Aus dem Institut für Sonderkulturen und Ertragsphysiologie
Universität Hohenheim
Fachgebiet: Wachstumsregulatoren
Fruchtfl...
Danksagung
Herrn Prof. Dr. F. Bangerth sage ich meinen herzlichsten Dank für die Überlassung des
Themas. Rat und Anregunge...
Inhaltsverzeichnis I
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Inhaltsverzeichnis...................................................................
Inhaltsverzeichnis II
3.2 Versuchsmaterial...................................................................................
Inhaltsverzeichnis III
4.1.2 Einfluss von Bor- und Calcium-Applikationen auf den Mineralstoff-
gehalt bei ‚Conference’ Bir...
Inhaltsverzeichnis IV
4.2.6 Einfluss von Bor-Behandlungen, Erntetermin und Lagerbedingungen
auf den Gehalt an Malondialdeh...
Inhaltsverzeichnis V
5.1.3.3. Mineralstoffgehalte in Blättern und Früchten im Verlauf des Fruchtwachstums
und bei der Ernt...
Abkürzungsverzeichnis VI
Abkürzungsverzeichnis
1-MCP 1-Methylcyclopropene
1
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ACC 1-Aminocyclopropan...
Abkürzungsverzeichnis VII
PPO Polyphenoloxidase
PPP Pentose-Phosphat-Zyklus
PVPP Polyvinylpolypyrolidon
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Alkoxyl
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Einleitung und Problemstellung 1
1 Einleitung und Problemstellung
1.1 Einleitung
Die Qualität von Obst wird aus Sicht des ...
Einleitung und Problemstellung 2
Neben unsachgemäßer Bewirtschaftung und einem falschen Erntetermin können vor allem
falsc...
Einleitung und Problemstellung 3
Die Ursachen sind möglicherweise in einem Ungleichgewicht im Energiestoffwechsel
und/oder...
Einleitung und Problemstellung 4
Eine andere Hypothese zieht eine vorzeitige Erschöpfung des fruchteigenen antioxidativen
...
Einleitung und Problemstellung 5
Blattspritzungen mit Bor bzw. Calcium, Variation des Pflücktermins, verzögerte Einstellun...
Literaturübersicht 6
2 Literaturübersicht
2.1 CA-Lagerung von Apfel und Birne
2.1.1 Lagerung als Maßnahme zur Qualitätserh...
Literaturübersicht 7
Das Weichwerden und die Bildung von löslichen Polyuroniden war bei Äpfeln, in 2.5-4.0 %
O2 gelagert, ...
Literaturübersicht 8
2.1.2 Lagerung und das Auftreten physiologischer Erkrankungen
Neben den positiven Auswirkungen von CA...
Literaturübersicht 9
‚Holsteiner Cox’ und ‚Boskoop’ bestätigt wurde. Häufig tritt die Kernhausbräune auch als
Überlagerung...
Literaturübersicht 10
2.2 Einfluss von Vorernte-Bedingungen auf die Qualität und Haltbarkeit
Qualitäts- und Haltbarkeitsun...
Literaturübersicht 11
2.2.3 Fruchtreife und Erntetermin
Aus der vereinfachten Sicht eines Konsumenten ist die Fruchtreife ...
Literaturübersicht 12
2.2.4 Mineralstoffversorgung
Der Einfluss der Versorgung von Obstbäumen mit Mineralstoffen wurde vie...
Literaturübersicht 13
Die stabilere Membranstruktur bei gut mit Ca versorgten Zellen bedingt eine bessere
Kompartimentieru...
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nachgewiesen werden konnte (Faust und Shear, 1968; Dixon et. al., 1973). Allerdings sind
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mit Kationen z.B. Ca2+
möglich werden (Loomis und Durst, 1991). Calcium und Bor haben
gewisse ähnlic...
Literaturübersicht 16
verursacht primär Veränderungen in diesem Bereich und kann nachfolgend zu einer Reihe
von Sekundärwi...
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2.3.2.1 Atmung und ’Energiezustand’ der Früchte
Die Atmung liefert die für die Aufrechterhaltung bio...
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Bedingungen) im Gärungsstoffwechsel durch das Enzym Pyruvat-Decarboxylase zu
Acetaldehyd decarboxyli...
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zu Ethylen aber O2-abhängig ist, führt dies zur Anreicherung von ACC im Gewebe (Yang,
1985).
Die gru...
Literaturübersicht 20
Transport von Zellwandmaterial und Enzymen durch die Plasmamembranen entscheidend für
den Auf- und A...
Literaturübersicht 21
Der Abbau von Lipiden ist eine natürliche Folge des Zellstoffwechsels (Winston, 1990;
Schaich, 1992)...
Literaturübersicht 22
Lipidperoxidation eine von vielen Reaktionen, die durch reaktive Sauerstoffspezies (‚freie
Radikale’...
Literaturübersicht 23
Eine weitere wichtige Möglichkeit des oxidativen Abbaus von mehrfach ungesättigten
Fettsäuren ist di...
Literaturübersicht 24
Hydroperoxyl (HOO.
), Peroxyl (ROO.
) und Alkoxyl (RO.
) Radikale und Lipidhydroperoxide
(ROOH).
Die...
Literaturübersicht 25
Peroxidasen ermöglichen die Oxidation von Substraten durch Wasserstoffperoxid, wobei im
Gegensatz zu...
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Der Ascorbat-Glutathion-Zyklus (Abbildung 6) ist ein Kreislauf in dem Ascorbinsäure und
Glutathion z...
Literaturübersicht 27
unter der Mitwirkung von Dehydro-Ascorbinsäure-Reduktase (Loewus, 1988). Nach Foyer
und Halliwell (1...
Material und Methoden 28
3 Material und Methoden
3.1 Überblick über die durchgeführten Versuche
Die verschiedenen Versuche...
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3.2 Versuchsmaterial
3.2.1 Auswahl der Sorten und Bäume
Für die Lagerversuche und zur Untersuchun...
Material und Methoden 30
bestand aus den gleichen Mengen an B und Ca wie die Einzelpräparate. Die Ausbringmenge
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Dissertation Haibo XUAN 2003

  1. 1. Aus dem Institut für Sonderkulturen und Ertragsphysiologie Universität Hohenheim Fachgebiet: Wachstumsregulatoren Fruchtfleischverbräunungen bei ‚Conference’ Birne und ‚Braeburn’ Apfel - Einfluss von Vor- und Nacherntemaßnahmen auf Merkmale der Nachernte-Fruchtphysiologie und des Stress-Abwehrsystems unter besonderer Berücksichtigung der Wirkung von Bor Dissertation Zur Erlangen des Grades eines Doktors der Agrarwissenschaften der Fakultät Agrarwissenschaften (Dr. sc. agr.) von M. sc. agr. Haibo Xuan Aus Xingjiang, V.R. China, 2003
  2. 2. Danksagung Herrn Prof. Dr. F. Bangerth sage ich meinen herzlichsten Dank für die Überlassung des Themas. Rat und Anregungen meines Lehrers haben mich stets begleitet und bei der Durchführung der Arbeit gefördert. Mein besonderer Dank gilt Herrn Dr. J. Streif. Er hat mich in wissenschaftliches Arbeiten eingeführt und mit den Techniken zur Durchführung der Untersuchungen vertraut gemacht. Unermüdlich stand er mir mit viel Geduld zur Seite und steuerte aus seinem reichen Erfahrungssatz viele Anregungen bei. Ich bedanke mich herzlich bei: - Herrn Prof. Dr. V. Römheld, Herrn Prof. Dr. I. Cakmak, Frau Dr. H. Pfeffer und Herrn Dr. F. Dannel für Vorschläge und die Unterstützung bei den Bor-Bestimmungen - Frau Dipl. Ing. Agr. A. Bianchi sowie den technischen Assistentinnen Frau R. Slodczyk, Frau S. Sonnentag und Frau R. Wirsing für ihre Mithilfe bei zahlreichen Probenahmen und Bestimmung der Mineralstoffe - dem ehemaligen Doktoranden-Kollegen und heutigen Dr. A. A. Saquet für die Hilfe zur Bestimmung von ATP und ADP - Herrn Dipl. Ing. Agr. E. Hubschneider für die Durchführung der 10B-Bestimmung - allen Mitarbeitern und Mitdoktoranden des Instituts für Obstbau und insbesondere den Mitarbeitern der Versuchsstation Bavendorf für die freundliche Unterstützung bei der Durchführung der Versuche im Freiland Ich bedanke mich für die finanzielle Unterstützung aus Mitteln des EU-Projekt, FAIR III CT 96-1803 und des DFG-Projekt STR 257/3-1, womit die Durchführung und die Anfertigung dieser Arbeit sowie mein Aufenthalt in Deutschland ermöglicht wurde.
