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Crops and Cropping Systems

Which are the conclusions to be drawn for the environmental needs of wheat and maize with respect to their origin
Weizen
- Stammt aus dem fruchtbaren Halbmond (temperate region)
o Keimt im Herbst bei Einsetzen der Niederschlagsperiode
o Durchläuft vegetative Entwicklung bei kühlen und feuchten mediterranen Winterbedingungen im Kurztag
o Mit länger werdenden Tagen kommt es zur Blüte und Kornausbildung, diese ist dann in der Regel vor Einsetzen der Sommerdürre, -hitze abgeschlossen
- Ursprüngliche Gesellschaft: Graslandsteppe
o Stehen dicht mit eng verwandten und sind dementsprechend Konkurrenz gewohnt
o Reduzieren Seitentriebe, wenn Konkurrenz steigt
→ lässt sich gut als Reihenkultur anbauen (400 Pflanzen/m²)
- reagiert auf Vernalisation
o Blüte wird induziert → ohne Vernalisation ist Blüte inhomogen
o Synchronisiert Bestand → geht nicht ins Schossen vor dem Winter
o Eine nicht ausreichende Vernalisation ist an einem verzögertem Schossen, dem unregelmäßigen Verlauf des Streckenwachstums der Internodien, der Verlängerung der Differenzierungsphase des Blütenstandes sowie an der Ausbildung von mehr Ährchen zu erkennen.
- Frost/Winterhärte
o Während der Quellungsphase ist das keimende Korn sehr empfindlich gegen Frost
o Schneedecke führt zu Pilzinfektionen
o Die Überlebensrate der Halme ist bei Kühle höher
- Photoperiode
o Geht unter Langtagsbedingungen in die Abreife
o Ist mit dem Zeitpunkt der Blüte und Abreife an die Photoperiode in Europa angepasst

Mais
- Stammt aus mittelhohen Lagen der Sub/Tropen Mittelamerikas
o An hohe Tagestemperaturen angepasst
o an kühle Bedingungen in tropischer Höhe angepasst
o Kurztagspflanze ohne Vernalisationsbedürfnis
- ursprüngliche Gesellschaft: perennierendes Horstgras
→ nicht an enge Bestände angepasst → einige Kolben bleiben zu klein oder sind
  steril
→ weite Reihenabstände notwendig, ansonsten werden Kolbenanlagen reduziert (10 Pflanzen/m², die gleichmäßig über die Fläche verteilt sind)
- Frosthärte
o <15°C kann es zu Störungen der Pollenmeiose kommen
- Konkurrenzschwach gegenüber Unkräutern zu Wachstumsbeginn
o Trotzdem muss Vegetationsperiode ausgenutzt werden

What are the biological advantages/disadvantages of husky or naked caryopses?
Nachteil nackte Karyopse: niedriges Ertragspotential, ungenügende Krankheitsresistenzen, lockerer Kornsitz, unzureichende Kornhärte, vorstehender und damit verletzungsgefährdeter Embryo, hat das Organ nicht, das zuletzt noch assimiliert
Vorteil nackte Karyopse: weniger Ernteaufwand, bessere Verarbeitung, weniger Rohfasern, trocknet schneller ab/besser lagerbar, geringerer Strohanteil als bespelzte, geringerer Verarbeitungsaufwand (hat gesagt, dass diese Frage nicht kommt)

Quality definitions of wheat, maize and other crops
Weizen: technologische Qualität -> Backqualität, ernährungsphysiologische Qualität: Gefahr von Mykotoxinen, hoher Proteingehalt/Verdaulichkeit, Schwefelproteine haben schlechten Einfluss auf Backqualität
Mais: ernährungsphysiologische Qualität (Tier), technologische Qualität (z.B. Siliereignung
Marketingqualität (z.B. bei Kartoffeln, dort kommt’s auf Sorten an, oder im Biolandbau)

Which traits are important for the flour extraction? How are these related to the structure of the caryopsis?
The main goal of the flour extraction is to obtain maximum flour yield with low energy input for milling. Therefore, the caryopse should have a thin seed coat and a low ash content.
The ash content is important because it determines extraction rate: seed coat & aleuron layer have higher ash contents. The flour extraction is therefore also dependent on the separability of endosperm and seed coat. Furthermore, the bran (Kleie) content, the position of the embryo and the shape of the grain influence the flour yield, too.

