Use of modeling to characterize phenology and associated traits among wheat cultivars

Predicting phenology of wheat is important for many aspects of wheat production as for example facilitating accurate timing of pesticides, fertilizers and irrigation, avoiding stress at critical growth stages, and adapting cultivar characteristics to specific environmental constraints or global changes in climate. The aim of the dissertation was to characterize and test the impact of wheat phenology on agronomic traits through integrated use of crop models and information on the genetic makeup of cultivars. In an initial study, cultivar differences in vernalization requirement, photoperiod response and earliness per se were distinguished by field-based indices and compared with corresponding model parameters in CSM-Cropsim-CERES-Wheat model Version 4.0.2.0. To determine whether field-based indices can provide accurate characterization of vernalization requirement, photoperiod response and earliness per se, 26 winter wheat cultivars were evaluated under field conditions at Ihinger Hof, Germany using two natural photoperiod regimes (from different transplanting dates) and vernalization pre-treatments. Results indicated that combining planting dates with vernalization pre-treatments can permit reliable, quantitative characterization of vernalization requirement, photoperiod response and earliness per se of wheat cultivars. Furthermore, genotypic model parameters appeared to be reliable estimates of cultivar differences in response to vernalization and photoperiod. In a second study, the model parameters for vernalization requirement (P1V) and photoperiod response (P1D) were estimated using gene information. To estimate these model parameters through integrating effects of Vrn and Ppd loci, flowering data obtained for 29 cultivars tested in the International Winter Wheat Performance Nursery (IWWPN) were used. Summarizing, results indicated that gene-based estimation of model coefficients was effective for prediction of phenology over a wide range of environments and appears feasible for studying wheat response to environment. To assist plant breeding with crop models, a possibility could be to assess model parameters for designing improved plant types (ideotypes). CMS-Cropsim-CERES-Wheat was used in a third study to test model parameters concerning plant development and grain yield. In ideotyping sequences, the parameters were varied and the model was run in four different scenarios in the North China Plain. The parameter G1 (corresponding trait: kernel number per spike) showed the highest influence on yield over all scenarios followed by G2 (corresponding trait: kernel weight). Results obtained in this study could help breeders to select the relevant traits and integrate them in their breeding program for a specific population of environments. To investigate the coherences between pre-anthesis phenology and grain protein content in a fourth study the statistical analysis of causal relationships with genotypic model parameters was used. It was tested whether model-based characterizations of vernalization requirement, photoperiod response and earliness per se can help explain genotype x environment interactions for grain protein content. Twenty four winter wheat and five spring wheat cultivars (IWWPN) and twelve winter wheat cultivars (of a two year field study at Ihinger Hof, Germany) were characterized using CSM-Cropsim-CERES-Wheat. Covariance analyses indicated that vernalization requirement, photoperiod response, and earliness per se all influenced grain protein content, but their effects varied with site and year within region. Path analyses using data from two seasons in Germany confirmed that grain protein content increased with a shorter pre-anthesis phase and indicated in accordance with the covariance analyses the environmental dependence of this trait. The results proposed that efforts to improve grain protein content should target levels of vernalization requirement, photoperiod sensitivity and earliness per se to specific populations of environments and seek to reduce the apparent large influence of environment on grain protein content. The improved understanding of traits affecting phenology and the linkage with genotypic model parameters can be applied e.g. in China to solve arising and existing agricultural challenges. Model-based analyses can help adapting cropping systems to global warming. In the North China plain a more accurate timing of N-fertilizers and irrigation, as a result of modeling, can ensure a sustainable resource use while maintaining high yields. Summarizing, the findings of this dissertation showed that traits affecting phenology in wheat can be successfully characterized by field-based indices, genotypic model parameters and gene-based estimates of genotypic model parameters. Furthermore, the research showed how genotypic model parameters can be used for breeding purposes, and to test causal relationships both at regional and local geographic scales.Die Prognose der Weizenphänologie ist für viele Aspekte der Weizenproduktion wichtig. Beispiele sind die termingerechte Anwendung von Pestiziden, Düngemitteln und Bewässerung, sowie die