A New Phytochemical Screening Programme used for Crops grown with Organic and Conventional Methods

A broad screening programme, covering the most general phytochemical groups of compounds, was developed on the basis of Thin Layer Chromatography (TLC). A total of 46 TLC systems, comprising 26 derivatization reagents, 3 stationary phases, and 4 mobile phases, were included. The TLC systems were classified according to the groups of phytochemical compounds detected: Alcohols and phenolic compounds; Carbohydrates; N-containing compounds; Organic acids and lipids; P-containing compounds; S-containing compounds, and Terpenoids. Furthermore, one group of TLC systems detected compounds from several of the mentioned groups. The screening programme was applied in the screening of potatoes (S. tuberosum L.), peas (P. sativum L.), kale (B. oleracea L.), carrots (D. carota L.), and apples (M. domestica Borkh.), cultivated with combinations of organic and conventional methods for plant protection and nutrient supply, for phytochemical differences (biomarkers). Distinctive phytochemical differences were found between the differently cultivated samples of these crops. In peas and carrots only one biomarker was found. In peas the biomarker was related to the soil conditions, while the biomarker in carrots was related to the use of pesticides. In potato, two biomarkers related to the use of pesticides were found. Three biomarkers were found in kale. Two of these could be related to the use of pesticide, while the last was related to either fertiliser or soil conditions. Several biomarkers were found apples, but a relation to the cultivation methods was not clear. Three of the biomarkers in apples could be related to either the use of pesticides or fertiliser, while no conclusions could be drawn from the other biomarkers found. The results of the screening programme form the basis for a potential development of a kit to detect whether crops are organically- or conventionally cultivated. Furthermore, the results from this part and other parts of the project "Organic food and health – a multigenerational animal experiment" provide basis for the selection of which secondary compounds to quantify by specific chemical analysis, isolate, and/or structure elucidation

Zehn Jahre differenzierte Grundbodenbearbeitung im ökologischen Ackerbau (Projekt Ökologische Bodenbewirtschaftung) - Entwicklung der organischen Bodensubstanz, Nährstoffgehalte sowie bodenbiologischen Eigenschaften

This study investigated the lasting impact of reduced and conservation tillage, namely two-layer ploughing (LP) and layer-cultivating (LC) on soil ecological properties (physical, chemical, microbiological) in an organic farming system relative to ploughing (P). As a major trend, the amounts of soil organic C, microbial biomass –C and –N, Cmic to Corg ratio, and microbial activity increased in 0-15cm depth in the order P –LP – LC while they decreased in 15-25cm depth in the same order, both in green fallow and winter rye plots. For example, in 0-15 cm depth soil microbial biomass –C concentration was significantly 21 % (LP) and 30 % (LC) greater in green fallow plots or 15 % to 23 % greater in winter rye plots than in P. This was highly correlated with an increase in aggregate stability at these sites. Non-ploughing also resulted in a significant higher bulk density. In addition, there was much evidence that the microbial community changed towards fungi in 0-15 cm depth in reduced and conservation tillage plots. The abundance and fresh biomass of earthworms as well as species richness seemed to benefit from reduced soil tillage intensity. The highest amounts of abundance, fresh biomass and numbers of earthworm species in the current study were found in the plots with the layer cultivation treatment. No tillage effects were found for the amount of plant available P in soil. It can be concluded that reduced or conservation tillage in organic farming systems has beneficial effects on soil organic matter, microbial biomass and potential activity, as well as on earthworms

Kristallstrukturanalyse und Entwicklung von Computermodellen zur Beschreibung der Selektivität von Enzymen am Beispiel der Carboanhydrase

