Rye (Secale cereale L.) : agronomic performance under drought and methods of crop physiology to determine the drought tolerance of winter rye

Winter rye (Secale cereale L.) is predominantly cultivated on light and sandy soils with a low water holding capacity and will therefore be especially affected by drought induced yield losses in Central and Eastern Europe in the future. Drought adaption through breeding is therefore an important task in order to adapt this crop to future climate conditions. In this context, the crop physiology methods canopy temperature depression (CTD = Tair - Tcanopy) and carbon isotope discrimination (delta) were examined for their suitability as selection criterion under drought on a small number of genotypes. Two sets of each 16 genotypes were therefore grown under different drought conditions in rain-out shelters and under well-watered conditions in the years 2011, 2012, and 2013. The CTD was determined several times during the growth period using two infrared (IR) thermometers and an IR camera. delta-analyses were performed on mature flag leaves (delta_leaf) and grains (delta_grains). Furthermore, ash content in mature flag leaves and grains, as well as mineral concentrations in mature flag leaves (Ca, K, Mg, and Si) were examined for their use as surrogates for the expensive and time-consuming delta-analyses. In addition to the evaluation of possible selection criterions, the agronomic performance of rye in the different drought regimes was assessed: Grain-, straw-, and total aboveground biomass yields, the grain yield components spikes m-2, kernels spike-1, and thousand kernel weight (TKW), leaf area index (LAI), and phenological characteristics were examined. Drought induced grain yield reductions ranged from 14 to 57%, whereas straw yield was generally lesser affected. The growth period was shortened by up to 12 days under drought conditions compared to optimal water supply. Grain yield was positively associated to straw yield, LAI, spikes m-2, and kernels spike-1 under water deficit. High number of grains per area land seemed to be especially important for high grain yields under drought. Furthermore, the results suggest a strong importance of pre-anthesis reserves for the reallocation of assimilates for grain filling under drought in rye. Regarding the suitability of possible selection criterions, CTD was significantly positively related to grain yield under drought. Significant correlations between CTD and grain yield were, however, only observed when the measurements were carried out on days with optimal weather conditions. Optimal conditions turned out to be days with a clear sky, a solar irradiation >700 W m-2, an air temperature of at least 20°C, as well as wind speeds <3 m s-1. Furthermore, the results showed that also rather inexpensive IR instruments are suitable to assess the CTD. Regarding the carbon isotope discrimination, delta_leaf was significantly positively related to grain yield under water deficit, but the correlation was weaker than between CTD and grain yield. Delta_grains was not related to grain yield at all. Ash content and mineral concentrations were significantly related to grain yield under drought, but the correlations were quite inconsistent between the two experimental years. Because of the weak or missing relationship with grain yield, carbon isotope discrimination and its potential surrogates ash content and mineral concentration cannot be recommended for their use as selection criterions under German climate conditions at present. A general limitation of the preset work was, however, the low genetic variability of the genotypes, which may have reduced the significance of the results. The results should therefore be validated with a more diverse set of genotypes. However, especially the CTD seemed to be a promising selection criterion which may help to develop drought tolerant rye genotypes, if this method can be successfully integrated into the breeding process.Winterroggen (Secale cereale L.) wird vorwiegend auf leichten und sandigen Böden mit niedriger Wasserhaltekapazität angebaut, und wird dadurch besonders von zukünftigen trockenstressinduzierten Ertragseinbußen in Mittel- und Osteuropa betroffen sein. Die Zucht auf Trockentoleranz ist daher eine wichtige Aufgabe, um Roggen an zukünftige Klimabedingungen anzupassen. In diesem Zusammenhang wurden die ertragsphysiologischen Methoden Canopy temperature depression (CTD = TLuft TBestand) und Kohlenstoffisotopendiskriminierung (Delta) an einer kleinen Anzahl von Genotypen auf ihre Eignung als Selektionskriterium unter Trockenstress hin undersucht. 2 x 16 Genotypen wurden hierfür unter verschiedenen Trockenstressvarianten in Rain-out Sheltern sowie unter optimal bewässerten Bedingungen in den Jahren 2011, 2012 und 2013 angebaut. Die CTD wurde im Laufe der Vegetationsperiode mehrmals mithilfe zweier Infrarot (IR) -Thermometer und einer Thermokamera gemessen. Delta-Analysen wurden an Fahnenblättern und Körnern durchgeführt. Desweiteren wurden der Aschegehalt in Fahnenblättern und Körnern sowie Einzelelementkonzentrationen im Fahnenblatt (Ca, K, Mg, Si) auf ihre Eignung als Surrogate für die teuren und aufwendigen Delta-Analysen geprüft. Ergänzend wurde die agronomische Leistung von Winterroggen unter verschiedenen Trockenstressvarianten untersucht: hierfür wurden Korn-, Stroh- und gesamter oberirdischer Biomasseertrag, die Ertragskomponenten Ähren m-2, Körner Ähre-1 und Tausendkorngewicht (TKW), der Blattflächenindex (LAI) sowie phänologische Charakteristika untersucht. Trockenstressinduzierte Kornertragsreduktionen lagen zwischen 14 und 57%, während der Strohertrag generell geringer reduziert wurde. Unter Trockenstress wurde die Vollreife im Vergleich zu optimal bewässerten Bedingungen um bis zu 12 Tagen früher erreicht. Der Kornertrag war unter Trockenstress positive mit Strohertrag, LAI, Ähren m-2 und Körner Ähre-1 korreliert. Eine hohe Kornanzahl war besonders wichtig für einen hohen Kornertrag unter Trockenstress. Ferner deuteten die Ergebnisse auf eine besondere Bedeutung vegetativer Reservepools als Assimilatquelle für die Kornfüllung hin. Die CTD stand unter Trockenstress signifikant mit dem Kornertrag in Beziehung. Signifikante Korrelationen zwischen CTD und Kornertrag wurden jedoch ausschließlich an Tagen mit optimalen Wetterbedingungen gefunden. Optimale Bedingungen für die Messung der CTD fanden sich an Tagen mit einem wolkenlosen Himmel, einer Globalstrahlung >700 W m-2, einer Lufttemperatur >20°C sowie einer Windgeschwindigkeit <3 m s-1. Ferner zeigten die Ergebnisse, das auch verhältnismäßig günstige IR-Geräte für die CTD-Messungen geeignet sind. Bei der Kohlenstoffisotopendiskriminierung war Delta(Fahnenblatt) signifikant positiv mit dem Kornertrag korreliert, die Korrelation war jedoch deutlich schwächer als die zwischen CTD und Kornertrag. Delta(Korn) war nicht mit dem Kornertrag korreliert. Aschegehalten und Einzelelementkonzentrationen standen zwar mit dem Kornertrag in Beziehung, die Korrelationen schwankten innerhalb der Jahre jedoch stark. Aufgrund der schwachen, beziehungsweise fehlenden Korrelationen können die Kohlenstoffisotopendiskriminierung sowie deren Surrogate zum jetzigen Zeitpunkt nicht für den Einsatz als Selektionskriterium unter den vorliegenden Klimabedingungen empfohlen werden. Eine generelle Einschränkung dieser Arbeit war jedoch die geringe genetische Variabilität der untersuchten Genotypen, welche die Aussagekraft der Ergebnisse abgeschwächt haben könnte. Aufgrund dessen sollten die Ergebnisse mit einem vielfältigeren genetischen Material überprüft werden. Die CTD jedoch scheint geeignet zu sein, um als Selektionskriterium verwendet werden zu können. Diese Methode könnte die Entwicklung trockentoleranter Roggengenotypen beschleunigen, wenn sie erfolgreich in den Züchtungsprozess eingebunden werden kann

