Themen für Master-Projekte

 1. Pflanzenökologie (Ch. Körner) | 2. Populationsbiologie (J. Stöcklin) 

 
Die folgende Auswahl an Themen lehnt sich an die Forschungsschwerpunkte meiner Gruppe an. Für diese Arbeiten ist sowohl die technische Infrastruktur vorhanden oder herstellbar als auch die Anbindung an grössere Themengebiete am Haus gegeben. Es sind dies Themenbeispiele, die teils schon bearbeitet wurden, teils noch offen sind.

Die Themen fallen grossteils in die Forschungsfelder:

• Ökologie von alpinen Pflanzen
• Biologie der Waldgrenze
• CO₂-Forschung
• Funktionelle Bedeutung von Biodiversität
• Sonstige Themen

Wir wissen zwar das alpiner Rasen heute nahezu CO₂-gesättigt ist (siehe Forschungsprojekte). Aber ob alpine Schuttpflanzen im N-reichen Schmelzwasser von Gletschern und Schnee-feldern das auch sind ist offen. Die gegenwär-tigen Stickstoffeinträge könnten sich mit der laufenden CO₂-Erhöhung und Erwärmung wie ein Doping auf diese Pflanzen auswirken. Im Bereich Furka-Pass wäre es möglich mit einer einfachen Vorrichtung aus CO₂-Flaschen, Schläuchen und Düsen, Arten wie Ranunculus glacialis und Geum reptans 6-8 Wochen lang am natürlichen Standort mit erhöhtem CO₂ zu behandeln und die Blattdynamik, Biomasse sowie die Blattkohlenhydratpegel zu studieren. Logistische Zusammenarbeit mit Erika Hiltbrunner. Anmerkung: technisches Geschick und 'Wetterresistenz' sind gefragt.

Das Thema berührt die Frage ob ein Zusammenhang zwischen alpiner Biodiversität und Integrität von alpinen Ökosystemen besteht. Dies soll an steilen Hängen im Gebirge (Furka Pass) mit einfachen manipulativen Experimenten herausgefunden werden. Im Jahr 2003 wurden Störflächen durch Verletzung der Rasenschwarte und Überschüttung mit Sediment eingerichtet. Der Überlebenskampf und Erfolg der so behandelten Pflanzen wäre zu studieren und die Resultate mit funktionellen Pflanzenparametern zu erklären. Zusammenmarbeit Erika Hiltbrunner und Eva Spehn. Feldarbeit im Sommer an der Station Furka, 2500 m, allenfalls Vergleichsdaten aus dem/im Kaukasus.

Es deutet vieles darauf hin, dass in kalten Lebensräumen die Synthese neuer Strukturen mehr begrenzt ist wie die Synthese von Rohstoffen für diese Strukturen. Dabei kristallisiert sich immer mehr eine allgemeine Temperaturgrenze von 6-7 °C heraus, die für alle kälteadaptierten Pflanzen gilt, einschliesslich Landwirtschaftspflanzen (z.B. Winterweizen). Der Gletscherhahnenfuss scheint da eine Ausnahme zu machen, was ihn interessant macht. Ranunculus glacialis gedeiht im Schmelzwasser von Gletschern. Wie ist das tatsächliche Temperaturregime, wie verschieden ist der Bau und das Wachstum der Wurzeln an solchen Standorten im Vergleich zu Pflanzen von drainagierten Habitaten in unmittelbarer Nähe? Arbeit an unserer Forschungsstation Furka Pass.

Unsere neue Forschungsstation am Furka Pass auf 2450 m.ü.M ermöglicht eine Reihe von zusätzlichen Projekten zu Hydrologie, Kohlenstoffverhältnissen und Biodiversität von alpinen Pflanzen. Mehr Informationen zur Forschungsstation auf ALPFOR.

Die niedrige Temperatur dürfte nach heutigem Wissensstand direkt die Gewebebildung hemmen. Um dies zu testen, bieten sich manipulative Experimente an, in denen die Kambialregion entweder künstlich erwärmt oder gekühlt wird. Solche in situ-Experimente erfordern eine gewisse Logistik und brauchen daher etwas Planungszeit. Die Arbeiten würden in den Frühjahrsmonaten (April-Juni) an einer Station in der Nähe der Waldgrenze durchgeführt

