Impact of late nitrogen fertilization on protein and baking quality of winter wheat

Xue, Cheng

Wheat is unique for the viscoelastic properties of its dough which could be processed into bread and other food products. Protein (concentration and composition) is crucial in determining bread-making quality of wheat flour. Applying additional nitrogen (N) fertilizers at late growth stages (heading or anthesis) is practically conducted to produce high-protein wheat. However, the application of N at late stages is inconvenient to conduct and raises the total costs in wheat production. Besides, there is increasing evidence that the relationship between grain protein concentration (GPC) and baking quality is less evident for modern cultivars. Therefore, measures to increase GPC (e.g. late N fertilization) might be dispensable for these cultivars. This thesis investigated how late N fertilization influenced baking quality of wheat flour through changes in GPC and its composition, thus to give evidences on whether the application of late N fertilizers still necessary in quality wheat production. The main objectives of this study were (i) to reveal the effect of late N fertilization on the quantity and composition of wheat grain protein and baking quality, (ii) to distinguish whether this late N effect resulted from increased total N fertilization rate or from N splitting, (iii) to evaluate how N fertilizer types affect the protein and baking quality when applied as late N, (iv) to determine how cultivars belonging to different quality groups respond to late N fertilization. Based on these objectives, two pot experiments using two winter wheat cultivars were conducted. Moreover, a related field study (two years, two locations) was performed to check if results from pot experiments are applicable to wheat production. Results from the first pot experiment showed that late N fertilization improved baking quality (loaf volume) of wheat flour by increasing GPC and changing protein composition (Chapter 2). Increasing N rate mainly raised concentrations of total protein and gluten fractions as well as gliadin/glutenin ratio. However, the improvement in baking quality mainly resulted from the effect of split N application (splitting of the same N rate into three doses). By split N application, both the quantities and proportions of gliadins and glutenins as well as certain high molecular weight glutenin subunits (HMW-GS) were increased, which seemed to be decisive for baking quality of wheat flour. The late N effects were greater when applied as nitrate-N than urea and these differences seemed to result from variations in plant N uptake. The late N effects were more remarkable for the cultivar that was characterized by both, high loaf volume and GPC. However, under higher N rate and when the application of late N was postponed from late boot stage to heading in the second pot experiment, these late N effects were not found. Results from field experiments (Chapter 3) demonstrated that split N application improved baking quality of wheat flour by enhancing the proportions of gluten fractions and certain x-type HMW-GS, which confirmed our findings from the first pot experiment. However, when the fourth N dose (additional N) was applied at heading, no further influence on baking quality was observed. This result together with that from the second pot experiment suggests that the late N applied at heading stage might be too late for quality wheat production. Quantitative two-dimensional gel electrophoresis (2-DE) further revealed that split N application altered the relative abundances of certain individual proteins (Chapter 4). Therefore the functions of these unique proteins might exert great influences on baking quality of wheat flour and need further investigation. In conclusion, grain protein concentration alone is insufficient for evaluating baking quality. The proportions of gliadins and glutenins as well as x-type HMW-GS correlate better with baking quality than the total protein amount. Split N application can change the N partitioning in wheat grain, thus influences baking quality. Therefore, the practice of split N application should be maintained in quality wheat production, whereas it seems possible to remove late N application at heading or to apply it earlier without deterioration in baking quality.

