Dissertations / Theses on the topic 'Reactive tree'

Programming a complex robot is difficult, time-consuming and expensive. Learning from Demonstration (LfD) is a methodology where a teacher demonst--rates a task and the robot learns to execute the task. This thesis presents a method which generates reactive robot behaviour learned from demonstration where sequences of action are implicitly coded in a rule-based manner. It also presents a novel approach to find behaviour hierarchy among behaviours of a demonstration.In the thesis, the system learns the activation rule of primitives as well as the association that should be performed between sensor and motor primitives. In order to do so, we use the Playful programming language which is based on the reactive programming paradigm. The underlying rule for the activation of associations is learned using a neural network from demonstrated data. Behaviour hierarchy among different sensor-motor associations is learnt using heuristic logic minimization technique called espresso algorithm. Once relationship among the associations is learnt, all the logical relationships are used to generate a hierarchical tree of behaviours using a novel approach that is proposed in the thesis. This allows us to represent the behaviour in hierarchical way as a set of associations between sensor and motor primitives in a readable script which is deployed on Playful.The method is tested on a simulation by varying the number of targets, showing that the system learns underlying rules for sensor-motor association providing high F1-score for each association. It is also shown by changing the complexity of simulation that the system generalises the solution and the knowledge learnt from a sensor-motor association is transferable with all the instances of that association.
Att programmera en komplex robot är svårt, tidskrävande och dyrt. Learning from Demonstration (LfD) är en metod där en lärare visar en uppgift och roboten lär sig att utföra uppgiften. Denna avhandling presenterar en metod som genererar reaktivt robotbeteende lärt från demonstration där handlingssek--venser implicit kodas på ett regelbaserat sätt. Den presenterar också ett nytt tillvägagån- -gssätt för att hitta beteendeshierarki bland beteenden i en demonstration.I avhandlingen lär sig systemet aktiveringsregeln för primitiva såväl som sambandet som ska utföras mellan sensor och motor primitives. För att göra det använder vi det lekfulla programmeringsspråket som bygger på reaktivt programmeringsparadigm. Den underliggande regeln för aktivering av föreningar lärs med hjälp av ett neuralt nätverk från demonstrerade data. Beteendeshierarki mellan olika sensor-motorföreningar lärs med hjälp av heuristisk logikminimeringsteknik som kallas espressoalgoritm. När förhållandet mellan föreningarna har lärt sig används alla logiska förhållanden för att generera ett hierarkiskt beteendeträd med den nya metoden som föreslås i avhandlingen. Detta gör att vi kan representera beteendet på hierarkiskt sätt som en uppsättning associeringar mellan sensor och motorprimitiv i ett läsbart skript som används på lekfull.Metoden testas på en simulering genom att variera antalet mål, vilket visar att systemet lär sig underliggande regler för sensor-motorassociation som ger hög F1-poäng för varje association. Det visas också genom att ändra komplexiteten i simuleringen att systemet generaliserar lösningen och kunskapen som lärts från en sensor-motorförening är överförbar med alla förekomster av den associeringen.

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Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
The generation of Reactive Production Scheduling (PRP) in order to minimize the makespan is an important activity in the manufacturing industry, in view of the numerous articles reflecting this search today. Among these studies highlight the global search use in hybridization or collaboration with local search, especially of Genetic Algorithm (GA) with Variable Neighborhood Search (VNS). But see that the neighborhood structures used are not related to the goal of makespan minimization or when they are, are difficult to obtain. In order to cover this topic, this thesis proposes the hypothesis that a strongly correlated neighborhood structure with objective of makespan minimization in PRP problems, based on spanning tree, and applied on a collaboration among a genetic algorithm with VNS, perform better or equal to those obtained by other studies using other neighborhood structures or without the use of local search. The purpose was to construct a collaboration of GA and VNS using a neighborhood structure based on the mapping of the solution in the spanning tree associated with the problem, in the local search time, and operating with the insert, swap and 2-opt operators. The planning of experiments for validation contemplated since the implementation and comparison of four variants of reactive production scheduling in three job shop scenarios of different sizes. Each pair of comparisons had its calculated sample size and has been tested with the appropriate hypothesis test. The four variants were compared: Genetic Algorithm only and three collaborations of GA with VNS using the neighborhood structure proposal and two other neighborhood structures (Critical Path and Natural Representation) found in the literature review. The scenarios came from Taillard base. The tests corroborate the hypothesis, with 95% confidence, compared to other works and the main contribution of this thesis is to create an efficient method for minimizing makespan in PRP.
A geração de Programação Reativa da Produção (PRP), com o objetivo de minimizar o makespan, é uma atividade importante na indústria manufatureira, tendo em vista os numerosos artigos que abordam esta pesquisa na atualidade. Dentre estas pesquisas, destaca-se o uso de hibridização ou colaboração de busca global com busca local, notadamente de Algoritmo Genético (AG) com Variable Neighborhood Search (VNS). Porém, nota-se que as estruturas de vizinhança utilizadas não são correlatas à função de minimização de makespan ou, quando o são, são de difícil obtenção. Com o intuito de cobrir tal tópico, esta tese propõe a hipótese de que uma estrutura de vizinhança fortemente correlata ao objetivo de minimização de makespan em problemas de PRP, baseando-se em árvore de cobertura e aplicada em uma colaboração de algoritmo genético e VNS, obtém resultados melhores aos obtidos por outros trabalhos, que fazem uso de outras estruturas de vizinhança ou que não utilizam a busca local. A proposta é a construção de um método de colaboração entre AG e VNS usando uma estrutura de vizinhança baseada no mapeamento da solução, em tempo de busca local, na árvore de cobertura associada ao problema, atuando com os operadores insert, swap e 2-opt. O planejamento dos experimentos para validação contempla a execução e comparação de quatro variantes de solução de problemas de Programação Reativa da Produção em três cenários de job shop de diversas dimensões. Cada par de comparações tem seu tamanho amostral calculado e é examinado com o teste de hipótese adequado. As quatro variantes comparadas são: Algoritmo Genético e três colaborações entre Algoritmo Genético e Variable Neighborhood Search (VNS) usando a estrutura de vizinhança proposta e outras duas estruturas de vizinhança (Caminho Crítico e Representação Natural) encontradas na revisão da literatura. Os cenários vem da base Taillard. Os testes corroboram a hipótese com 95% de confiança na comparação com outros trabalhos e a principal contribuição desta tese é a criação de um método eficiente para minimização de makespan em PRP.