Which chemical properties determine the baking quality of wheat and rye? Why are other cereals not suitable?
In wheat, the quantity and quality of Gluten determines the baking quality. Gluten belong to the protein fraction and include the sulfur-containing amino acids Gliadin (softness) & Glutenin (firmness). Gluten form a net which prohibits the emergence of CO2 bubbles from the dough (Teig). The bread will become airy and light. In addition to a sufficient quantity, the ratio of Gliadin to Glutenin must be correct, otherwise the baking quality will be reduced. One factor determining the gluten quality is the amylase activity in the grain (measured with the falling number). This enzyme transforms starch into sugar when the grain is germinating. If this happens with bread wheat (late harvest with much rainfall, wheat is downcast), the dough is not suitable for bred-making (no structure).
In rye, the carbohydrate fraction is responsible for the baking quality, namely the starch and non-starch carbohydrates (pentosane, pectine). As in wheat, the quantity and quality (ratio) are important.
Other cereals often have a low Gluten content (hard wheat, spelt (Dinkel) – no glutenin) or the ratio of the present proteins / carbohydrates is not correct.

When can the tillering (Bestockung) ability of wheat be advantageous or disadvantageous for yield formation?
Advantages: Unkrautdruckreduktion vermindert Herbizideinsatz, Reduktion Feuchtigkeitsverlust. Dank Bestockung können sich Pflanzen nach Schäden am Blattapparat bei einem unverletzten Vegetationskern noch beachtlich regenerieren und so einen Ertragsausfall herabsetzen. Bei low input Systemen besteht dank der Bestockung die Möglichkeit, einen hohen Vermehrungskoeffizienten durch eine dünne Aussaat zu erreichen.
Disadvantages:  Es kann zu Zwiewuchs kommen. Zwiewuchs beschreibt das Verhalten, bei dem die Pflanze dank Bestockung in der Lage ist, in späteren Entwicklungsphasen neue Triebe anzulegen oder dass stagnierende Triebe wieder austreiben. Dieses Verhalten ist jedoch unerwünscht und tritt bei Weizen in der Regel bei sehr dünnen Beständen und später hoher Stockstoffverfügbarkeit auf. Evtl. nicht gleichmässige Entwicklung von Frühlingsweizen.

How differs formation and degradation of yield components between maize and wheat?

