauf schließen lässt, dass Gebiete, in denen viele Arten von RKN heimisch sind, dennoch von nicht-heimischen PCN invadiert werden können. In diesem Zusammenhang wurde auch beobachtet, dass RKN-PCN Koinfektionen an Kartoffel und RKN-RKN Koinfektionen an Tomate und Parthenium hysterophorus, einem invasiven Neophyten in Afrika auftraten. In Kapitel 3 der Arbeit wurde in einem Feldversuch am KALRO, Kenia, die Populationsdynamik von RKN und PCN an A. dubius, A. cruentus, S. scabrum, and S. villosum über 2 Jahre hinweg untersucht. Der Effekt des Anbaus von AIV auf die Bodenverseuchung durch RKN und PCN wurde durch den Anbau und die Befallsanalyse anfälliger Tomate und Kartoffeln analysiert. Nach wiederholtem Anbau von A. dubius and S. scabrum reduzierte sich die Bodenverseuchung durch RKN um 85%, die Werte von PCN fielen durch Anbau von S. scabrum and S. villosum um mehr als 80%. Die Entwicklung von PCN Weibchen an anfälligen Pflanzen reduzierte sich durch den dreimal wiederholten Anbau von resistenten AIV um 75%. Auch der Welkeindex und RKN-PCN Koinfektionen gingen deutlich zurück. In Kapitel 4 wurde der Resistenzmechanismus von Afrikanischem Nachtschatten und Afrikanischem Spinat gegenüber RKN und PCN Spezies untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die parasitäre Entwicklung der Nematoden durch lokale Nekrosen und Gewebeauflösung während der frühen Phasen des Infektionsverlaufs in den resistenten Pflanzen blockiert wurde. Interessanterweise zeigte A. dubius (breitblättrig) vollkommene Resistenz gegenüber M. enterolobii, einem hoch pathogenen Nematoden, gegen den die allermeisten Nutzpflanzenarten keine Resistenz aufweisen. S. scabrum and S. villosum stimulierten den Schlupf von PCN Larven, boten ihnen jedoch aufgrund des beschriebenen Resistenzmechanismus keine Grundlage für eine Weiterentwicklung. Die Untersuchungen ergaben, dass nematodenresistente AIV über einen zellulären Mechanismus verfügen, der bei Resistenzreaktionen gegen RKN und PCN zur Selbstzerstörung von Wurzelgewebe führt. Dieser Mechanismus führt zur Abwehr und zum Verhungern der Nematodenlarven. Zweifellos sind diese Informationen wichtig für Zuchtprogramme und die Entwicklung von Fruchtfolgen und Anbausystemen, um künftig die Ertragsverluste durch RKN und PCN zu reduzieren. Auf diesem Wege kann einerseits die Implementierung von produktiven und effektiven Systemen für integrierte Bekämpfung, die notwendig sind, um den Nahrungsbedarf für die Menschen in sub-Sahara Afrika decken zu können....

Soil organic carbon (SOC) plays an important role in global C cycling. Until today, the spatial patterns of individual SOC fractions are, however, largely undiscovered as traditional methods for their determination are too ...