Development of Near-Infrared Reflectance Spectroscopy to Estimate Oil Content in Safflower

The oil of safflower (Carthamus tinctorius L.) is a valuable oil for human nutrition. It contains a high amount of unsaturated fatty acids, in particular linoleic acid (up to 90 %). There is a great demand for ecologically produced oil in Germany, though oil crops are cultivated on 2 % of the ecological acreage. In Germany, hardly any variety test exists, moreover there has been no breeding efforts so far, although genetic variation in safflower is large. The aim of this study was the development of a rapid and non-destructive method to determine oil content in safflower seed using NIRS (Near-Infrared Reflectance Spectroscopy). A total of 203 seed samples were scanned with NIRS to estimate the oil content. Intact seeds as well as milled seeds were tested. The reference values for calibration were obtained with the Soxhlet extraction technique. The oil content analysed by Soxhlet ranged from 10% to 29.6%. NIRS-scanning of milled seed showed better values of calibration compared to intact seed (milled seed: coefficient of determination of calibration: RSQ=0.96, coefficient of determination of cross validation: 1-VR=0.93; intact seed RSQ=0.90, 1-VR=0.82). These results show that NIRS appears to be a suitable, rapid method to estimate oil content in safflower

Outcrossing rate of safflower (Carthamus tinctorius L.) genotypes under the agro climatic conditions of Northern Germany

Safflower oil is considered to be one of the highest quality vegetable oils for human nutrition, containing up to 90% linoleic acid. The cultivation of safflower would enlarge the number of species to increase biodiversity and widen crop rotation. Very little effort on safflower breeding has been done in Germany. The knowledge of the pollination system is a prerequisite of efficiently designing future breeding programmes. The cross pollination rate between and within plots was investigated in Göttingen (Latitude: 51° 32' North and Longitude: 9° 57' East ) in 2004 and 2005. A plot of 10 m2 of non-spiny plants was surrounded by plots of spiny plants. Ten nonspiny plants each of the border rows and of the core were harvested individually. The rate of cross pollination was calculated as the ratio of spiny to non-spiny offsprings. The average cross pollination was 6.5% (core), 9.7% (border no.1) and 18.1% (border no. 2). In a second experiment the rate of cross pollination within plots was estimated from non-spiny plants grown in mixture with spiny plants. The outcrossing rate was about 63% in 2004, but about 30% in 2005. Isolating or covering flowers by bags or cloth should be considered in pedigree breeding

Modified Confinement Model for Size Dependent Raman Shift and Linewidth of Silicon Nanocrystals

A modified phonon confinement model considering the size distribution, an improved phonon dispersion curve and a confinement function is developed for the calculation of size dependent Raman spectra of the silicon (Si) nanocrystals. The model is capable in simultaneous calculation of the Raman shift, intensity and linewidth. The calculated size dependent redshift and linewidth of Raman spectra are in good agreement with the available experimental data in literature and better than previously reported theoretical results. The rapid rise in the redshift and linewidth for relatively smaller Si nanocrystals are well reproduced. The asymmetric behavior of Raman spectra is also obtained from the present model.Comment: 15 pages, 4 figure

Potential des Anbaus von Saflor (Carthamus tinctorius L.) unter den Bedingungen des Ökologischen Landbaus in Mitteleuropa

Under organic farming conditions, twenty safflower genotypes were tested for genotype-by-environment interaction (GxE) and stability across four locations in Germany and Switzerland for seed yield and oil content.. ANOVA showed highly significant differences among the genotypes, locations and GxL interactions for yield and oil content. None of the genotypes had a significant regression coefficient or a mean square deviation from the regression coefficient, thereby all genotypes are considered stable for seed yield, whereas, BS-62929 and PI-5724755 were relatively the most stable for oil content

Saflor als neue Ölpflanze im ökologischen Landbau - Zuchtmethodische Grundlagen und Schnellmethoden zur Qualitätsbestimmung