Weizen
Die Bestockung beim Weizen erfolgt bereits unter der Erde im sogenannten Bestockungsknoten. Neben dem Haupthalm können sich weitere Nebenhalme bilden. Die unterscheiden sich bezüglich dem Haupthalm nicht nur in einem langsameren Wachstum, sondern auch in einem niedrigeren Ertrag. Triebe erster Ordnung bringen im Schnitt rund 5-10%, Triebe zweiter Ordnung rund 10-15% weniger Ertrag als der Haupttrieb. Je dichter jedoch angesät wird, desto weniger treten solche Bestockungen auf. Das bedeutet, dass mit zunehmendem Bestandesdruck weniger Seitentriebe ausgebildet werden. Allgemein gilt, dass die Anlage von Bestockungstrieben durch die Konstellation der Wachstumfaktoren reguliert wird.
Der Haupttrieb übt gegenüber den Nebentrieben eine gewisse Apikaldominanz aus. Das beduetet, dass er gegnüber den anderen Trieben durch die Assimilatzufuhr eindeutig begünstigt ist. Die Anzahl der Bestockungstriebe wird somit durch die Gunst der Umwelt bestimmt. Hierbei sind vor allem die Lichtverhältnisse, die Wasserversorgung und die Nährstoffverfügbarkeit von Bedeutung. Verschlechtern sich die Umweltbedingungen, sei es durch die zunehmenden Konkurrenz im Bestand oder klimatische Bedingungen, werden überzählige Bestockungstriebe wieder reduziert. Unter europäischen Anbaubedingungen bewegt sich die Zahl der produktiven Bestockungstriebe in den Beständen zischen 0 und 4 (gegen 10 rein theoretisch möglich). Bereits in der Übergangsphase zum Schossen wird ein Teil der angelegten Triebe wieder zurückgebildet. Je nach Entwicklungsstand wird ein grosser Teil der in die Bestockungstriebe investierten Assimilate wieder resobiert und umgelagert. In späteren Entwicklungsphasen führt einen Reduktion des Triebes zu dessen Absterben. Allerdings bleibt die grundsätzliche Fähigkeit zur Bestockung weiterhin erhalten. Somit kann es bei günstigen Umweltbedingungen zur Neuanlage oder zum Wiederaustrieb stagnierender Triebe kommen (Zwiewuchs  unerwünscht).
Blütenanlagen: 14 Tage nach Abschluss der Ährchenanlage ist mit maximalen Blütenzahlen je Blütenstand zu rechnen. Wenige Tage nach Bildung der Grannen an den Deckspelzen der obersten Ährchen findet kein Blütenzuwachs mehr statt. Im Anschluss an diese Aufbauphase setzen Reduktionsprozesse ein, die bis zur, bzw. noch Tage nach Beginn der Blüte anhalten können. Basale Ährchen werden dabei verhältnismässig frühzeitig von einer Rückbildung betroffen, bis hin zur völligen Sterilität (es können aber auch distale Ährchen wieder starker reduziert werden). Bei Weizenarten mit mehrblütigen Ährchen werden in allen Ährenbereichen nur ein Teil der Blütenanlagen zu fertilen Blüten ausgebildet. Distale Anlagen im Ährchen sind besonders benachteiligt. Verluste an fertilen Blüten, auch von bereits befruchteten Blüten, sind auch noch nach Beginn der Blüte möglich (empfindliche Regulationsmechanismen). Solche Verluste sind oft auf ungünstige Umweltbedingungen zurückzuführen. Innerhalb der Pfanze nimmt die Empfindlichkeit gegenüber ungünstigen Umweltbedingungen mit höherer Ordung der Triebe zu. Der Haupttrieb ist auch bei schlechter Konstellation der Wachstumsfaktoren relativ ertragsstabil.
Kornanlagen: Die Karyopsenzahl pro Ähre wird noch zum Zeitpunkt der Befruchtung reguliert. Sind in der Ährenmitte die ersten Blüten befruchtet worden, kommen alle übrigen generativen Prozesse in der Ähre zum Stillstand; bis anhin nicht völlig ausgebildete Blüten entwickeln sich dann nicht mehr weiter. Selbst scheinbar fertile Blüten werden in distalen Bereichen der Ähre nicht mehr angesetzt. Eine mögliche Form der Steuerung wird in einer Auxinabgabe der ersten sich ausbildenden Karyopsen gesehen. Bei Dürresituationen wird der Kornansatz generell durch eine hohe Abscisinsäurekonzentration reduziert. Hingegen kann bei guten Umweltbedingungen (Wasser, Nährstoffe) der Kornansatz erhöht werden, indem vermehrt Cytikinine aus den Wurzeln freigegeben werden.

Mais
Bestockung: Unerwünscht bei mitteleuropäischem Zuchtmaterial aufgrund einer gleichmässigen Abreife und einer einheitlichen Produktqualität.
Kornanlagen: Im allgemeine gilt, dass beim Mais im Vergleich zum Weizen die Grösse des Kornes weniger von Anfang an festgelegt ist ujd daher vermehrt von Umweltbedingungen abhängig ist. Beim Mais wird die Anzahl der zukünftigen Körner nicht von der Blüte reguliert, sondern erst während und nach der Beffruchtung kann es zu Reduktionsprozessen am Kolben kommen. Primär betrifft dies Kornanlagen an der Spize des Kolbens, bei spähter Reduktion finden sich dann Schrumpfkörner.

