Algorithms: simultaneous error-correction and rooting for gene tree reconciliation and the gene duplication problem

<p>Abstract</p> <p>Background</p> <p>Evolutionary methods are increasingly challenged by the wealth of fast growing resources of genomic sequence information. Evolutionary events, like gene duplication, loss, and deep coalescence, account more then ever for incongruence between gene trees and the actual species tree. Gene tree reconciliation is addressing this fundamental problem by invoking the minimum number of gene duplication and losses that reconcile a rooted gene tree with a rooted species tree. However, the reconciliation process is highly sensitive to topological error or wrong rooting of the gene tree, a condition that is not met by most gene trees in practice. Thus, despite the promises of gene tree reconciliation, its applicability in practice is severely limited.</p> <p>Results</p> <p>We introduce the problem of reconciling unrooted and erroneous gene trees by simultaneously rooting and error-correcting them, and describe an efficient algorithm for this problem. Moreover, we introduce an error-corrected version of the gene duplication problem, a standard application of gene tree reconciliation. We introduce an effective heuristic for our error-corrected version of the gene duplication problem, given that the original version of this problem is NP-hard. Our experimental results suggest that our error-correcting approaches for unrooted input trees can significantly improve on the accuracy of gene tree reconciliation, and the species tree inference under the gene duplication problem. Furthermore, the efficiency of our algorithm for error-correcting reconciliation is capable of handling truly large-scale phylogenetic studies.</p> <p>Conclusions</p> <p>Our presented error-correction approach is a crucial step towards making gene tree reconciliation more robust, and thus to improve on the accuracy of applications that fundamentally rely on gene tree reconciliation, like the inference of gene-duplication supertrees.</p

The multiple gene duplication problem revisited

Motivation: Deciphering the location of gene duplications and multiple gene duplication episodes on the Tree of Life is fundamental to understanding the way gene families and genomes evolve. The multiple gene duplication problem provides a framework for placing gene duplication events onto nodes of a given species tree, and detecting episodes of multiple gene duplication. One version of the multiple gene duplication problem was defined by Guigó et al. in 1996. Several heuristic solutions have since been proposed for this problem, but no exact algorithms were known

Effective organic matter stock management in agricultural practices: modeling and observation

Long-term fertilization experiments (LTFE), with the focus on analyzing soil fertility indicators and their interrelation with crop have fundamental importance for monitoring, modeling, and controlling the status of soils. Validation datasets from LTFE provide the basis for understanding cropland responses to key natural and management drivers such as climate and productivity, land use changes, soil fertility and greenhouse gas emissions. RothC model was used for simulation soil organic carbon (SOC) stocks in several Russian LTFE with mineral and organic fertilization. RothC was able to adequately simulate long-term SOC stock changes in the arable layer of different treatments of fertilization experiments on Podzols, Albeluvisols and Chernozems. Annual C inputs sufficient for maintaining constant SOM stocks and additional C gain were estimated. Simulation of SOC dynamics for plots with no fertilization and the lowest SOC stock revealed that above ground NPP input is sufficient for maintaining constant SOM stocks after conversion to a grassland for forage production and returning FYM in the same plot. The changes in the observed trends for different fields with the same treatments are related to the initial level of soil fertility and different crop-climatic year combinations. This simulation has demonstrated the role of crop rotations and fallowing in SOC dynamics and revealed possible C sequestration in a short-term as it is highly yield-dependent. Agricultural soils are sensitive to small changes of extreme year’s pattern with more expressed loss of the initial C stock under intensive management systems

Assessment of crop yields in modern agriculture on the basis of GIS-Technologies

Information-analytical system of ensuring agricultural technologies was developed on the base of several GIS and models of crop yield.The system included creation of maps of potential yield (function of the natural factors) and possible (function of the real level of the fieldfertility) yield of various crops. These dateswere received in the mass field experiments with fertilizers and in available modern bases ofagrochemical, landscape, climatic parameters. The uneven distribution of natural properties- for example, soil quality, topography, microclimate - on the territory of any size determined a different degree of their suitability for growing different groups of crops. The methodology for calculating the yield of various cropswas based on independent objective assessment of different impact factors bythe methods of linear and nonlinear multiple regression.Modeling results were presented in the form of yield maps with using several GIS.Impact yield factors are divided into two big groups – natural (climate, topography, soils, etc.) and agrochemical (applicationof fertilizers, plant protection agents, intensity of cultivation technologies, etc.)