Weizen ist einzigartig durch die viskoelastischen Eigenschaften seines Teiges, der zu Brot und anderen Nahrungsmitteln verarbeitet werden kann. Proteine (Konzentration und Zusammensetzung) sind von entscheidender Bedeutung für die Backqualität des Weizenmehls. Eine zusätzliche Stickstoff(N)-Düngungsgabe während später Wachstumsstadien (Ährenschieben oder Blüte) wird in der Praxis durchgeführt, um Hoch-Protein-Weizen zu produzieren. Allerdings ist die N-Gabe zu späten Wachstumsstadien nicht leicht durchzuführen und erhöht die Gesamtkosten der Weizenproduktion. Außerdem mehren sich die Hinweise, dass die Beziehung zwischen der Kornproteinkonzentration (GPC) und der Backqualität bei modernen Sorten weniger erwiesen ist. Daher könnten Maßnahmen zur Erhöhung der GPC (z. B. die N-Spätdüngung) für diese Sorten überflüssig sein. In dieser Arbeit wurde untersucht, wie die N-Spätdüngung die Backqualität von Weizenmehl durch Änderungen der GPC und deren Zusammensetzung beeinflusst, um nachzuweisen ob die Applikation einer N-Spätdüngung für die Qualitätsweizenproduktion nach wie vor erforderlich ist. Die Hauptziele dieser Arbeit waren (i) den Effekt der N-Spätdüngung auf die Quantität und die Zusammensetzung der Weizenkornproteine und auf die Backqualität aufzudecken, (ii) zu unterscheiden, ob der Effekt der N-Spätdüngung durch die erhöhte N-Düngergabe oder die Teilung der Gabe resultiert, (iii) zu bewerten, wie N-Düngerformen die Protein- und Backqualität beeinflussen, (iv) zu bestimmen, wie Sorten unterschiedlicher Qualitätsgruppen auf die N-Spätdüngung reagieren. Auf Basis dieser Ziele wurden zwei Gefäßversuche mit zwei Winterweizensorten durchgeführt. Darüber hinaus wurde eine zugehörige Feldstudie (zwei Jahre, zwei Standorte) durchgeführt, um zu überprüfen ob die Ergebnisse der Gefäßversuche auf die Weizenproduktion anwendbar sind. Die Ergebnisse des ersten Gefäßversuches zeigten, dass die N-Spätdüngung die Backqualität (Brotvolumen) des Weizenmehls durch erhöhte GPC und veränderte Proteinzusammensetzung verbesserte (Kapitel 2). Die steigende N-Menge erhöhte hauptsächlich die Proteingesamtkonzentration und die Glutenfraktionen sowie das Gliadin-/Gluteninverhältnis. Dagegen resultierte die verbesserte Backqualität hauptsächlich aus dem Effekt der N-Teilung (Aufteilung der gleichen N-Menge auf drei Düngergaben). Durch die N-Teilung wurden sowohl die Mengen als auch die Anteile der Gliadine und Glutenine als auch von bestimmten hochmolekularen Glutenin-Untereinheiten (HMW-GS) erhöht, was für die Backqualität entscheidend zu sein schien. Die Effekte der N-Spätdüngung waren größer, wenn sie als Nitrat-N statt als Harnstoff appliziert wurde, wobei diese Unterschiede offenbar durch Variation in der pflanzlichen N-Aufnahme zustandegekommen sind. Die Effekte der N-Spätdüngung waren bemerkenswerter für die Sorte, die sowohl durch ein hohes Backvolumen als auch eine hohe GPC gekennzeichnet war. Wenn allerdings wie in dem zweiten Gefäßversuch die N-Düngermenge erhöht und die späte N-Gabe statt zum Ährenschwellen zum Ährenschieben gegeben wurde, wurden diese Effekte der N-Spätdüngung nicht gefunden. Die Ergebnisse der Feldversuche (Kapitel 3) zeigten, dass die geteilte N-Applikation die Backqualität des Weizenmehls durch erhöhte Anteile der Glutenfraktionen und bestimmter HMW-GS des x-Typs verbesserte, was unsere Ergebnisse des ersten Gefäßversuchs bestätigte. Wenn allerdings eine vierte N-Gabe zusätzlich zum Ährenschieben appliziert wurde, wurde kein weiterer Effekt auf die Backqualität beobachtet. Dieses Resultat zusammen mit dem des zweiten Gefäßversuches legt nahe, dass die N-Spätdüngung zum Ährenschieben für die Qualitätsweizenproduktion zu spät kommt. Quantitative zweidimensionale Gelelektrophorese (2-DE) zeigte darüber hinaus, dass die geteilte N-Gabe die relativen Mengen bestimmter individueller Proteine veränderte (Kapitel 4). Daher könnten die Funktionen dieser besonderen Proteine großen Einfluss auf die Backqualiät von Weizenmehl ausüben und bedürfen weiterer Untersuchung. Abschließend kann gefolgert werden, dass die Kornproteinkonzentration allein unzureichend zur Beurteilung der Backqualität ist. Die Anteile der Gliadine und Glutenine sowie HMW-GS des x-Typs korrelieren besser mit der Backqualität als die Gesamtproteinmenge. Die geteilte N-Applikation kann die N-Aufteilung im Weizenkorn verändern und so die Backqualität beeinflussen. Die Praxis der geteilten N-Gabe in der Qualitätsweizenproduktion sollte daher beibehalten werden, während es möglich scheint, die N-Spätdüngung zum Ährenschieben wegzulassen oder sie zu einem früheren Stadium zu geben ohne die Backqualität zu verschlechtern.

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Xue, Cheng: Impact of late nitrogen fertilization on protein and baking quality of winter wheat. 2015.

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