  3. 3. Inhaltsverzeichnis I Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis.....................................................................................................I-V Abkürzungsverzeichnis.............................................................................................VI 1 Einleitung und Problemstellung...........................................................................1-5 1.1 Einleitung.....................................................................................................................1 1.2 Problemstellung...........................................................................................................4 2 Literaturübersicht...............................................................................................6-27 2.1 CA-Lagerung von Apfel und Birne.............................................................................6 2.1.1 Lagerung als Maßnahme zur Qualitätserhaltung.........................................................6 2.1.2 Lagerung und das Auftreten physiologischer Erkrankungen .....................................8 2.1.2.1 Kernhausbräune ..........................................................................................................8 2.1.2.2 Innere Fleischverbräunung und Bildung von Kavernen .............................................9 2.2 Einfluss von Vorernte-Bedingungen auf die Qualität und Haltbarkeit .....................10 2.2.1 Verbräunungsempfindlichkeit verschiedener Sorten.................................................10 2.2.2 Standort- und Klimabedingungen..............................................................................10 2.2.3 Fruchtreife und Erntetermin.......................................................................................11 2.2.4 Mineralstoffversorgung ............................................................................................12 2.2.4.1 Calcium und Fruchtgesundheit..................................................................................12 2.2.4.2 Bor und Fruchtgesundheit.........................................................................................13 2.3 Einfluss von Lager-Bedingungen auf die Qualität und Haltbarkeit .........................16 2.3.1 Lagertemperatur .......................................................................................................16 2.3.2 CO2 und O2 in der Lageratmosphäre.........................................................................16 2.3.2.1 Atmung und ‚Energiezustand’ der Früchte...............................................................17 2.3.2.2 Ethylenbildung und Ethylenwirkung ........................................................................18 2.3.2.3 Fruchtreife und Membranveränderungen..................................................................19 2.3.2.4 Lipide und Fettsäuren und deren Abbau...................................................................20 2.4 Das fruchteigene zelluläre Abwehrsystem................................................................23 2.4.1 Enzymatische Stressabwehr......................................................................................24 2.4.2 Nichtenzymatische Stressabwehr..............................................................................25 3 Material und Methoden....................................................................................28-48 3.1 Überblick über die durchgeführten Versuche ...........................................................28
  4. 4. Inhaltsverzeichnis II 3.2 Versuchsmaterial........................................................................................................29 3.2.1 Auswahl der Sorten und Bäume.................................................................................29 3.2.2 Mineralstoff-Applikationen.......................................................................................29 3.2.3 Ernte und Vorbereitung für die Lagerung .................................................................30 3.2.4 Lagerverfahren...........................................................................................................30 3.2.5 Probenahmen..............................................................................................................32 3.3 Lagerbedingte physiologische Erkrankungen, Qualitäts- und Mineralstoff- untersuchungen..........................................................................................................34 3.3.1 Bonitur physiologischer Erkrankungen.....................................................................34 3.3.2 Messungen der Reife- und Qualitätsmerkmale..........................................................34 3.3.3 Analyse der Mineralstoffe.........................................................................................36 3.3.4 Untersuchungen zur 10 B-Translokation.....................................................................37 3.4 Fruchtphysiologische Untersuchungen......................................................................38 3.4.1 Atmung- und Ethylenmessungen an Früchten unter CA-Bedingungen.....................38 3.4.2 Bestimmung von ATP und ADP...............................................................................40 3.4.3 Permeabilität der Membranen...................................................................................40 3.4.4 Aktivität der Lipasen.................................................................................................41 3.4.5 Lipidfraktionen und Fettsäuren ................................................................................42 3.4.6 Aktivität der Lipoxygenase ......................................................................................43 3.4.7 Messung von Malondialdehyd .................................................................................43 3.4.8 Aktivität der Polyphenoloxidase...............................................................................44 3.5 Antioxidatives Abwehrsystem..................................................................................44 3.5.1 Ascorbinsäure und Dehydro-Ascorbinsäure.............................................................44 3.5.2 Antioxidatives Potential ...........................................................................................45 3.5.3 Enzymatisches antioxidatives Abwehrsystem..........................................................46 4 Ergebnisse.........................................................................................................49-111 4.1 Einfluss von Vor- und Nacherntemaßnahmen auf Merkmale der Fruchtqualität und Fruchtreife, den Mineralstoffgehalt und das Auftreten physiologischer Erkrankungen..................................................................................49 4.1.1 Fruchtqualität und Fruchtreife bei ‚Conference’ Birnen und ‚Braeburn’ Äpfeln........................................................................................................................49 4.1.1.1 Erntetermin................................................................................................................49 4.1.1.2 Bor- und Calcium-Spritzungen..................................................................................50 4.1.1.3 CA-Lagerbedingungen ..............................................................................................54 4.1.1.4 Verzögerte CA–Lagerung .........................................................................................55
  5. 5. Inhaltsverzeichnis III 4.1.2 Einfluss von Bor- und Calcium-Applikationen auf den Mineralstoff- gehalt bei ‚Conference’ Birnen und ‚Braeburn’ Äpfeln............................................56 4.1.2.1 Mineralstoffgehalt in Blättern im Verlauf des Fruchtwachstums ............................56 4.1.2.2 Mineralstoffgehalt in den Früchten im Verlauf des Fruchtwachstums ....................59 4.1.2.3 Translokation von 10 Bor............................................................................................61 4.1.2.4 Mineralstoffgehalt bei der Ernte ...............................................................................63 4.1.2.5 Bor-Fraktionen im Fruchtfleisch...............................................................................64 4.1.3 Fruchtfleischverbräunungen im Verlauf der CA-Lagerung......................................65 4.1.3.1 Einfluss des Erntetermins .........................................................................................66 4.1.3.2 Einfluss von Bor- und Calcium-Behandlungen ........................................................67 4.1.3.3 Einfluss der CA-Lagerbedingungen sowie einer verzögerten CA- Lagerung in Verbindung mit Bor-Behandlungen ......................................................................71 4.2 Einfluss von Vor- und Nacherntemaßnahmen auf Merkmale der Fruchtphysiologie bei ‚Conference’ Birnen...............................................................72 4.2.1 Atmung, Ethylenbildung und ATP/ADP-Gehalt bei der Ernte und während der CA- Lagerung ....................................................................................................72 4.2.1.1 Einfluss des Erntetermins und der CA-Lagerbedingungen auf die Atmung und Ethylenbildung ..................................................................................................72 4.2.1.2 Einfluss von Bor- und Calcium-Behandlungen auf die Atmung und Ethylenbildung...........................................................................................................75 4.2.1.3 Einfluss von Bor auf die Konzentration von ATP und ADP ...................................79 4.2.2 Membranpermeabilität des Fruchtgewebes von ‚Conference’ Birnen und ‚Braeburn’ Äpfeln während der Lagerung.................................................................81 4.2.2.1 Einfluss von Bor und Calcium auf die Leitfähigkeit des Fruchtgewebes .................81 4.2.2.2 Durchlässigkeit der Membranen für freie Phenole und Bor .....................................83 4.2.3 Veränderungen im Gehalt an Lipiden und Fettsäuren während der CA-Lagerung von ‚Conference’ Birnen....................................................................85 4.2.3.1 Freie Fettsäuren.........................................................................................................85 4.2.3.2 Fettsäurenzusammensetzung der polaren Lipide.......................................................87 4.2.4 Aktivität von Lipasen ...............................................................................................90 4.2.5 Aktivität der Lipoxygenase .......................................................................................91 4.2.5.1 Einfluss von Bor-Behandlungen ...............................................................................91 4.2.5.2 Einfluss des Erntetermins und der Lagerbedingungen .............................................92 4.2.5.3 Ausiwrkungen von Ascorbinsäure-Infiltrationen......................................................94