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Bachelors
Arts and Sciences
Psychology

Nous adaptons un modele de capture adiabatique interessant les collisions reactives du domaine astrochimique, developpe a l'origine pour les systemes reactifs ion-molecule dont seuls les degres de liberte de rotation sont mis en jeu, aux systemes a couche ouverte ou l'interaction spin-orbite doit egalement etre prise en compte. Dans le cas typique c#+(#2p)/hc1(#1), dont les surfaces born-oppenheimer sont connues, un developpement multipolaire du potentiel intermoleculaire, comprenant des termes qui couplent les moments cinetiques rotationnel et electronique, est utilise pour decrire l'interaction electrostatique ion-molecule a l'exterieur de la region chimique. L'etude detaillee des energies adiabatiques electroniques-rotationnelles issues de la diagonalisation du hamiltonien electrostatique, revele que des transitions non-adiabatiques peuvent avoir lieu dans la region intermediaire 8 < r < 12 ua. Cette propriete a une importance considerable pour les systemes c#+/molecule dans le calcul de sections efficaces ou constantes de vitesse avec etat initial selectionne, considerant que les surfaces electroniques ne sont pas toutes reactives. Dans le cas d'une distribution thermale des etats de structure fine, la constante de vitesse moyennee k(t) (sur tous les etats initiaux) montre une dependance en temperature differente du cas ou la structure fine est negligee. La comparaison de la fonction theorique k(t) avec des valeurs experimentales dans le cas des systemes c#+/hcn et c#+/hc1 indique que a tres courte distance (r < 7 ua), les transitions electroniques non-adiabatiques doivent jouer un role important dans la dynamique de collision, dependant de la nature de la molecule consideree. Il est analytiquement demontre que les modeles de capture accsa et sacm, que l'on prenait jusqu'a present pour des theories differentes, sont en realite identiques

”Rätt avlopp på rätt plats” – Livscykelanalys av tre enskilda avloppsanläggningar Problemen med övergödning i Östersjön och i Sveriges insjöar är stort och enskildaavlopp pekas ut som en central aktör, framförallt beträffande fosforutsläppen. I Sverigefinns det ungefär en miljon enskilda avloppssystem och nästan hälften av dessa har enså pass bristande vattenrening att de inte uppfyller gällande lagstiftning. Utvecklingenav nya tekniker för rening av avloppsvatten har länge strävat efter att minska utsläppenav övergödande ämnen, detta ibland på bekostnad av andra utsläpp, så somväxthusgaser och försurande ämnen.Det här examensarbetet har därför med hjälp av metodik från livscykelanalys (LCA)utvärderat tre enskilda avloppssystem med tanke på deras utsläpp av växthusgaser,försurande gaser samt övergödande ämnen. Då misstanke också fanns att de lokalaplatsegenskaperna påverkar de enskilda avloppssystemens totala miljöpåverkan,utfördes även en intervjustudie med ett antal av landets kommuner. I intervjustudiengjordes ett försök att identifiera de platsegenskaper som påverkar valet ochutformningen av de enskilda avloppssystemen. De tre avloppssystemen som ingick istudien är markbädd samt kompaktfilter i kombination med antingen ett reaktivt filtermed Polonite®, eller i kombination med kemfällning.Resultatet av studien visade att markbädden hade lägst utsläpp av både växthusgaseroch försurande gaser, men högst utsläpp av övergödande ämnen. De tvåfosforreducerande systemen uppvisade betydlig bättre potential för att reduceraövergödande ämnen, men detta på bekostnad av större utsläpp av växthusgaser ochförsurande gaser, speciellt i fallet med det reaktiva filtersystemet. Lokalaplatsegenskaper, så som näringsretention, visade sig spela en central roll för deundersökta avloppssystemens totala miljöpåverkan. I områden med hög fosforretentionunder vattnets väg till havet skulle avloppssystem med höga utsläpp av fosfor (så somdet markbaserade systemet) kunna vara försvarbara. På de platser i landet därövergödningen är problematisk finns det dock motiv för att använda fosforreducerandesystem.
"Right sewage system in the right place" - Life cycle assessment of three on-sitewastewater treatment options The problem with eutrophication in the Baltic Sea and in Swedish lakes is serious andon-site wastewater treatment systems are considered important, especially forphosphorus emissions. There exist about one million on-site wastewater treatmentsystems in Sweden and almost half of them do not meet current legislation.Development of new technologies for on-site wastewater treatment systems has for along time been focused on reducing emissions of eutrophying substances. However,there is a risk that this reduction could be achieved at the expense of other emissions,such as greenhouse gases and acidifying substances.This master thesis has therefore by use of life cycle assessment (LCA) evaluated threeon-site wastewater treatment systems considering their total emission of greenhousegases, acidifying gases and eutrophying substances. Because local site characteristicswere thought to affect the sewage systems overall environmental impact, an interviewstudy were also carried out with a number of municipal officials. The interview studywas designed to identify the local site characteristics that influence the selection anddesign of the on-site wastewater treatment systems. The three sewage systems includedin the study were a soil treatment system with surface water discharge and a compactbiological filter in combination with either a reactive filter module with Polonite®, or incombination with chemical precipitation.The results of the study reveal that the soil treatment system had the lowest emissions ofboth greenhouse gases and acidifying gases, but the largest emissions of eutrophyingsubstances. The two phosphorus reducing systems showed significantly greaterpotential to reduce the emissions of eutrophying substances, but at the expense of largeremissions of greenhouse gases and acidifying gases, especially in the case of thereactive filter system. Local site characteristics such as the retention of nutrients, provedto play a vital role in the investigated sewage systems overall environmental impact. Inareas with high retention of phosphorus sewage systems with high emissions ofphosphorus (such as the soil treatment system) where favored. However, in areas whereeutrophication is problematic, it is justified to use phosphorus reducing systems.

Les antalgiques utilisés aujourd’hui sont des produits anciens et plusieurs d’entre eux datent du 19ème siècle. La morphine demeure l’antalgique de référence pour les douleurs dites par excès de nociception, mais elle est à l’origine d’effets indésirables gênants et graves. Il a été démontré que l’effet antalgique de la morphine passait par l’activation des canaux potassiques TREK-1. Les travaux de recherche ont donc comme objectif la recherche d’antalgiques originaux activateurs de TREK-1. Nous avons synthétisé des activateurs de TREK-1 décrits dans la littérature puis nous avons évalué leur activité antalgique in vivo (writhing test) ce qui nous a permis d’identifier le CDC comme molécule « lead ». Nous avons ensuite synthétisé 43 analogues du CDC que nous avons évalué pour leur effet antalgique ainsi que leur capacité à activer les canaux TREK-1 (électrophysiologie). Ces molécules ont été préparées en 3 à 12 étapes avec des rendements de 3 à 72 % en utilisant des réactions telles que : aldolisation, oléfination de Watsworth et Horner, Peterson, estérification …Des résultats très prometteurs ont émergé de cette étude de relation structure-activité avec 8 molécules qui se démarquent avec un très bon effet antalgique (>50% inhibition de la douleur) ainsi qu’une bonne activation des canaux TREK-1 (R>2). Enfin nous avons analysé les résultats de cette étude par modélisation moléculaire (QSAR) ce qui nous a permis d’identifier les caractéristiques structurales essentielles de ces molécules
Analgesics used today are old products and several of them date from the 19th century. Morphine remains the analgesics of reference for pains called by excess of nociception, but it is at the origin of awkward and serious side effects. It was shown that the analgesic effect of morphine passed by the activation of potassium channels TREK-1. The objective of this work is thus to develop original analgesics, activators of TREK-1. We synthesized activators of TREK-1 described in the literature and we evaluated their analgesic activity in vivo (writhing test) which enabled us to identify CDC as a lead molecule. We then synthesized 43 analogues of CDC which we evaluated for their analgesic effect and their ability to activate TREK-1 channels (electrophysiology). These molecules were prepared in 3 to 12 steps with yields ranging from 3 to 72 % by using reactions such as : aldol reaction, Watsworth and Horner’s olefination, Peterson’s olefination, esterification … Very promising results emerged from this structure-activity relationship study with 8 molecules which display a very good analgesic effect (>50% inhibition of pain) as well as a good activation of TREK-1 channels (R> 2). Finally we analyzed the results of this study by molecular modeling (QSAR) which enabled us to identify the essential structural characteristics of these molecules