Ein Ziel der modernen Wirkstoffforschung ist die Entwicklung von Arzneistoffen, die selektiv mit einem Zielprotein wechselwirken. Dadurch sollen Nebenwirkungen in einem frühen Stadium der Entwicklung minimiert, wenn möglich sogar ausgeschlossen werden. Bei der strukturbasierten Entwicklung von Wirkstoffen wurden im Falle der Carboanhydrase (CA) die physikochemischen Eigenschaften von CA-Inhibitoren mit den biologischen Affinitäten an drei Isoenzymen (CA I, CA II, CA IV) korreliert. Mit den daraus erhaltenen 3D-QSAR-Modellen können diejenigen physikochemischen und strukturellen Eigenschaften der Verbindungen bestimmt werden, die die biologische Aktivität im Hinblick auf ein Isoenzym beeinflussen. Mit zwei verschiedenen Ansätzen wurden selektive 3D-QSAR-Modelle erhalten, mit deren Hilfe anhand von Konturdiagrammen Bereiche ermittelt werden können, die für eine bestimmte physikochemische Eigenschaft (sterische, elektrostatische, hydrophobe, Akzeptor, Donor) die Selektivität hinsichtlich eines Isoenzyms erhöhen oder erniedrigen. Aus dieser reinen Liganden-basierten Analyse konnten dennoch Rückschlüsse auf die Gegebenheiten in der umgebenden Bindetasche gezogen werden. Aber nicht nur die Auswertung von Ligandeninformationen kann wichtige Hinweise für die Entwicklung selektiver CA-Inhibitoren liefern. Die Auswertungen von Kristallstrukturen der CA bestätigten diese aus reiner Ligandeninformation erhaltenen Selektivitätsmodelle und lieferten zusätzliche Informationen für die Entwicklung selektiver Verbindungen. Ferner konnte anhand eines Homologiemodells der C AIX gezeigt werden, dass die Modellierung von Enzymen, deren Kristallstrukturaufklärung sich als schwierig erweist, durchaus nützliche Hinweise für den strukturbasierten Entwurf bzw. die Optimierung von Liganden liefern kann. Um potentielle neue (selektive) Leitstrukturen zu finden, können neben dem experimentellen Hochdurchsatz-Screening virtuell am Computer Datenbanken mit gespeicherten Molekülbibliotheken durchmustert werden. Die korrekte Vorhersage des Bindungsmodus und die korrekte Abschätzung der Bindungsaffinität der platzierten Moleküle ist entscheidend für die erfolgreiche Identifizierung von neuen Leitstrukturen. Es konnte erfolgreich gezeigt werden, dass für CA-Inhibitoren mit einem rigiden Ringgerüst und mit bekannter Kristallstruktur der Bindungsmodus korrekt vorhergesagt werden konnte. In den Fällen, in denen die Bewertungsfunktionen der Dockingprogramme in der Affiniätsvorhersage der Verbindungen fehlschlagen, konnte durch die Kombination mit den zuvor erhaltenen 3D-QSAR-Modellen die Affinität dieser gedockten Verbindungen richtig abgeschätzt werden. Darüber hinaus wurde in Datenbanken und in der Literatur nach potentiellen neuen CA-Inhibitoren gesucht und ihre Bindung ließ sich biochemisch in einem Assay bestätigen. Eine Platzierung in der Bindetasche von CA II ermöglicht die korrekte Abschätzung der Affinität. Bei der Optimierung von Leitstrukturen/Wirkstoffen ist es sehr schwierig Wechselwirkungen mit Proteinen vorherzusagen beziehungsweise abzuschätzen, die sich in ihrer Sequenz und Funktion stark von dem Ausgangsprotein unterscheiden. Es konnte gezeigt werden, dass Cyclooxygenase (COX)-2-selektiven Verbindungen (Valdecoxib, Celecoxib) ebenfalls CA hemmen. Obwohl beide Enzyme ? COX und CA - unterschiedliche biologische Funktionen besitzen, weisen beide Enzyme lokale Bereiche im aktiven Zentrum mit ähnlichen physikochemischen Eigenschaften auf, so dass die Bindung von Celecoxib und Valdecoxib an beiden Enzymen ermöglicht wird. Diese Kreuzreaktivität von Celecoxib und Valdecoxib wurden durch kinetische Daten und mit der Kristallstruktur von Celecoxib im Komplex mit CA II belegt