Es stellt sich die Frage, ob bei sehr niedrigen Temperaturen allenfalls die Fähigkeit der Pflanzen, angebotene Mineralstoffe im Boden zu nutzen, zu einer Limitierung werden kann. Dazu sollten kälteadaptierte Pflanzen wie Poa alpina, Taraxacum alpinum, Arabis alpina, allenfalls auch kälteadaptierte Arabidopsis-Genotypen sowie Kälteprovenienzen von Pinus und Picea zusammen aufgezogen werden und zwar einmal bei 5 °C und einmal bei 15 °C konstanter Temperatur. Die Frage wäre, ob bei einer niedrigen Wachstumstemperatur die Stickstoffkonzentration in den entstehenden Geweben geringer ist und damit auf ein Ernährungsproblem hinweisen würde. Allenfalls könnte man diese Frage mit einer CO₂-Behandlung kombinieren und die Frage stellen, ob das Wachstum bei tiefen Temperaturen mit CO₂ bei ausreichender Nährstoffversorgung überhaupt förderbar ist. Ein solcher Hinweis ist bis jetzt nur indirekt durch unser Furkaexperiment gegeben, ein sauberer experimenteller Nachweis, ob es bei niedrigen Grenztemperaturen im Gegensatz zu höheren Temperaturen überhaupt einen CO₂-Effekt gibt, fehlt. Wichtig wäre dabei, zwischen relativen und absoluten Wachstumseffekten zu unterscheiden.
Das Versuchsdesign wäre: (N x T)... x CO₂

Während sich weltweit viele Leute fragen, was in einer CO₂-reichen Welt mit Pflanzen sein wird, ist es eine überaus spannende Alternative danach zu fragen, mit wie wenig Pflanzen leben können und was da im Stoffwechsel passiert. Vor gar nicht so langer Zeit, genauer, zum Ende der letzten Eiszeit, erreichte der CO₂-Pegel in der Atmosphäre ein Minimum von 180 ppm gegenüber heute 385 ppm. In einem Gradienten von sehr niedrigen zu sehr hohen CO₂-Konzentrationen sollte in unseren 7 Versuchskammern ein Reihenversuch mit vielen Pflanzenarten grundsätzliche Muster der CO₂-Reaktion von Pflanzen offen legen. Das Experiment kann zu jeder Jahreszeit durchgeführt werden.

Unter diesem Schlagwort wird seit vielen Jahren versucht der Vielfalt an Pflanzenarten über eine funktionelle Gruppierung bei zu kommen. Aendern sich Merkmale von Pflanzen in charakteristischer Weise entlang von Klimagradienten? Bislang wurden solche Studien meist an Bäumen durchgeführt ohne dass dabei mikroklimatische Einflüsse von grosser Bedeutung waren. Ein wichter Aspekt bei solchen Studien ist die Frage des 'genetic bias' gegenüber der Frage der genetischen Ähnlichkeit. Zwei Pflanzengattungen zeichnen sich in der Schweiz als Meister aller Lebenslagen aus. Die Gattung Saxifraga und die Gattung Carex. An diesen beiden genetisch sehr verschiedenen Gattungen mit unzähligen Arten innerhalb der Gattung liesse sich eine wertvolle Dokumentation zur Variabilität funktionell wichtiger Merkmale wie Grösse, Blattgestalt, specific leaf area, Stickstoffgehalt, ¹³C Isotopten-Signatur erarbeiten. 'Across genera' liessen sich so funktionelle Beziehungen zwischen Umwelt und Pflanze statistisch herausdestillieren. Beide Gattungen erreichen mit ihren Arten die höchsten Berggipfel, die tiefsten Schluchten und die heissesten Trockenhänge. Das Themenfeld wird auch oft mit 'comparative ecology' umschrieben. Die Arbeit würde etwas Reisetätigkeit in der Schweiz erfordern/erlauben und setzt Interesse an Artenkenntnis voraus.

