Performance of underutilized forage legumes as an alternative to Trifolium repens under drought stress: yield, water utilization and nutritive value

Grünland mit hoher Produktivität und Futterqualität bildet die Grundlage der Wiederkäuerernährung. In Grünlandbeständen mit ausbleibender oder geringer Stickstoffdüngung sind Leguminosen unerlässlich für Produktivität und Futterqualität, was auf die Fähigkeit von Leguminosen Luftstickstoff zu binden zurückzuführen ist. Gegenwärtig ist Trifolium repens L. eine der wichtigsten Futterleguminosen im Grünland der gemäßigten Zonen Europas. Es ist allerdings bekannt, dass T. repens eine gute Wasserversorgung benötigt, um einen hohen Ertrag zu erzielen. Verringerte Niederschlagsmengen in der Vegetationsperiode, die unter Klimawandelbedingungen vorausgesagt werden, könnten somit die Ertragsleistung von T. repens verringern. In Zukunft steigt dadurch möglicherweise auch die Bedeutung anderer Futterleguminosen, die besser an trockenere Bedingungen angepasst sind und somit als Alternative für T. repens dienen könnten. Da die Kenntnisse über das agronomische Potenzial solcher möglichen alternativen Leguminosen begrenzt sind, haben wir in dieser Studie fünf vielversprechende und wahrscheinlich besser an Trockenheit angepasste Leguminosen untersucht. Für unsere Versuche haben wir Lotus corniculatus L., L. uliginosus Schkuhr, Medicago lupulina L., M. falcate L. und Onobrychis viciifolia Scop. ausgewählt. In einem ersten Schritt wurde das agronomische Potenzial der Leguminosen im Hinblick auf Etablierung und frühe Ertragsentwicklung mit nicht limitierter Wasserversorgung getestet. Weiterhin wurden der Ertrag und die Ertragsstabilität sowie die Wassernutzung der alternativen Leguminosen bei temporärer Trockenheit untersucht und mit der von T. repens verglichen. Der Einfluss von Trockenstress auf wichtige Futterwert bestimmende Inhaltsstoffe der Leguminosen (Rohprotein, neutrale Detergenzienfasern, saure Detergenzienfasen und wasserlösliche Kohlenhydrate) war überdies Gegenstand der Betrachtungen. Um die oben genannten Parameter zu untersuchen, wurde von 2009 (Einsaatjahr) bis 2011 ein Experiment in Großgefäßen in einer Vegetationshalle durchgeführt. In diesem Versuch wurden alle Leguminosen sowohl in Monokultur als auch in einer praxisüblichen Mischung mit Lolium perenne L. angesät. Im Versuchszeitraum folgten die klimatischen Bedingungen in der Vegetationshalle einem normalen jahreszeitlichen Verlauf, der Frost im Winter und höhere Temperaturen im Sommer umfasste. Der für den Versuch notwendige Trockenstress wurde in drei Aufwüchsen innerhalb von zwei Jahren durch temporären Bewässerungsstopp erzeugt. Dabei wurde im Frühjahr 2010 (April/Mai) ein moderater und im Sommer 2010 (Juli/August) sowie im Frühjahr 2011 (April/Mai) je ein starker Trockenstress induziert. Mit Ausnahme von M. falcata, welches eine verzögerte Anfangsentwicklung zeigte, waren die Keimung und die Etablierung von allen alternativen Leguminosen vergleichbar mit der von T. repens. Die Ertragsleistung von M. lupulina und L. corniculatus in Monokultur war ähnlich hoch wie die von T. repens. In Mischung zeigten beide alternativen Leguminosen zwar Potenzial, aber die Ertragsleistungen waren dennoch geringer als die der T. repens/L. perenne Mischung. In unserem Versuch führte Trockenstress zu verringertem Ertrag und er beeinflusste auch die agronomische Wassernutzungseffizienz (Verhältnis von Ertrag zu Wasserverbrauch). Ausschlaggebend waren dabei die Stärke und die Dauer des Trockenstresses. Besonders starker, aber auch bereits moderater Trockenstress führten bei T. repens zu erheblichen Ertragsverlusten von bis zu 56%. Demgegenüber zeigten vor allem M. lupulina, aber auch L. corniculatus und M. falcata lediglich marginale Ertragsverluste bei moderatem Trockenstress und meist geringere Ertragsverluste als T. repens bei starkem Stress. Die agronomische Wassernutzungseffizienz war bei moderatem Stress verhältnismäßig stabil, wohingegen starker Stress im Vergleich zur Kontrolle meist zu einer geringeren agronomischen Wassernutzungseffizienz führte. Sowohl unter Kontroll- als auch