Monitoring of Soil Fertility (Agroecological Monitoring)

Monitoring the ecological status of agricultural land is a fundamental precondition for controlling its sustainable functions for human society and for maintaining the ecosystem's capacity. We analyze fundamentals, developments, and trends and present results of agroecological monitoring in Russia. This system has been developed and operated by the Pryanishnikov Institute of Agrochemistry in Moscow. Agroecological monitoring in Russia was installed in the 1970s and is based on a regular 5-year agrochemical survey of agricultural lands all over the country, more than 300 field experiments in all bioclimatic zones of the country, and more than 1000 reference monitoring plots. In trials with different inputs of fertilizers, the focus is on analyzing soil fertility indicators and their impact on productivity. Some of these experiments are long-term experiments and part of international networks. Their results are of fundamental importance for monitoring, modeling, and controlling the status of soils in future despite climate change. In a regular survey, we found tendencies toward decreasing soil fertility in some regions, for example with decreased contents of humus and plant-available minerals, and topsoil acidification. Nutrient withdrawals must be compensated for by regular fertilization regimes, nutrient mining must be avoided. We detected some gaps in knowledge on the topic of balancing elements and modeling the agroecosystem's response to climate and land use changes. We conclude that there is a need to implement modern measurement and modeling systems in some key long-term trials. The Pryanishnikov Institute has taken responsibility for coordinating running programs in different regions and administrative units of the Russian Federation, and for elaborating methodical guidelines and highly advanced monitoring technologies. National and international cooperation, research programs and networks are key for agroecological monitoring systems of the twenty-first century in addressing challenges for a highly productive, stable, sustainable, and environmentally safe food production

Dynamik des Humusgehaltes in Dauerdüngungsversuchen auf Podsolböden aus lehmigem Sand

In einem 46 jährigen Dauerdüngungsversuch mit der Fruchtfolge: einjährige Lupine – Winterweizen – Kartoffel – Sommergerste wurde festgestellt, dass Corg - Gehalt im Boden ohne Düngung auf 0,093% sanken, was 15% vom ursprünglichen Zustand entspricht. Beim Einsatz der mineralischen Dünger sank der Humusgehalt auch, aber weniger im Vergleich zu Varianten ohne zusätzlicher Düngung. Der Einsatz von organischen Düngemittel ermöglichte die Stabilisierung und Zunahme des Humusgehaltes. Die größte Steigerung des Humusgehaltes in leichten Podsolböden erfolgten durch die Versorgung mit organischer Substanz in Form von Ernterückständen und organischen Düngemitteln

Von J. v. Liebig bis E. A. Mitscherlich. Die Grundlage ressourceneffizienter Pflanzenernährung

Mitscherlichs bedeutendste wissenschaftliche Leistung ist ein von ihm formuliertes Ertragsgesetz, das Wirkungsgesetz der Wachstumsfaktoren. Seine erste Veröffentlichung darüber erschien 1909 unter dem Titel Das Gesetz des Minimums und das Gesetz des abnehmenden Bodenertrages in der Zeitschrift Landwirtschaftliche Jahrbücher. Im Gegensatz zu dem von Carl Sprengel und Justus von Liebig aufgestellten Minimumgesetz, wonach von allen mineralischen Nährstoffen derjenige, der in geringster Menge im Boden vorhanden ist, den Pflanzenertrag maßgebend bestimmt, wies Mitscherlich nach, dass die Ertragshöhe von sämtlichen Wachstumsfaktoren abhängig ist. Nach seinen Forschungsergebnissen kann jeder einzelne Wachstumsfaktor mit einer ihm spezifischen Intensität (Wirkungsfaktor) die Ertragshöhe steigern. Mit zunehmender Annäherung an den Höchstertrag wird jedoch durch eine weitere Steigerung eines bestimmten Wachstumsfaktors im Vergleich zum Aufwand der Mehrertrag deutlich geringer. Die von Mitscherlich aus diesen Erkenntnissen abgeleitete Darstellung der Ertragssteigerungskurve als Logarithmische Verteilung fand in der Landbauwissenschaft weltweites Interesse. Sie gab der dynamisch-quantitativen Ertragsforschung neue Einsichten und führte zu einer kaum zu überblickenden Anzahl experimenteller Untersuchungen, aber auch zu kontroversen wissenschaftlichen Diskussionen. Mitscherlich hat umfangreichere Beiträge mit Forschungsergebnissen über sein Ertragsgesetz vor allem in der Zeitschrift Landwirtschaftliche Jahrbücher publiziert. Von mehreren Übersichtsarbeiten ist die 1956, kurz nach seinem Tode erschienene Schrift Ertragsgesetze hervorzuheben. Obgleich neuere Forschungsergebnisse zeigen, dass Mitscherlichs Ertragsgesetz uneingeschränkt nur für spezielle Versuchsbedingungen gilt, hat sein mathematisch orientiertes Forschungskonzept das Wissen um die Zusammenhänge von Wachstumsfaktoren und Ertragsbildung beträchtlich erweitert

Bodenhydrologische Untersuchungen in verschiedenen Skalen für eine nachhaltige Landwirtschaft