Rye (Secale cereale L.) : agronomic performance under drought and methods of crop physiology to determine the drought tolerance of winter rye

Winter rye (Secale cereale L.) is predominantly cultivated on light and sandy soils with a low water holding capacity and will therefore be especially affected by drought induced yield losses in Central and Eastern Europe in the future. Drought adaption through breeding is therefore an important task in order to adapt this crop to future climate conditions. In this context, the crop physiology methods canopy temperature depression (CTD = Tair - Tcanopy) and carbon isotope discrimination (delta) were examined for their suitability as selection criterion under drought on a small number of genotypes. Two sets of each 16 genotypes were therefore grown under different drought conditions in rain-out shelters and under well-watered conditions in the years 2011, 2012, and 2013. The CTD was determined several times during the growth period using two infrared (IR) thermometers and an IR camera. delta-analyses were performed on mature flag leaves (delta_leaf) and grains (delta_grains). Furthermore, ash content in mature flag leaves and grains, as well as mineral concentrations in mature flag leaves (Ca, K, Mg, and Si) were examined for their use as surrogates for the expensive and time-consuming delta-analyses. In addition to the evaluation of possible selection criterions, the agronomic performance of rye in the different drought regimes was assessed: Grain-, straw-, and total aboveground biomass yields, the grain yield components spikes m-2, kernels spike-1, and thousand kernel weight (TKW), leaf area index (LAI), and phenological characteristics were examined. Drought induced grain yield reductions ranged from 14 to 57%, whereas straw yield was generally lesser affected. The growth period was shortened by up to 12 days under drought conditions compared to optimal water supply. Grain yield was positively associated to straw yield, LAI, spikes m-2, and kernels spike-1 under water deficit. High number of grains per area land seemed to be especially important for high grain yields under drought. Furthermore, the results suggest a strong importance of pre-anthesis reserves for the reallocation of assimilates for grain filling under drought in rye. Regarding the suitability of possible selection criterions, CTD was significantly positively related to grain yield under drought. Significant correlations between CTD and grain yield were, however, only observed when the measurements were carried out on days with optimal weather conditions. Optimal conditions turned out to be days with a clear sky, a solar irradiation >700 W m-2, an air temperature of at least 20°C, as well as wind speeds <3 m s-1. Furthermore, the results showed that also rather inexpensive IR instruments are suitable to assess the CTD. Regarding the carbon isotope discrimination, delta_leaf was significantly positively related to grain yield under water deficit, but the correlation was weaker than between CTD and grain yield. Delta_grains was not related to grain yield at all. Ash content and mineral concentrations were significantly related to grain yield under drought, but the correlations were quite inconsistent between the two experimental years. Because of the weak or missing relationship with grain yield, carbon isotope discrimination and its potential surrogates ash content and mineral concentration cannot be recommended for their use as selection criterions under German climate conditions at present. A general limitation of the preset work was, however, the low genetic variability of the genotypes, which may have reduced the significance of the results. The results should therefore be validated with a more diverse set of genotypes. However, especially the CTD seemed to be a promising selection criterion which may help to develop drought tolerant rye genotypes, if this method can be