La morphine demeure l'antalgique de référence pour le traitement de la douleur (nociception), mais elle est également responsable d‘effets secondaires importants. Des études ont montré que les animaux privés de canaux potassiques TREK-1 (TWIK-related K+channels) étaient plus sensibles à la douleur. Plus récemment, il a été démontré que le canal potassique TREK-1 joue un rôle crucial dans l'analgésie induite par la morphine chez les souris, alors qu'il n'est pas impliqué dans les effets secondaires (constipation, dépression respiratoire et dépendance). Ces résultats suggèrent que les canaux TREK-1 constituent des cibles d‘intérêt pour la conception de nouveaux antalgiques sans effets indésirables liés aux opioïdes. Des études antérieures au sein de notre laboratoire ont permis l'identification de quatre structures chefs de file, activatrices des canaux TREK-1, présentant une activité antalgique in vivo. La structure 3D du canal TREK-1 n‘étant pas élucidée au moment de nos travaux, nous avons décidé d'effectuer une optimisation basée sur une étude de relation structure-activité (RSA). Trente-six analogues ont été synthétisés par condensation de Knoevenagel et évalués pour leur effet antalgique (test de l‘acide acétique, test de la plaque chaude) et leur capacité à activer le canal TREK-1 (électrophysiologie). La capacité des substituants du noyau aromatique à établir des interactions de type liaison hydrogène ainsi que le volume de ces substituants ont une influence déterminante sur l'activité. Des résultats prometteurs ont émergé de cette étude RSA: 5 molécules présentent une très bonne activité antalgique (> 50% d'inhibition de la douleur, test de la plaque chaude) ainsi que d'une bonne activation de TREK-1 canaux (R ≥ 2 à 10 μM ou R ≥ 4 au-dessus de 20 μM)
Morphine remains the analgesic of reference for the treatment of pain (nociception), but it is also responsible for serious adverse effects. Research studies have shown that animals deprived of potassium channels TREK-1 (TWIK-related K+ channels) were over-sensitive to pain. More recently, it has been demonstrated that the TREK-1 potassium channel is a crucial contributor of morphine-induced analgesia in mice, while it is not involved in morphine-induced constipation, respiratory depression and dependence. These results suggest that the TREK-1 channels constitute targets of interest for the design of novel analgesics without opioid-like adverse effects. Previous studies within our consortium led to the identification of four lead structures as TREK-1 activators exhibiting analgesic activity in vivo.Since the 3D structure of TREK-1 was not available at the time, we decided to perform hit optimization by conventional structure-activity relationship (SAR) studies. Thirty six analogs were synthesized via Knoevenagel condensation and evaluated for their analgesic effect (writhing test, hot plate assay) and their ability to activate TREK-1 channel (electrophysiology). It turned out that the possibility to form hydrogen bonding interaction (aryl moiety) and the volume of substituents of the amide or ester has a crucial influence on activity. Promising results emerged from this SAR study: 5 molecules display a very good analgesic activity (> 50% inhibition of pain, hot plate assay) as well as a good activation of TREK-1 channels (R ≥ 2 at 10μM or R ≥ 4 above 20μM)

Le mélèze d'Europe (Larix decidua) est traditionnellement exploité pour son bois de qualité. Malheureusement, la culture de cette essence hors de son aire de distribution a été un échec. L'hybridation avec le mélèze du Japon (L. kaempferi) est une voie prometteuse, en particulier grâce à l'hétérosis manifesté par cet hybride. Au cours de cette dissertation, nous valorisons les données d'un diallèle multi-site intra- et inter-spécifique d'âge avancé. Le 1er chapitre présente l'analyse de traits de production et de qualité du bois. Nous confirmons ainsi l'hétérosis pour les traits liés au volume. Cet hétérosis n’entraîne pas de contrepartie en termes de qualité, et se montre stable d'un site à l'autre.Au contraire, d'autres traits ne présentent pas d'hétérosis, mais davantage d'héritabilité.Les performances additives pour ces traits sont stables d'un site à l'autre, et en espèce pure vs. en hybridation. Au cours du 2ème chapitre, nous nous intéressons au rôle de la plasticité phénotypique de traits de formation du bois dans la construction de l'hétérosis.Le mélèze hybride apparaît comme le taxon le plus plastique : tout comme ses espèces parentes, il produit un cerne de croissance étroit en conditions hydriques limitantes, mais sa croissance radiale surpasse celle de ses parents quand l'eau est abondante. Ce 2èmechapitre est également un premier pas vers la compréhension du rôle de la plasticité phénotypique dans la construction de l'architecture de la variance génétique entre la circonférence et la densité des troncs. Cette thèse se termine sur une synthèse, au cours de laquelle nous discutons les retombées de nos résultats pour l'amélioration du mélèze hybride
European larch (Larix decidua) has been historically exploited within its natural rangefor its high quality wood, but the attempt to grow this species outside its native range was a failure. Hybridization with Japanese larch (L. kaempferi) is a promising path, in particular because of the heterosis this hybrid manifests. In this dissertation, we took advantage ofan old-enough, multi-site experiment with an inter-/intra-specific mating design. The first chapter presents the analysis of several traits involved in wood quality and productivity. We confirmed heterosis for volume related traits. The heterosis came with no counter part inwood quality, and it was stable across sites. Contrarily, some other traits showed no heterosis but higher heritabilities, and the additive performances for these traits were stable across sites and in pure species vs. in hybridization. In the second chapter, we investigated the role of phenotypic plasticity of some wood formation traits in the construction of the heterosis. Hybrid larch appeared as the most plastic taxon: it equaled the parental controls in producing narrow growth increments under drought, but it produced the largest rings in favorable water availability conditions. This second chapter was also a first step towards a better understanding of the role of phenotypic plasticity on the construction of the genetic variance architecture between larch stem circumference and density. The dissertation ends with a synthesis in which we discussed the implicationof our findings for the breeding of hybrid larch

J'ai mis au point une méthodologie pour annoter les superfamilles d'enzymes, en décrire l'histoire et les replacer dans l'évolution de leurs voies métaboliques. J'en ai étudié trois : (1) les amidohydrolases cycliques, dont les DHOases (dihydroorotases, biosynthèse des pyrimidines), pour lesquelles j'ai proposé une nouvelle classification. L'arbre phylogénétique inclut les dihydropyrimidinases (DHPases) et allantoïnases (ALNases) qui ont des réactions similaires dans d'autres voies (dégradation des pyrimidines et des purines respectivement). (2) L'étude de la superfamille des DHODases (qui suivent les DHOases) montre une phylogénie semblable aux DHOases, avec également des enzymes d'autres voies, dont les DHPDases (qui suivent les DHPases). De cette observation est né le concept de module réactionnel, qui correspond à la conservation de l'enchaînement de réactions semblables dans différentes voies métaboliques. Cela a été utilisé lors de (3) l'étude des carbamoyltransférases (TCases) qui incluent les ATCases (précédant les DHOases). J'ai d'abord montré l'existence d'une nouvelle TCase potentiellement impliquée dans la dégradation des purines et lui ai proposé un nouveau rôle en utilisant le concept de module réactionnel (enchaînement avec l'ALNase). Dans ces trois grandes familles j'ai aussi mis en évidence trois groupes de paralogues non identifiés qui se retrouvent pourtant dans un même contexte génétique appelé " Yge " et qui formeraient donc un module réactionnel constitutif d'une nouvelle voie hypothétique. Appliqué à diverses voies, le concept de modules réactionnels refléterait donc les voies métaboliques ancestrales dont ils seraient les éléments de base.