  6. 6. Inhaltsverzeichnis IV 4.2.6 Einfluss von Bor-Behandlungen, Erntetermin und Lagerbedingungen auf den Gehalt an Malondialdehyd ...........................................................................95 4.2.7 Aktivität der Polyphenoloxidase ...............................................................................97 4.3 Einfluss von Vor- und Nacherntemaßnahmen auf das fruchteigene Stress- Abwehrsystem von ‚Conference’ Birnen...................................................................98 4.3.1 Antioxidatives Verhalten bei der Ernte und während der Lagerung.........................98 4.3.1.1 Einfluss von Bor-Behandlungen ...............................................................................98 4.3.1.2 Einfluss des Erntetermins und der Lagerbedingungen ...........................................100 4.3.2 Vitamin C-Gehalt von ‚Conference’ Birnen............................................................101 4.3.2.1 Einfluss von Bor- und Calcium-Behandlungen auf den Vitamin C-Gehalt im Verlauf der Fruchtentwicklung...........................................................................101 4.3.2.2 Einfluss von Bor- und Calcium-Behandlungen auf den Vitamin C-Gehalt bei der Ernte und im Verlaufe der Lagerung...........................................................102 4.3.2.3 Einfluss des Erntetermins und der Lagerbedinungen auf den Vitamin C-Gehalt bei der Ernte und im Verlaufe der Lagerung ............................104 4.3.3 Enzymatisches antioxidatives Abwehrsysteme von ‚Conference’ Birnen bei der Ernte und im Verlauf der Lagerung.................................................106 4.3.3.1 Einfluss von Bor-Behandlungen..............................................................................106 4.3.3.2 Einfluss des Erntetermins .......................................................................................108 5 Diskussion.......................................................................................................112-147 5.1 Einfluss von Vor- und Nacherntemaßnahmen auf Merkmale der Fruchtqualität und Fruchtreife, den Mineralstoffgehalt und das Auftreten physiologischer Erkrankungen ...............................................................................112 5.1.1 Einfluss der Fruchtreife bei ‘Conference’ Birnen...................................................112 5.1.1.1 Erntetermin und Fruchtqualität...............................................................................112 5.1.1.2 Erntetermin und Fruchtfleischverbräunungen.........................................................113 5.1.2 Einfluss von Lagermaßnahmen bei ‘Conference’ Birnen.......................................113 5.1.2.1 CA-Lagerung und Fruchtfleischverbräunungen......................................................113 5.1.2.2 CA-Lagerung und Fruchtqualität............................................................................115 5.1.2.3 Wirkung der verzögerten Einstellung der CA-Lagerbedingungen .........................115 5.1.3 Einfluss von Mineralstoffapplikationen auf die Fruchtqualität bei ‚Conference’ Birnen und ‚Braeburn’ Äpfeln.................................................................................117 5.1.3.1 Bor und Fruchtqualität.............................................................................................117 5.1.3.2 Bor und Fruchtfleischverbräunungen.......................................................................118
  7. 7. Inhaltsverzeichnis V 5.1.3.3. Mineralstoffgehalte in Blättern und Früchten im Verlauf des Fruchtwachstums und bei der Ernte ....................................................................................................120 5.1.4 Einfluss von Bor- und Calcium-Applikationen auf die Aufnahme, Translokation und Lokalisierung von Bor...............................................................122 5.2 Einfluss von Vor- und Nacherntemaßnahmen auf Merkmale der Fruchtphysiologie von ‚Conference’ Birnen...........................................................124 5.2.1 Atmung ...................................................................................................................124 5.2.2 Ethylenbildung ........................................................................................................128 5.2.3 Einfluss von Bor auf die Konzentration von ATP und ADP .................................129 5.2.4 Membranpermeabilität des Fruchtgewebes während der Lagerung .......................130 5.2.5 Fettsäuren und Fettsäuren von Lipiden ..................................................................133 5.2.5.1 Frei Fettsäuren.........................................................................................................133 5.2.5.2 Polare Lipide...........................................................................................................134 5.2.6 Aktivität der Lipasen...............................................................................................135 5.2.7 Lipidperoxidation....................................................................................................136 5.2.8 Malondialdehyd ......................................................................................................137 5.2.9 Aktivität der Polyphenoloxidase..............................................................................137 5.3 Einfluss von Vor- und Nacherntemaßnahmen auf das fruchteigene Stress-Abwehrsystem von ‚Conference’ Birnen....................................................138 5.3.1 Antioxidatives Verhalten bei der Ernte und während der Lagerung.......................138 5.3.2 Vitamin C Gehalt ....................................................................................................139 5.3.3 Enzymatisches antioxidatives Abwehrsystem.........................................................143 5.3.3.1 Einfluss von Bor-Behandlungen .............................................................................143 5.3.3.2 Einfluss des Erntetermins .......................................................................................144 5.4 Zusammenhang zwischen Bor-Behandlungen und der Entstehung physiologischer Erkrankungen bei ‚Conference’ Birnen.........................................145 6 Zusammenfassung..........................................................................................148-151 7 Summary.........................................................................................................152-155 8 Literaturverzeichnis.......................................................................................156-182
  8. 8. Abkürzungsverzeichnis VI Abkürzungsverzeichnis 1-MCP 1-Methylcyclopropene 1 O2 Singulett-Sauerstoff ACC 1-Aminocyclopropan-1-Carboxylsäure ADP Adenosin 5’-Diphosphat AP Antioxidatives Potential APX Ascorbat-Peroxidase AS Ascorbinsäure ATP Adenosin 5’-Triphosphat BHT Butylhydroxytoluen CA-Lagerung ‚Controlled Atmosphere’ Lagerung CAT Katalase CoA Coenzyme A DHA Dehydroascorbinsäure DHAR Dehydroascorbat-Reduktase DHAS Dehydroascorbinsäure DTT Dithiothreitol EDTA Ethylendiamin-teteraessigsäure F-6-P Fructose-6-Phosphat Fast Blue RR-Salz 4-Benzoylamino-2,5-Dimethoxybenzene-Diazonium-Chlorid- Hemi-Zink-Chlorid-Salz G-1-P Glucose-1-Phosphat GR Glutathion-Reduktase GSH reduziertes Glutathion GSSG oxidiertes Glutathion H2O2 Wasserstoffperoxid HO. Hydroxyl-Radikal HOO. Hydroperoxyl ICP-AES Induktionsgekoppelte Plasma-Atom-Emissionsspektrometrie LOX Lipoxygenase MDA Malondialdehyd MDHA Monodehydroascorbat MDHAR Monodehydroascorbat-Reduktase ME Milliextinktion NADH Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid NADPH Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid-Phosphat NBT Tetrazolium-Nitroblau O2 -. Superoxid-Anion PPC-Zyklus Pentose-Phosphat-Zyklus
  9. 9. Abkürzungsverzeichnis VII PPO Polyphenoloxidase PPP Pentose-Phosphat-Zyklus PVPP Polyvinylpolypyrolidon RO. Alkoxyl ROO. Peroxyl ROOH Lipidhydroperoxid ROS Reaktive Sauerstoffspezies RQ Respirations-Quotient SAM S-Adenosylmethionin SOD Superoxid-Dismutase TBARS Thiolbarbitursäure-reaktive Substanzen TCA Trichloressigsäure TCA-Zyklus Tricarbonsäure-Zyklus TCC Tricarbonsäure-Zyklus U.A./mg protein Unit of activity, Aktivität einer Enzym-Einheit pro mg Protein UDPG Uridin-Diphosphat-Glucose ULO-Lagerung ‚Ultra Low Oxygen’, Lagerung bei sehr niedriger O2- Konzentration WIR Wasserunlöslicher Rest
  10. 10. Einleitung und Problemstellung 1 1 Einleitung und Problemstellung 1.1 Einleitung Die Qualität von Obst wird aus Sicht des Produzenten, des Lagerhalters, des Handels oder des Konsumenten unterschiedlich definiert (Abbildung 1). Auch wenn der Konsument seine Kaufentscheidung bei frischem Obst in erster Linie von äußeren Faktoren, wie der Fruchtgröße und der Fruchtfarbe abhängig macht, weiß er letztlich erst wenn er in den Apfel gebissen hat, ob diese Entscheidung gut war oder nicht. Der Konsument vertraut seiner Erfahrung und seinem Wissen, dass eine Frucht, die gut ausschaut, in der Regel auch gut schmeckt (Stoll, 1982a). Der Zusammenhang zwischen ansprechendem Äußeren und guter geschmacklicher Ausprägung ist allerdings nur bedingt zutreffend, am ehesten noch bei Früchten, die im Stadium der optimalen Pflück- und Genussreife geerntet und direkt verzehrt werden (Stoll, 1976; Baumann, 1996). Abbildung 1: Fruchtqualität, Produkteigenschaften und Erwartungen (nach Höhn et al., 1997) Um eine kontinuierliche Versorgung mit frischem Obst zu gewährleisten, ist die Lagerung von Früchten über mehrere Monate und der Handel mit ihnen über weite Entfernungen erforderlich. Diese Belastungen können die Früchte nur überstehen, wenn sie die genetischen Voraussetzungen für eine lange Haltbarkeit besitzen, unter geeigneten Wachstums- und Bewirtschaftungsbedingungen heranwachsen, im Stadium der optimalen Pflückreife geerntet und unter besonderen Lagermaßnahmen aufbewahrt werden (Streif, 1992). Nur wenn alle diese Bedingungen erfüllt werden, kann mit wohlschmeckenden und auch gut haltbaren Früchten gerechnet werden (Bohling und Paulus, 1979; Stoll, 1982b; Bohling, 1983). Qualität Produzent Handel KonsumentLagerhalter Geschmack Saftigkeit Produktionsart Frische Esswert Aussehen Lagersicherheit Fleischfestigkeit Ertrag Nährwert Größe Eignungswert Qualität Produzent Handel KonsumentLagerhalter Geschmack Saftigkeit Produktionsart Frische Esswert Aussehen Lagersicherheit Fleischfestigkeit Ertrag Nährwert Größe Eignungswert
  11. 11. Einleitung und Problemstellung 2 Neben unsachgemäßer Bewirtschaftung und einem falschen Erntetermin können vor allem falsche Lagerbedingungen zu physiologischen Fruchterkrankungen führen (Lau, 1988b; Kingston, 1993). Soweit befallene Früchte von außen erkennbare Schäden zeigen, lassen sich diese Früchte vor dem Verkauf aussortieren. Einige Fruchterkrankungen bei Apfel und Birne sind aber auf den inneren Bereich des Fruchtfleisches und/oder des Kernhauses begrenzt (Snowdon, 1990; Meheriuk et al., 1994) und treten außerdem bevorzugt bei größeren, reiferen und besser gefärbten Früchten auf (Streif, 1992). Das bedeutet, dass bei anfälligen Sorten äußerlich sehr ansprechend erscheinende Früchte besonders mit inneren Fruchtfleischverbräunungen befallen sein können. Auf eine solche negative Kauferfahrung wird der Konsument zumindest vorrübergehend mit Kaufzurückhaltung oder Zuwendung zu Alternativprodukten reagieren (Stoll, 1982a). Die Langzeitlagerung von Kernobst in kontrollierter Atmosphäre (CA-Lagerung) ermöglicht durch die Verzögerung der Fruchtreife zwar eine bessere Erhaltung äußerer und innerer Qualitätsmerkmale, fördert aber bei unsachgemäßer Anwendung auch das Auftreten von inneren Fruchtfleischschäden in Form von Verbräunungen und der Bildung von Kavernen. Entsprechende Berichte über CA-lagerbedingte Schäden an wichtigen Apfel- und Birnen- sorten haben in den letzten Jahren deutlich zugenommen (Lau, 1988a,b; van Schaik, 1989; Streif, 1996; Roelofs und de Jager, 1997; Elgar et al., 1998; Lidster et al, 1999; Park et al, 1999; Lafer, 2001; Xuan et al., 2001b). Obwohl die Schädigungen des Fruchtgewebes erst während oder nach CA-Lagerung sichtbar werden, sind die eigentlichen Ursachen nicht allein in falschen Lagerbedingungen zu suchen, sondern scheinen vielfältiger Natur zu sein. Im einzelnen wird ein ganzer Ursachenkomplex genannt, angefangen von sortenbedingter Anfälligkeit (Höhn et al., 1997), über Klima- und Standortseinflüsse (Link, 2000), Behang, Schnitt- und Düngungsmaßnahmen (Chen et al., 1998; Dris et al., 1998; Lysiak et al., 1999), Erntetermin (Streif, 1996; Lentheric et al., 1999) sowie die Einstellung der Lagerbedingungen, die Zusammensetzung der Lageratmosphäre und die Lagerdauer (Streif, 1992; Goffings et al., 1994; Höhn et al., 1997; Roelofs und de Jager, 1997). Über den Wirkungsmechanismus dieser Faktoren und den physiologischen Hintergrund bei der Entstehung der Fruchtschädigung ist bisher nur wenig bekannt. Man weiß, dass erste visuelle Gewebeverbräunungen in einer sehr frühen Lagerphase, meist bereits innerhalb 4-6 Wochen nach Lagerbeginn sichtbar werden und ein Maximum nach 2-3 Monaten erreicht ist (de Jager, 1998; Streif, 1998). Das bedeutet, dass die Gewebeschädigungen möglicherweise auf Probleme bei der Umstellung des Fruchtstoffwechsels von Vorernte- auf Nachernte- bedingungen bei zu schneller Einlagerung ins CA-Lager zurückzuführen sind. Hinweise dafür ergeben sich in der weise, dass sich diese Schädigungen im Kühllager ohne CA oder bei einer um ca. 20 Tagen verzögerten CA-Einstellung nicht oder nur stark vermindert zeigen (Höhn et al., 1996; Roelofs und de Jager, 1997; Saquet et al., 2001).