successfully integrated into the breeding process.Winterroggen (Secale cereale L.) wird vorwiegend auf leichten und sandigen Böden mit niedriger Wasserhaltekapazität angebaut, und wird dadurch besonders von zukünftigen trockenstressinduzierten Ertragseinbußen in Mittel- und Osteuropa betroffen sein. Die Zucht auf Trockentoleranz ist daher eine wichtige Aufgabe, um Roggen an zukünftige Klimabedingungen anzupassen. In diesem Zusammenhang wurden die ertragsphysiologischen Methoden Canopy temperature depression (CTD = TLuft TBestand) und Kohlenstoffisotopendiskriminierung (Delta) an einer kleinen Anzahl von Genotypen auf ihre Eignung als Selektionskriterium unter Trockenstress hin undersucht. 2 x 16 Genotypen wurden hierfür unter verschiedenen Trockenstressvarianten in Rain-out Sheltern sowie unter optimal bewässerten Bedingungen in den Jahren 2011, 2012 und 2013 angebaut. Die CTD wurde im Laufe der Vegetationsperiode mehrmals mithilfe zweier Infrarot (IR) -Thermometer und einer Thermokamera gemessen. Delta-Analysen wurden an Fahnenblättern und Körnern durchgeführt. Desweiteren wurden der Aschegehalt in Fahnenblättern und Körnern sowie Einzelelementkonzentrationen im Fahnenblatt (Ca, K, Mg, Si) auf ihre Eignung als Surrogate für die teuren und aufwendigen Delta-Analysen geprüft. Ergänzend wurde die agronomische Leistung von Winterroggen unter verschiedenen Trockenstressvarianten untersucht: hierfür wurden Korn-, Stroh- und gesamter oberirdischer Biomasseertrag, die Ertragskomponenten Ähren m-2, Körner Ähre-1 und Tausendkorngewicht (TKW), der Blattflächenindex (LAI) sowie phänologische Charakteristika untersucht. Trockenstressinduzierte Kornertragsreduktionen lagen zwischen 14 und 57%, während der Strohertrag generell geringer reduziert wurde. Unter Trockenstress wurde die Vollreife im Vergleich zu optimal bewässerten Bedingungen um bis zu 12 Tagen früher erreicht. Der Kornertrag war unter Trockenstress positive mit Strohertrag, LAI, Ähren m-2 und Körner Ähre-1 korreliert. Eine hohe Kornanzahl war besonders wichtig für einen hohen Kornertrag unter Trockenstress. Ferner deuteten die Ergebnisse auf eine besondere Bedeutung vegetativer Reservepools als Assimilatquelle für die Kornfüllung hin. Die CTD stand unter Trockenstress signifikant mit dem Kornertrag in Beziehung. Signifikante Korrelationen zwischen CTD und Kornertrag wurden jedoch ausschließlich an Tagen mit optimalen Wetterbedingungen gefunden. Optimale Bedingungen für die Messung der CTD fanden sich an Tagen mit einem wolkenlosen Himmel, einer Globalstrahlung >700 W m-2, einer Lufttemperatur >20°C sowie einer Windgeschwindigkeit <3 m s-1. Ferner zeigten die Ergebnisse, das auch verhältnismäßig günstige IR-Geräte für die CTD-Messungen geeignet sind. Bei der Kohlenstoffisotopendiskriminierung war Delta(Fahnenblatt) signifikant positiv mit dem Kornertrag korreliert, die Korrelation war jedoch deutlich schwächer als die zwischen CTD und Kornertrag. Delta(Korn) war nicht mit dem Kornertrag korreliert. Aschegehalten und Einzelelementkonzentrationen standen zwar mit dem Kornertrag in Beziehung, die Korrelationen schwankten innerhalb der Jahre jedoch stark. Aufgrund der schwachen, beziehungsweise fehlenden Korrelationen können die Kohlenstoffisotopendiskriminierung sowie deren Surrogate zum jetzigen Zeitpunkt nicht für den Einsatz als Selektionskriterium unter den vorliegenden Klimabedingungen empfohlen werden. Eine generelle Einschränkung dieser Arbeit war jedoch die geringe genetische Variabilität der untersuchten Genotypen, welche die Aussagekraft der Ergebnisse abgeschwächt haben könnte. Aufgrund dessen sollten die Ergebnisse mit einem vielfältigeren genetischen Material überprüft werden. Die CTD jedoch scheint geeignet zu sein, um als Selektionskriterium verwendet werden zu können. Diese Methode könnte die Entwicklung trockentoleranter Roggengenotypen beschleunigen, wenn sie erfolgreich in den Züchtungsprozess eingebunden werden kann