Es ist heute anerkannt, dass pflanzliche Vielfalt neben der ethischen und aestetischen auch eine funktionelle Bedeutung hat, mit der sich die wissenschaftliche Ökologie seit über 10 Jahren intensiv experimentell auseinandersetzt. In zahlreichen Experimenten konnte gezeigt werden, dass ein Verlust von Arten Einbussen in der Funktionalität (z.B. Produktivität) bringen kann. Auffällig ist bei den Resultaten, dass die grössten positiven Effekte der Artenvielfalt zwischen 1 und 4 Arten-Gemischen auftreten und bei höheren Artenzahlen immer kleiner werden, mit dem grössten Sprung von 1 auf 2. Dabei stellt sich die Frage wie 'natürlich' sind derart artenarme oder gar Einart-Referenzbestände? Es kann sein, dass das Gedeihen in Isolation als Individuum oder in Monokultur eine höchst ungewöhnliche, stressreiche Situation ist, für die die üblichen Wiesenpflanzen nie selektioniert wurden. Damit wäre der auf Grund solcher Tests ermittelte Mehrwert der Biodiversität im Grunde ein Spiegel des Minderwertes der Mono- und Bi-Kulturen, der stressphysiologische und Evolutionsbiologische Wurzeln hat und nicht notwendigerweise etwas mit dem klassischen Nischenkonzept zu tun hat. Dies soll in einem Feldversuch studiert werden. Ideal wären zwei gekoppelte Diplom/Master-Projekte in der Umgebung von Basel. Eine frühzeitige Anmeldung wäre wichtig, da die Versuchsfläche im Herbst eingerichtet werden muss, auch wenn das Schwergewicht der Arbeit im darauffolgenden Sommer liegt. In Zusammenarbeit mit Eva Spehn und Jürg Stöcklin.

Die Kronen grosser Bäume üblappen selten, was für sich schon rätselhaft ist. Zudem verletzten sie sich gegenseitig (und selbst) bei Sturm an den Rändern. Das ganze Thema der Raumdominanz in einem komplexen Kronenraum wurde noch nie aus dieser mechanischen Perspektive betrachtet. Der Swiss Canopy Crane ermöglicht es solche Phänomene in situ zu studieren, Verletzungen zu quantifizieren und die Reaktionen der Bäume zu studieren. Auch die Richtung und Intensität des Lateralwachstums dürfte von Nachbarn beeinflusst werden. Wie, das könnte man an Ästen in unterschiedlicher Konkurrenzsituation studieren. Baumkronen werden dabei als Populationen von Modulen (Teilästen) betrachtet. Das Projekt soll nicht die klassischen Lichtkonkurrenzfragen einbeziehen (Beschattung), sondern hat Konkurrenz in voller Sonne zum Gegenstand. Die Messung von R/FR ratios (Rotlichtverschiebung) soll jedoch einbezogen werden. Freilandarbeit im Sommer am Forschungskran in Hofstetten.

Die häufigste Liane im Land ist der immergrüne Efeu. Er lebt in zwei Lebensphasen in fast allen unseren Wäldern: als Bodendecker und als Kletterer. Mildes Klima begünstigt Efeu. Früher wurde Efeu häufiger als heute von extremem Frost dezimiert und die Waldpflege verhinderte Dominanz. In den letzten Jahrzehnten scheint der Wegfall von beidem zu einer Efeuexplosion zu führen. Ist es tatsächlich so? Gibt es Standortsunterschiede? Es sieht nicht so aus, dass Efeu über die Baumkronen wächst. Warum, ist eigentlich ein Rätsel. In den Tropen ist das das Ziel fast aller Lianen. Diese Arbeit würde mit Schwerpunkt NW-Schweiz eine Art 'Rasterfahndung' beinhalten, einen Katalog von Umweltbedingungen und Wirtsbäumen miterfassen und versuchen ein quantitatives Bild zur Efeuabundanz zu gewinnen. Zur Datenerhebung gehören Zahlen zum Basisdurchmesser der Efeustämme und der Zahl der Triebe die pro Baum hochwachsen. In Kontakt mit den Forstdiensten wäre es ideal Standorte zu finden an denen Efeu garantiert nicht geschnitten wurde. Wichtige Referenzparameter zur Morphologie des Efeu können am Swiss Canopy Crane erhoben werden. Die Studie würde logischerweise mit Voruntersuchungen von dort starten.

Stickstoff ist nach Kohlenstoff das wichtigste Leit-Element aller Organismen und die Bestimmung der Konzentration an Stickstoff in Pflanzengewebe gehört zu den häufigsten chemischen Analysen, weil man damit letztlich Hinweis auf die Proteinausstattung eines Gewebes erhält. Man weiss zwar, dass bei krautigen Pflanzen etwa die Hälfte der Blattproteine im Dienste der Photosynthese steht, aber es ist nicht klar wo der Rest ist, und wie sich die Stickstoffverteilung zwischen Zellmetabolismus (Proptoplast) und Zellwand (Apoplast) darstellt. Es ist erstaunlich, dass diese wesentliche Frage des Stickstoffhaushaltes kaum untersucht wurde. Sind es doch hauptsächlich die Zellwandproteine, die beim Laubfall der Pflanze 'verloren' gehen und somit die Qualität der Blattstreu stark von der Zellwand bestimmt wird. In einem breit angelegten Vergleich sollten Blätter von Pflanzenarten mit stark unterschiedlichem Blattbau auf die Protoplast-Apoplast Verteilung von N untersucht werden. Im Zentrum der Arbeit stünde ein breites screening von Blattfraktionen im CHN-Analyser. Das Material kann aus x-beliebigen Lebensräumen von Pflanzen stammen. Die Arbeit kann sogar im Winter begonnen werden, wenn Material aus den Gewächshäusern des Botanischen Gartens einbezogen wird. Auch ein Vergleich Alpen-Tiefland oder Tropen-Temperate Zone wäre spannend.