  12. 12. Einleitung und Problemstellung 3 Die Ursachen sind möglicherweise in einem Ungleichgewicht im Energiestoffwechsel und/oder in einer Überforderung des pflanzeneigenen Stressabwehrsystems bei einer schnellen Einlagerung in CA-Bedingungen zu suchen. Entsprechende Zusammenhänge zum Energiestoffwechsel werden in Arbeiten von Saquet et al. (2000) und Saquet (2001) dar- gestellt. Aus einer Zusammenschau dieser Ergebnisse lässt sich für die Entstehung von CA- bedingten Fruchtfleischverbräunungen folgende Hypothese ableiten: Die niedrigen O2- und/oder hohen CO2-Konzentrationen vermindern die Respiration der Früchte, was zu einer direkten Abnahme der ATP- und Fettsäurebiosynthese führt. Gleichzeitig damit werden Gärungsvorgänge gefördert, die eine Anreicherung von Ethanol und Acetaldehyd bewirken. Ethanol und Acetaldehyd, der niedrige Energiezustand der Zellen und die damit verminderte Fettsäurebiosynthese erhöhen die Durchlässigkeit der Zellmem- branen. Es kommt zu Störungen in den Membrantransportvorgängen und zum Verlust der Zellkompartimentierung mit nachfolgender Oxidation von Phenolen im Zytoplasma und dem Sichtbarwerden von Gewebeverbräunungen. Abbildung 2: Mögliche Einflüsse von Vor- und Nacherntefaktoren auf fruchtphysiologische Merkmale und die Entstehung von Fruchtfleischverbräunungen. Physiologische Lagerkrankheiten, z.B . Innere Verbräunungen und Kavernen Membranen (Funktion + Stabilität) Ethylen Respiration Energie Anti- oxidative Stressabwehr Innere + äußere Fruchtqualität Nacherntebedingungen Temperatur, Lageratmosphäre, Luftfeuchte CA-Lagerregime (CA- Verzögerung, ‚dynamisches System‘, Lagerdauer) z.B. Klima, Standort, Sorteneigenschaften Bewirtschaftungsmaßnahmen (Schnitt, Ausdünnung, Düngung, Erntetermin) Vorerntebedingungen Physiologische Lagerkrankheiten, z.B . Innere Verbräunungen und Kavernen Membranen (Funktion + Stabilität) Ethylen Respiration Energie Anti- oxidative Stressabwehr Innere + äußere Fruchtqualität Nacherntebedingungen Temperatur, Lageratmosphäre, Luftfeuchte CA-Lagerregime (CA- Verzögerung, ‚dynamisches System‘, Lagerdauer) z.B. Klima, Standort, Sorteneigenschaften Bewirtschaftungsmaßnahmen (Schnitt, Ausdünnung, Düngung, Erntetermin) Vorerntebedingungen Nacherntebedingungen Temperatur, Lageratmosphäre, Luftfeuchte CA-Lagerregime (CA- Verzögerung, ‚dynamisches System‘, Lagerdauer) z.B. Klima, Standort, Sorteneigenschaften Bewirtschaftungsmaßnahmen (Schnitt, Ausdünnung, Düngung, Erntetermin) Temperatur, Lageratmosphäre, Luftfeuchte CA-Lagerregime (CA- Verzögerung, ‚dynamisches System‘, Lagerdauer) z.B. Klima, Standort, Sorteneigenschaften Bewirtschaftungsmaßnahmen (Schnitt, Ausdünnung, Düngung, Erntetermin) Vorerntebedingungen
  13. 13. Einleitung und Problemstellung 4 Eine andere Hypothese zieht eine vorzeitige Erschöpfung des fruchteigenen antioxidativen Abwehrsystems unter CA-Lagerstress, besonders bei der schnellen Einlagerung in erhöhte CO2-Konzentrationen, in Betracht (Xuan und Streif, 2000; Larrigaudiere et al., 2001b; Veltman, 2002;). Schon Bangerth (1977) berichtete von stark verminderten Ascorbinsäure- gehalten in Früchten bei Lagerung in erhöhten CO2-Konzentrationen. Ein erschöpftes Stress- Abwehr-System könnte aber eine fortschreitende Schwächung der Zellmembranen und damit den Beginn der Zellschädigung mit nachfolgendem Absterben und Verbräunen bedeuten. In Abbildung 2 sind die möglichen Auswirkungen von Vor- und Nacherntebedingungen auf diese fruchtphysiologischen Vorgänge dargestellt. Im Zusammenhang mit der Entstehung von physiologischen Erkrankungen bei Früchten ist die Bedeutung von Calcium für die Stabilität und Funktion von Zellwänden und Zell- membranen schon lange bekannt und in vielen Arbeiten beschrieben (siehe z.B. Bangerth, 1979). Auch von Bor kennt man aus neueren Untersuchungen eine ganze Reihe von möglichen physiologischen Wirkungen (Marschner, 1995; Blevins und Lukaszewski, 1998). Zu deren Bedeutung bei der Verhinderung von physiologischen Erkrankungen bei Kernobst gibt es bisher, neben der schon lange bekannten günstigen Wirkung auf das Pollenschlauchwachstum und Veränderung von Schalenberostungen, jedoch kaum Untersuchungen. Die an andern Pflanzen festgestellte Bedeutung von Bor für die Struktur der Zellwände und Plasmamembrane sowie für deren Integrität beruht möglicherweise auf der Bildung von Bor- Pektin-Komplexen (Römheld und Marschner, 1991; Loomis und Durst, 1992; Marschner, 1995; Hu et al., 1996; Cakmak und Römheld, 1997;). Diese Komplexbildung wirkt möglicherweise als ein stabilisierender und struktureller Faktor, der für die Unversehrtheit und das Funktionieren der Membranen von Bedeutung ist. Zusätzlich soll Bor einen direkten Einfluss auf das membrangebundene H+ -ATPase-Pumpsystem haben und damit auf die Aufnahme und Abgabe von Ionen sowie auch von Mono- und Disacchariden wirken (Goldbach, 1985). Auch für den strukturellen Aufbau von Zellwänden ist Bor durch die Pektin-Komplexbildung spezifischer Pektinfraktionen von entscheidender Bedeutung. Bei Bormangel sind die Zellwände dicker, weniger elastisch und unregelmäßiger aufgebaut (Hirsch und Torrey, 1980). 1.2 Problemstellung Aus der bisherigen Darstellung lassen sich folgende Fragen und Aufgabenstellungen für den praktischen Teil dieser Arbeit ableiten, wobei der Einfluss folgender Vorernte- und Nachernte-Faktoren näher untersucht werden soll:
  14. 14. Einleitung und Problemstellung 5 Blattspritzungen mit Bor bzw. Calcium, Variation des Pflücktermins, verzögerte Einstellung der CA-Lagerbedingungen, Höhe der CO2- bzw. O2-Konzentrationen, Dauer der CA- Lagerung. Versuche zu folgenden Fragen wurden im Einzelnen durchgeführt: 1. Welche Bedeutung haben Vor- und Nacherntemaßnahmen und insbesondere Bor- Applikationen auf Merkmale der Fruchtqualität und -reife, den Mineralstoffgehalt und das Auftreten physiologischer Fruchtfleisch-Erkrankungen bei Apfel und Birne. 2. Wie wirken sich die verschiedenen Vor- und Nacherntemaßnahmen und insbesondere Bor-Applikationen auf Merkmale der Fruchtphysiologie aus:  Atmung, Ethylenbildung und ATP/ADP-Gehalte bei der Ernte und während der CA-Lagerung  Membranpermeabilität des Fruchtgewebes während der Lagerung  Membran-Lipide und -Fettsäuren während der CA-Lagerung 3. Können Vor- und Nacherntemaßnahmen und insbesondere Bor-Applikationen das fruchteigene Stress-Abwehrsystem beeinflussen und wie verändern sich dabei:  der Vitamin C-Gehalt im Laufe der Fruchtentwicklung und der Lagerung  das enzymatische antioxidative Abwehrsystem.
  15. 15. Literaturübersicht 6 2 Literaturübersicht 2.1 CA-Lagerung von Apfel und Birne 2.1.1 Lagerung als Maßnahme zur Qualitätserhaltung Kühllagerung in kontrollierter Atmosphäre (CA-Lagerung) hemmt die Fruchtreife in größerem Ausmaß als dies in Luft. Daher ist CA-Lagerung bei einigen Fruchtarten, insbesondere bei Apfel und Birne, eine sehr wirkungsvolle Maßnahme zur Verlängerung der Haltbarkeit und zur Erhaltung der Qualität der Früchte (Stoll, 1971; Kader et al., 1989; Dilley, 1990; Streif, 1992). Neben der Temperaturabsenkung verlangsamen die Erniedrigung des Sauerstoffs (O2) und die Erhöhung des Kohlendioxids (CO2) in der Lageratmosphäre den Stoffwechsel der Früchte und damit die Fruchtreife und damit einhergehend den Abbau an Inhaltsstoffen (Knee, 1980). Der Stoffwechsel, gemessen an der Respirationsrate, wird durch die Absenkung auf 1 bis 1,5% O2 besonders stark verlangsamt (Fidler und North, 1967). Die Lagerung bei so niedrigen Sauerstoffkonzentrationen wird auch als ULO-Lagerung (Ultra Low Oxygen) bezeichnet. Bei weiterer Absenkung des O2-Gehalts unter 1% kann es je nach Sorte zu Gärungserscheinungen infolge von Sauerstoffmangel kommen (Streif, 1992). Im Allgemeinen beginnt die Anreicherung von Gärungsprodukten, das sind vor allem Acetaldehyd und Ethanol, bereits wenn die O2-Konzentration in der Lageratmosphäre unter 2% abfällt (Kader, 1987). In Kombination mit niedrigem O2 zeigen CO2-Konzentrationen im Bereich von 3-5% nahezu eine maximale Hemmwirkung auf den Fruchtstoffwechsel (Brackmann, 1990). Zu hohe CO2- Konzentrationen wirken ebenfalls schädigend auf das Fruchtgewebe (Bachmann, 1981; Streif, 1985). Durch die verzögerte Stoffwechselaktivität unter CA-Bedingungen werden wertgebende Inhaltsstoffe in den Früchten geschont und die Haltbarkeit verbessert (Bohling und Hansen, 1984; Streif, 1992; Brackmann et al., 1994 und 1995). Dadurch bleibt die Fruchtqualität insgesamt besser erhalten. Einige Qualitätsmerkmale können auch nach Auslagerung während der Vermarktungs- und Verkaufsperiode (shelflife) von den CA-Bedingungen beeinflusst bleiben, was auch als ’Nachlagereffekt’ der CA-Lagerung bezeichnet wird (Patterson et al., 1974; Brackmann, 1990). Die Fruchtfleischfestigkeit von Apfel und Birne hat sowohl für den Obsthandel wie auch für den Konsumenten eine hervorragende Bedeutung und wird als Merkmal für Frische, Haltbarkeit und Knackigkeit besonders geschätzt (de Jager, 1994; Putter und de Jager, 1996). Da CA-Lagerung neben der allgemeinen Reifehemmung auch den Zellwandstoffwechsel (Siddiqui et al., 1996; Wills et al., 1998) beeinflusst, führt dies gegenüber Kühllagerung zu einer besseren Erhaltung der Festigkeit (Forsyth und Eaves 1975; Brackmann, 1994).
  16. 16. Literaturübersicht 7 Das Weichwerden und die Bildung von löslichen Polyuroniden war bei Äpfeln, in 2.5-4.0 % O2 gelagert, gegenüber in Luft um die Hälfte vermindert (Knee, 1980). Weichwerden ist im Wesentlichen die Folge von enzymatischem Abbau von Protopektin und die Folge von Zellwand-Hydrolasen während der Reife und der Seneszenz der Frucht (Huber, 1983). Äpfel zeigen aber im Gegensatz zu Birnen keine Cellulase-Aktivität (Bartley, 1976; Ben-Arie et al., 1979). Der Chlorophyllabbau (grüne Farbe) und die Biosynthese von Carotinoiden (gelbe und orange Farbe) und Anthocyanen (rote und blaue Farbe) in Früchten und Gemüse wird bei CA- Lagerung verlangsamt (Leberman et al., 1968; Wang et al., 1971; Smock, 1979; Kader, 1986; Weichmann, 1986), wobei die CO2-Erhöhung sich deutlicher auswirkt als die Erniedrigung von O2. Der im CA-Lager verminderte Chloropyllabbau hängt möglicherweise mit einer Hemmung von Reifungsenzymen zusammen. So konnten Frenkel et al. (1968) und Dilley (1970) feststellen, dass unter CA-Bedingungen die Bildung von Enzym-Protein vermindert wurde. Außerdem könnte die unter CA-Bedingungen verminderte Ethylenwirkung für den verminderten Chlorophyllabbau verantwortlich sein (Streif, 1974). Denn nach externen Ethylenbehandlungen konnte eine Induktion von Chlorohyllasen festgestellt werden (Amir- Shapira et al., 1987). Der Gehalt an Zucker und Säure in Früchten ist entscheidend für die geschmackliche Ausprägung. Im Verlauf der Reife erlangen die Früchte durch den Abbau von Säure und die Zunahme von Zuckern die Genussreife (Römer, 1967). Zu lange Lagerung verursacht einen einseitig hohen Säureabbau, während der Zuckergehalt in den Früchten sich nur wenig ändert. Dadurch schmecken überlagerte Früchte oftmals unharmonisch süß und fad (Streif, 1992). CA-Lagerung erniedrigte den Verlust von organischer Säure bei frischen Früchten und verhinderte einen pH-Anstieg (Lidster et al., 1985; Ke et al., 1991). Bei 2.5% CO2 blieb der Säuregehalt bei ‚Golden Delicious’ Äpfeln während einer 8-monatigen Lagerung deutlich höher als ohne CA (Lau und Looney, 1982). Vitamin C ist einer der wesentlichen qualitätsbestimmenden Inhaltsstoffe bei Obst (Lee und Kader, 2000), wobei der überwiegende Teil in der reduzierten Form als Ascorbinsäure vorliegt (Bässler et al., 1992). Vitamin C ist eine der Hauptkomponenten des wasserlöslichen antioxidativen Potentials von Pflanzen. Ungünstige Lagerbedingungen wie höhere Tempera- turen fördern den Abbau von Ascorbinsäure (McGill et al., 1966). Dagegen wirken tiefere Temperaturen und niedrige O2-Konzentrationen in der Lageratmosphäre dem Vitamin C- Abbau entgegen (Bangerth 1977; Nsengimana und Bangerth, 1981; Agar 1991). Andererseits bewirkt ein erhöhter CO2-Gehalt der Lagerluft einen verstärkten Vitamin C- und speziell Ascorbinsäureabbau, obwohl andere Abbauprozesse in den Früchten verlangsamt werden (Bangerth, 1977; Agar et. al., 1997; Burmeister et al., 1997; Veltman et al., 2000). Weitere Ausführungen zu Vitamin C siehe Kapitel 2.4.2.