unter Stressbedingungen zeigte speziell M. lupulina in Monokultur eine ähnliche oder sogar eine höhere agronomische Wassernutzugseffizienz als T. repens. Zudem war die agronomische Wassernutzungseffizienz der Mischungen mit M. lupulina, L. corniculatus und M. falcata weniger negativ von starkem Trockenstress betroffen als die Mischung mit T. repens. Dies bestätigte zum einen die Trockenheitsempfindlichkeit von T. repens und zum anderen die bessere Anpassung der alternativen Leguminosen an trockenere Bedingungen. Wir beobachteten, dass eine Änderung in der Stickstofffixierungsleistung der Leguminosen eine gute Erklärungsgröße für Änderungen des Ertrags und der agronomischen Wassernutzungseffizienz darstellt. Hohe Stickstofffixierungsleistung geht dabei meist mit höherem Ertrag und höherer agronomischer Wassernutzungseffizienz einher. Die intrinsische Wassernutzungseffizienz (Verhältnis von assimiliertem CO2 und stomatärer Leitfähigkeit), gemessen als 13C, war ein schlechterer Indikator für die agronomische Wassernutzungseffizienz: Obwohl die intrinsische Wassernutzungseffizienz unter starkem Trockenstress zunahm, sank die agronomische Wassernutzungseffizienz meist ab. Dennoch besitzt die Erhöhung der intrinsischen Wassernutzungseffizienz ein gewisses Potenzial als Anpassung an trockenere Bedingungen Der Trockenstresseffekt auf die Futterqualität war in unserer Studie generell deutlich geringer als der Effekt auf den Ertrag. Besonders moderater Stress hatte wenig Einfluss auf die Futterqualität, während sich die Effekte bei starkem Stress verstärkten. Starker Trockenstress führte meist zu einer Verringerung des Rohprotein- und Fasergehalts (neutrale und saure Detergenzienfasern), wohingegen sich der Gehalt an wasserlöslichen Kohlenhydraten erhöhte. Dies könnte ein Hinweis darauf sein, dass sich die Futterqualität bei Trockenstress sogar verbessert. Nichtsdestotrotz hatten in unserem Versuch die Leguminosenart und die Einsaat als Monokultur oder Mischung einen größeren Einfluss auf die Futterqualität als der Trockenstress. Der Einfluss von Trockenstress auf die Futterqualität ist deshalb bei der Wahl einer geeigneten Futterleguminose weniger von Bedeutung als andere agronomische Eigenschaften. Zusammenfassend ist zu sagen, dass besonders M. lupulina und in geringerem Maße auch L. corniculatus und M. falcata Potenzial als Alternative für T. repens bei Trockenstress zeigen. Nach ausreichender Etablierungszeit entwickeln sich besonders M. lupulina aber auch L. corniculatus und M. falcata stabiler und können sogar höhere Erträge als T. repens bei Trockenstress produzieren. Bezüglich der Futterqualität sind oben genannte alternative Leguminosen ebenfalls vergleichbar mit T. repens.Grassland with a high productivity and fodder quality forms the basis for ruminant nutrition. In grassland swards with no or little input of nitrogen (N) from mineral fertiliser or manure, legumes are essential for productivity and fodder quality. This is mainly due to their ability to fix atmospheric N. Trifolium repens L. is currently the most important legume in European temperate grasslands. However, T. repens has been shown to need a good supply of water for growth. This may become challenging in times of climate change, as summer rainfall is predicted to become sparse. Other fodder legumes may be better adapted to drier conditions and may, therefore, have an increasing potential in future fodder production. However, knowledge on the agronomic potential of such alternative legume species especially under drought is limited. In this study, we investigate a range of five promising and maybe better drought adapted forage legumes for temperate grassland as possible alternative to T. repens. We chose Lotus corniculatus L., L. uliginosus Schkuhr, Medicago lupulina L., M. falcate L. and Onobrychis viciifolia Scop.. First, we examined the agronomic potential in establishment and early yield development under sufficient water supply. Furthermore, we studied yield and yield stability as well as water utilisation of alternative legumes under temporary drought and compared their performance with that of