Aromarelevante Inhaltsstoffe in Früchten der Erdbeere (Fragaria x ananassa Duch.) in Abhängigkeit von der Ernährung

Abstract

Erdbeeren gehören zu den beliebtesten Früchten in Europa. Da schmackhafte Früchte vom Verbraucher bevorzugt werden, ist in den letzten Jahren verstärkt an der Verbesserung der Qualität von Erdbeerfrüchten geforscht worden. Erdbeeraroma ist eine komplexe Kombination aus Zuckern, Säuren und Geruchsstoffen. Da es der Züchtung gelungen ist, einige leistungsfähige und schmackhafte Erdbeersorten hervorzubringen, ist es von besonderer Bedeutung, die genetischen Eigenschaften vorhandener Erdbeersorten durch optimale Anbautechniken und optimale Düngung zur vollen Entfaltung zu bringen. Stickstoff ist als einer der Hauptnährstoffe unentbehrlich in verschiedenen organischen Verbindungen, wie Aminosäuren, Nukleinsäuren, Proteinen, Chlorophyll sowie Verbindungen des Sekundärstoffwechsels. Stickstoff ist der einzige Pflanzennährstoff, der als Anion (NO3-) und auch als Kation (NH4+) von Pflanzen aufgenommen wird. Der pflanzliche Stoffwechsel wird von der N-Form maßgeblich beeinflusst. Die Aufnahme von NH4+ wirkt für die Pflanze physiologisch versauernd, während die Aufnahme von NO3- alkalisierend wirkt. Nitrat-N muss erst, bevor er assimiliert werden kann, in zwei Schritten zu Ammonium reduziert werden. Während dieser Reduktion kommt es zu einer verstärkten Produktion von OH- im Cytosol, was dort zu einem pH-Anstieg führen würde. Trotzdem schwankt der pH-Wert im Cytosol kaum, da er durch verschiedene Mechanismen in engen Grenzen gehalten wird, wie z. B. durch den bio-chemischen PEP/Malat-Puffer, der die negative Ladung des OH- durch Carboxylierung von Phosphoenolpyruvat über Oxalacetat zu Malat sowie anderen organischen Säuren bewirkt. Mit dem Wissen, dass es bei NO3--Ernährung zu einer Anreicherung von organischen Säuren in den Pflanzen kommt, stellte sich nun die Frage, ob sich Konzentrationen geschmacksrelevanter organischer Säuren in Erdbeerfrüchten durch NH4+- oder NO3--Ernährung beeinflussen lassen. Zur Untersuchung der Auswirkungen der verschiedenen N-Formen, wurden NH4+- und NO3--Ernährung in Wasserkultur miteinander verglichen. Es konnte gezeigt werden, dass bei NH4+-Ernährung vorwiegend der aus der Ernährung resultierende niedrige pH-Wert für die verschiedensten Symptome, wie die Veränderungen in der Wurzelmorphologie, Bildung von Spross und Fruchtmasse, Konzentrationen an Makro- und Mikronährstoffen, Zuckerkonzentrationen und auch die Konzentrationen an organischen Anionen in der gesamten Pflanze, verantwortlich war. Bei pH-Werten von 5,5 im Nährmedium und NH4+-Ernährung zeigten sich diese Unterschiede im Vergleich zur NO3--Ernährung nicht. Ausgenommen die Konzentrationen an organischen Säuren in Wurzel und Spross, die bei NO3--Ernährung signifikant erhöht waren. Ähnliche Ergebnisse konnten auch für Bodenkultur gezeigt werden. Die Hypothese, dass ein Anstieg an organischen Anionen in den vegetativen Pflanzenorganen zu einem Anstieg an organischen Anionen in den Früchten führt, konnte in den hier vorgestellten Experimenten widerlegt werden. Dies könnte darauf zurückzuführen sein, dass hauptsächlich Saccharose in die Früchte transportiert wird und nach Spaltung in Hexosen und der Glycolyse die Säuren im Tricarbonsäurezyklus der Früchte gebildet werden. Die Aktivität wird neben der Nährstoffversorgung und dem Alter der Pflanzen maßgeblich auch von umweltbedingten Faktoren wie Lichteinstrahlung und Temperatur bestimmt. Da die Erdbeerfrüchte der verschiedenen Varianten den gleichen äußeren Einflüssen ausgesetzt waren und somit die Sinkaktivität etwa gleich war, konnte es zu keinen Unterschieden der Säurekonzentrationen in den Früchten kommen. Diese Ergebnisse zeigen, dass NH4+- oder NO3--Düngung keinen Einfluss auf geschmacksrelevante Parameter in Erdbeerfrüchten haben, sofern der pH-Wert des Nährmediums nicht zu stark absinkt Strawberry is one of the most popular fruits in Europe. Since only tasteful fruits are attractive for the consumers the improvement of strawberry quality has been brought into focus over the last few years. The flavor of strawberries is a complex combination of sweetness, acidity, and odor. Therefore, the genetic potential of strawberry cultivars has to be exploited in an optimum way e.g. by choosing the right cultivation technique and nutrient supply. Nitrogen is one of the plant macronutrients being indispensable for numerous organic compounds such as amino acids, nucleic acids, proteins, chlorophyll, and secondary metabolites. Plant metabolism is differentially affected by the N-forms NH4+ or NO3-. The physiological effect of NH4+ nutrition results in acidification, while NO3- effects on plants are physiologically alkaline. Before NO3- can be assimilated, it has to be reduced to NH4+ in a biphasic process. During NO3- reduction, OH- is released causing an increased cytosolic pH. This will not occur, if the OH- is consumed during malate synthesis by the PEP/malate buffer system. Hence the negative charge of the OH- is shifted to oxaloacetate and from there to malate and other organic acids. Since organic acids are influenced by N nutrition, it was investigated if NO3- nutrition leads to an accumulation of organic acids in the root and shoot of strawberry plants and further increases the organic acid concentration in the fruits. To determine the effects of different N forms on organic anions, NH4+ and NO3- nutrition were compared in hydroponic culture. It was shown that at low pH, NH4+ compared to NO3- nutrition, had different effects on strawberry plants regarding root morphology, shoot and fruit growth, nutrient concentration of shoots, sugars and organic anions. At pH 5.5, the NH4+-fed plants did not show most of these changes except for a significantly lowered concentration of organic anions compared to NO3--fed plants. In contrast to the hypothesis that an increase of organic anions in roots and shoots leads to an accumulation in fruits, in this experiment no effect on the concentration of organic acids in the fruits was found. The same results were shown with strawberry cultivation in soil. These results indicate that organic anions were not affected by the N form under physiological conditions. It was interpreted that assimilates are mainly transported as sucrose from shoot to fruit. Here the sucrose is hydrolyzed to form hexoses, which are further transformed to organic anions during glycolysis and the citric-acid cycle. The activity of enzymes for sucrose breakdown in the fruit and the citric-acid cycle were apparently influenced by the nutrient status of the plant, the plant age, and environmental factors such as temperature, light intensity, and photoperiod. Since strawberries produced under different N treatments, were grown in the same environmental conditions the concentration of taste-relevant organic acids was not affected. The present results show that fertilization with NH4+ or NO3- does not affect the internal quality parameters of strawberry fruits as long as the pH value of the culture medium is buffered to prevent a strong decrease.