2035 Arable Farming Strategy of the BMEL

Ende 2019 wurde das Diskussionsppapier zur Ackerbau­strategie 2035 des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) vorgestellt. Das Julius Kühn-Institut (JKI) war intensiv in die Vorarbeiten eingebunden und hat das BMEL bei der Erarbeitung des Diskussionspapiers zur Ackerbaustrategie aktiv unterstützt. Die Ackerbau­strategie beschreibt sechs Leitlinien, welche die Rahmenbedingungen für einen nachhaltigen Ackerbau darstellen. In insgesamt 12 Handlungsfeldern werden Herausforderungen und Zielkonflikte aufgezeigt, und entsprechende Ziele und Maßnahmen benannt. Im Folgenden werden einige Inhalte der Ackerbaustrategie vorgestellt. Zudem wird aufgezeigt, wie die Ressortforschung – und das JKI im Speziellen – die Umsetzung der Ackerbaustrategie bereits heute wie auch in Zukunft aktiv unterstützt.At the end of 2019, the Federal Ministry of Food and Agri­culture (BMEL) presented a discussion paper on the Arable Farming Strategy. The Julius Kühn-Institut (JKI) was intensively involved in the preparatory work and sup­ported the BMEL in developing the arable farming stra­tegy. It describes six guidelines that define the framework for sustainable arable farming. In a total of 12 fields of action, challenges and conflicting objec­tives are named and corresponding objectives and measures are identified. Some of the contents of the arable farming strategy are presented below. It is also shown how departmental research – and the JKI in particular – is already actively supporting the implementation of the arable farming strategy today as well as in the future