T. repens. Besides this, we examined the effects of drought stress on important nutritive values (crude protein, neutral detergent fibre, acid detergent fibre and water-soluble carbohydrates) of all investigate legumes. A container experiment was conducted in a vegetation hall from 2009 (sowing year) to 2011. All legumes were sown in monoculture as well as in mixture with Lolium perenne L., which is used more frequently in common practice. The climate conditions followed a normal seasonal pattern with frost in winter and higher temperatures in summer. Drought conditions were imposed on three periods during two years by temporary ceasing the watering of the containers. A moderate stress phase was set up in spring 2010 (April/May) followed by two periods of strong drought stress in summer 2010 (July/August) and spring 2011 (April/May). In our experiment, germination and establishment of all alternative legumes are comparable to T. repens except of M. falcata with a retarded initial development. In monoculture, M. lupulina and L. corniculatus show a yield potential almost as high as of T. repens. However, their performance in mixture with L. perenne showed some potential, but was smaller than that of T. repens. Our data show that drought stress decreased yield and influenced agronomic water use efficiency (relation of yield and water use). Changes in yield and agronomic water use efficiency under drought stress depended on the strength and duration of the stress. Strong and even moderate drought stress led to a substantial decrease in yield up to 56% for T. repens. Alternative legumes like M. lupulina but also L. corniculatus and M. falcata displayed only little reductions under moderate drought and mostly lower decrease than T. repens under strong drought. Agronomic water use efficiency was quite stable under moderate stress but mostly lower under strong stress. M. lupulina in particular displayed a similar or even higher agronomic water use efficiency than T. repens in monocultures under control and stress conditions. Furthermore, we observed smaller decreases in agronomic water use efficiency for M. lupulina, L. corniculatus and M. falcata mixtures under strong drought. This confirms the drought sensitivity of T. repens and makes other legumes obviously better suited to drought stress. We found that changes in N fixation explained changes in yield and agronomic water use efficiency well. High N fixation performance mostly led to larger yield and water use efficiencies. Intrinsic water use efficiency (ratio of assimilated CO2 and stomatal conductance), measured as 13C, was a poorer indicator for agronomic water use efficiency: although intrinsic water use efficiency increased under strong drought, agronomic water use efficiency mostly decreased. Still, the increase of intrinsic water use efficiency implies some potential to drought adaptation. In our study, the influence of drought stress on fodder quality was considerably lower than effects on yield. Particularly moderate drought showed relatively low effects on nutritive value, while stronger stress increased the impact on fodder quality with more visible effects. Under strong stress, we mostly found decreases in crude protein, neutral detergent fibre and acid detergent fibre and increases for water-soluble carbohydrates. This may indicate that water scarcity could even increase fodder quality and digestibility. However, legume species and stand (monoculture or mixture) mostly influenced nutritive values stronger than drought. Therefore, the reaction of temporary drought on nutritive value is less important compared to other agronomic properties for the selection of suitable forage legumes. In conclusion, especially M. lupulina and, to less extent, L. corniculatus and M. falcata showed potential as alternatives to T. repens also under drought stress. Given some time for establishment, M. lupulina, but also L. corniculatus and M. falcata, developed more stable and showed even larger yields than T. repens under drought stress. Also regarding fodder quality, the above named alternative legumes were comparable to T. repens