Eine interdisziplinäre Zusammenarbeit mit dem Mikroskopiezentrum am Biozentrum

Mehrere Pflanzengattungen haben im Laufe der Evolution aus Blütenorganen Fallgruben, sog. Kesselfallen, entwickelt, um Insekten zum Zweck der Bestäubung oder Ernährung zu fangen. Bei Venus-Schuh Orchideen hat bereits Charles Darwin den generellen Bestäubungs-Mechanismus und damit auch das Abstürzen der Bestäuber in die Lippe (‚Schuh’) der Blüten beschrieben. Die Ursache für das Abgleiten der Bestäuber an den Blüten der Gattungen Cypripedium und Paphiopedilum ist bis heute nicht aufgeklärt worden. Das nach dem Absturz gefangene Insekt (Figur: Schwebefliege im Schuh von Cypripedium reginae) kann den Schuh nicht mehr über die Eintrittsöffnung verlassen, da vermutete Gleitzonen diesen Weg verhindern. Es ist zu erwarten, dass die Bestimmung der Mikro- und Nanostrukturen im Bereich der Gleitzonen der Lippen zu einer Klärung des Fangmechanismus dieser Gattungen führt. Im Rahmen der angebotenen Masterarbeit werden an charakteristischen Vertretern der Gattungen Cypripedium und Paphiopedilum die folgenden Studien vorgeschlagen:
- Mikromorphologische Untersuchung, Beschreibung und Dokumentation der verschiedenen Blütenregionen durch Verwendung des digitalen Stereomikroskops in der Abteilung Pflanzenphysiologie; Arbeitsplatz in der Abteilung Ökologie.
- Nanomorphologische Studien an ausgewählten Blütenregionen unter Anwendung der Tieftemperatur-Scanning-Elektronen Mikroskopie am Zentrum für Mikroskopie der UNI Basel. Durch das Einfrieren der Proben im Zeitbereich von Millisekunden gelingt es präparationsabhängige Veränderungen der Proben zu vermeiden. Es erfolgt eine ausführliche Einführung in diese spezielle Mikroskopietechnik, so dass eigene Untersuchungen durchgeführt werden können.
Ch. Körner, Botanisches Institut der Universität Basel (Ch.Koerner@unibas.ch) M. Dürrenberger, Zentrum für Mikroskopie der UNI Basel (markus.duerrenberger@unibas.ch) E. Grell, Max-Planck-Institut für Biophysik, Frankfurt und Schweizerische Orchideen Stiftung am Herbarium Jany Renz, Botanisches Institut der UNI Basel
(Zusatzinformationen: ernst.grell@mpibp-frankfurt.mpg.de)

 1. Pflanzenökologie (Ch. Körner) | 2. Populationsbiologie (J. Stöcklin) 

Die meisten der unten aufgeführten Master-Projekte stehen im Rahmen von Forschungsprojekten zur Populationsökologie und Reproduktionsbiologie meiner Arbeitsgruppe. Das bedeutet, dass die Masterarbeiten laufende Dissertations-Projekte ergänzen, erweitern und auf bestehendem Wissen aufbauen. Interessenten für eine der unten aufgeführten Arbeiten können sich bei Jürg Stöcklin (061 267 35 01) melden.

• Die generelle Thematik: Wie wirkt sich die natürliche Fragmentierung alpiner Landschaften und die daraus folgende Isolation von Populationen alpiner Pflanzen auf die Dynamik, genetische Strukturierung und Reproduktion aus.
• Verwendete Methoden: Wir kombinieren Felduntersuchungen, Experimente unter kontrollierten Bedingungen, molekulare Untersuchungen und Modellierung der Populationsdynamik.

