Einfluss einer erhöhten atmosphärischen CO 2 -Konzentration auf die Proteinzusammensetzung von Weizen. Herbert Wieser

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1 Einfluss einer erhöhten atmosphärischen CO 2 -Konzentration auf die Proteinzusammensetzung von Weizen Herbert Wieser Deutsche Forschungsanstalt für Lebensmittelchemie (DFA), Hans-Dieter-Belitz-Institut für Mehl- und Eiweißforschung (HDBI), Lichtenbergstr. 4, Garching Remy Manderscheid und Hans-Joachim Weigel Institut für Agrarökologie, Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft (FAL), Bundesallee 50, Braunschweig 1

2 Globaler Anstieg des CO 2 -Gehaltes der Atmosphäre ca Jahre lang lag der CO 2 -Gehalt der Atmosphäre unter diesem Wert Jahr CO 2, ppm Jahr ca (H. J. Weigel, FAL Braunschweig) 2

3 Ausgangslage Seit Beginn der Industrialisierung stieg die atmosphärische CO 2 -Konzentration um 35 % auf gegenwärtig 385 µl/l an. Bis zur Mitte dieses Jahrhunderts wird ein Wert von µl/l vorhergesagt. Folgen für landwirtschaftlich genutzte Kulturpflanzen: Anstieg der Photosyntheserate Erhöhte Biomassenproduktion Erhöhte Kohlenhydratproduktion Verbesserte Wassernutzungseffizienz Weizen: Erhöhter Kornertrag Erniedrigtes Tausendkorngewicht Erhöhter Stärkeanteil Erniedrigter Proteinanteil Schlechtere Teig- und Backeigenschaften (Blumenthal et al., 1996; Wrigley, 2006) 3

4 Fragestellung Inwieweit beeinflusst eine erhöhte atmosphärische CO 2 - Konzentration die quantitative Zusammensetzung der Mehlproteine Rohprotein (N x 5,7) Albumine/Globuline Gliadine u. Gliadintypen (ω5, ω1,2, α, γ) Glutenine u. Glutenintypen (HMW, LMW) Gluteninmakropolymer und somit die Backeigenschaften? 4

5 Vortrag von Frau Dr. P. Högy Klimawandel und CO2-Anstieg Folgen für die Getreidequalität? P. Högy, A. Fangmeier (Hohenheim) H. Wieser, P. Köhler (Garching) 58. Tagung für Getreidechemie Juni 2007, Detmold 5

6 CO 2 -Expositionssystem Kammerloses MINI-FACE (Free Air CO 2 Enrichment)-System mit 15 Plots (Ø 2m) Kontrolle: Umgebungs-CO 2 ohne technische Ausstattung Normal: Umgebungs-CO 2 mit FACE-System Erhöht: erhöhtes CO 2 mit FACE-System 6

7 Protein-Fraktionen Relative Menge [AU mg -1 TG] Normal Erhöht Werte: P CO Albumine/ Globuline Gliadine Glutenine Kleber Protein-Fraktion 7

8 FAL-Versuchsfeld 24 ha Mikromet-Ausrüstung FACE-Ringe Institut für Agrarökologie Boden Parabraunerde / lehmiger Sand; ph 6,5; C org 1,2-2,0%; BZ 48 Fruchtfolge über 6 Jahre Wintergerste 1999 / 2000 und 2002 / 2003 (Weidelgras) 2000 und 2003 Zuckerrübe 2001 und 2004 Winterweizen 2001 / 2002 und 2004 / 2005 Management nach ortsüblicher landw. Praxis (Beregnung, um Feldkapazität > 50% zu halten) 8

9 Free Air Carbon Dioxide Enrichment Vorteil: Koppelung Atmosphäre-Vegetation und Vegetation-Boden ungestört 9 Weigel

10 Experimental conditions BNL-type FACE system 10 Weigel

11 Free Air Carbondioxide Enrichment = FACE in Braunschweig 550 ppm CO ppm CO 2 11 Weigel

12 Anbau/CO 2 -Belastung Weizen: Winterweizen Batis Mehl Type 550 Anbau: November 2004 Juli 2005 Düngung: N+: betriebsüblich, N-: 50 % reduziert Umluft: FELD (Umgebungsluft mit 385 µl/l CO 2 ) BLOW (Umgebungsluft mit 385 µl/l CO 2 + Gebläse) FACE (mit 550 µl/l CO 2 angereicherte Luft + Gebläse) FACE (1) BLOW (2) FELD (5) 100 m 100 m +N -N +N -N 300 m 2 /Ring; in je 4 Plots gleiche Bedingungen (3) BLOW (4) FACE (6) FELD 12

13 Methoden (1) ROHPROTEIN Dumas-Methode (N x 5,7) PROTEINEXTRAKTION (100 mg Mehl/Teig) A) Osborne-Fraktionierung 2 x 1,0 ml NaCl (0,4 mol/l) + HKNa PO 4 (0,067 mol/l, ph 7,6) ( 20 C) (Albumine, Globuline = ALGL) 3 x 0,5 ml 60 % (v+v) Ethanol ( 20 C) (Gliadine = GLIA) 2 x 1,0 ml 50 % (v+v) 1-Propanol + Harnstoff (2 mol/l) + Tris-HCl (0,05 mol/l, ph 7,5) + DTE (1 %) (60 C, N 2 ) (Glutenine = GLUT) B) Gluteninmakropolymer 2 x 1,0 ml SDS (1 %) + HNa 2 PO4 (0,05 mol/l, ph 6,9) ( 20 C) Getrockneter Extrakt (= SDSL) und Rückstand (GMP); 2 x 1,0 ml Gluteninextraktionslösung ohne Harnstoff 13