Vermeidung von Stress während kritischen Wachstumsstadien. Das Ziel der Doktorarbeit war, die Phänologie von Weizen zu charakterisieren und ihren Einfluss auf landwirtschaftliche Merkmale unter der Verwendung des Pflanzenwachstumsmodells CSM-Cropsim-CERES-Wheat 4.0.2.0 und sortenspezifischen genetischen Informationen zu prüfen. In einer Ausgangsstudie wurden sortenspezifische Unterschiede in Vernalisationsbedarf, photoperiodischer Sensitivität und Frühzeitigkeit durch feld-gestützte Indizes differenziert und mit entsprechenden sortenspezifischen Modellkoeffizienten im Pflanzenwachstumsmodell CSM-Cropsim-CERES-Wheat verglichen. Um feststellen zu können, ob die Indizes eine genaue Charakterisierung des Bedarfes an Vernalisation, Photoperiode und Frühzeitigkeit liefern können, wurden 26 Winterweizensorten mit zwei natürlichen photoperiodischen Regimes (zwei unterschiedliche Pflanzzeitpunkte) und vorvernalisierten Varianten am Ihinger Hof, Deutschland, geprüft. Die Resultate zeigten, dass diese Kombination eine Charakterisierung des sortenspezifischen Bedarfs an Vernalisation, photoperiodischer Sensitivität und Frühzeitigkeit erlaubt. Darüber hinaus scheinen die sortenspezifischen Modellkoeffizienten eine vertrauenswürdige Schätzung von Sortenunterschieden bezüglich Vernalisation und Photoperiode zu sein. In einer zweiten Studie wurden die sortenspezifischen Modellkoeffizienten für Vernalisationsbedarf (P1V) und photoperiodischer Sensitivität (P1D) mit Hilfe von genetischer Information geschätzt. Um diese Modellkoeffizienten durch die Eingliederung von Ppd und Vrn loci schätzen zu können, wurden Blühdaten von 29 Sorten aus einer Internationalen Winterweizen-Leistungsprüfung (IWWPN) herangezogen. Zusammenfassend zeigten die Resultate, dass die gen-gestützten Modellkoeffizienten bei der Prognostizierung von Phänologie über eine weite Spanne von Umwelten effektiv waren. Die Anpassung der Modellkoeffizienten und die sich daraus ergebenden verbesserten Pflanzentypen (Ideotypen) kann eine Methode zur Unterstützung der Pflanzenzüchtung sein. Um die sortenspezifischen Modellkoeffizienten hinsichtlich Pflanzenentwicklung und Kornertrag testen zu können, wurde in einer dritten Studie wieder CSM-Cropsim-CERES-Wheat verwendet. In so genannten Ideotyping-Sequenzen wurden die Koeffizienten in vier verschiedenen Szenarien in der Nordchinesischen Tiefebene variiert und mit dem Model simuliert. Den größten Einfluss auf den Kornertrag über alle Szenarien hinweg hatten die Koeffizienten G1 (entsprechendes Merkmal: Kornanzahl pro Ähre) gefolgt von G2 (entsprechendes Merkmal: Kornmasse). Resultate aus dieser Studie könnten Pflanzenzüchtern helfen, die relevanten Merkmale zu selektieren und sie in ihr Zuchtprogramm für spezifische Umwelten zu integrieren. Zur Untersuchung der Beziehung zwischen Vorblüte-Phänologie und Proteingehalt des Kornes wurde in einer vierten Studie eine statistische Analyse von kausalen Zusammenhängen mit Hilfe der Modellkoeffizienten angewandt. Es wurde getestet, ob eine Charakterisierung von Vernalisationsbedarf, photoperiodischer Sensitivität und Frühzeitigkeit durch das Modell bei der Erklärung der Interaktionen von Genotyp und Umwelt behilflich sein kann. 24 Winterweizen und 5 Sommerweizensorten (IWWPN) und 12 Winterweizensorten (aus einem Feldversuch am Ihinger Hof, Deutschland) wurden mit CSM-Cropsim-CERES-Wheat charakterisiert. Die Kovarianzanalyse der Daten der IWWPN zeigte, dass Vernalisationsbedarf, photoperiodische Sensitivität und Frühzeitigkeit den Proteingehalt im Korn beeinflussten, die Effekte aber mit Ort und Jahr innerhalb einer Region variierten. Die Pfadanalysen eines Datensatzes aus zwei Versuchsjahren am Ihinger Hof bestätigten, dass der Proteingehalt im Korn mit kürzerer Vorblüte-Phase steigt. In Übereinstimmung mit der Kovarianzanalyse wurde die Abhängigkeit des Merkmals von der Umwelt sichtbar. Die Resultate implizieren, dass Anstrengungen zur Erhöhung des Proteingehaltes darauf abzielen sollten, umweltspezifische Niveaus von Vernalisationsbedarf, photoperiodischer Sensitivität und Frühzeitigkeit zu bestimmen und den offenkundigen Einfluss der Umwelt zu reduzieren. Das optimierte Verständnis von Merkmalen, welche die Phänologie beeinflussen, und die Verknüpfung mit sortenspezifischen Modellkoeffizienten, kann z.B. in China zur Lösung von aufkommenden Problemen und aktuellen agronomischen Herausforderungen beitragen. Modell-gestützte Analysen können die Anpassung von Anbausystemen an die Klimaerwärmung erleichtern. In der Nordchinesischen Tiefebene kann mit Hilfe der Modellierung eine termingerechte Anwendung von N-Düngung und Bewässerung erfolgen und so eine nachhaltige Landwirtschaft mit hohen Erträgen sichergestellt werden. Zusammenfassend zeigen die Erkenntnisse dieser Doktorarbeit, dass Merkmale, welche die Phänologie beeinflussen, erfolgreich mit feld-gestützten Indizes, sortenspezifischen Modellkoeffizienten und gen-gestützten Modellkoeffizienten charakterisiert werden können. Darüber hinaus zeigen die Untersuchungen, wie sortenspezifische Modellkoeffizienten für Züchtungszwecke und für die Analyse von kausalen Zusammenhängen in der Pflanzenphysiologie sowohl auf regionaler als auch auf lokaler Ebene verwendet werden können