Sustainable grassland herbage production under drought stress - the role of plant species number and functional group composition

Grünlandfutter mit einem hohen Ertrag und gutem Futterwert ist eine Grundvoraussetzung für die effiziente Produktion von wiederkäuenden Nutztieren. Im Zuge des prognostizierten Klimawandels werden sich die Niederschlagsmuster ändern und das Auftreten von Extremwetterereignissen, wie temporärer Trockenheit, wird sich erhöhen. Besonders produktives Grünland benötigt aber eine ausreichende und regelmäßige Wasserversorgung während der Wachstumsperiode. Deshalb werden die Futterproduktion von Grünland, die Ertragsstabilität und der Futterwert von temporärer Trockenheit beeinflusst werden. Aus diesem Grund sind Anpassungsstrategien nötig, um eine zukünftige und nachhaltige Grünlandfuttererzeugung zu sichern. Erhöhte pflanzliche Biodiversität wird oft als Möglichkeit angesehen, Funktionen von Ökosystemen, wie Produktivität und Futterwert, im Grünland zu verbessern. Es gibt eine fortlaufende Diskussion wie eine erhöhte Artenzahl auf Stress, besonders Trockenstress, reagiert und wie dabei Produktivität, Futterwert und Wassernutzung beeinflusst werden. Andere Untersuchungen zeigten, dass Artidentität und die Zusammensetzung der funktionellen Gruppen wichtige Faktoren für Produktivität und Futterwert sind. Auf Grund dessen haben wir von Juli 2009 bis Juni 2011 ein Trockenstressexperiment in einer Vegetationshalle durchgeführt. Verschiedene temporäre Trockenstressereignisse wurden in drei Aufwüchsen in zwei Vegetationsperioden durchgeführt. Die klimatischen Verhältnisse in der Vegetationshalle folgten normalen saisonalen Verläufen mit Frost im Winter und höheren Temperaturen im Sommer. Trockenstress wurde induziert, indem, nach einer anfänglichen Bewässerung, die Wasserversorgung für einen bestimmten Zeitraum eingestellt wurde. Die Wasserverfügbarkeit des Bodens konnte dabei immer kontrolliert werden. Für das Experiment wählten wir ertragsstarke und landwirtschaftlich nutzbare Arten des Grünlands der gemäßigten Zonen aus. Die Arten wurden in Monokultur und Drei- sowie Fünfartenmischungen gesät und enthielten die funktionellen Gruppen Leguminose (Trifolium repens L.), Gras (Lolium perenne L., Dactylis glomerata L.) und Kraut (Plantago lanceolata L., Taraxacum officinale F.H. Wigg. agg.). Der von uns gewählt Umfang der Artenzahl zeigte schon in anderen Biodiversitätsexperimenten einen Einfluss auf die Produktion. Untersucht wurden die Effekte von Artenzahl und funktionellen Gruppen auf Ertrag, Ertragsstabilität, Wassernutzung und Futterwert (Rohprotein, wasserlösliche Kohlenhydrate, neutrale und saure Detergenzienfasern). Als Indikatoren für die Ertragsentwicklung und die agronomische Wassernutzungseffizienz (Verhältnis von Ertrag zu Wasserverbrauch) dienten der Stickstoffertrag und die Stickstoffkonzentration der Bestände sowie δ13C Signaturen, sowohl mit unlimitierter Wasserversorgung als auch mit Trockenstress. Überdies führten wir 2009 ein Kurzzeitfeldexperiment auf einem alten Grünlandbestand auf dem Versuchsgut der Universität Göttingen in Reliehausen