Le bois de tension est un tissu développé par les angiospermes afin de redresser ou de maintenir leur position verticale. Ce tissu génère de fortes contraintes de tension capables de courber un tronc vers le haut. Dans la littérature, l’anatomie du bois de tension est caractérisée par la présence d’une couche gélatineuse (couche G) non lignifiée dans la paroi des fibres. Cette thèse vise à étudier la diversité anatomique du bois de tension ainsi que les mécanismes de génération des contraintes de tension associés et les éventuelles variations de l’efficience du redressement, afin de comprendre comment les arbres se redressent. Elle s’appuie sur des observations anatomiques sur 291 espèces tropicales, sur des estimations de contraintes de maturation sur arbres adultes ainsi que sur une nouvelle méthode d’estimation des contraintes de maturation sur des individus juvéniles artificiellement inclinés et tuteurés en serre. Nos résultats montrent que la couche G est présente dans la majorité des espèces, bien qu’elle soit majoritairement masquée par de la lignine. Dans un faible nombre d’espèces, la couche G est absente du bois de tension. Dans ces espèces, le mécanisme de génération des contraintes de tension implique l’interaction du bois avec l’écorce. Bien que la contrainte de tension soit générée dans des compartiments distincts (le bois et/ou l’écorce), ces deux mécanismes de génération des contraintes de tension ont une efficience de redressement similaire dans le stade juvénile. Les résultats de cette étude ouvrent de nouvelles perspectives de recherche, notamment sur le rôle fonctionnel de la lignine dans la couche G
Tension wood is a tissue developed by angiosperms to upright or maintain their vertical position. This tissue generates a strong tensile stress able to curve the stem upwards. In the literature, tension wood anatomy is characterized by the presence of an unlignified gelatinous layer (G-layer) in the fibre cell wall. The aims of this thesis are to study the anatomical diversity of tension wood as well as the associated mechanisms of tensile stress generation and eventual variations of uprighting efficiency in order to understand how trees upright. This thesis relies on anatomical observations of 291 tropical species, on estimations of maturation strain on adult trees and on estimations of maturation strain on artificially tilted young trees tied to a pole in a greenhouse. Our results show that the G-layer is present in the majority of the species, although it is mainly hidden by lignin. The G-layer is absent in tension wood of a few number of species. In these species, the mechanism of tensile stress generation involves the interaction of wood and bark. Although tensile stress is generated in separated tissues (wood and/or bark), these two mechanism of tensile stress generation show a similar efficiency of uprighting in juvenile trees. Results of this study open new prospects of research, including on functional role of lignin in the G-layer

Holz aus Kurzumtriebsplantagen (KUP) mit Pappeln (Populus spp.) kann eine bedeutende Rolle im Mix der Bioenergieressourcen in Deutschland spielen. Trotz eines günstigen Energieinput-Energieoutput-Verhältnisses ist das Erreichen wirtschaftlich zufriedenstellender Ergebnisse mit KUP jedoch auf den meisten potenziellen Anbauflächen durch hohe Ansprüche der Pappeln an die Wasserversorgung erschwert. Hohe Produktivitätsraten der Pappeln sind an einen hohen Wasserverbrauch gebunden und viele Trockenheitsanpassungen führen zu deutlichen Ertragsrückgängen. In der vorgestellten Arbeit wurde eine sechsjährige Vollgeschwister-F1-Kartierungspopulation der Europäischen Zitter Pappel (Aspe, Populus tremula L., Wuchsperiode 1998-2003) physiologisch und genetisch untersucht, um mögliche Wege zu einer züchterischen Verbesserung der Trockenheitstoleranz von Pappeln diskutieren zu können. Dabei wurde das Zuchtziel der Trockenheitstoleranz als Minimierung der Ertragsrückgänge unter trockenen Bedingungen definiert. Neben wuchsleistungsbezogenen Größen (Biomassegesamtleistung (BM, oberirdische Dendromasse), Biomassezuwachs (iBM), Radialzuwachs (ir), Baumhöhe (h)) wurden physiologisch holzanatomische Eigenschaften untersucht, die retrospektiv anhand der Jahrringe messbar sind und zur nicht direkt messbaren Eigenschaft der Trockenheitstoleranz in einer Beziehung stehen. Diese waren die Kohlenstoff- und Sauerstoffisotopsignatur (δ13C, δ18O), die Faser- und Gefäßgliedlänge (FL, GL), die Gefäßlumenquerschnittsfläche (AG), die Gefäßdichte (GD), der potenziell Saftstrom leitende Querschnittsflächenanteil (LQ), der hydraulisch gewichtete Gefäßlumendurchmesser (Dh) und die röntgendensitometrische Holzdichte (RD). Um trockenheitsbedingte physiologische Reaktionen vom Einfluss der Juvenilität der Kartierungspopulation unterscheiden zu können, wurden regionaltypische Juvenilitätstrends der RD, FL, GL, und des ir anhand eines zweiten, für das östliche Deutschland repräsentativen Aspen-Kollektivs aus natürlicher Sukzession ermittelt. Bedingt durch Trockenheitsanpassungen bzw. eine bevorzugte Wurzelentwicklung nach dem Verpflanzen zeigte die Kartierungspopulation in den ersten drei Jahrringen Abweichungen von den regionaltypischen Juvenilitätstrends. In den Trendverläufen der Kartierungspopulation heben sich die beiden Trockenvegetationsperioden 2000 und 2003 ab, wobei bis zum Sommer 2003 infolge des Starkniederschlages 2002 (Flut) ein außergewöhnlich gutes Grundwasserangebot herrschte. Alle untersuchten phänotypischen Eigenschaften zeigten 2000 starke trockenheitsbedingte Abweichungen. Im Jahrring 2003 wichen nur die GL und die RD von ihren Juvenilitätstrends ab. Außerdem konnte anhand der δ13C und δ18O Werte eine signifikante Abnahme der Wassernutzungseffizienz bzw. eine Zunahme der Transpiration im Jahr 2003 gezeigt werden. Die übrigen Größen folgten ihren Juvenilitätstrends und stiegen an. Die Jahrringdatensätze 2000 und 2003 der RD waren nicht signifikant mit der BM korreliert, dagegen zeigten die δ13C Datensätze 2002 und 2003 schwach positive Korrelationen mit der BM. Der trockenheitstoleranteste Genotyp verband seine überdurchschnittliche BM mit einer hohen Wassernutzungseffizienz (angezeigt durch überdurchschnittliche δ13C Werte), mit einer überdurchschnittlichen AG und mit einer nicht unterdurchschnittlichen RD in Höhe des Populationsmittels. Aufgrund des Fehlens negativer Korrelationen zwischen BM und δ13C bzw. BM und RD in der vorliegenden Arbeit können δ13C und RD als nützliche Weiser für die Unterscheidung der Trockenheitstoleranz verschiedener Aspen zu züchterischen Zwecken vorgeschlagen werden. Außer der BM unter trockenen Bedingungen kann keine der untersuchten Eigenschaften als alleiniger Trockenheitstoleranzweiser empfohlen werden. Zu einer Trockenheitstoleranzbewertung sollten Merkmalspaare verwendet werden, von denen ein Merkmal positiv mit dem Ertrag korreliert ist und das andere eine Trockenheitsanpassung verkörpert. Dadurch werden sowohl das primäre Zuchtziel eines höchstmöglichen Ertrages als auch eine bessere Trockenheitsangepasstheit berücksichtigt. Zwei verschiedene Trockenheitstoleranzindizierungen wurden angewendet, um die Kartierungsnachkommen entsprechend ihrer Trockenheitstoleranz einem Ranking zu unterziehen. Dabei wurden in beiden Fällen Bäume mit einem höheren Ertrag besser platziert. Der zweite Schwerpunkt der Arbeit lag auf der genetischen Kartierung von Quantitative Trait Loci (QTL) für die untersuchten phänotypischen Jahrringeigenschaften mit Bezug zur Trockenheitstoleranz. Als Basis für das QTL Mapping wurden, der Pseudo-Testcross-Mapping-Strategie folgend, genetische Kopplungskarten für die Elternbäume der Kartierungspopulation konstruiert. Die maternale Karte (P. tremula, „Schandau 4“) deckte mit 157 Markern (144 AFLP, 13 SSR) in 30 Kopplungsgruppen 1.369 cM ab, die 21 paternalen Kopplungsgruppen mit 148 Markern (132 AFLP, 16 SSR) überspannten 1.079 cM des Genoms (P. tremula, „Lichtenhain 1“). Die im Vergleich zur haploiden Chromosomenzahl der Pappeln (19) hohen Zahlen an Kopplungsgruppen sowie die hohen Zahlen an Doublets und unkartierten Markern zeigten eine geringe Genomabdeckung an. So konnte nur eine begrenzte Zahl, höchstens zwei QTL für die untersuchten phänotypischen Jahrringeigenschaften mit Bezug zur Trockenheitstoleranz, kartiert werden. Ein QTL Bereich mit pleiotropem Effekt auf mehrere wachstumsbezogene Größen wurde auf der maternalen Kopplungsgruppe 1 (dem Populus Chromosom I zuzuordnen) detektiert. Die Signifikanz der Effekte dieses QTL auf den Radialzuwachs entwickelte sich steigend mit zunehmendem Baumalter