Über die alpenweite genetische Struktur der Straussglockenblume (C. thyrsoides) wissen wir auf Grund durchgeführter molekularer Analysen gut Bescheid. Hingegen ist über das Ausmass von Genfluss innerhalb einer lokalen Population kaum etwas bekannt (solche Untersuchungen existieren bisher v.a. für Baumarten). In diesem Masterprojekt geht es darum, in einer kleinen Population mit c. 25 blühenden Individuen auf der Schyniggen Platte mit Hilfe von molekularen Markern eine Vaterschaftsanalyse durchzuführen, d.h. die Väter der Nachkommen und ihre Entfernung von den Mutterpflanzen zu analysieren. Die Arbeit im molekularen Labor wird ergänzt durch Arbeiten im Feld. Dieses Masterprojekt wird in enger Zusammenarbeit mit einem Doktoranden (Niek Scheepens) im Rahmen eines Nationalfondprojekts durchgeführt.

Populationen alpiner Arten sind häufig räumlich isoliert. Es ist zu erwarten, dass bei alpinen Pionierarten eine Selektion für Selbstbestäubung stattgefunden hat, die sicherstellt, dass auch nach der Kolonisierung durch einzelne Individuen die Reproduktion garantiert ist. Wir untersuchen bei mehreren alpinen Pionierarten die Variabilität und das Ausmass von Selbstbestäubung und Inzucht-Depression mittels Feldexperimenten und durch den Einsatz von molekularen Markern. Im Rahmen einer Masterarbeit soll die Variablität des Reproduktionssystems von hinsichtlich Selbstbestäubung, Inzuchtdepression und Hybrid-Vigour (was geschieht, wenn Individuen aus verschiedenen Populationen gekreuzt werden) untersucht werden. Epilobium fleischeri ist eine der häufigsten (und schönsten) Pionierpflanzen des Alpenraums. Untersucht würden die Unterschiede bei Populationen aus frühen und späten Sukzessionsstadien. Die Arbeit schliesst Experimente im Feld und im Gewächshaus mit ein.

In meiner Arbeitsgruppe untersuchen eine Doktorandin und ein Doktorand die Populationsdynamik, die Variabilität im Reproduktionssystem, und die genetische Strukturierung der monokarpen Campanula thyrsoides. Ein auffälliges Merkmal dieser Art sind ihre blassgelben Blüten. Campanula thyrsoides ist nahverwandt mit der blaublütigen Campanula spicata, die morphologisch ähnlich und ebenfalls monokarp ist. Im Rahmen einer Masterarbeit soll die Reproduktionsbiologie von Campanula spicata (Bestäuber, Samenansatz, Reproduktionssystem) untersucht und mit Campanula thyrsoides verglichen werden.

Herbivorie, d.h. das Gefressenwerden von Pflanzen durch Tiere ist ein weitverbreitetes Phänomen. Samen sind in der Regel besonders reich an Eiweissen, Stärke und andern Nährstoffen und ein bevorzugtes Futterobjekt für Tiere. Es ist bekannt, dass die Predation (Frass) von Samen bevor diese ausgebreitet werden können, die Fitness von Pflanzen massgeblich beeinträchtigen kann. In der Regel werden Samen von Insekten gefressen, die oft eine grosse Wirtsspezifizität haben. Bisher existieren erst wenige Arbeiten welche das Ausmass von Samenpredation bei Pflanzen systematisch untersuchen. Bei Alpenpflanzen gibt es bisher keine systematische Untersuchung. In diesem Masterprojekt geht es darum, sich in einer lokalen Flora auf der Furka, einen systematischen Überblick über das Ausmass von Samenpredation zu verschaffen. Diese Arbeit ist besonders geeignet für jemanden mit Interesse an Pflanzen-Tier Interaktionen.

Campanula rotundifolia kommt in Nordeuropa, in den Alpen und im submediterranen Raum vor. In diesem Projekt geht es darum, zu untersuchen, inwiefern bei dieser Art genetische Variabilität in wichtigen für die Fitness relevanten Merkmalen vorkommt und wenn ja, ob diese Variabilität durch klimatische Unterschiede bedingt ist. Im Rahmen der Masterarbeit soll ein Experiment im “common garden” durchgeführt werden, das erlaubt, das Ausmass der genetischen Variabilität zu messen. Parallel zur experimentellen Arbeit werden auch genetische Analysen im Labor durchgeführt.

 1. Pflanzenökologie (Ch. Körner) | 2. Populationsbiologie (J. Stöcklin)