  17. 17. Literaturübersicht 8 2.1.2 Lagerung und das Auftreten physiologischer Erkrankungen Neben den positiven Auswirkungen von CA-Lagerbedingungen auf die Fruchtqualität besteht bei Abweichung von den für die jeweilige Sorte geeigneten CO2- und O2-Konzentrationen die Gefahr des Auftretens von physiologischen Fruchtschäden. Physiologische oder nichtparasi- täre Erkrankungen werden nicht durch Krankheitserreger oder Schädlinge von außen verursacht, sondern sind Störungen im Fruchtstoffwechsel, die auf ungünstige Wachstums- bedingungen, falschen Erntetermin oder nicht angepasste Lagerbedingungen zurückzuführen sind (Fidler et al., 1973a, b; Streif, 1992). Diese nichtparasitären Erkrankungen sind eng mit dem Reifeverlauf und dem Atmungsstoffwechsel der Früchte verbunden (Saltveit, 1993). Besonders betroffen sind der Kohlenhydrat- und Säurestoffwechsel sowie die Vorgänge der Translokation von Kationen (Poovaiah, 1993). Das Auftreten der Erkrankungen hängt stark von der Vitalität des Obstes, d.h. von genetisch vorgegebenen Eigenschaften, ab (Skrzynski und Sass, 1994). Zwischen einzelnen Sorten bestehen bei Äpfeln und Birnen erhebliche Unterschiede in ihrer Anfälligkeit gegenüber physiologischen Erkrankungen (Fidler et al., 1973b; Streif, 1992). Wesentlichen Einfluss haben Vorerntefaktoren wie Anbau- und Standortsbedingungen (Struklec, 1994; Link, 2000), Behangdichte (Chen et al., 1998), Erntetermin (Streif, 1996; Lentheric et al., 1999) und Ernährungszustand (Dris et al., 1998; Lysiak et al., 1999). Zwischen einzelnen Herkünften bestehen oft große Unterschiede im Befall. Neben den Vorerntefaktoren entscheiden die Lagerbedingungen über das Auftreten von physiologischen Schäden an den Früchten (Goffings et al., 1994). Dabei ist zu beachten, dass manche Schadsymptome letztlich erst nach CA-Lagerung sichtbar werden, die eigentlichen Ursachen aber nicht nur in Nachernteeinflüssen zu suchen sind. Im Folgenden werden nur innere Fruchtfleischverbräunungen und Kavernen, die bei Äpfeln und Birnen durch CA-Lagerung verursacht werden können, dargestellt. 2.1.2.1 Kernhausbräune Nach Fidler et al. (1973b) und Streif (1992) ist bei der Kernhausbräune das Gewebe zwischen den Samenfächern und dem Leitbündelring der Früchte meist nur leicht bräunlich verfärbt, bei stärkerer Ausprägung jedoch dunkelbraun und trocken (Abbildung 3). Diese Erkrankung tritt bei anfälligen Sorten bei zu hohen CO2-Konzentrationen im CA-Lager auf (Scott und Wills, 1976; Schouten, 1984; Streif, 1985), während niedrige Sauerstoffwerte, möglichst bei ULO-Bedingungen, den Befall mit Kernhausbräune vermindern (Blank, 1988). Auch mit einer modifizierten Temperaturführung lässt sich der Krankheitsbefall mindern. So berichten Dalton et al. (1982) von geringerem Befall bei ;Granny Smith’ nach stufenweiser Abkühlung oder zwischenzeitiger Erwärmung, was auch von Blank (1983) für die Sorten ‚Cox Orange’,
  18. 18. Literaturübersicht 9 ‚Holsteiner Cox’ und ‚Boskoop’ bestätigt wurde. Häufig tritt die Kernhausbräune auch als Überlagerungserscheinung auf (Fidler, 1973b). Der Krankheitsbefall kann je nach Sorte, Standort und Jahreswitterung stark variieren. Krankheitsfördernd wirken kühle Sommer und warme Herbstwitterung (Little und Bartrand, 1989), zu frühe aber auch zu späte Ernte (Streif, 1985) sowie eine hohe Phosphorversorgung (Perring, 1976) der Früchte. 2.1.2.2 Innere Fleischverbräunung und Bildung von Kavernen Als innere Fleischverbräunungen werden die Erkrankungen des Fruchtfleisches vom Kernhaus bis ca. 1 cm unter der Schale zusammengefasst (Abbildung 3.), bei denen die Zellen zusammenbrechen und eine hell- bis dunkelbraune Färbung annehmen (Wilkinson und Fidler, 1973). Zwischen gesundem und krankem Gewebe besteht ein fließender Übergang. Erste Symptome von Verbräunungen können bereits nach 4-6 Wochen Lagerung sichtbar werden (Streif et al., 2001a, b). Im späteren Verlauf der Lagerung und vor allem während der Nachlagerung treten Kavernen auf, die durch Eintrocknen und Wasserverlust des abgestorbenen Fruchtgewebes entstehen. Auch im schwersten Stadium ist die Fleischverbräunung äußerlich nicht zu erkennen (Henze, 1971; Meheriuk et al., 1984; Schouten, 1986). Die Schädigung des Fruchtgewebes erfolgt besonders durch einen zu hohen CO2-Anteil in der CA-Lageratmosphäre. Bei wenig Sauerstoff (ULO) kann die Schadwirkung noch verstärkt werden. Die Anfälligkeit verschiedener Sorten für innere Fleischverbräunungen und Kaver- nenbildung kann sehr unterschiedlich sein. Siehe dazu folgendes Kapitel. Zur Verhinderung der inneren Fleischbräune wird ein früherer Erntetermin, eine verzögerte CA-Lagerung (Höhn et al., 1996) und eine Reduzierung der CO2-Konzentration bei mäßig hohem O2-Gehalt (Streif, 1999; Streif und Saquet, 2002) empfohlen. Auch eine verbesserte Calcium- und möglicherweise Bor-Versorgung kann nach Meheriuk et al. (1994) und Xuan et al. (2001a) den Befall mit inneren Verbräunungen mindern. Abbildung 3: Innere physiologische Erkran- kungen bei Kernobst, die nach CA-Lagerung auftreten können. A: Kernhausbräune B: Innere Fleischbräune mit Kavernenbildung. A BA B
  19. 19. Literaturübersicht 10 2.2 Einfluss von Vorernte-Bedingungen auf die Qualität und Haltbarkeit Qualitäts- und Haltbarkeitsunterschiede sowie die Empfindlichkeit gegenüber physiolo- gischen Erkrankungen von Äpfeln und Birnen während der Lagerung und nach Auslagerung können nicht nur durch die Lagerung selbst, sondern auch durch Bedingungen während der Fruchtentwicklung beeinflusst werden (Sharples, 1985). In dieser Literaturübersicht werden nur die Vorernteeinflüsse besprochen, die später im praktischen Teil der Arbeit auch von Bedeutung sind. 2.2.1 Verbräunungsempfindlichkeit verschiedener Sorten Unterschiedliche Sorten können genetisch bedingt eine sehr verschiedene Empfindlichkeit gegenüber der CA-lagerbedingten Fruchtfleischverbräunung haben. Besonders anfällig bei Apfel sind die Sorten ‚Braeburn’ (Watkins et al., 1997), ‚Fuji’ (Volz et al., 1997), aber auch Sorten wie ‚Elstar’ (Schouten und van Schaik, 1980), ‚Cox’ (Henze, 1971), ‚Boskoop’ (Schouten, 1986) können betroffen sein. Birnen sind generell CO2-empfindlicher, besonders die Sorten ‚Alexander Lucas’ (Garcia und Streif, 1993) und ‚Conference’ (Spruit und Schouten, 1984) gelten als sehr empfindlich, während z.B. die Sorte ‚Packhams’ (Garcia und Streif, 1993) sich als sehr widerstandsfähig erweist. 2.2.2 Standort- und Klimabedingungen Für das Auftreten der Fruchtfleischschäden scheinen auch Standort- und Klimafaktoren entscheidend zu sein (Sharples, 1973; Luton und Holland, 1986). So können Lager- empfehlungen, die in einem Obstbaugebiet unter bestimmten Standortsvoraussetzungen erarbeitet wurden, nicht ohne weiteres für ein anderes Gebiet übernommen werden. Beispielsweise ist bekannt, dass innere Fleischverbräunungen bei ‚Conference’ Birnen in Europa in südlicheren Regionen deutlich weniger auftreten als in Holland oder Belgien (Peppelenbos, 1998). Andererseits zeigen ‚Elstar’ Äpfel im wärmeren Obstbaugebiet der Oberrheinebene einen stärkeren Befall mit innerer Fleischbräune und Kavernen als in dem kühleren Bodenseegebiet (Streif, 2002b). Entscheidend für die Höhe der Photosyntheserate ist u.a. der Lichtfaktor und ist somit von großem Einfluss auf die Fruchtentwicklung. Das kann schon innerhalb eines Baumes an der unterschiedlichen Qualitätsausprägung der Früchte vom oberen, gut belichteten Kronen- bereich und den Schattenfrüchten vom inneren Kronenbereich erkannt werden (Blanpied und Blak, 1977; Johnson, 1992; Skrzynski und Streif, 1996). Denkbar sind auch Einflüsse auf die Zellteilungsrate, Zellstruktur und Reifungsgeschwindigkeit (Tromp, 1999).