Wood production in short rotation coppices (SRC) with poplar (Populus spp.) can contribute significantly to the future bio energy supply mix in Germany. Although the energy-input to energy-output ratio is rather good, SRC often do not meet cost effectiveness due to high water demand of poplar species. High biomass productivity depends on optimal water supply. Also, numerous adaptations to water deficits result in an undesirable decrease of yield. Combined physiological and genetic investigations were conducted within a six-year old F1-full-sib crossbred population of European aspen (Populus tremula L., growing period 1998-2003). Possible implications on selection, breeding or improvement of poplar cultivars showing a high tolerance to water deficits are discussed. For the work presented here, the breeding goal of higher water deficit tolerance was defined as the minimisation of yield losses under dry conditions. Beyond growth related traits (aggregate yield (BM), aboveground woody biomass), biomass increment (iBM) and radial increment (ir), physiological and wood anatomical traits were included; these are related to reactions to water deficit and are measurable on tree rings retrospectively. These traits were the Carbon- and Oxygen isotope ratios (δ13C, δ18O), the fibre length and vessel element length (FL, GL), the vessel lumen cross sectional area (AG), the vessel density (GD), the cumulative vessel lumen area to cross sectional area ratio (LQ), the hydraulically weighted mean vessel lumen diameter (Dh) and wood density assessed by X-ray densitometry (RD). To distinguish the drought induced physiologic reactions from juvenile developmental patterns of the mapping population, juvenile trends of RD, FL, GL, and ir, which are representative of habitats in south-eastern Germany, were investigated in a second aspen collective that was selected from natural succession. During the first three years, the mapping population showed deviations from the juvenile trends due to water deficit adaptations or preferential root development, respectively. Due to drought in the growing seasons of 2000 and 2003, the juvenile trends show outstanding values for both years, although ground water supply in 2003 was exceptionally good following the intense rain event of 2002 (Elbe flood 2002). The tree ring traits of both years stand out from the juvenile trends due to drought adaptations. In 2000, all phenotypic traits showed a significant deviation from their respective trends. In 2003, only GL and RD showed an adaptation to drought as observable by a deviation from their juvenile trends. A significant decrease in water use efficiency (WUE) and an increase in net transpiration, respectively, were shown for 2003 by means of δ13C or δ18O values. All other traits showed an increase following their juvenile trends. RD data for 2000 and 2003 were not significantly correlated with BM, but δ13C data (and therefore WUE) for 2002 and 2003 revealed a weakly positive correlation with BM. The genotype that was most tolerant to water deficits showed a combination of a superior growth with a superior WUE (by means of δ13C), a superior AG, and an RD close to but not less than the population average. Due to the lack of negative correlation between BM and δ13C or BM and RD in the present work, δ13C and RD can be valuable proxies for the determination of drought tolerance of aspen trees for tree improvement purposes. Aside from BM under dry conditions, no other traits that were investigated can be recommended as a stand-alone proxy for water deficit tolerance. For a water deficit tolerance evaluation, pairs of traits should be used, of which one trait is positively correlated with yield and the other represents a water deficit adaptation. Both the primary breeding goal of the highest possible yield as well as a better water deficit tolerance should always be considered in this context. Two different drought tolerance indices were used to rank the individuals of the mapping population according to their water deficit tolerance. In both cases, trees with higher BM were ranked better. The second focus of the present work is on genetic mapping of Quantitative Trait Loci (QTL) for the investigated tree-ring traits that refer to water deficit reaction. As a basis for the QTL-mapping approach, genetic linkage maps were constructed for each parental tree of the F1-full-sib crossbred mapping-population following the two-way pseudo-testcross mapping strategy. The maternal map (P. tremula, “Schandau 4”) consisted of 157 markers (144 AFLP, 13 SSR) in 30 linkage groups and covered 1,369 cM. The 21 linkage groups of the paternal map (P. tremula, “Lichtenhain 1”) covered 1,079 cM of the genome (144 AFLP, 13 SSR). Compared with the haploid chromosome number (19) of the Populus genome, the high number of linkage groups, doublets and unlinked markers indicated low genome coverage. Only a low number of QTL was detected, maximal two per in¬vesti¬gated phenotypic trait with a relation to water deficit tolerance. One QTL having a pleiotropic effect on several growth related traits was detected on the maternal linkage group 1 (corresponding to the Populus Chromosome I). The significance of the QTL effects seemed to increase with tree age

Tree-planters are likely to suffer from musculoskeletal injuries during their short work season. The objective of this research is to identify the biomechanical mechanisms that contribute to these injuries with an overall goal of reducing injury frequency and severity. Pre- and post-season discomfort questionnaires were administered to workers in two tree-planting camps to identify areas of the body most prone to injury. Musculoskeletal pain and discomfort were significantly higher post season. Greatest pain and discomfort were reported in the feet, wrists and back, while the highest frequency of pain was reported in the back. Upper body and trunk postures were recorded during the tree-planting task in the field using digital video and inclinometers. Results indicated that deep trunk flexion occurred over 2600 times per day and workers spent at least half of their workday in trunk flexion greater than 45 degrees. Although results provide useful insight into injury mechanisms, postural data were two dimensional. Inertial motion sensors were used in a second field study the following season to examine differences in three-dimensional upper limb and trunk relative joint angles during commonly used tree seedling unloading methods. Results showed trunk rotation up to 50 degrees combined with deep trunk flexion during parts of the task. Trunk flexion and rotation were significantly less when the tree seedling load was distributed asymmetrically as compared to symmetrically. Joint reaction forces in the lower body and trunk during the same unloading methods was examined during a simulated planting task in a lab environment. Greatest joint reaction forces and non-neutral postures occurred when the tree was inserted into the ground. Right-loaded planting bags resulted in more substantial differences in posture and joint reaction forces than either left-loaded or even-loaded bags. Axial forces were greater in the right leg than the left throughout the task, regardless of loading condition. In conclusion, underlying biomechanical mechanisms for injury during tree-planting seem to be a combination of awkward postures (particularly the trunk), repetitive motions, and carrying of heavy loads. Different seedling unloading strategies did not result in substantial overall differences in posture or joint reaction forces.