Response to Interpreting the results of oceanic mesoscale enrichment experiments: Caveats and lessons from limnology and coastal ecology

Peer Reviewe

Microbial production of recalcitrant dissolved organic matter: long-term carbon storage in the global ocean

The biological pump is a process whereby CO2 in the upper ocean is fixed by primary producers and transported to the deep ocean as sinking biogenic particles or as dissolved organic matter. The fate of most of this exported material is remineralization to CO2, which accumulates in deep waters until it is eventually ventilated again at the sea surface. However, a proportion of the fixed carbon is not mineralized but is instead stored for millennia as recalcitrant dissolved organic matter. The processes and mechanisms involved in the generation of this large carbon reservoir are poorly understood. Here, we propose the microbial carbon pump as a conceptual framework to address this important, multifaceted biogeochemical problem.National Basic Research Program of China [2007CB815904]; National Natural Science Foundation of China [40632013/40841023]; SOA project [201105021/DY1150243]; Gordon and Betty Moore Foundation ; US National Science Foundation [648116, 0752972, 0851113, MCB-0453993]; French Science Ministry [ANR07 BLAN 016]; Netherlands Organisation for Scientific Research-Earth and Life Science

Enhanced viral production and infection of bacterioplankton during an iron-induced phytoplankton bloom in the Southern Ocean

We followed the viral response to Fe-enrichment over 3 weeks during the second iron-enrichment experiment (EisenEx) in the Southern Ocean. Although viral abundance increased in a rather constant way during the course of the experiment inside the patch, the production of bacterial viruses and the fraction of infected cells in bacterioplankton exhibited pronounced maxima on days 7 and 21. In contrast, these parameters remained fairly constant outside the Fe-fertilized patch. Viral production was also stimulated directly after the Fe-enrichment. Within the Fe-replete patch, viral abundance and production was on average 2- and 3-fold, respectively, higher than outside the patch. On average 40% of the bacteria contained viruses in a lytic stage inside the Fe-replete patch compared to 21% outside the patch. About 11-12% of the bacteria contained a viral genome inducible with mitomycin C in both inside and outside the patch. Randomly amplified polymorphic desoxyribonucleic acid polymerase chain reaction analysis suggested the development of a specific viral community in the patch. Although short-term stimulation of viral production was likely due to increased bacterial activity, the long-term stimulation was likely also influenced by an increased encounter rate between bacterial viruses and hosts. Viral lysis was responsible for most of the bacterioplankton mortality in the patch. Overall, most of the bacterial carbon production entered the detrital or dissolved organic matter pool via the viral shunt in the patch. © 2009, by the American Society of Limnology and Oceanography, Inc.Peer Reviewe

Effet du carbone suie sur les communautés virale et procaryotique dans les eaux marines côtières