Water as a limiting factor for crop yield

Durch die mit dem Klimawandel einhergehende höhere Durchschnittstemperatur und häufigere Frühjahrs- und Sommertrockenheit wird das Wasser zu einem zunehmend limitierenden Faktor für die landwirtschaftliche Pflanzenproduktion. Am Institut für Pflanzenbau und Bodenkunde des Julius Kühn-Instituts (JKI) wurden in den letzten Jahren mehrere Experimente mit dem Produktionsfaktor Wasser durchgeführt. Die wichtigsten Ergebnisse einiger ausgewählter Experimente werden in dieser Veröffentlichung kurz beschrieben: (I) Wasserbedarf von Energiemais, (II) Einfluss der Wasserversorgung auf die interspezifische Konkurrenz beim Mischanbau, (III) Vergleich der Trockentoleranz von Mais und Sorghumhirsen, (IV) Extremszenario zu Trockenstress bei Wintergetreide, (V) Temperatur des Pflanzenbestandes als Bioindikator für den Wasserstatus und (VI) Wasseraufnahme, Wassernutzungseffizienz und Biomasseertrag von Durchwachsener Silphie.Because of the higher average temperature and more frequent spring and summer drought associated with climate change, water becomes an increasingly limiting factor for agricultural crop production. At the Institute for Crop and Soil Science of the Julius Kühn-Institut (JKI), several experiments with the production factor water have been carried out during recent years. The most important results of some selected experiments are briefly described in this publication: (I) water requirement of energy maize, (II) influence of water supply on interspecific competition in mixed cropping, (III) comparison of drought tolerance of maize and sorghum, (IV) extreme scenario for drought stress in winter cereals, (V) canopy temperature as a biological indicator for the crop water status and (VI) water uptake, water use efficiency and biomass yield of cup plant

Optimized seed patterns in cereals

Ein optimiertes Aussaatmuster mit gleichmäßigen Abständen zwischen den Pflanzen erhöht den nutzbaren Stand­raum je Einzelpflanze und reduziert intraspezifische Konkurrenzeffekte. Neben höheren und stabileren Erträgen sind auch Vorteile hinsichtlich Ressourcennutzungseffizienz, Stresstoleranz und Unkrautunterdrückungsvermögen zu erwarten. Aktuell wird Getreide vorwiegend in Drillsaat ausgebracht, was nicht dem pflanzenbaulichen Optimum entspricht, jedoch eine hohe Flächenleistung ermöglicht. Alternativ ist für die Getreideaussaat reihenabhängige Einzelkornsätechnik verfügbar, welche bereits deutliche Vorteile hinsichtlich eines gleichmäßigeren Saatbilds zeigt. Den gleichmäßigsten Standraum je Einzelpflanze erreicht man mit einer Gleichstandsaat im Dreieckverband, welche bei Getreide technisch noch nicht realisierbar ist. Um die erwarteten Vorteile der Gleichstandsaat bei Getreide zu überprüfen, werden am Julius Kühn-Institut Versuche zur Gleichstandsaat bei Winterweizen durchgeführt, um Fragestellungen hinsichtlich Ertrag, Ressourcennutzungseffizienz, Stresstoleranz etc. zu beantworten. Parallel dazu sind die Anpassung einer Einzelkornsämaschine sowie die Entwicklung eines mobilen autonomen Systems geplant, die eine Aussaat im Dreieckverband ermöglichen.An optimized seed pattern with even distances increases the utilizable space of individual plants and reduces intraspecific competition. In addition to higher and more stable yields, benefits in terms of resource use efficiency, stress tolerance and weed suppression are expected. Currently, cereals are mainly sown in rows, which does not corres­pond to the crops’ optimum, but allows a fast sowing. Alternatively, precision seeding is available for cereals, which already allows a more uniform seed pattern. The most even spacing per single plant can be achieved with a uniform seed pattern in a triangular lattice, which is technically not yet feasible in cereals. In order to test the expected benefits of a uniform seed pattern in cereals, field trials are conducted at the JKI with winter wheat to answer questions regarding yield, resource use efficiency and stress tolerance. At the same time, the adaptation of a precision seeding and the development of an autonomous sowing system are planned in order to enable a uniform seed pattern