durch. In diesem Versuch wurde ebenso der Einfluss von Trockenstress und Artenzahl auf den Ertrag und die Wassernutzung untersucht. Unsere Daten zeigten, dass Trockenstress die Produktivität verringert und die Wassernutzung beeinflusst, beides abhängig von der Stärke des Stresses. Bei moderatem Stress war die agronomische Wassernutzungseffizienz unverändert oder stieg leicht an, bei starkem Stress verringerte sie sich jedoch. Der Stickstoffertrag und die Stickstoffkonzentration waren brauchbare Indikatoren für die agronomische Wassernutzungseffizienz, wohingegen δ13C weniger geeignet war. Die agronomische Wassernutzungseffizienz wurde von Stickstoff erhöht. Es gab keinen oder nur einen sehr geringen Einfluss von Trockenstress auf den Futterwert. Saisonale Effekte hatten mehr Einfluss auf den Futterwert. Allgemein scheint der Ertragsrückgang wichtiger als die Veränderungen des Futterwerts zu sein. Die Artenzahl beeinflusste den Futterwert und die Ertragsstabilität über die Vegetationsperiode nicht. Mit Hilfe des “sampling effect“ (Probennahmeeffekt) können der manchmal positive Einfluss der Artenzahl auf den Ertrag und die agronomische Wassernutzungseffizienz und der Rückgang dieses Einflusses unter Trockenheit erklärt werden. Mit erhöhter Artenzahl stieg der Anteil der leistungsfähigen, aber trockenheitssensitiven Leguminose. Weiterhin gab es einen Hinweis, dass die Artenzahl die Geschwindigkeit des Wasserverbrauchs erhöht. Die Ergebnisse des Feldexperiments bekräftigten die Befunde bezüglich der Effekte des Trockenstresses, des Ertrages und der Wassernutzung. Aus diesen Gründen kann die „insurance hypothesis“ (Versicherungshypothese), die besagt, dass eine erhöhte Artenzahl Ökosystemfunktionen gegenüber Umweltveränderungen stabilisieren kann, nicht bestätigt werden. Jedoch waren die funktionellen Gruppen wichtige und bestimmende Faktoren der Leistung unter nicht Wasser limitierten Bedingungen und Trockenstress. Die Leguminose hatte besonders auf Ertrag, agronomische Wassernutzungseffizienz und Rohprotein einen positiven Einfluss, jedoch erhöhte sie auch den Wasserverbrauch und die saisonale Variabilität. Gräser stabilisierten den Ertrag und den Wasserverbrauch und erhöhten die wasserlöslichen Kohlenhydrate sowie die Faserfraktionen, während sie den Ertrag und die agronomische Wassernutzungseffizienz unter den stickstofflimitierten Bedingungen unseres Experiments verringerten. Die funktionelle Gruppe Kräuter zeigte ähnliche Ergebnisse bezüglich Ertrag und Wassernutzung, aber sie erhöhte das Rohprotein. Unsere Ergebnisse demonstrieren, dass die vorhergesagte Zunahme von Trockenstressereignissen die Produktion reduzieren und die Wassernutzung ändern wird. Änderungen im Futterwert werden dabei weniger wichtig als der Ertragsrückgang sein. Für die Produktion, die Wassernutzung und den Futterwert wird die Artenanzahl weniger relevant sein als die funktionelle Zusammensetzung von Grünland. Deshalb wird eine angepasste Grasnarbenzusammensetzung für die Sicherung der Produktion von wiederkäuenden Nutztieren unter den Bedingungen des erwarteten Klimawandels Bedeutung erlangen