Le carbone suie représente un produit réfractaire et chimiquement complexe de la combustion incomplète de combustibles fossiles et de la biomasse. La déposition atmosphérique de carbone suie peut être significative dans la Baie de Villefranche (France). Cependant, son rôle pour les microorganismes marins n est pas suffisamment étudié. Avec l utilisation du carbone suie standard et de la cytometrie de flux, du microscope confocale et du microscope électronique à balayage, on a mis en évidence que les virus et les bactéries adhèrent dans les heures suivantes aux particules de carbone suie et que l abondance de virus en forme libre diminue avec la concentration de carbone suie. En conditions expérimentales le pourcentage de bactéries et virus attachés varie après 10 heures entre 22 - 54 % et 51 72 % respectivement des abondances totales. À travers le flux vertical, cela peut déterminer une soustraction des microorganismes de la surface de l eau. La production bactérienne augmente avec l augmentation de concentrations de carbone suie, probablement en résultat de soit la diminution de la lyse virale et soit de l utilisation du carbone suie en tant que substrat. Avec l application d une PCR ciblée pour le gêne 16S rRNA et une électrophorèse sur gel à gradient dénaturant, on a relevé que la composition de la communauté de bactérie en forme libre est différente de celle des bactéries attachées aux particules. Les résultats suggèrent que les bactéries puissent utiliser le carbone suie en tant que source de carbone et que le carbone suie modifie les interactions entre virus et bactéries. De conséquence, le carbone suie a une influence sur les processus dans le réseau trophique microbienPARIS-BIUSJ-Sci.Terre recherche (751052114) / SudocSudocFranceF

Viral infection of prokaryotic plankton during early formation of the North West Atlantic Deep Water

International audienceViral abundance was assessed in different water masses of the NW Atlantic, and the development of viral abundance, lytic viral infection and lysogeny was followed for the first ca. 5000 km (corresponding to ca. 50 yr in the oceanic conveyor belt) of the western branch of the North Atlantic Deep Water (NADW). Viral abundance was significantly higher in the 100 m layer than in the NADW (2400-2700 m depth) and the Denmark Strait Overflow Water (2400-3600 m depth). The virus-to-prokaryote ratio (VPR) increased with depth, ranging from 32-43 for different water masses of the bathypelagic ocean, thus corroborating the enigma of high viral abundance in the dark ocean. The O2-minimum layer (250-600 m) also showed high viral abundance and VPRs. Viral abundance, a viral subgroup and VPRs decreased in a non-linear form with distance from the NADW origin. Viral production (range: 0.2-2.4 × 10 7 viruses l-1) and the fraction of lytically infected cells (range: 1-22%) decreased with increasing distance from the formation site of the NADW. Conservative estimations of virus-mediated mortality of prokaryotes in the NADW averaged 20 ± 12%. The fraction of the prokaryotic community with lysogens (i.e. harboring a functional viral DNA) in the NADW averaged 21 ± 14%. Hence, we conclude that (1) viral abundance and subgroups differ between water masses, (2) virus-mediated mortality of prokaryotes as well as lysogeny are significant in the dark ocean and (3) the lysogenic life strategy becomes more important than the lytic life style during the early formation of the NADW

Interspecific Variability in Sensitivity to UV Radiation and Subsequent Recovery in Selected Isolates of Marine Bacteria

The interspecific variability in the sensitivity of marine bacterial isolates to UV-B (295- to 320-nm) radiation and their ability to recover from previous UV-B stress were examined. Isolates originating from different microenvironments of the northern Adriatic Sea were transferred to aged seawater and exposed to artificial UV-B radiation for 4 h and subsequently to different radiation regimens excluding UV-B to determine the recovery from UV-B stress. Bacterial activity was assessed by thymidine and leucine incorporation measurements prior to and immediately after the exposure to UV-B and after the subsequent exposure to the different radiation regimens. Large interspecific differences among the 11 bacterial isolates were found in the sensitivity to UV-B, ranging from 21 to 92% inhibition of leucine incorporation compared to the bacterial activity measured in dark controls and from 14 to 84% for thymidine incorporation. Interspecific differences in the recovery from the UV stress were also large. An inverse relation was detectable between the ability to recover under dark conditions and the recovery under photosynthetic active radiation (400 to 700 nm). The observed large interspecific differences in the sensitivity to UV-B radiation and even more so in the subsequent recovery from UV-B stress are not related to the prevailing radiation conditions of the microhabitats from which the bacterial isolates originate. Based on our investigations on the 11 marine isolates, we conclude that there are large interspecific differences in the sensitivity to UV-B radiation and even larger differences in the mechanisms of recovery from previous UV stress. This might lead to UV-mediated shifts in the bacterioplankton community composition in marine surface waters