Thesis (Ph.D, Kinesiology & Health Studies) -- Queen's University, 2010-04-14 10:02:32.385

Stadtbäume unterliegen besonders häufigem und intensivem Trockenstress. Der bereits stattfindende Klimawandel führt zudem zu einer verschärften Wirkung der Klimafaktoren auf das Pflanzenwachstum. Demnach ist die Wahl standortgerechter und an urbane Bedingungen angepasster Gehölze von besonderer Bedeutung. Nicht nur durch das Stadtklima und den Einfluss des Klimawandels, sondern auch zwischen Rodung und Pflanzung und insbesondere nach dem Auspflanzen an den urbanen Standort sind junge Gehölze oft erheblichem Trockenstress ausgesetzt, wodurch sich das Ausfallrisiko erhöht. Dem könnte durch die frühzeitige Anpassung von Baumschulware an Trockenheit vorgebeugt werden. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war daher, die Möglichkeit der Erhöhung der Trockenheitstoleranz verschiedener Baumarten durch die Anwendung eines bestimmten Bewässerungsverfahrens während der Anzucht zu untersuchen. Zudem sollte die Trockenheitstoleranz der Arten in der juvenilen Phase eingeschätzt werden. Im Freilandversuch wurden dafür fünf Baumarten bei drei Bewässerungsstrategien, optimale Bewässerung (V1), geringe Bewässerung (V2) und zeitweise Bewässerung (V3), in den Jahren 2012 und 2013 kultiviert und in der anschließenden Vegetationsperiode 2014 Trockenheit ausgesetzt. Neben Zuwachsanalysen (Höhe, Stamm- und Wurzelhalsdurchmesser, Trockenmasse, Spross-Wurzel-Verhältnis) und Wassergehaltsuntersuchungen wurden Blattwasserpotential- und Chlorophyllfluoreszenzmessungen sowie Gefäß-analysen in den Jahren 2013 und 2014 durchgeführt. Somit konnten die artspezifische und bewässerungsabhängige Entwicklung während der Anzucht nachvollzogen und daraus die Stressbelastung sowie Trockenheitsreaktionen bzw. Strategien im Umgang mit Wassermangel und mögliche bewässerungsbedingte Anpassungen an Trockenheit abgeleitet werden. Die Untersuchungsergebnisse von Sorbus aucuparia lassen auf eine gewisse Angepasstheit an zeitweise auftretende bzw. moderate Trockenheit in der juvenilen Phase schließen. Die während kurzfristiger Trockenheit entstandenen Wachstumsverluste konnte S. aucuparia durch Wachstumsschübe infolge von Wassereinträgen kompensieren. Hingegen zeichnet sich anhand der Wachstumsanalysen und Blattwasserpotentialmessungen eine geringe Toleranz gegenüber stärkerem bzw. langanhaltendem Wassermangel in der Vegetationsperiode ab. Das vergleichsweise gute Wachstum von SaV1 und SaV3 unter Trockenheit im Jahr 2014 steht vor allem in Verbindung mit dem durch vormals bessere Wasserversorgung höheren Wasserspeicher der Pflanzen. Infolge der verstärkten Bildung kleinerer und der geringeren Bildung großer Gefäße bei SaV3 steigt die Sicherheit vor Embolien. Um eine langfristig bessere Angepasstheit und gleichzeitig gute Wachstumsergebnisse zu erzielen, scheint für S. aucuparia eine Konditionierung durch zeitweise Bewässerung zur Anpassung an Trockenheit sinnvoll zu sein. Für Acer campestre lassen sich anhand der Wachstumsanalysen und Chlorophyllfluoreszenzmessungen eine geringe Empfindlichkeit gegenüber kurzfristiger bzw. zeitweiser Trockenheit und eine mittlere bis hohe Empfindlichkeit gegenüber langfristig mangelnder Wasserversorgung in der juvenilen Phase ableiten. Die Wachstumsergebnisse unter Trockenheit im Jahr 2014 deuten auf eine bessere Angepasstheit vormals optimal und zeitweise bewässerter Pflanzen (AcV1 und AcV3) hin. Eine langfristig bessere Angepasstheit an Trockenheit kann bei A. campestre jedoch vermutlich durch eine geringe Bewässerung erreicht werden, auch wenn mit schwachen Jahreszuwächsen zu rechnen ist. Dies leitet sich aus der geringeren Gefahr von Embolien aufgrund der stärkeren Bildung englumiger Gefäße, dem an Trockenheit angepassten geringeren Spross-Wurzel-Verhältnisses sowie der Aufrechterhaltung vergleichsweise hoher Pflanzenwassergehalte bei wiederholter Trockenheit bei vormals gering bewässerten A. campestre ab. Sowohl die Wachstumsanalysen als auch die physiologischen Untersuchungen weisen auf die hohe Trockenheitsempfindlichkeit von juvenilen Tilia platyphyllos hin. Die Gefäßanalysen bestätigen dieses Ergebnis. So erfolgte während Trockenheit weitestgehend keine Reduzierung der Gefäßgrößen. In Verbindung mit den Ergebnissen der Trockenmasseuntersuchungen lässt sich auf eine gewisse Angepasstheit von T. platyphyllos an wiederkehrende Trockenperioden bzw. vereinzelte Trockenjahre schließen. Vormals optimal bewässerte Pflanzen (TpV1) konnten einjährige Trockenheit im Jahr 2014 durch Nutzung ihres Wasserspeichers kompensieren und beste Wachstumsergebnisse bei gleichzeitig geringen Blattwasserdefiziten erzielen. Die vergleichsweise geringe Stressbelastung von TpV1 im Jahr 2014 spiegelt sich auch in den Chlorophyllfluoreszenzmessungen wider. Vormals zeitweise bewässerte Pflanzen (TpV3) wiesen zwar unter Trockenheit im Jahr 2014 keine bessere Wuchsleistung als TpV1 auf, jedoch deuten die Ergebnisse der Blattwasserpotentialuntersuchungen auf osmotische Anpassungsvorgänge sowie eine angepasste Stomataregulation hin. Die Gefäßanalysen belegen geringfügige trockenheitsbedingte Anpassungen von TpV3. Demnach kann bei T. platyphyllos sowohl durch optimale als auch durch zeitweise Bewässerung während der Anzucht eine gewisse Angepasstheit an spätere Trockenereignisse erreicht werden. Styphnolobium japonicum zeichnet sich durch eine sehr hohe Trockenheitstoleranz gegenüber zeitweiser und eine mittlere bis hohe Trockenheitstoleranz gegenüber langer und mehrjähriger Trockenheit in der juvenilen Phase aus. Dies spiegelt sich in den Wachstumsanalysen und in den physiologischen Untersuchungen wider. Die Ausbildung eines kräftigen Herzwurzelsystems mit tiefreichenden Senkerwurzeln ermöglicht es S. japonicum große Bodenwasserreserven zu erschließen. Die Wurzelanatomie, die Anatomie der Blätter und des Stammes sowie das physiologische Verhalten (geringe Absenkung der Mittags-Blattwasserpotentiale) zielen auf eine Strategie der Trockenstressvermeidung. Durch die geringere Bildung großlumiger und verstärkte Bildung kleinlumiger Gefäße während Trockenheit wird zudem die Sicherheit vor Embolien erhöht. Dadurch waren vormals gering und zeitweise bewässerte Pflanzen (SjV2, SjV3) auch an Trockenheit im Jahr 2014 besser angepasst. Die guten Wachstumsergebnisse lassen in Verbindung mit den Blattwasserpotential- und Wassergehaltsmessungen auch eine verbesserte Wassernutzungseffizienz, eine verstärkte Osmoregulation sowie eine Anpassung der Stomataregulation vermuten. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine langfristig bessere Angepasstheit an Trockenheit und gute Wachstumsergebnisse durch eine zeitweise Bewässerung von S. japonicum erreicht werden kann. Populus nigra 'Italica' folgt ebenfalls der Strategie der Stressvermeidung mit geringen Blattwasserpotentialabsenkungen. Durch schnelle Ausbreitung des Wurzelsystems können größere Wasservorräte im Boden erschlossen werden. Die Entwicklung einer höheren Anzahl kleiner und einer geringeren Anzahl großer Gefäße während Trockenheit senkt die Kavitationsgefahr. Die Ergebnisse der Wachstumsanalysen der juvenilen P. nigra 'Italica' deuten unter Berücksichtigung der Blattwasserpotential- und Chlorophyllfluoreszenzmessungen auf eine mittlere Trockenheitstoleranz gegenüber langanhaltendem Wassermangel in der Vegetationsperiode und eine höhere Trockenheitstoleranz gegenüber zeitweiser Trockenheit hin. Es wurde ersichtlich, dass P. nigra 'Italica' in Abhängigkeit von Intensität, Dauer und Häufigkeit der Trockenperioden unterschiedliche Anpassungsmechanismen aufweist.