Die Bedeutung von Myo5 für das polare Wachstum, die pathogene Entwicklung und den Transport polarer Chitinsynthasen in Ustilago maydis

Der phytopathogene Pilz Ustilago maydis ist der Erreger des Maisbeulenbrandes. Die Bildung des infektiösen dikaryotischen Filaments setzt die Fusion zweier kompatibler Sporidien voraus, die stimuliert durch das Pheromon des Partners Konjugationshyphen ausbilden, aufeinander zu wachsen und miteinander fusionieren. Sowohl für den Kreuzungsprozess als auch für die erfolgreiche Infektion der Wirtspflanze ist die Fähigkeit des Pilzes, polar zu wachsen, von essentieller Bedeutung. Polares Wachstum erfordert die gerichtete Anlieferung von Wachstums- und Zellwandkomponenten entlang des Cytoskeletts zur Wachstumsspitze hin. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass das Klasse V Myosin, Myo5, für verschiedene Stadien des Pilzes während seines sexuellen Lebenszyklus von enormer Bedeutung ist. Myo5 ist essentiell für die erfolgreiche Perzeption des Pheromons und die Ausbildung von Konjugationshyphen. Auch das Wachstum dikaryotischer Hyphen ist in myo5ts-Mutanten gestört. Zudem zeigten myo5ts-Infektionshyphen deutliche Störungen des polaren Wachstums während der frühen Infektionsphase, was sich in der Ausbildung geschwollene Hyphenverzweigungen äußerte, und sie induzierten bereits bei permissiver Temperatur nur bei 2,7% der Pflanzen Tumore. Aufgrund der aus Vorversuchen resultierenden Erkenntnisse wurden Chitinsynthasen als mögliche ?Cargos? von Myo5 in Betracht gezogen und näher untersucht. Das Genom von U. maydis kodiert für sieben Chitinsynthasen (Chs1-7) und eine Myosin-Chitinsynthase (Mcs1). Sowohl die Phänotypen der Chitinsynthase-Deletionsstämme wurden näher analysiert, als auch in vivo Lokalisationsstudien der Chitinsynthasen durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass Dchs5- und auch Dchs7-Zellen ähnliche Zelltrennungsdefekte wie Dmyo5-Zellen sowie Störungen in der Ausbildung von Konjugationshyphen aufwiesen. Zudem führte die Deletion von chs7 zu einer starken Beeinträchtigung der Filamentbildung auf aktivkohlehaltigem Medium und der Pathogenität. Die Deletion von chs6 und mcs1 störte die Filamentbildung kompatibler Stämme nicht, resultierte allerdings in einer völligen Apathogenität. Ähnlich wie Myo5 lokalisierten die vier Chitinsynthasen Chs5, Chs6, Chs7 und Mcs1 in der Spitze wachsender Sporidien. Inhibitorversuche ergaben, dass die Lokalisation dieser polaren Chitinsynthasen von Aktin abhängt. Untersuchungen zur Lokalisation von Chs5, Chs6, Chs7 und Mcs1 in myo5ts-Mutanten zeigten eine deutliche Fehlverteilung von Chs7 in myo5ts-Mutanten nach einstündiger Inkubation bei restriktiver Temperatur. Durch den neu etabliertem in vivo Aktinmarker Fim1GFP konnte eine Störung des Aktin-Cytoskeletts als Ursache ausgeschlossen werden. Sowohl die phänotypischen Analysen als auch die Lokalisations- und Inhibitorstudien weisen deutlich auf eine Beteiligung von Myo5 an der Lokalisation von Chs7 hin

Ertrag und Qualität von Winterweizengenotypen unter integrierten und ökologischen Anbaubedingungen

An annually identical assortment of each of 32 winter wheat varieties and lines bred under conventional conditions was tested between 2004 and 2007 both in a conventionally and in an organically managed environment. Previously the assortment had been evaluated with respect to yield and indirect parameters of baking quality. The objective was to obtain evidence for a targeted selection of lines for their later use as bread varieties in organic farming. It was discovered that for a successful selection of lines for the subsequent cultivation under organic conditions especially the evaluation of yield must be conducted strictly under the same conditions