Modeling of nano-photonic systems using the adaptive Fourier Modal Method and analytical dipole models

In this thesis, the Fourier Modal Method is significantly enhanced by applying coordinate transformations. These transformations are constructed and analyzed. Furthermore, guidelines for optimal parameters are formulated. The approach is then extended to three dimensions. Finally, an analytical model to describe twisted cross metamaterials is developed

Full-field optical coherence tomography-An educational setup for an undergraduate lab

Optical coherence tomography, or in short OCT, is a measurement technique established in the early 1990s for the non-invasive imaging of interfaces in the bulk of biological tissues or other samples. A full-field OCT setup is built from a microscope combined with a Michelson interferometer, where the mirror in one arm is replaced by the sample. Using white light, which is temporally partially coherent, interference fringes disclose the presence of an interface whenever the lengths of both interferometer arms are nearly equal. Scanning one arm allows for a volumetric reconstruction of all interfaces inside the sample. While the importance of OCT in medicine is indisputable, it is hard to teach students the basic aspects of such technology as most available setups tend to be rather complex. It is our purpose to present a fully functional full-field OCT setup that is stripped-down to its essential components and to promote its use in an undergraduate lab course. The contribution is complemented by a description of the basic theory necessary to understand the working principle of OCT

Concurrent chemoradiation with capecitabine and weekly irinotecan as preoperative treatment for rectal cancer: results from a phase I/II study

The aim of this study was to investigate the efficacy and safety of chemoradiation using capecitabine and irinotecan as neoadjuvant therapy for patients with rectal cancer. Conventional radiation was given at daily fractions of 1.8 Gy on 5 days a week for a total dose of 55.8 (50.4+5.4) Gy. Concurrently, irinotecan 40 mg m−2 once weekly and capecitabine continuously at dose levels of 500, 650, 750 and 825 mg m−2 twice daily were administered. Surgery was performed 4–6 weeks following completion of chemoradiation. A total of 28 patients (3 UICC II, 25 UICC III) were enrolled and all received treatment. Dose-limiting toxicity was diarrhoea grade IV and hand–foot syndrome at the 825 mg m−2 dose level. The maximum tolerated dose of capecitabine was 750 mg m−2. Diarrhoea was the most common toxicity: grade III in nine patients. Two patients died, one due to pneumonia and one due to sudden cardiac death. A complete response and only microfocal residual tumour disease was achieved in four and three patients (27%). In all, 25 of 28 patients undergoing surgery, 24 (96%) had R0 resection. Preoperative chemoradiation based on continuous daily capecitabine and weekly irinotecan appears to tolerated and effective in patients with rectal cancer

Intensified concurrent chemoradiotherapy with 5-fluorouracil and irinotecan as neoadjuvant treatment in patients with locally advanced rectal cancer

This study aimed to evaluate the feasibility and efficacy of neoadjuvant chemoradiotherapy intensified with irinotecan in patients with locally advanced rectal cancer. Eligible patients had nonmetastatic disease at a locally advanced stage that made R0 resection and sphincter preservation uncertain. They received preoperative radiation over 6 weeks to 45 Gy and boost of 5.4 Gy and concurrent continuous infusion 5-fluorouracil 250 mg m−2 day−1 and weekly irinotecan 40 mg m−2. In all, 37 patients entered the study. T stage at baseline as determined by ultrasound was T2/T3/T4 in 2/19/16 patients; 31 patients had lymph node involvement. The predominant toxicity was diarrhoea (grade 3/4 in 10/2 patients). Haematologic toxicity and surgical complications were moderate. Among 36 patients undergoing surgery, 32 (89%) had R0 resection and 23 (64%) sphincter preservation. Pathologic complete response (pCR) was achieved in eight (22%) of 36 patients, and 10 patients (28%) had only microscopic residual disease. At 4 years, overall survival was 66%, disease-free survival 73%, local relapse rate 7%, and distant failure rate 24%. Extent of resection and postoperative nodal status were significant predictors of overall and disease-free survival. Intensified neoadjuvant chemoradiotherapy with irinotecan can be safely administered and results in a high pCR rate