  20. 20. Literaturübersicht 11 2.2.3 Fruchtreife und Erntetermin Aus der vereinfachten Sicht eines Konsumenten ist die Fruchtreife ein Prozess, in dessen Verlauf sich die geschmacklichen Eigenschaften so verbessern, dass die Frucht genießbar wird (Streif, 1992). Dahinter verbirgt sich jedoch ein sehr komplexer physiologischer Prozess im Übergang vom Fruchtwachstum zur Alterung (Wills et al., 1998). Eingeleitet wird die Reife bei klimakterischen Früchten durch einen Ethylenanstieg (Abeles et al., 1992), in dessen Folge eine ganze Reihe von Auf- und Abbauprozessen ablaufen. Als typische Reife- erscheinung gelten: das Weichwerden der Frucht, bedingt durch pektolytische Vorgänge in den Zellwänden (Ben-Arie et al., 1979), der Abbau von Stärke zu einfacheren Zuckern (Römer, 1967), Veränderungen in der Farbe, einhergehend mit dem Chlorophyllabbau und der Entstehung von neuen Farbstoffen wie Carotinoiden und Anthocyanidinen (Knee und Tsantili, 1988), die Bildung von flüchtigen Aromastoffen (Song und Bangerth, 1996), die Erhöhung der Membranpermeabilität (Sacher, 1973) und die Veränderungen in der Atmungsaktivität (Reid et al., 1973) in Verbindung mit einer Zunahme der Glykolyserate sowie der ATP-Synthese (Rhodes, 1970; Solomos, 1983). Alle diese Vorgänge sind genetisch kontrolliert (Seymour et al., 1993), eingeleitet durch eine Zunahme der Proteinsynthese (Frenkel et al., 1968) und einhergehend mit Veränderungen in der Genexpression (Lay-Yee et al., 1990). Im Verlauf der Fruchtreife ist es sehr wichtig, den richtigen Termin für die Ernte zu finden, bei dem zum Einen die Früchte bereits soweit entwickelt sind, dass sie geschmacklich befriedigen und andernteils die Früchte noch eine genügend gute Haltbarkeit und Widerstandkraft gegenüber physiologischen Erkrankungen besitzen (Stoll et al., 1981; Streif, 1983; Bazhurjanu und Popushojj, 1988; Lau, 1988a;). Jede Frucht, die entweder zu früh oder zu spät geerntet wird, ist sensibler gegenüber physiologischen Störungen mit der möglichen Folge einer verkürzten Lagerzeit (Kader, 1999). Während z.B. Stippigkeit, Schalenbräune oder übermäßiges Schrumpfen bei zu früher Ernte verstärkt auftreten, werden besonders Fleischbräune, Kernhausbräune, Altersschalenbräune und die Empfindlichkeit gegenüber CO2, mit der Folge von inneren Fleischverbräunungen und Kavernenbildung, durch einen zu späten Erntetermin gefördert (Wilkinson und Fidler, 1973; Fukuda, 1984; Streif, 1985; Perring und Pearson, 1986; Polderdijk und van Schaik, 1990). Zur Bestimmung des optimalen Erntetermins wurden verschiedene Methoden vorgeschlagen, die die Veränderung von Reifeparametern berücksichtigen (Blanpied, 1974; Peereboom- Voller et al., 1987; Lau, 1988a; Kupferman, 1989; Kingston, 1993; de Jager und Roelofs, 1996). Für die Belange der Obstbaupraxis scheint dabei die von Streif (1989) vorgeschlagene Bestimmungsmethode, wobei die Fruchtfleischfestigkeit, der Stärkeabbau und der Gehalt an löslicher Trockensubstanz zu einem Index verrechnet werden, am geeignetsten zu sein (de Jager, 1993; DeLong et al., 1999).
  21. 21. Literaturübersicht 12 2.2.4 Mineralstoffversorgung Der Einfluss der Versorgung von Obstbäumen mit Mineralstoffen wurde vielfach untersucht, und deren große Bedeutung für die Fruchtqualität und Haltbarkeit bei und nach der Ernte ist allgemein anerkannt (Bramlage et al., 1980; Sharples, 1980). In dieser Arbeit soll jedoch nur auf den Einfluss von Calcium und besonders von Bor auf das Auftreten von lagerbedingten Fruchtfleischverbräunungen eingegangen werden. 2.2.4.1 Calcium und Fruchtgesundheit Für die Haltbarkeit von Kernobst und seine Widerstandsfähigkeit gegenüber physiologischen Erkrankungen hat Calcium von allen Mineralstoffen wohl die größte Bedeutung (Bangerth, 1979; Meheriuk und Sholberg, 1990). Mit steigendem Ca-Gehalt vermindert sich normalerweise das Auftreten der meisten physiologischen Erkrankungen. Ausreichend mit Calcium versorgte Früchte halten sich länger und sind gut transportfähig (Link, 1992a). Ca-behandelte Früchte haben höhere Fruchtfleischfestigkeit und höhere Ascorbinsäuregehalte (Bangerth et al., 1972; Poovaiah, 1986), höhere Chlorophyllgehalte (Poovaiah, 1993), geringere Atmungsintensität (Bangerth et al., 1972), geringere Ethylenbildung (Sams und Conway, 1984) und eine geringere Wasserabgaberate (Picchioni et al., 1994). Abbildung 4: Der Weg vom Ca-Mangel zu physiologischen Störungen in Früchten (nach Poovaiah, 1986) Calcium ist von essentieller Bedeutung für die Struktur und die Funktion von Zellwänden und vor allem für die Stabilität der Mittellamellen (Battey, 1990; Poovaiah, 1993). Bei geringer Ca-Versorgung ist die Membranstabilität vermindert und es kommt zum Ionenaustritt. Über Brückenbindungen von Ca mit Phosphat und Carboxylatgruppen sowie Phospholipiden und Proteinen werden die Membranen an den Membranoberflächen stabilisiert (Marschner, 1997). Calcium mangel Veränderte Zellwandstruktur Physiologische Störungen z. B. Stippigkeit bei Äpfeln, Fruchtendfäule bei Tomaten Verlust der Kompartimentierung Veränderung der Permeabilität der Membranen Zunahme der Mikroviskosität der Membranen Abnahme der Stabilität der Zellwand Calcium mangel Veränderte Zellwandstruktur Physiologische Störungen z. B. Stippigkeit bei Äpfeln, Fruchtendfäule bei Tomaten Verlust der Kompartimentierung Veränderung der Permeabilität der Membranen Zunahme der Mikroviskosität der Membranen Abnahme der Stabilität der Zellwand
  22. 22. Literaturübersicht 13 Die stabilere Membranstruktur bei gut mit Ca versorgten Zellen bedingt eine bessere Kompartimentierung und ist auch eine mögliche Erklärung für die verminderte Atmungsintensität und Ethylenbildungsrate (Bangerth et al., 1979). Nach Picchioni et al. (1996) soll Calcium auch an Membranreparaturmechanismen beteiligt sein, was sich bei Karotten in einer langsameren Alterung und einer Zunahme von Lipidkomponenten in den Membranen äußerte. In Abbildung 4 ist die Rolle von Calcium zur Aufrechterhaltung der Struktur und Integrität der Membranen zusammengefasst dargestellt. 2.2.4.2 Bor und Fruchtgesundheit Neben der Bedeutung von Bor für viele physiologische Prozesse interessiert in dieser Arbeit vor allem die Bedeutung des Mikronährstoffs Bor zur Verhinderung von CA-lagerbedingten Fruchtfleischverbräunungen. Bor ist ein essentieller Mikronährstoff mit vielfältigen Wirkungen auf das Wachstum und die Entwicklung höherer Pflanzen, was schon Warington (1923) nachweisen konnte. Seit dem sind viele Arbeiten über Bor-Mangelerscheinungen bei verschiedenen Pflanzenarten mit ihren Auswirkungen auf morphologische wie auch physiologische Veränderungen erschienen. Seit einigen Jahren hat sich der Schwerpunkt der Forschungsaktivität vor allem in Richtung der physiologisch-biochemischen Bedeutung von Bor verschoben, wie in Übersichtsartikeln von Dugger (1983), Marschner (1991), Goldbach (1997) sowie Römheld und Marschner (1997) dargestellt wird. Allerdings gibt es bisher keine Untersuchungen, die an Früchten die Wirkung von Bor zur Verbesserung der CA- Lagereignung untersucht haben. Wenn im Anschluss an Borbehandlungen der Einfluss auf das Lagerverhalten geprüft wurde, dann nur unter Kühllagerbedingungen, unter denen die genannten CA-Lagerschäden nicht auftreten (Zude et al., 1997; Wojcik et al., 1999a,b). In der obstbaulichen Praxis haben Borspritzungen nur zur Blüte oder in den ersten vier Wochen nach der Blüte zur Verbesserung des Fruchtansatzes und zur Verminderung von Schalenberostungen eine Bedeutung erlangt (Winter et al., 1992). Weitergehende Bor- Anwendungen zur Zeit des Fruchtwachstums bis vor der Ernte hatten keine besonderen positiven Auswirkungen auf den Ertrag und die Fruchtqualität (Granelli und Ughini, 1989; Lee und Kim, 1991; Peryea und Drake, 1991; Wojcik et al., 1999b) oder wurden hinsichtlich ihrer Wirkung auf eine verbesserte CA-Lagerstabilität bisher überhaupt noch nicht untersucht. Typische und schon länger beschriebene Symptome von Bormangel bei Apfel und Birne sind interne und externe Korkbildungen und die Entwicklung von kleinen deformierten Früchten (Carne, 1948; Shorrocks und Nicholson, 1980). Eine Literaturübersicht älterer Arbeiten über Verkorkungssymptome und Bor-Mangelerscheinungen bei Äpfeln ist von Faust und Shear (1968) erschienen. Auch wurden einige Arbeiten veröffentlicht, in denen nach Borbehandlung eine Wirkung auf die Ca-Aufnahme und die Beeinflussung von Ca-Mangelerscheinungen