Is proterandry of maize an advantage anymore?
Beim Mais liegt Protandrie vor, d.h. die männliche Blüte eilt der weiblichen voraus, um eine Fremdbefruchtung möglichst sicherzustellen. Dieses Voreilen kann bis zu 4 Tage betragen. Wie bei der Haferrispe beginnt die Blüte an der Spitze der Rispenäste.
Hiermit ist eine gewisse Dominanz der Maisrispe angezeigt, die den Kornansatz ungünstig beeinflussen kann. Bereits Ende des 19. Jahrhunderts wurden in den USA und Europa bis zu 50% der Rispen vor Anthesis entfahnt, eine Ertragserhöhung wird auch durch cytoplasmatisch männliche Sterilität bewirkt, wenn die Bestäubung trotzdem erfolgt.

Where come the assimilates for grain growth of maize and wheat come from? Is a slowing down of leaf senescence of advantage in this context?
Obwohl Versuche mit radioaktiv markiertem Kohlenstoff gezeigt haben, dass Photosyntheseprodukte innerhalb weniger Stunden vom Blatt zur Karyopse geleitet werden, ist das Kornwachstum hiervon nicht direkt abhängig. Vielmehr besteht im Blatt und im Stengel ein Pufferpotential, so dass der Sacharosegehalt (das Ausgangsmaterial für die Stärkebildung) in der Karyopse bei Tag und Nacht nahezu konstant ist. Dies spricht scheinbar für eine Sink-Begrenzung, es wurden aber auch während maximaler Wachstumsraten wechselnde Sacharosegehalte beobachtet. Die Sacharose erreicht das Korn über das Phloem und das Pedikel, die weitere Verteilung erfolgt längs der Bauchfurche. Die Photosyntheseleistung des inneren Perikarps liefert nicht nur Assimilate, sondern verbraucht gleichzeitig infolge Wachstumsatmung entstandenes CO2, liefert gleichzeitig O2.

How is the grain growth of wheat dependent on the position of the caryopsis within the ear? Should this situation be changed by breeding?
Im Vergleich zu den kleinkörnigen Getreidearten ist vor allem das Gewicht des einzelnen Kornes weniger stark fixiert, es kann erheblich durch die Umwelt variiert werden. Im Gegensatz zu den anderen Getreidearten wird jedoch die Anzahl der zukünftigen Körner nicht vor der Blüte reguliert, sondern erst während und nach der Befruchtung kann es zu Reduktionsprozessen am Kolben kommen; dies betrifft in der Regel Körner bzw. Kornanlagen an der Spitze des Kolbens, bei später Reduktion finden sich dann Schrumpfkörner. Bereits früh nach der Befruchtung kann die Reduktion solcher Körner an der Ausbildung der charakteristischen schwarzen Trennschicht (black layer) festgestellt werden. Generell sind die Karyopsen an der Spitze kleiner.

What are the comparative efficiencies of winter wheat und maize for these three climatic factors, which is the role of the photosynthetic system for this?
Die Ansprüche von Weizen und Mais stehen in Zusammenhang mit ihrer C3, resp. C4 Physiologie.  Mais als C4- Pflanze kann intensive Lichteinstrahlung besser ausnutzen, hat eine höheres Temperaturoptimum und eine effizientere Wassernutzung. Umgekehrt ist der Weizen als C3-Pflanze dem Mais bei kühlen Temperaturen überlegen. Die minimalen Temperaturen für Wachstum und Keimung liegen deutlich tiefer.
Ebenso kann der Winterweizen im Gegensatz zum Mais Temperaturen bis -20 C überleben.
Als C4-Pflanze besitzt der Mais eine sehr hohe Wassereffizienz, der Transpirationskoeffizient liegt mit zirka 300 bis 350 sehr niedrig. Die Ausnutzung intensiver Einstrahlung ist potentiell hoch bei Mais und moderat bei Weizen. Das Photosynthesesystem spielt eine kleinere Rolle bei Temperaturauswirkungen (z.B. Reis, eine C3-Pflanze, kann sehr warme Temperaturen vertragen) aber Temperatur und Wasseranspruch sind korreliert. So hat Mais ein Vorteil gegen Weizen bei hohen Temperaturen.

April 23rd, 2009
Topic: Crop Science, Product quality, Sustainable production under environmental stresses Tags: None

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