Theory of the 2S-2P Lamb shift and 2S hyperfine splitting in muonic hydrogen

The 7 standard deviations between the proton rms charge radius from muonic hydrogen and the CODATA-10 value from hydrogen spectroscopy and electron-scattering has caused considerable discussions. Here, we review the theory of the 2S-2P Lamb shift and 2S hyperfine splitting in muonic hydrogen combining the published contributions and theoretical approaches. The prediction of these quantities is necessary for the determination of both proton charge and Zemach radii from the two 2S-2P transition frequencies measured in muonic hydrogen.Comment: 20 pages with 3 Tables summarising the contributions to the muonic hydrogen Lamb shift and hyperfine splittin

Wissenschaftliche Grundlagen zum Strategiediskurs für einen nachhaltigen Pflanzenbau

Für den rationalen gesellschaftlichen Diskurs zur Lösung der vielfältigen Zielkonflikte auf dem Weg zu einem nachhaltigen Pflanzenbausind wissenschaftliche Fakten über die Beziehungen zwischen den Zielen unabdingbar. Daher hat die Gesellschaft für Pflanzenbauwissen-schaften wissenschaftliche Befunde zu den Themenbereichen Biodiversität, Klimarelevanz und Klimaresilienz, Nährstoffmanagement,Pflanzenschutz, Bodenschutz und Produktion nachwachsender Rohstoffe zusammengestellt und den bestehenden Forschungsbedarfidentifiziert. Nach einem Executive Summary, das die Befunde schlaglichtartig darstellt, werden die Themenbereiche im Einzelnen ausgeführt. Ziel dieses Papiers ist nicht, Empfehlungen für die politische Entscheidungsfindung abzugeben, sondern die öffentliche Diskussiondurch Bereitstellung von Sachinformationen zu unterstützen.Scientific facts about the relationships between the goals are indispensable for the rational social discourse on solving the various conflict-ing goals on the way to sustainable crop production. Therefore, the German Society for Agronomy has compiled scientific findings on thetopics of biodiversity, climate relevance and climate resilience, nutrient management, crop protection, soil protection and production ofrenewable raw materials, and identified the existing need for research. After an executive summary that highlights the findings, the subjectareas are explained in detail. The purpose of this paper is not to make recommendations for policy-making, but to support the publicdebate by providing factual information

Dental and Periodontal Treatment Need after Dental Clearance Is Not Associated with the Outcome of Induction Therapy in Patients with Acute Leukemia: Results of a Retrospective Pilot Study

This retrospective pilot study aimed to detect whether remaining dental/periodontal treatment need and periodontal inflammation after dental clearance would be associated with the initial therapy outcome of adult patients with acute leukemia undergoing induction chemotherapy. Different parameters were assessed from the patients’ records: initial blood parameters, blood parameters during initial chemotherapy, leukemia/therapy related complaints, duration of fever, microbiological findings (blood and urine), as well as patients’ survival. Dental treatment need was defined as the presence of at least one carious tooth; periodontal treatment need was determined by the presence of probing depth ≥3.5 mm in at least two sextants. To reflect periodontal inflammation, the periodontal inflamed surface area (PISA) was applied. Thirty-nine patients were included. A dental treatment need of 75% and periodontal treatment need of 76% as well as an average PISA of 153.18 ± 158.09 were found. Only two associations were detected: periodontal treatment need was associated with thrombocyte count after 7 days (p=0.03), and PISA was associated with erythrocyte count three days after induction of therapy (p=0.01). It can be concluded that remaining dental and periodontal treatment need as well as periodontal inflammation after dental clearance is not associated with the outcome of induction therapy in adult patients with acute leukemia