14 Methoden (2) RP-HPLC Säule: Nucleosil C 8 (5 µm, 30 nm) 4,6 x 240 mm, 50 C Elutionsmittel: A) 0,1 % Trifluoressigsäure B) 99,9 % Acetonitril/0,1 Trifluoressigsäure Gradient (linear): 0 min 20 % B, 20 min 60 % B (ALGL) 0 min 24 % B, 50 min 56 % B (GLIA, GLUT, GMP) Probe: 150 µl ALGL, 50 µl GLIA, 100 µl GLUT; 200 µl GMP Durchfluss: 1,0 ml/min Detektion: UV-Absorption bei 210 nm Quantifizierung: Absorptionsflächen der Chromatogramme AU µg Protein Gliadin LMW-Untereinheiten HMW-Untereinheiten + Rinderserumalbumin 14

15 HPLC der Osborne-Fraktionen ALGL GLIA GLUT 15

16 HPLC der SDS-Fraktionen SDSL GMP 16

17 Wiederholbarkeit des Anbaus und der Proteinbestimmung N+/BLOW Plot N (%) GLIA (AU) GLUT (AU) a b c x V a b x V a b x V 5 1,62 1,60 1,56 1,59 1, , ,2 6 1,64 1,65 1,65 1,65 0, , ,4 15 1,61 1,62 1,60 1,61 0, , , ,50* 1,54 1,53 1, , ,7 V 2,5 0,9 6,2 1,7 5,1 2,2 * Ausreißer nach Nalimov (P = 95 %) ERGEBNIS: ENTSPRECHENDE PLOTS KÖNNEN ZUSAMMEN- GEFASST WERDEN 17

18 Vergleich FELD/BLOW (Gebläseeffekt) N + F E L D Plot Σ N (%) x ± s 1,76 ± 0,02 1,62 ± 0,01 1,54 ± 0,00 1,61 ± 0,00 1,63 ± 0,09 GLIA (AU) x ± s 888 ± ± ± ± ± 63 GLUT (AU) x ± s 428 ± ± ± ± ± 20 B L O W Σ 1,59 ± 0,03 1,65 ± 0,00 1,61 ± 0,01 1,53 ± 0,02 1,60 ± 0, ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± 23 ERGEBNIS: KEIN GEBLÄSEFFEKT 18

19 Vergleich N-/N+ (Düngungseffekt) Plot N (%) x ± s BLOW ALGL (AU) x GLIA (AU) x ± s GLUT (AU) x ± s 7 1,26 ± 0, ± ± 8 8 1,10 ± 0, ± ± 8 N- 13 1,20 ± 0, ± ± ,13 ± 0, ± ± 4 Σ 1,17 ± 0, ± ± ± ,59 ± 0, ± ± 5 6 1,65 ± 0, ± ± 6 N+ 15 1,61 ± 0, ± ± ,53 ± 0, ± ± 15 Σ 1,60 ± 0, ± ± ± 23 Δ % + 44*** + 5 ns + 55*** + 43*** ERGEBNIS: STARKER DÜNGUNGSEFFEKT (AUSNAHME: ALGL) 19

20 CO 2 -Belastung: Rohprotein und Osborne-Fraktionen N+ RP a (%) ALGL b (AU) GLIA c (AU) GLUT c (AU) KLEB c (AU) Σ c (AU) BLOW 6,70 ± 0, ± ± ± ± ± 49 FACE 6,08 ± 0, ± ± ± ± ± 21 Δ % -9,3** -3,0 ns -13,0*** -15,2*** -13,8*** -11,4*** RP a (%) ALGL b (AU) GLIA c (AU) GLUT c (AU) KLEB c (AU) Σ c (AU) BLOW 9,12 ± 0, ± ± ± ± ± 62 FACE 7,82 ± 0, ± ± ± ± ± 79 Δ % -14,3*** -4,1 ns -19,9*** -15,3*** -18,3*** -15,9*** a N- 4 x 3 Bestimmungen; b 4 x 1 Bestimmungen; c 4 x 2 Bestimmungen; *** p <0,001, ns nicht signifikant; r RP/ = 0,989 ERGEBNIS: STARKER CO 2 -EFFEKT (AUSNAHME: ALGL) 20

21 CO 2 -Belastung: Reduzierung der Proteintypen FACE BLOW = 0 % 0 N RP -+ ALGL GLIA ω5 ω1,2 α γ GLUT HMW LMW GLUTEN % ERGEBNIS: PROTEINTYPEN REAGIEREN UNTERSCHIEDLICH 21

22 CO 2 -Belastung: Gluteninmakropolymer ml 700 r = 0,867 GMP a Brotvolumen BLOW FACE N- N+ 132 ± ± ± ± Δ % -15,9%*** -18,6 %*** mg/g Mehl (Moonen et al., 1982) a AU/mg; 4 x 2 Bestimmungen *** p <0,001 22

23 Schlussfolgerung Ein Anstieg der atmosphärischen CO 2 -Konzentration bewirkt eine signifikante Reduzierung des Gesamtproteins und der Kleberproteine im Weizenkorn und damit eine Minderung der Backqualität der Mehle RP (%) BV (ml) N- N+ N++ a N+++ a 1 2 BLOW 6,70 9,12 14,00 17, b 835 b FACE 6,08 7,82 11,33 14, Δ % -9,3-14,3-19,1-21,0-17,1-12,6 a hochgerechnet; b 14 % RP Lösung (?): erhöhte N-Düngung Züchtung proteinreicher Weizensorten (RP 18 %) Vermehrter Einsatz von Backmitteln (Pomeranz 1988) 23