Storage protein quality, metabolite composition, and baking quality of winter wheat as affected by late sulfur fertilization

Steinfurth, Dorothee

Baking quality of wheat is influenced by gluten proteins that are predominantly determined by the genetic background of the wheat cultivars. However, their quantity and quality can be changed by N and S fertilization. Late N fertilization is already known to enhance protein concentration in mature wheat grain and therefore benefits baking quality. Sulfur fertilization at sowing increases S rich storage proteins such as γ-gliadins and low molecular weight (LMW)-glutenin subunits and further influence baking quality, since disulfid-bridges in storage proteins are primarily important for an adequate starch-gluten-network. The objective of this thesis was to determine whether a late S fertilization concomitantly with a late N fertilization further benefits storage protein composition resulting in changed baking quality parameters. Pot experiments with two winter wheat cultivars, Batis and Türkis, differing in baking quality but not in protein concentration in wheat grain, were conducted. Increasing S fertilization levels with 0 g S, 0.1 g S, 0.2 g S at sowing and one late S fertilization level with 0.1 g S at sowing + 0.1 g S at ear emergence was applied. When applying a late S fertilization, sulfate is predominantly transported to the flag leaf and assimilated to glutathione, instead of direct transport to the developing ear. In mature wheat grain a late S fertilization does not change protein or S concentrations but storage protein composition and thus protein quality. Changes in protein composition were found in both, mature and milk ripe grain. As a result late S fertilization influenced protein composition as well in early stages of development. By proteome analysis it was possible to identify starch-granule bound starch synthase (GBSS I) and high molecular weight (HMW)-glutenin subunits such as 1Dx7 and 1Dy9 to be synthesized in higher amounts after a late S fertilization than compared to high S fertilization at sowing (0.2 g S) in mature wheat grain. These results were shown for both cultivars, Batis and Türkis. The combination of HMW glutenin subunits 1Dx7+1Dy9 is known to be beneficial for baking quality. Due to limited material resulting from pot experiments a standardized micro-scale baking test with wholemeal flour instead of fine flour was conducted for the first time. A late S fertilization increased loaf volume in both cultivars in one year but not in a second year of experiments. However, late S fertilization was never shown to influence protein composition and baking quality in a negative way and so far functions as an alternative to S fertilization at sowing. Thus, late S fertilization is a fertilization technique that prevents S deficiency in late stages of wheat growth and further enables equal amounts of S and protein compared to an S application only at sowing with an increased protein quality.

Die Backqualität von Weizen wird zu einem erheblichen Anteil durch eine N- und S-Düngung bestimmt. Unabhängig von der genetischen Prädisposition einzelner Sorten kann eine N- und S-Düngung die Speicherproteinkonzentration und -qualität positiv beeinflussen. Eine N-Spätdüngung zum Ährenschieben erhöht beispielsweise die Proteinkonzentration im Korn und damit die Backqualität von Weizen. Es ist bereits bekannt, dass eine S-Düngung zur Aussaat den Anteil S-haltiger Speicherproteine wie γ-Gliadine und Low Molecular Weight (LMW)-Glutenine im reifen Weizenkorn erhöht. Somit werden Disulfidbrückenbindungen zwischen den Speicherpoteinen ausgebildet, welche ein für Backprozesse adäquates Gluten-Stärke-Netzwerk ermöglichen. Das Ziel dieser Arbeit war es, aufzuklären, ob es möglich ist mit einer S-Spätdüngung, die gleichzeitig mit einer N-Spätdüngung gegeben wird, die Speicherprotein-zusammensetzung und damit die Backqualität zusätzlich positiv zu beeinflussen. Hierzu wurden Gefäßversuche mit zwei Winterweizensorten, Batis und Türkis angesetzt, welche sich in ihrer Backqualität, nämlich dem Gebäckvolumen, aber nicht in der Quantität der Proteine im Korn unterscheiden. Die beiden Sorten wurden mit unterschiedlichen S-Düngungsstufen gedüngt: 0 g S; 0,1 g S und 0,2 g S zur Aussaat und einer S-Spätdüngungsvariante mit 0,1 g S zur Aussaat und 0.1 g S zum Ährenschieben. In Bezug auf die Verteilung von S-haltigen Komponenten in verschiedenen Weizenorganen konnte in dieser Arbeit festgestellt werden, dass Sulfat nach einer S Spätdüngung zunächst in das Fahnenblatt aufgenommen und zu Glutathion assimiliert wird, statt direkt in die Ähre verlagert zu werden. Im Korn bewirkte eine S Spätdüngung im Vergleich zu einer S-Düngung zur Aussaat zwar keine Änderung der Protein- und S-Konzentration, jedoch war die Proteinzusammensetzung verändert. Diese Veränderung war sowohl im reifen Korn, als auch in frühen Entwicklungsstadien, nämlich während der Milchreife nachzuweisen. Mit Hilfe der Proteomanalyse wurde zum Zeitpunkt der Vollreife die Stärkesynthase und die High Molecular Weight (HMW)-Gluteninuntereinheiten 1Dx7 und 1Dy9 als verstärkt synthetisierte Proteine identifiziert. Aus der Literatur ist bekannt, dass eben diese HMW-Untereinheiten die Backqualität positiv beeinflussen. Aufgrund der geringen Mehlausbeute aus Gefäßversuchen, wurde der Mikrobackversuch erstmalig standardisiert auf die Verwendung von Vollkornmehl angepasst. Durch eine S-Spätdüngung war das Gebäckvolumen in beiden Sorten in einem von zwei Versuchsjahren erhöht. Zusätzlich wurde gezeigt, dass eine S-Spätdüngung die Proteinkonzentration und zusammensetzung nicht negativ beeinflusst, sondern gleich hohe Protein- und S Konzentrationen wie eine alleinige Düngung zur Aussaat gewährleistet. Eine S-Spätdüngung kann somit auch noch in späten Entwicklungsstadien der Pflanze einem S Mangel vorbeugen und diesen sogar kompensieren.

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Steinfurth, Dorothee: Storage protein quality, metabolite composition, and baking quality of winter wheat as affected by late sulfur fertilization. 2010.

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