In Deutschland werden Ölpflanzen nur auf etwa 2% der ökologisch bewirtschafteten Fläche kultiviert, wobei eine große Nachfrage nach ökologisch erzeugtem Pflanzenöl existiert. Der Saflor (Färberdistel) könnte als neue Ölpflanze für den ökologischen Anbau geeignet sein, da Distelöl als wertvolles Speiseöl sehr geschätzt wird. Der Anbau von Saflor ist auch in Deutschland in sommerwarmen und -trockenen Regionen durchaus möglich. Es mangelt jedoch an Genotypen, die an das deutsche Klima angepasst sind. Besonders der niedrige Ölgehalt und die hohe Krankheitsanfälligkeit (vor allem Köpfchenfäule und Alternaria-Blattflecken) sind problematisch. Ziel des Vorhabens war es, methodische Grundlagen der Saflorzüchtung zu untersuchen und ein Konzept für die Züchtung vorzuschlagen. Um große Probenmengen auf Qualitätsparameter wie den Ölgehalt untersuchen zu können, sollte eine Schnellmethode entwickelt werden. Die Nah-Infrarot-Reflexions Spektroskopie (NIRS) bietet bei der Selektion auf höheren Ölgehalt eine gute Möglichkeit, eine große Anzahl Proben schnell und kostengünstig zu untersuchen. Es wurden Kalibrationen entwickelt, um den Ölgehalt anhand intakter Achänen schätzen zu können. Es wurden drei Züchtungsmethoden (Stammbaummethode, natürliche Selektion und Einkornramschmethode) verglichen. Linien mit geringerer Krankheitsanfälligkeit und höherem Ölgehalt wurden in der Stammbaummethode entwickelt. Die natürliche Selektion lieferte mit geringerem Arbeitsaufwand ebenfalls gute Ergebnisse. Die Anfälligkeit für Köpfchenfäule sank und der Ertrag stieg. Der Ölgehalt wurde durch die natürliche Selektion nicht beeinflusst. Bei der Züchtung von Saflor sollten die F2- und F3-Generationen zunächst der natürlichen Selektion ausgesetzt werden. Anschließend sollten die Nachkommen von Einzelpflanzen geprüft und selektiert werden. Hier sollte neben der geringeren Krankheitsanfälligkeit der Ölgehalt im Vordergrund stehen, da durch die natürliche Selektion keine Steigerung des Ölgehaltes erreicht wurde

Validierung von prädiktiven und prognostischen Biomarkern für die Charcot Marie Tooth Erkrankung 1A