  23. 23. Literaturübersicht 14 nachgewiesen werden konnte (Faust und Shear, 1968; Dixon et. al., 1973). Allerdings sind inzwischen mindestens genau so viele Arbeiten publiziert, die keinen Zusammenhang zwischen Ca und B fanden (Perring et al., 1985; Zude et al., 1997). Ein Überangebot an Bor kann nach Wilcox und Woodbridge (1942) sowie Marlow und Loescher (1984) zu einem verstärkten Befall mit Glasigkeit und Fleischbräune führen. Demzufolge empfehlen Perring und Samuelson (1988) zusätzliche Boranwendungen nur bei offensichtlichem Bormangel. Aus der langen Liste von möglichen physiologischen Wirkungen von Bor bei einer Reihe höherer Pflanzen, wobei aber bisher kaum Früchte untersucht wurden (Marschner, 1995: Blevins und Lukaszewski, 1998), wäre für Kernobstfrüchte und speziell für das Auftreten von CA-Lager bedingten Fruchtfleischverbräunungen die Rolle von Bor auf die Zellwandstruktur, auf die Integrität der Zellmembranen, auf den Phenolmetabolismus und auf reduzierend wirkende Inhaltsstoffe besonders interessant. Die Bedeutung von Bor für die Struktur der Zellwände sowie für deren Integrität beruht wahrscheinlich auf der Bildung von Bor-Pektin-Komplexen (Loomis und Durst, 1992; Cakmak et al., 1995; Hu et al., 1996; Marschner, 1997). Es wird angenommen, dass die morphologischen und physiologischen Änderungen, die durch Bormangel verursacht werden, weitgehend mit der Bildung von Komplexen zwischen Bor und Verbindungen mit cis- Hydroxyl-Gruppen (=Diolen) zu tun haben (Dugger, 1983; Römheld und Marschner, 1991; Shelp, 1993; Marschner, 1995). Solche Verbindungen sind die Pektinsubstanzen in den Zellwänden, die Glykoproteine und Glycolipide in den Plasmamembranen sowie o-Di- phenole. Diese Komplexbildungen wirken möglicherweise stabilisierend und strukturell Faktor, was für die Unversehrtheit und das Funktionieren der Membranen von Bedeutung ist. Das Komplexbildungsvermögen von Bor mit Diol-Gruppen begünstigt auch bei Apfel und Birne die schnelle Verlagerung von Bor aus den Blättern in die Früchte, denn bei vielen Rosaceen ist die wesentliche Assimilattransportform Sorbit (Hu et al., 1996). Dies steht im Gegensatz zu den meisten anderen Nutzpflanzen (Marschner, 1997). Bor hat auch einen direkten Einfluss auf das membrangebundene H+ ATPase-Pumpsystem und damit auf die Aufnahme und Abgabe von Ionen sowie auch von Mono- und Disacchariden (Goldbach, 1985). In Bormangel-Zellen ist diese Aktivität viel geringer und kann innerhalb kurzer Zeit (20-120 min) durch Borzugabe wieder normalisiert werden (Blaser-Grill et al., 1989). Auch für den strukturellen Aufbau von Zellwänden ist Bor durch die Pektin-Komplexbildung spezifischer Pektinfraktionen von entscheidender Bedeutung. Bei Bormangel sind die Zellwände dicker, weniger elastisch und unregelmäßiger aufgebaut (Hirsch und Torrey, 1980). Die Komplexbildung sorgt außerdem für negative Ladungen, wodurch Interaktionen
  24. 24. Literaturübersicht 15 mit Kationen z.B. Ca2+ möglich werden (Loomis und Durst, 1991). Calcium und Bor haben gewisse ähnliche Funktionen für den Aufbau von Zellwänden, wobei Bor jedoch weniger spezifisch und weniger fest an die Matrix der Zellwand gebunden zu sein scheint (Teasdale und Richards, 1990). Eine weitere Bedeutung von Bor, was direkt auch für das Entstehen von Fruchtfleisch- verbräunungen von Bedeutung sein könnte, ist das Komplexbildungsvermögen mit o-Diphenolen. Als Folge davon kommt es bei Bormangel zur Anreicherung von Phenolen in pflanzlichem Gewebe. Das Komplexbindungsvermögen von Bor mit den o-Diphenolen (z.B. Kaffeesäure) vermindert die Bildung von Quinonen und fördert dadurch die Synthese von Phenol-Alkoholen, den Ausgangssubstanzen für die Lignin-Biosynthese (Lewis, 1980). Bei Bormangel dagegen verschiebt sich der Substratfluss mehr in Richtung Pentose-Phosphat- Zyklus und damit in Richtung Phenolbiosynthese (Dugger,1983; Pilbeam und Kirkby, 1983). Bei der Anreicherung von Phenolen kommt es zur substratinduzierten Aktivierung von Polyphenoloxidase (Marschner, 1995) und zur Bildung von Quinonen, die bekanntermaßen stark zellschädigend sind und die Bildung toxischer O2-Spezies verursachen (Pillinger et al., 1994). Die Quinone polymerisieren nachfolgend zu braunen Pigmenten (Melanin). Auch in Fruchtgeweben (CoSetang und Lee, 1987; Macheix et al., 1991) erfolgen sichtbare Braunverfärbungen durch die Polymerisation von Quinonen und die Bindung an Proteine zu Melanin. Neben der Wirkung auf die Struktur und Funktion der Membranen soll Bor auch eine Wirkung auf das antioxidative Abwehrsystem der Zellen und somit auf den Schutz der Membranen besitzen. So nimmt nach Cakmak und Römheld (1997) und Lukaszewski und Blevins (1996) bei Sonnenblumen mit der Schwere der Bor-Mangelsymptome die Konzentration der Ascorbinsäure merklich ab. Die Abnahme der Ascorbinsäure geht dabei teilweise auf Kosten der reduzierten Form der Ascorbinsäure, während der Gehalt an Dehydro-Ascorbinsäure teilweise zunimmt. Daneben nehmen unter Bor-Mangel auch nicht- proteinhaltige SH-Verbindungen (Thiole), vor allem Glutathion, in Sonnenblumenblättern ab. Ascorbinsäure und SH-Verbindungen sind die hauptsächlichen Antioxidantien der Zellen und beteiligt an der Entgiftung von toxischen O2-Spezies (Cakmak, 1994; Foyer et al., 1994). Abhängig von der Höhe der Ascorbinsäure und der SH-Verbindungen vermindert sich als Reaktion auf Bormangel insbesondere die Glutathion-Reductase-Aktivität. Glutathion Reductase ist wesentlich für die Aufrechterhaltung einer hohen Konzentration von Glutathion und wird direkt beeinflusst durch die H2O2-Entgiftung (Foyer et al., 1994). Der Grund für die Abnahme der Glutathion-Reduktase-Aktivität bei Bormangel ist zur Zeit noch unklar. Von dem, was bisher zur Rolle von Bor auf die Zellwand-Biosynthese, auf den Phenol- Metabolismus und auf die Membran-Integrität bekannt ist, kann gefolgert werden, dass Bor vor allem auf die Zellwände, die Membranen und deren Zwischenbereiche wirkt. Bormangel
  25. 25. Literaturübersicht 16 verursacht primär Veränderungen in diesem Bereich und kann nachfolgend zu einer Reihe von Sekundärwirkungen führen. 2.3 Einfluss von Lager-Bedingungen auf die Qualität und Haltbarkeit Wie schon eingangs kurz erwähnt ist CA-Lagerung eine hervorragende Möglichkeit zur Frischhaltung von Kernobst. Entscheidend für den Lagererfolg sind dabei die Schnelligkeit der Einstellung der Lagerbedingungen, die Lagerbedingungen selbst (Temperatur, Luftfeuchte, Gaszusammensetzung) und die Lagerdauer (Stoll, 1970; Fidler et al., 1973a). In dieser Literaturübersicht soll vor allem auf die Auswirkung der Temperatur und des verminderten O2- bzw. erhöhten CO2- Gehalts auf einige fruchtphysiologische Vorgänge und damit zusammenhängende Schäden eingegangen werden. 2.3.1 Lagertemperatur Zu niedrige Lagertemperatur kann bei empfindlichen Sorten zu Kälteschäden führen, die sich als Kältefleischbräune, diffuse Fleischverbräunung oder Kernhausbräune manifestieren (Lidster et al., 1999). Die Empfindlichkeit gegenüber diesen Erkrankungen wird bei Früchten unter CA-Bedingungen gegenüber in Luft gelagerten erhöht, wie dies Wilkinson und Fidler (1973) und Sharples und Johnson (1987) an ‚McIntosh’ bzw. ‚Cox Orange’ Äpfeln zeigen konnten. Bei stark verminderten Stoffwechselumsatz im Fruchtgewebe unter CA- Bedingungen soll es zu einem zu geringen ’turnover’ von Phospholipiden in den Zell- membranen kommen, was die Temperaturempfindlichkeit des Gewebes erhöhen soll (Bartley, 1985a). Aus diesem Grund werden für Äpfel im CA-Lager um 0.5 bis 3 °C höhere Temperaturen empfohlen als bei in Luft gelagerten (Dewey und Bourne, 1982). Dies scheint nach kühlen Wachstumsperioden mit einer höheren Kälteempfindlichkeit besonders wichtig zu sein (Sharples, 1982). Wegen der großen Bedeutung von tiefen Temperaturen zur Verlangsamung der Alterung und des Weichwerdens von Früchten sollte die Lagertemperatur so tief wie gerade noch für die Früchte verträglich eingestellt werden (Harker et al., 1997). 2.3.2 CO2 und O2 in der Lageratmosphäre Bereits 1925 haben Kidd und West erste Untersuchungen zum Einfluss des CO2- bzw. O2- Gehalts in der Lageratmosphäre auf die Fruchtatmung und andere Stoffwechselabläufe bei Apfel und Birne durchgeführt.
  26. 26. Literaturübersicht 17 2.3.2.1 Atmung und ’Energiezustand’ der Früchte Die Atmung liefert die für die Aufrechterhaltung biochemischer Prozesse notwendige Energie. Es ist vielfach nachgewiesen worden, dass wenig O2 oder viel CO2 bei frischen Früchten die Respiration wie auch den klimakterischen Anstieg verringern (Claypool und Allen, 1948; Biale, 1960; Fidler und North, 1967). Die verminderte Respiration lässt sich vor allem auf die Beeinflussung der unter aeroben Bedingungen ablaufenden Glykolyse, des Tricarbonsäure-Zyklus (TCA) und der mitochondrialen Atmungskette zurückführen. Die Hemmung durch fallende O2-Konzentrationen beginnt erst im Bereich um 10% und erreicht die maximale Wirkung ohne schädliche Auswirkungen für die Früchte bei etwa 1% (Streif, 1992; Saquet und Streif, 2001). Nach Solomos (1982) soll die Abnahme der Atmung bei fallenden O2-Konzentrationen durch eine Aktivitätsverminderung von Oxidasen wie z.B. Polyphenol-Oxidasen, Glycolsäure- Oxidase, Ascorbinsäure-Oxidase verursacht werden, die eine wesentlich geringere Affinität gegenüber O2 als die Cytochrom-Oxidase aufweisen und daher bereits bei Konzentrationen <10% O2 an Aktivität einbüßen (Burton, 1974; Knee, 1980). Auch im TCA-Zyklus kann durch O2-Mangel eine Aktivitätsminderung von einigen beteiligten Enzymen verursacht werden, wie McGlasson und Wills (1972) bei Bananen zeigen konnten. Höhere CO2-Konzentrationen verändern die Aktivitäten von spezifischen Enzymen im Atmungsstoffwechsel der Früchte (Kerbel et al., 1988; Dostal-Lange und Kader, 1994) und können eine Entkopplungswirkung auf die oxidative Phosphorylierung aufweisen (Bendall et al., 1960; Kader, 1986; Ke et al., 1994). Nach Shipway und Bramlage (1973) hemmen hohe CO2-Konzentrationen die Aktivität der Mitochondrien. Sie fanden unter hohem CO2 eine verminderte Oxidation von einigen am TCA-Zyklus beteiligten organischen Säuren wie z.B. Citrat, a-Ketoglutarat, Succinat, Fumarat und Pyruvat. Die Oxidation von Malat wurde jedoch erhöht. Die breite Wirkung von CO2 lässt vermuten, dass CO2 möglicherweise strukturelle Änderungen in den Mitochondrien bewirken kann (Shipway und Bramlage, 1973). Dagegen fanden Kader (1986) und Wang (1990) eine spezifische Hemmwirkung auf einige Enzyme im Atmungsstoffwechsel der Früchte. Das Enzym Succinat-Dehydrogenase erfährt durch hohe CO2-Konzentrationen eine besondere Hemmung, wodurch es zu einer Anreicherung von toxischem Succinat in den Zellen kommen kann (Knee, 1973; Monning, 1983; Mathooko, 1996b). Um eine Umschaltung von aerober zu anaerober Atmung zu vermeiden, was zu einer totalen Hemmung des TCA-Zykluses führen könnte, darf ein O2-Minimalwert von ca. 0,5-1% nicht unterschritten werden (Jameson, 1993). Pyruvat, als Endprodukt der Glykolyse, wird unter aeroben Bedingungen im TCA-Zyklus abgebaut oder bei Sauerstoffmangel (anaerobe