Chemical characterization of water-soluble organic carbon aerosols at a rural site in the Pearl River Delta, China, in the summer of 2006

Online measurements of water-soluble organic carbon (WSOC) aerosols were made using a particle-into-liquid sampler (PILS) combined with a total organic carbon (TOC) analyzer at a rural site in the Pearl River Delta region, China, in July 2006. A macroporous nonionic (DAX-8) resin was used to quantify hydrophilic and hydrophobic WSOC, which are defined as the fractions of WSOC that penetrated through and retained on the DAX-8 column, respectively. Laboratory calibrations showed that hydrophilic WSOC (WSOCHPI) included low-molecular aliphatic dicarboxylic acids and carbonyls, saccharides, and amines, while hydrophobic WSOC (WSOCHPO) included longer-chain aliphatic dicarboxylic acids and carbonyls, aromatic acids, phenols, organic nitrates, cyclic acids, and fulvic acids. On average, total WSOC (TWSOC) accounted for 60% of OC, and WSOCHPO accounted for 60% of TWSOC. Both WSOC HIP and WSOCHPO increased with photochemical aging determined from the NOx/NOy ratio. In particular, the average WSOCHPO mass was found to increase by a factor of five within a timescale of ∼10 hours, which was substantially larger than that of WSOCHPI (by a factor of 2-3). The total increase in OC mass with photochemical aging was associated with the large increase in WSOCHPO mass. These results, combined with the laboratory calibrations, suggest that significant amounts of hydrophobic organic compounds (likely containing large carbon numbers) were produced by photochemical processing. By contrast, water-insoluble OC (WIOC) mass did not exhibit significant changes with photochemical aging, suggesting that chemical transformation of WIOC to WSOC was not a dominant process for the production of WSOC during the study period. Copyright 2009 by the American Geophysical Union

Contribution of particulate nitrate to airborne measurements of total reactive nitrogen

Simultaneous measurements of speciated, total reactive nitrogen (NOy) and particulate NO3 (particle diameter <1.3 μm) were made on board the NASA P-3B aircraft over the western Pacific in February-April 2001 during the Transport and Chemical Evolution over the Pacific (TRACE-P) experiment. Gas-phase and particulate NOy was measured using a gold tube catalytic converter. For the interpretation of particulate NOy, conversion efficiencies of particulate NH4NO3, KNO3, NaNO3, and Ca(NO3)2 were measured in the laboratory. Only NH4NO3 showed quantitative conversion, and its conversion efficiency was as high as that for HNO3. NOy measured on board the aircraft was found to be systematically higher by 10-30% than the sum of the individual NOy gas components (Σ(NOy)i) at 0-4 km. Particulate NO3- concentrations measured by a particle-into-liquid sampler (PILS) were nearly equal to NOy - Σ(NOy)i under low-dust-loading conditions. The PILS data showed that the majority of the particulate NO3- was in the form of NH4NO3 under these conditions, suggesting that NH4NO3 particles were quantitatively converted to detectable NO by the NOy converter, consistent with the laboratory experiments. The contribution of particulate NO3- to NOy was most important at 0-2 km, where NO3- constituted 10-30% of NOy during TRACE-P. On average, the amounts of particulate NO3- and gas-phase HNO3 were comparable in this region. Copyright 2005 by the American Geophysical Union

An invisibility cloak using silver nanowires

In this paper, we use the parameter retrieval method together with an analytical effective medium approach to design a well-performed invisible cloak, which is based on an empirical revised version of the reduced cloak. The designed cloak can be implemented by silver nanowires with elliptical cross-sections embedded in a polymethyl methacrylate host. This cloak is numerically proved to be robust for both the inner hidden object as well as incoming detecting waves, and is much simpler thus easier to manufacture when compared with the earlier proposed one [Nat. Photon. 1, 224 (2007)].Comment: 7 pages, 4 figures, 2 table