Die Charcot Marie Tooth Erkrankung Typ 1A (CMT1A) stellt die häufigste Unterform aller hereditären Neuropathien dar (Skre, 1974). Es handelt sich hierbei um eine autosomal- dominant vererbte Erkrankung beruhend auf einer Duplikation des Abschnittes auf Chromosom 17, welche das Gen für das periphere Myelinprotein 22kDa beinhaltet. Diese Duplikation resultiert in einer erhöhten Gendosis des pmp22, durch welche es zu einer verstärkten Bildung des Peripheren Myelin Proteins 22kDa unter anderem in Schwannzellen kommt. Es ist noch nicht abschließend geklärt in wieweit diese erhöhte Expression zu der fortschreitenden Demyelinisierung und einer fehlgesteuerten Remyelinisierung peripherer Nerven führt. Die zugrundeliegenden Pathomechanismen sind Gegenstand aktueller Forschung. Bei der CMT1A sind sowohl die efferenten als auch die afferenten Nerven betroffen. Durch die im Anschluss an demyelinisierende Prozesse stattfindende fehlgesteuerte Remyelinisierung zur Kompensation der Schädigung kommt es zu einer Verdickung der Nerven mit einer typischen Bildung von Zwiebelschalen. Diese entstehen durch die konzentrische Anlagerung überzähliger, Promyeliniserenden Schwannzellen. Im Verlauf kommt es bei einer demyelinisierenden Erkrankung auch zu einem Untergang der zugehörigen Neuronen. Klinisch imponieren diese neurodegenerativen Veränderungen als eine distal betonte, langsam progrediente Muskelschwäche und - atrophie mit variabler Ausprägung. Zusätzlich können bei den Patienten sensible Ausfälle und Schmerzen auftreten. Die klinische Manifestation ist durch das Ausmaß der Demyelinisierung und des darauffolgenden Axonverlusts bestimmt. Die Duplikation des Genes PMP22 führt bei unterschiedlichen Patienten trotz identischer genetischer Ursache zu einer starken Variabilität der Ausprägung der klinischen Symptome. Diese, und ebenfalls Unterschiede in Erstmanifestationsalter und Krankheitsverlauf, zeigen sich sogar innerhalb von Familien und bei eineiigen Zwillingen. Der ursächliche Pathomechanismus dieser Variabilität ist unbekannt. Aktuell wird der Schweregrad der Erkrankung eines Patienten meist anhand des CMT Neuropathie Scores ermittelt und abgebildet. In der klinischen Beurteilung ist eine schleichende Verschlechterung zu beobachten. Diese langsame Progression der Erkrankung zeigte sich, auch im Rahmen klinischer Studien, in einer Veränderung des CMTNS von ca. 0,23- 0,68 Punkten pro Jahr (Verhamme et al., 2009, Shy et al., 2008, Micallef et al., 2009, Pareyson et al., 2011). Durch die Erkrankung hervorgerufene motorische Einschränkungen äußern sich im Alltag durch eine verminderte Feinmotorik. Die verstärkte Atrophie der Extensoren im Vergleich zu den Flexoren führen zu einem Steppergang oder einem Schleifen der Füße, resultieren aber nur selten in einer absoluten Gehbehinderung. Die Erkrankung verläuft nicht letal. Aktuelle Studien zeigten allerdings bei CMT1A Patienten/innen mit einem langen Krankheitsverlauf eine verminderte Lebenserwartung (Vaeth et al., 2017). Die Ursache hierfür konnte aktuell noch nicht geklärt werden. Trotz intensiver Forschung gibt es noch keine wirksame kausale Therapie. Einige Substanzen (z.B. Ascorbinsäure, Onapriston, Neurotrophin-3 oder PXT3003) zeigten in Tiermodellen vielversprechende Ergebnisse. Teilweise fand bereits eine Erprobung der Substanz in humanen Studien statt. Leider erreichte bisher keine der untersuchten Substanzen ausreichend gute Ergebnisse bei einer vertretbaren klinischen Sicherheit, um eine Zulassung für die Behandlung von CMT1A zu erlangen. Eine Studie mit Ascorbinsäure, welche im Tiermodell zur Verbesserung der Myelinisierung führen konnte, zeigte bei klinischen Studien am Menschen keine signifikanten Veränderungen des klinischen Krankheitsverlaufs. Einige weitere Substanzen, welche bereits in Voruntersuchungen gute Resultate zeigten, befinden sich zurzeit in klinischer Erprobung bei CMT1A Patienten. Es könnte postuliert werden, dass eine fehlende Signifikanz in klinischen Studien auch durch die Schwierigkeiten bei der Zusammenstellung einer geeigneten Patientenkohorte, begründet liegt. Einerseits steht auf Grund der geringen Prävalenz der Neuropathie jedem Zentrum nur ein kleines Patientenkollektiv zur Verfügung. Andererseits besteht durch die beschriebene Variabilität der Erkrankung eine weitere Herausforderung darin, homogene und vergleichbare Kohorten zu bilden. Hinzu kommt, dass der bislang in der klinischen Routine verwendete CMTNS, in der Auswertung von durchgeführten Studien teilweise eine geringe Sensitivität zeigte und die einzelnen Parameter Ceiling Effekte im oberen und unteren Bereich der Skala aufwiesen. All diese Parameter einzeln und in Kombination