Due to their specific location urban trees are typically subjected to heavy and intense drought stress. The already apparent negative effects of climate change enhance the effect of climate factors on plant growth. Therefore, choosing trees well-adapted to urban conditions and suitable for the respective location is of especial importance. Aside from city climate and the influence of climate change, young trees suffer considerably from drought stress as a result of clearing and planting, especially after planting out, because of which the risk of failure increases. This could be prevented by an early adjustment of nursery plants to drought, in order to obtain long-lived, vital and robust trees. Thus the goal of this work is to examine options of increasing drought tolerance in several tree species by the use of particular irrigation practices during cultivation. Additionally, there will be an assessment of the different species' drought tolerance during their juvenile phase. In 2012 and 2013 five tree species were cultivated under different irrigation strategies in a field experiment, with well (V1), with low (V2) and with occasional watering (3). Over the course of the subsequent vegetation period in 2014 they were exposed to drought. During 2013 and 2014, apart from analyses of growth (height, stem and root collar diameter, dry weight, shoot- root-ratio) and water content as well as leaf water potential, chlorophyll fluorescence and vessel parameters were measured. This enabled tracking the species-specific and irrigation-dependent development during cultivation and allowed conclusions on stress level and drought reactions or strategies to cope with water shortage. As well as possible irrigation-induced adaptations towards drought could be identified. The results of Sorbus aucuparia suggest a certain degree of adjustment to periodic or moderate drought during the juvenile phase. Loss of growth caused by short-term droughts could eventually be compensated by growth spurts after irrigation or rainfall. However, growth analyses and the data on leaf water potential indicate low tolerance against longer and more severe periods of water shortage during the growing season, especially when coinciding with atmospheric drought. Sorbus aucuparia were well-adapted to drought in 2014 both when they were formerly well irrigated (SaV1) as well as occasionally irrigated (SaV3). Their comparatively good growth is related to their larger plant water storage caused by early on better water supply. In order to achieve both long-term adaptation as well as satisfying growing rates, occasional irrigation seems reasonable for allowing adjustment to drought through conditioning for Sorbus aucuparia. The formation of narrower vessels decreases the risk of embolism. The findings are also indicative of a higher water use efficiency of formerly occasionally irrigated Sorbus aucuparia. Based on growth and chlorophyll fluorescence analyses Acer campestre seems to be less sensitive to short-term and occasional drought, but medium to highly sensitive to long-term water shortage during the juvenile phase. Growth during the dry conditions in 2014 indicates a better adjustment of formerly well and occasionally irrigated Acer campestre (AcV1 and AcV3). Probably a better adjustment in the long term can be achieved by early low irrigation, even if lower overall growth per year has to be expected. This is due to the formation of more narrow vessels that prevent embolism, and the low shoot-root-ratio well adapted to drought, as well as by keeping up a relatively high water content in recurring drought. Both growth and physiological investigation suggest a high susceptibility to drought in juvenile Tilia platyphyllos in severe long-term water shortage during the growing season and in perennial drought. Vessel analyses confirm this result. Thus no reduction of vessel size occurred during drought. Only formerly occasionally (TpV3) and low irrigated plants (TpV2) show minor adaptation in vessel size. Combining with the results of the dry-weight analysis it can be suggested a certain adjustment of Tilia platyphyllos to recurring periods of drought and singular dry years. Formerly well irrigated plants (TpV1) were best at withstanding the 2014 one-year drought by using their water storage and showed better growth with simultaneously low leaf water deficits. The comparatively low stress level of TpV1 is also reflected by chlorophyll fluorescence measurements. Despite not showing higher growth rates during the 2014 drought, analyses of leaf water potential of formerly occasionally watered plants (TpV3) point to osmotic adjustment as well as adaption of stoma regulation. The vessel analyses confirm these findings. Therefore, Tilia platyphyllos seems to benefit from both ideal as well as occasional irrigation (TpV1 and TpV3) during cultivation to adjust to subsequent droughts. However, a conclusive recommendation on watering Tilia platyphyllos does not seem possible at this point. Styphnolobium japonicum is characterized by very high drought tolerance towards occasional drought events and by medium to high tolerance towards long-term and perennial drought events during their juvenile phase. This is reflected by investigations of growth and physiology. The early development of a sturdy heart-root-system and deep sinker roots allows the acquisition of bigger soil water reservoirs. Not only root, but also leaf and trunk anatomy, as well as physiological reactions (slight reduction of midday leaf water potential) are main strategies to avoid drought stress. Here as well the protection from embolism is achieved by developing only medium to smaller vessels during drought. Therefore, formerly low and occasionally irrigated plants (SjV2 and SjV3) were even better adapted to the drought in 2014. Furthermore, together with analyses of leaf water potential and water content, the high growth rates suggest an improved water use efficiency, but also intensified osmoregulation as well as an adjustment of stoma regulation. The findings point to better long-term drought adaptation as well as satisfying growing rates using the occasional irrigation strategy for Styphnolobium japonicum. Populus nigra 'Italica' also follows a stress avoidance strategy by slightly lowering its leaf water potential. Its rapidly spreading root system can obtain access to bigger soil water resources. Developing a high number of small vessels and a rather low number of big ones decreases the risk of cavitation. Considering the leaf water potential and chlorophyll fluorescence measurements, the results of the growth analysis of Populus nigra 'Italica' indicate a medium drought tolerance towards long-term water shortage during the growing season and a higher tolerance towards occasional drought events. Yet a conclusive assessment of drought tolerance and improved adaptation to drought by the usage of a certain irrigation strategy, especially when it comes to perennial water shortage, is not possible for Populus nigra 'Italica' given the present data. However, it became apparent, that Populus nigra 'Italica' shows different adjustment mechanisms that are subject to intensity, duration and frequency of dry periods.

Holz aus Kurzumtriebsplantagen (KUP) mit Pappeln (Populus spp.) kann eine bedeutende Rolle im Mix der Bioenergieressourcen in Deutschland spielen. Trotz eines günstigen Energieinput-Energieoutput-Verhältnisses ist das Erreichen wirtschaftlich zufriedenstellender Ergebnisse mit KUP jedoch auf den meisten potenziellen Anbauflächen durch hohe Ansprüche der Pappeln an die Wasserversorgung erschwert. Hohe Produktivitätsraten der Pappeln sind an einen hohen Wasserverbrauch gebunden und viele Trockenheitsanpassungen führen zu deutlichen Ertragsrückgängen. In der vorgestellten Arbeit wurde eine sechsjährige Vollgeschwister-F1-Kartierungspopulation der Europäischen Zitter Pappel (Aspe, Populus tremula L., Wuchsperiode 1998-2003) physiologisch und genetisch untersucht, um mögliche Wege zu einer züchterischen Verbesserung der Trockenheitstoleranz von Pappeln diskutieren zu können. Dabei wurde das Zuchtziel der Trockenheitstoleranz als Minimierung der Ertragsrückgänge unter trockenen Bedingungen definiert. Neben wuchsleistungsbezogenen Größen (Biomassegesamtleistung (BM, oberirdische Dendromasse), Biomassezuwachs (iBM), Radialzuwachs (ir), Baumhöhe (h)) wurden physiologisch holzanatomische Eigenschaften untersucht, die retrospektiv anhand der Jahrringe messbar sind und zur nicht direkt messbaren Eigenschaft der Trockenheitstoleranz in einer Beziehung stehen. Diese waren die Kohlenstoff- und Sauerstoffisotopsignatur (δ13C, δ18O), die Faser- und Gefäßgliedlänge (FL, GL), die Gefäßlumenquerschnittsfläche (AG), die Gefäßdichte (GD), der potenziell Saftstrom leitende Querschnittsflächenanteil (LQ), der hydraulisch gewichtete Gefäßlumendurchmesser (Dh) und die röntgendensitometrische Holzdichte (RD). Um trockenheitsbedingte physiologische Reaktionen vom Einfluss der Juvenilität der Kartierungspopulation unterscheiden