Zusammenfassung Eine umfassende Analyse von interaktiven Prozessen zwischen Boden, Wasser, Pflanze, Tiere und Atmosphäre für eine nachhaltige Landwirtschaft erfordert Kenntnisse von Parametern und Prozessen in unterschiedlichen Skalen. Ergebnisse aus bodenhydrologischen Studien in Nordostdeutschland werden vorgestellt. Die Untersuchungen erfolgten im Labor, Lysimeter, Feld und Einzugsgebiet. Die Messung bodenhydraulischer Kennwerte- Wasserretentionsfunktion, ungesättigte hydraulische Leitfähigkeit- wurde mit der erweiterten Verdunstungsmethode (EEM) und dem HYPROP Messgerät durchgeführt. Der Messbereich ist zwischen Wassersättigung und nahe dem permanenten Welkepunkt. Die Messzeit beträgt 3 bis 10 Tagen. Die zusätzliche Quantifizierung von Schrumpfung und Hysteresis sind möglich. Eine Feldmethode zur Quantifizierung der Sickerwasserbildung und des Stoffaustrages unter natürlichen Boden- und Bewirtschaftungsbedingungen wurde entwickelt, die Eignung im Vergleich mit Lysimeterergebnissen nachgewiesen und auf 40 bodenhydrologischen Feldmessplätzen in Nordostdeutschland angewendet. Die Hypothese wurde bestätigt, dass Ackerland die Hauptquelle für Grundwasserneubildung in Nordostdeutschland ist. Unter Wald war die Sickerwasserbildung deutlich reduziert und tendierte bei Niederschlägen unter 550 mm/a gegen Null. Für die Erhaltung von Feuchtgebieten und die Absicherung der Grundwasserneubildung in Regionen mit negativer klimatischer Wasserbilanz sollte dieser Fakt bei geplanten Landnutzungsänderungen und Aufforstungsmaßnahmen berücksichtigt werden. EEM und HYPROP und die vorgestellte bodenhydrologische Feldmethode, als „virtuelles Lysimeter“ bezeichnet, haben das Potential zur Verbesserung bodenhydrologischer Studien in Europa und anderen Regionen der Welt

Einsatz von Mikrogranulaten in Kombination mit Mikroorganismen zur Steigerung der Nährstoffeffizienz im Maisanbau

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Steigerung der Nährstoffnutzungseffizienz im Maisanbau. Der Schwerpunkt liegt dabei im restriktiven Einsatz von Phosphor vor dem Hintergrund steigender Anforderung seitens der Düngeverordnung. Verschärft wird das zulässige Maß der Phosphordüngung durch die Anpassung der Phosphorrichtwerte in den Bodengehaltsklassen. Zur Einhaltung der gesetzlichen Rahmenbedingungen ist eine weitere Begrenzung der Phosphatzufuhr aus mineralischen Düngern ein wesentlicher Ansatzpunkt. In einjährigen Praxisversuchen im brandenburgischen Müncheberg und im westfälischen Wadersloh wurde die Leistungsfähigkeit mineralischer Depotdüngungsvarianten im Hinblick auf den Silomaisertrag überprüft. Getestet wurden dabei die Unterfußdünger DAP sowie Wolf-nutraxP. Darüber hinaus wurde die Ertragswirkung des organisch-mineralisch formulierten Mikrogranulatdüngers Startec mit dem Applikationsverfahren der Saatbanddüngung überprüft. Bei diesem Verfahren wird der Dünger direkt mit dem Maiskorn in die Saatfurche abgelegt. Die Besonderheit des Düngers Wolf-nutraxP und Startec besteht darin, mit geringer Menge von unter 10 kg P2O5/ha das Kriterium einer ausreichenden Pflanzenverfügbarkeit insbesondere in der Jungendentwicklung zu erfüllen und gleichzeitig die P-Bilanz zu entlasten. Als eine weitere Besonderheit in dieser Versuchsanstellung gilt die Applikation von den Mikroorganismen Mykorrhiza, Bacillus amyloliquefaciens und Azospirillum, mit dem Ziel einer besseren Nährstoffausschöpfung der Maispflanze aus der Bodenmatrix. Im Hinblick auf die Ertragswirkung konnten beim Mikrogranulatdünger Startec signifikante Mehrerträge gegenüber der Standardvariante DAP auf beiden Standorten von rund 13 % festgestellt werden. Am Standort Wadersloh erzielt der Unterfußdünger Wolf-nutraxP vergleichbare Erträge zur DAP-Variante. Zudem stellte sich die Kombination Mykorrhiza und Bacillus amyloliquefaciens in Verbindung mit mineralischer Düngung als eine leistungsfähige Variante heraus

Maximum likelihood models and algorithms for gene tree evolution with duplications and losses

<p>Abstract</p> <p>Background</p> <p>The abundance of new genomic data provides the opportunity to map the location of gene duplication and loss events on a species phylogeny. The first methods for mapping gene duplications and losses were based on a parsimony criterion, finding the mapping that minimizes the number of duplication and loss events. Probabilistic modeling of gene duplication and loss is relatively new and has largely focused on birth-death processes.</p> <p>Results</p> <p>We introduce a new maximum likelihood model that estimates the speciation and gene duplication and loss events in a gene tree within a species tree with branch lengths. We also provide an, in practice, efficient algorithm that computes optimal evolutionary scenarios for this model. We implemented the algorithm in the program DrML and verified its performance with empirical and simulated data.</p> <p>Conclusions</p> <p>In test data sets, DrML finds optimal gene duplication and loss scenarios within minutes, even when the gene trees contain sequences from several hundred species. In many cases, these optimal scenarios differ from the lca-mapping that results from a parsimony gene tree reconciliation. Thus, DrML provides a new, practical statistical framework on which to study gene duplication.</p