ergeben erschwerte Rahmen- bedingungen für eine erfolgreiche Erforschung von wirksamen Therapien für die CMT1A. Wie auch beim Menschen zeigte sich auch bei dem am häufigsten verwendeten Tiermodell der CMT Ratte (Sereda et al., 1996) eine Variabilität der Krankheitsausprägung und des Manifestationszeitpunktes. Bei anderen Erkrankungen werden bereits erfolgreich Biomarker zur genauere Beurteilung der Erkrankungsschwere eingesetzt. Für CMT1A existieren bisher keine derartigen Biomarker in der klinischen Routine. Daher wurden zur Identifikation in einer ersten Studie Hautbiopsien von CMT1A Ratten untersucht. Mittels mRNA Genexpressions- analysen konnten hierbei sechs potenzielle Biomarker gefunden werden, welche sich auch in einer kleinen Kohorte von humanen CMT1A Patienten/innen für die Eignung als diagnostisches Mittel bestätigen ließen (Fledrich et al., 2012). In der vorliegenden Forschungsarbeit wurde eine weitere Validierung der potenziellen Biomarker zur Diagnostik der Krankheitsschwere durchgeführt. Zusätzlich wurden weitere Marker analysiert, die Hinweise auf den Verlauf der Progression liefern können. Die Validierung erfolgte in einem ersten Schritt an einer paneuropäischen und amerikanischen Kohorte von insgesamt 266 genetisch gesicherten, klinisch gut charakterisierten Patienten mit CMT1A. Für die mRNA Expressionsanalyse wurden Gene analysiert, welche in einer, dieser Dissertation vorangegangenen Untersuchung bei CMT1A Patienten und im Tiermodell eine signifikant veränderte Expressionen aufwiesen (ANPEP, BGN, CDA, CTSA, CRISP3, ENPP1, FN1, FN3KRP, GRIA1, GSTT1, GSTT2, GSTA4, MUCL1, PPARG, SPRR1A und NRG1-I). Den für diese Studie ausgewählten Patienten wurde eine Hautbiopsie an der Fingerkuppe entnommen, mRNA extrahiert, aufbereitet und mithilfe quantitativer Realtime- PCR analysiert. Die Ergebnisse der Expressionsanalysen wurden mittels stabiler Housekeeping Gene und Kallibratoren normalisiert und bezüglich der klinischen Parameter wie Alter, BMI, Geschlecht und untersuchendes Zentrum kontrolliert ausgewertet. Die Expressionsergebnisse wurde mit den aktuell verwendeten klinischen Scores als Marker für die Krankheitsschwere korreliert. Dabei wurden sowohl der ursprüngliche Neuropathie Score für CMT, seine Erweiterungen und Subscores sowie weitere klinische Parameter, wie beispielweise der 9HPT oder der T10MW verwendet. In vorherigen Untersuchungen hatten sich variierende Sensitivitäten der einzelnen Parameter der Scores gezeigt. Daher wurden die Untersuchungsparameter einzeln und in unterschiedlichen Kombination analysiert. Von den 16 untersuchten potenziellen Biomarker zeigten acht Gene (CDA, CTSA, GRIA1, ENPP1, ANPEP, FN3KRP, GSTT2 und PPARG) eine signifikante Korrelation mit der Erkrankungsschwere. Mit einer Sensitivität von 90% und einer Spezifität von 76,1% kann die Kombination dieser acht Gene die Patienten anhand ihres Schweregrades in mild, moderat und schwer betroffen einteilen. Um anschließend die Biomarker für eine Progressionsdetektion zu validieren, erfolgte in einer kleineren Patientenkohorte nach einem Zeitraum von zwei bis drei Jahren eine zweite klinische Untersuchung und erneute Biopsieentnahme. Die klinische Progression der Patienten/innen wurde auch hier durch einen erhöhten CMTNS Punktwert oder die Veränderung von sekundären Parametern ermittelt. Sechs Gene (CDA, CTSA, ENPP1, GSTT2, PPARG und NRG1-I) zeigten eine signifikante Veränderung Ihrer Expression über den untersuchten Zeitraum. Die Kombination dieser sechs Gene korreliert signifikant mit der Veränderung der Erkrankungsschwere, welche durch die Veränderung des CMTNS abgebildet wird. Es zeigte sich eine Sensitivität von 63,2% und eine Spezifität von 100%. Insgesamt konnte bestätigt werden, dass Genexpressionsanalysen aus Hautbiopsien und die daraus identifizierten Biomarker für die Bestimmung der Krankheitsschwere geeignet sind. Gleichzeitig konnte gezeigt werden, dass die kutane Expression von individuellen Genen über den definierten Zeitraum eine signifikante Veränderung aufweist, welche mit dem Verlauf der Erkrankung korreliert und damit ebenfalls einen geeigneten Marker für die Progression der Erkrankung bilden kann. Die fünf Gene (CDA, CTSA, ENPP1, GSTT2, PPARG), die sowohl bei der Erkrankungsschwere- als auch bei der Progressionsbeurteilung identifiziert werden konnten, stellen damit ein aussichtsreiches Set von Biomarkern dar, welche im Verlauf im klinischen Alltag und in Studien weiter validiert werden sollten. In Zukunft kann die Implementierung geeigneter Biomarker in klinische Studien entscheidend dazu beitragen, die Entwicklung von erfolgreichen Therapien zu ermöglichen und weiter voranzutreiben