zu können, wurden regionaltypische Juvenilitätstrends der RD, FL, GL, und des ir anhand eines zweiten, für das östliche Deutschland repräsentativen Aspen-Kollektivs aus natürlicher Sukzession ermittelt. Bedingt durch Trockenheitsanpassungen bzw. eine bevorzugte Wurzelentwicklung nach dem Verpflanzen zeigte die Kartierungspopulation in den ersten drei Jahrringen Abweichungen von den regionaltypischen Juvenilitätstrends. In den Trendverläufen der Kartierungspopulation heben sich die beiden Trockenvegetationsperioden 2000 und 2003 ab, wobei bis zum Sommer 2003 infolge des Starkniederschlages 2002 (Flut) ein außergewöhnlich gutes Grundwasserangebot herrschte. Alle untersuchten phänotypischen Eigenschaften zeigten 2000 starke trockenheitsbedingte Abweichungen. Im Jahrring 2003 wichen nur die GL und die RD von ihren Juvenilitätstrends ab. Außerdem konnte anhand der δ13C und δ18O Werte eine signifikante Abnahme der Wassernutzungseffizienz bzw. eine Zunahme der Transpiration im Jahr 2003 gezeigt werden. Die übrigen Größen folgten ihren Juvenilitätstrends und stiegen an. Die Jahrringdatensätze 2000 und 2003 der RD waren nicht signifikant mit der BM korreliert, dagegen zeigten die δ13C Datensätze 2002 und 2003 schwach positive Korrelationen mit der BM. Der trockenheitstoleranteste Genotyp verband seine überdurchschnittliche BM mit einer hohen Wassernutzungseffizienz (angezeigt durch überdurchschnittliche δ13C Werte), mit einer überdurchschnittlichen AG und mit einer nicht unterdurchschnittlichen RD in Höhe des Populationsmittels. Aufgrund des Fehlens negativer Korrelationen zwischen BM und δ13C bzw. BM und RD in der vorliegenden Arbeit können δ13C und RD als nützliche Weiser für die Unterscheidung der Trockenheitstoleranz verschiedener Aspen zu züchterischen Zwecken vorgeschlagen werden. Außer der BM unter trockenen Bedingungen kann keine der untersuchten Eigenschaften als alleiniger Trockenheitstoleranzweiser empfohlen werden. Zu einer Trockenheitstoleranzbewertung sollten Merkmalspaare verwendet werden, von denen ein Merkmal positiv mit dem Ertrag korreliert ist und das andere eine Trockenheitsanpassung verkörpert. Dadurch werden sowohl das primäre Zuchtziel eines höchstmöglichen Ertrages als auch eine bessere Trockenheitsangepasstheit berücksichtigt. Zwei verschiedene Trockenheitstoleranzindizierungen wurden angewendet, um die Kartierungsnachkommen entsprechend ihrer Trockenheitstoleranz einem Ranking zu unterziehen. Dabei wurden in beiden Fällen Bäume mit einem höheren Ertrag besser platziert. Der zweite Schwerpunkt der Arbeit lag auf der genetischen Kartierung von Quantitative Trait Loci (QTL) für die untersuchten phänotypischen Jahrringeigenschaften mit Bezug zur Trockenheitstoleranz. Als Basis für das QTL Mapping wurden, der Pseudo-Testcross-Mapping-Strategie folgend, genetische Kopplungskarten für die Elternbäume der Kartierungspopulation konstruiert. Die maternale Karte (P. tremula, „Schandau 4“) deckte mit 157 Markern (144 AFLP, 13 SSR) in 30 Kopplungsgruppen 1.369 cM ab, die 21 paternalen Kopplungsgruppen mit 148 Markern (132 AFLP, 16 SSR) überspannten 1.079 cM des Genoms (P. tremula, „Lichtenhain 1“). Die im Vergleich zur haploiden Chromosomenzahl der Pappeln (19) hohen Zahlen an Kopplungsgruppen sowie die hohen Zahlen an Doublets und unkartierten Markern zeigten eine geringe Genomabdeckung an. So konnte nur eine begrenzte Zahl, höchstens zwei QTL für die untersuchten phänotypischen Jahrringeigenschaften mit Bezug zur Trockenheitstoleranz, kartiert werden. Ein QTL Bereich mit pleiotropem Effekt auf mehrere wachstumsbezogene Größen wurde auf der maternalen Kopplungsgruppe 1 (dem Populus Chromosom I zuzuordnen) detektiert. Die Signifikanz der Effekte dieses QTL auf den Radialzuwachs entwickelte sich steigend mit zunehmendem Baumalter.
Wood production in short rotation coppices (SRC) with poplar (Populus spp.) can contribute significantly to the future bio energy supply mix in Germany. Although the energy-input to energy-output ratio is rather good, SRC often do not meet cost effectiveness due to high water demand of poplar species. High biomass productivity depends on optimal water supply. Also, numerous adaptations to water deficits result in an undesirable decrease of yield. Combined physiological and genetic investigations were conducted within a six-year old F1-full-sib crossbred population of European aspen (Populus tremula L., growing period 1998-2003). Possible implications on selection, breeding or improvement of poplar cultivars showing a high tolerance to water deficits are discussed. For the work presented here, the breeding goal of higher water deficit tolerance was defined as the minimisation of yield losses under dry conditions. Beyond growth related traits (aggregate yield (BM), aboveground woody biomass), biomass increment (iBM) and radial increment (ir), physiological and wood anatomical traits were included; these are related to reactions to water deficit and are measurable on tree rings retrospectively. These traits were the Carbon- and Oxygen isotope ratios (δ13C, δ18O), the fibre length and vessel element length (FL, GL), the vessel lumen cross sectional area (AG), the vessel density (GD), the cumulative vessel lumen area to cross sectional area ratio (LQ), the hydraulically weighted mean vessel lumen diameter (Dh) and wood density assessed by X-ray densitometry (RD). To distinguish the drought induced physiologic reactions from juvenile developmental patterns of the mapping population, juvenile trends of RD, FL, GL, and ir, which are representative of habitats in south-eastern Germany, were investigated in a second aspen collective that was selected from natural succession. During the first three years, the mapping population showed deviations from the juvenile trends due to water deficit adaptations or preferential root development, respectively. Due to drought in the growing seasons of 2000 and 2003, the juvenile trends show outstanding values for both years, although ground water supply in 2003 was exceptionally good following the intense rain event of 2002 (Elbe flood 2002). The tree ring traits of both years stand out from the juvenile trends due to drought adaptations. In 2000, all phenotypic traits showed a significant deviation from their respective trends. In 2003, only GL and RD showed an adaptation to drought as observable by a deviation from their juvenile trends. A significant decrease in water use efficiency (WUE) and an increase in net transpiration, respectively, were shown for 2003 by means of δ13C or δ18O values. All other traits showed an increase following their juvenile trends. RD data for 2000 and 2003 were not significantly correlated with BM, but δ13C data (and therefore WUE) for 2002 and 2003 revealed a weakly positive correlation with BM. The genotype that was most tolerant to water deficits showed a combination of a superior growth with a superior WUE (by means of δ13C), a superior AG, and an RD close to but not less than the population average. Due to the lack of negative correlation between BM and δ13C or BM and RD in the present work, δ13C and RD can be valuable proxies for the determination of drought tolerance of aspen trees for tree improvement purposes. Aside from BM under dry conditions, no other traits that were investigated can be recommended as a stand-alone proxy for water deficit tolerance. For a water deficit tolerance evaluation, pairs of traits should be used, of which one trait is positively correlated with yield and the other represents a water deficit adaptation. Both the primary breeding goal of the highest possible yield as well as a better water deficit tolerance should always be considered in this context. Two different drought tolerance indices were used to rank the individuals of the mapping population according to their water deficit tolerance. In both cases, trees with higher BM were ranked better. The second focus of the present work is on genetic mapping of Quantitative Trait Loci (QTL) for the investigated tree-ring traits that refer to water deficit reaction. As a basis for the QTL-mapping approach, genetic linkage maps were constructed for each parental tree of the F1-full-sib crossbred mapping-population following the two-way pseudo-testcross mapping strategy. The maternal map (P. tremula, “Schandau 4”) consisted of 157 markers (144 AFLP, 13 SSR) in 30 linkage groups and covered 1,369 cM. The 21 linkage groups of the paternal map (P. tremula, “Lichtenhain 1”) covered 1,079 cM of the genome (144 AFLP, 13 SSR). Compared with the haploid chromosome number (19) of the Populus genome, the high number of linkage groups, doublets and unlinked markers indicated low genome coverage. Only a low number of QTL was detected, maximal two per in¬vesti¬gated phenotypic trait with a relation to water deficit tolerance. One QTL having a pleiotropic effect on several growth related traits was detected on the maternal linkage group 1 (corresponding to the Populus Chromosome I). The significance of the QTL effects seemed to increase with tree age.