Züchtung von Saflor für den ökologischen Landbau

Safflower (Carthamus tinctorius L.) yields valuable oil for human consumption be-cause of its high amount of linoleic acid. A large demand exists for this oil, but there is no organic production in Germany. The main objective of this research is to compare different methods of selection, to develop a simple non-destructive method for analyz-ing seed constituents such as oil content, and to develop lines with increased oil content and higher disease resistance

Relationships among different geographical groups, agro-morphology, fatty acid composition and RAPD marker diversity in Safflower ( Carthamus tinctorius )

Patterns of geographical diversity, and the relationship between agro-morphological traits and fatty acid composition were assessed for 193 safflower (Carthamus tinctorius) accessions representing forty countries. Accessions were assigned to eight groups based on geographical proximity. Cluster and Principal Component analyses were performed to assess patterns of diversity among the accessions and to select the most distant accessions from each of eight groups for analysis of randomly amplified polymorphic DNA (RAPD) markers. There was a large amount of diversity for agro-morphological traits, fatty acid composition, and RAPD markers. Most correlations among different traits were rather low. Plant height showed a positive correlation with days to flowering (r=0.63**). Palmitic acid was positively correlated with stearic acid and oleic acid values, and negatively correlated with linoleic acid (P<0.01). Oleic acid and linoleic acid showed a strong negative correlation (r=−0.89**). The first three principal components together explained 59% of the variation, however, neither principal component analysis (PCA) nor marker analysis revealed a clear relationship between diversity pattern and geographical origin. Accessions from some geographical regions tended to group together, such as accessions from South Western Asia, Central Western Europe, and the Mediterranean region. The correlation between the morphological matrix and the genetic matrix based on RAPD markers was not significant (r=0.027). Wide diversity in safflower germplasm indicates a considerable potential for improving this crop for both agronomic and quality trait

Evaluierung von Saflor- und Leindotter-Genotypen zur Nutzung als Ölpflanze im Ökologischen Landbau

Im Ökologischen Landbau fehlt bislang eine geeignete Ölpflanzenart, deren Samen als Rohstoff für die Speiseölerzeugung dienen können. Raps und Sonnenblumen bieten aufgrund der Schädlingsproblematik, des hohen N-Bedarfes bzw. durch die geringe ökologische Adaptation keine günstigen Voraussetzungen für den Anbau. 2002 wurden in einer zweiortigen Prüfung auf Mikroparzellen unter insgesamt nahezu 1000 Genotypen (Genbank-Akzessionen, Sorten, Zuchtstämme) von Saflor und Leindotter als alternative Arten geeignete Formen für den Anbau gesucht. Die Ergebnisse zeigen, dass beide Arten hinsichtlich ihrer Anfälligkeit für verschiedene Krankheiten und anderer agronomisch relevanter Merkmale hohe genotypische Variation aufweisen, welche direkt im Anbau oder aber als Ausgangsmaterial in der Entwicklung neuer Sorten nutzbar ist

Vergleich der Anbaueignung verschiedender Ölpflanzenarten und -sorten für die Speiseölproduktion im Ökologischen Landbau

In Deutschland werden im Ökologischen Landbau trotz vorhandener Nachfrage nach Speiseöl fast keine Ölpflanzen angebaut. Zudem besteht ein Mangel an betriebseigenem pflanzlichen Protein. Im vorliegenden Vorhaben soll 2003 untersucht werden, welche Ölpflanzenart und -sorte hier eine sinnvolle Ergänzung bieten könnte: neben agronomischen Kenngrößen soll sie auch eine hochwertige Öl- und Eiweißqualität liefern. Es werden folgende Ölpflanzenarten getestet: Winterraps/-rübsen, Sonnenblumen, Leindotter, Saflor und Sojabohne. Anhand je zehn ausgewählter Sorten (bei Winterraps/-rübsen: 7+3) werden sie für den Ökologischen Landbau an fünf Standorten zunächst auf ihre Anbaueignung geprüft. Der Versuch wird auf folgenden Standorten angebaut: Kleinhohenheim, Sömmerda, Chorin, Müllheim und Oberer Lindenhof. Nachfolgend soll bei jeder der 50 Varianten eine Bewertung der relativen Vorzüglichkeit als Öl- und Eiweißlieferant gegeben werden. Es wird erwartet, daß praxisrelevante Empfehlungen für den Anbau geeigneter Ölpflanzen im Ökologischen Landbau resultieren, die praktikable Möglichkeiten für eine kombinierte Nutzung für eine Speiseölproduktion und den innerbetrieblichen Einsatz als Eiweißfuttermittel beinhalten