  27. 27. Literaturübersicht 18 Bedingungen) im Gärungsstoffwechsel durch das Enzym Pyruvat-Decarboxylase zu Acetaldehyd decarboxyliert. Dieses kann durch das Enzym Alkohol-Dehydrogenase weiter zu Ethanol reduziert werden. Alternativ dazu kann auch Pyruvat direkt zu Lactat reduziert werden (Ke et al., 1995). Dadurch wird weiterhin etwas ATP gebildet, was das Überleben des Pflanzengewebes für eine gewisse Zeit ermöglicht (Kader, 1986; Herner, 1987). Der oxidative Pentose-Phosphat-Zyklus (PPC) stellt einen Nebenweg der Atmung dar, der weniger der Freisetzung von Energie dient als mehr zur Produktion verschiedener Zucker, z.B. Pentosen für synthetische Zwecke und zur Bereitstellung von Reduktionsäquivalenten für die Fettsäuresynthese (Schopfer und Brennicke, 1999). Außerdem können in Früchten organische Säuren, z.B. die Äpfelsäure in den Vakuolen der Fruchtzellen direkt als Atmungssubstrat verwendet werden. Dabei wird Malat durch das Malatenzym direkt zu Pyruvat unter Bildung von NADPH decarboxyliert. Umgekehrt kann bei viel CO2 dieses zusammen mit Pyruvat unter Mithilfe des ‚Malic Enzyme’ zu Äpfelsäure fixiert werden (Young und Biale, 1967). Der Respirations-Quotient (RQ) gibt das Verhältnis von CO2-Abgabe und O2-Aufnahme an. Die Höhe des Quotientes zeigt an, welches Substrat vorrangig veratmet wird. Mit der Reife und Seneszenz der meisten Früchte nimmt der RQ zu (Kays, 1991). Diese Zunahme zeigt einen steigenden Verbrauch als Substrat für Atmung an organischen Säuren gegenüber Kohlen-hydraten oder Fettsäuren. Organische Säuren haben mehr O2 je Kohlenstoffatom als Zucker und Zucker mehr als Fettsäuren. Deshalb verbrauchen sie weniger O2 für die Produktion von CO2. Bei der kompletten Oxidation von Glukose ist RQ=1, für Malat jedoch beträgt RQ=1,3 (Wills et al., 1998). Mit der Seneszenz nimmt die oxidative Dekarboxylierung zu (Neal und Hulme, 1958). Bei CA-Bedingungen mit viel CO2 und wenig O2 oder viel CO2 allein wird der RQ gesenkt (Fidler, 1950; Fidler und North, 1967). Eine Erklärung dafür könnte die CO2-Fixierung in organische Säuren sein (Wang, 1990). Auch ist der RQ- Rückgang ein Zeichen für eine Reife- und Seneszenz-Verzögerung und eine Verminderung des Abbaus organischer Säuren im CA-Lager. 2.3.2.2 Ethylenbildung und Ethylenwirkung Da Sauerstoff an der Ethylensynthese beteiligt ist, führt eine Verminderung der O2- Konzentration ab etwa 8% zu einem Rückgang der Ethylenbildung (Kader, 1985b). Bei 1% O2 ist die Ethylenbildung nahezu völlig gehemmt (Burg und Burg, 1967; Bufler, 1986). Unter anaeroben Bedingungen finden zwar die ersten Syntheseschritte von Methionin zu 1-Amino- cyclopropan-1-carboxylsäure (ACC) noch statt. Da die weitere Umwandlung dieser Vorstufe
  28. 28. Literaturübersicht 19 zu Ethylen aber O2-abhängig ist, führt dies zur Anreicherung von ACC im Gewebe (Yang, 1985). Die grundlegenden Reaktionen der an der Biosynthese von Ethylen beteiligten Enzyme sind folgende (Lieberman, 1979): Methionin SAM ACC Ethylen SAM-Synthetase ACC-Synthase ACC-Oxidase Der Hemmeffekt niedriger O2-Konzentrationen auf die Ethylenbiosynthese kann durch zusätzliche Erhöhung der CO2 Konzentration verstärkt werden (Bufler und Streif, 1986). Hohe CO2-Konzentrationen hemmen zwar die Ethylenproduktion der Apfelfrüchte, führen aber nicht zu einer Akkumulation von ACC (Li et al., 1983). Dies deutet darauf hin, dass CO2 sowohl die Bildung von ACC aus SAM wie auch die Umwandlung von ACC zu Ethylen hemmen kann. Die Hemmwirkung kann aber durch höhere exogene Ethylenkonzentrationen überwunden werden (Bufler, 1986; Tan, 1999). Die Umsetzung von ACC zu Ethylen durch ACC-Oxidase wird durch viel CO2 teilweise gehemmt (Li et al., 1983), andereseits kann in vivo jedoch auch eine Aktivitätssteigerung bei Anwesenheit von CO2 festgestellt werden (Bufler, 1984; Plich, 1987a, b). Burg und Burg (1969) postulierten, dass CO2 mit Ethylen um eine Bindungsstelle an einem metallhaltigen Rezeptor, der nur Ethylen binden kann, konkurriert. Auch Bangerth (1984) und Brackmann (1990) vermuten, dass bei Langzeitlagerung unter CA-Bedingungen Ethylenrezeptoren verändert oder abgebaut werden, so dass z.B. der Effekt von Ethylen auf die Aromabildung immer geringer wird. Allgemein kann festgestellt werden, dass unter CA-Bedingungen die Wirkung von Ethylen stärker durch hohen CO2- als durch niedrigen O2-Gehalt eingeschränkt wird (Burg und Burg, 1965; Kader, 1985a; Mathooko, 1996a). 2.3.2.3 Fruchtreife und Membranveränderungen Eine allgemeine Erscheinung bei der Reife und Alterung von pflanzlichem Gewebe ist die Zunahme der Membranpermeabilität, was sich in einer erhöhten Ionen-Durchlässigkeit äußert (Thompson, 1988; Stanley, 1991). Auch in reifenden Früchten nimmt die Leitfähigkeit der Membranen zu, obwohl die Struktur der Membrane intakt bleibt (Brady, 1987; Harker und Maindonald, 1994). Diese Veränderungen im Verlauf der Reife dürften das organoleptische Empfinden für die Textur und Saftigkeit einer Frucht wesentlich beeinflussen. Lipidmembranen sind Barrieren zwischen intrazellulären und extrazellulären Bereichen sowie die Abgrenzungen verschiedener Kompartimente in der Pflanzenzelle. So ist z.B. der
  29. 29. Literaturübersicht 20 Transport von Zellwandmaterial und Enzymen durch die Plasmamembranen entscheidend für den Auf- und Abbau der Zellwände (Harker et al., 1997). Die Grundbausteine von Biomembranen sind Lipide und Proteine. Die meisten Lipide sind bifunktionelle Moleküle, die einen hydrophilen und einen hydrophoben Teil besitzen und so als Permeabilitätsbarriere gegen wasserlösliche Moleküle dienen (Schopfer und Brennicke, 1999). Pflanzenmembranen sind reich an gesättigten Fettsäuren wie Palmitinsäure (C16:0) und Stearinsäure (C18:0) sowie an ungesättigten Fettsäuren wie Ölsäure (C18:1), Linolsäure (18:2) und Linolensäure (18:3), die mit Glycerolipiden und Phospholipiden verestert sind (Stanley, 1991; Leshem, 1992). Die genannten fünf Fettsäuren machen mehr als 90% der Acyl-Ketten in nahezu allen Pflanzenmembranen aus (Ohlrogge und Browse, 1995). Die Zusammensetzung der Membranlipide und der Anteil ungesättigter Fettsäuren beeinflusst die Fluidität der Membranen (Kates et al., 1984; Cossins, 1994), die für die Funktion und die Stabilität verantwortlich ist (Leshem, 1992). Während des Respirationsanstieges erfolgt eine Aktivitätssteigerung im Lipid- Synthesesystem und eine Anreicherung von freien und veresterten Fettsäuren in der Frucht- schale (Meigh et al, 1967), wobei vor allem die ungesättigten Fettsäuren stärker zunehmen (Neubeller, 1963). Während der Reife nimmt der Sterolgehalt in den alternden Membranen von Äpfeln entweder zu (Lurie und Ben-Arie, 1983) oder bleibt konstant (Wade et al. 1980; Itzhaki et al., 1989), während die polaren Phospholipide deutlich abnehmen (Paliyath und Droillard, 1992), was die Mikroviskosität der Membranen und damit die Ionen- durchlässigkeit erhöhen soll (Lurie et al., 1987). Man kann feststellen, dass sich die Membranlipide als Regulatoren metabolischer Prozesse in einem dynamischen Zustand befinden, in dem Synthese, Transfer und Metabolismus gleichzeitig ablaufen können (Galliard, 1975). Außer bei Äpfeln wurden ähnliche Änderungen bei den Lipiden anderer Früchte, z.B. auch bei Tomaten (Cote et al., 1993) und Papayas (Chan, 1991), festgestellt. Die während der Fruchtreife synthetisierten Fettsäuren werden nicht nur in Glyceride, Phophoglyceride und Wachse eingebaut, sondern bilden auch die Vorstufen für flüchtige und nichtflüchtige Aromastoffe (Drawert et al., 1973). 2.3.2.4 Lipide und Fettsäuren und deren Abbau Pflanzen-Lipide bestehen aus einer Vielzahl verschiedener Verbindungen wie neutrale Lipide, Phospholipide, Glykolipide, Wachse und Sterole. Neutrale Lipide sind vor allem Kohlenstoff- Speicher. Phospholipide und Gylkolipide sind in erster Linie Bestandteile der Zellmebranen.
  30. 30. Literaturübersicht 21 Der Abbau von Lipiden ist eine natürliche Folge des Zellstoffwechsels (Winston, 1990; Schaich, 1992) und wird verstärkt auch beim Altern und in Verbindung mit dem Auftreten von physiologischen Erkrankungen beobachtet (Shewfelt und Erickson, 1991). Abbildung 5: Abbau von Membran-Lipiden und Fettsäuren (stark vereinfacht nach Kays 1991) Der Lipidabbau in den Membranen: Die verschiedenen Lipide, das sind bei Membranen vor allem Phospholipide und Glycolipide, unterliegen spezifischen Abbauprozessen (siehe Abbildung 5). Bei den Glycolipiden, wovon die Galactolipide den Hauptanteil ausmachen, werden in mehrfachen Schritten die Acylreste (Fettsäuren) der Lipide über spezielle Hydrolasen (Lipasen) gespalten (Galliard, 1975). Eine entsprechende Abtrennung erfolgt bei den Phospholipiden über spezifische Phospholipasen, von denen es insgesamt vier verschiedene Typen gibt, je nachdem welche Verbindung gelöst werden soll (Mazliak, 1970) (siehe Abbildung 5). Neben diesem enzymatischen Abbau von Lipiden ist die Membran-Lipide CO2+H2O + Energie Phopholipasen α- Oxi- dation Fettsäuren (gesättigt, ungesättigt) Glycolipide (Galactolipide)Phospholipide Acetyl-CoA Lipid- Hydroperoxide ß-Oxi- dation Dialdyhyde (TBARS) Ethan Substrate für Sekundär- Stoffwechsel Acyl-Hydrolasen TCA 1O2 O2 - H2O2 CO2+H2O + Energie +Aroma Lipid- Peroxyl α- Tocopherolω- oder Innenketten- Oxidation Lipoxygenase (LOX) Aroma Lipoxygenase (LOX) Membran-Lipide CO2+H2O + Energie Phopholipasen α- Oxi- dation Fettsäuren (gesättigt, ungesättigt) Glycolipide (Galactolipide)Phospholipide Acetyl-CoA Lipid- Hydroperoxide ß-Oxi- dation Dialdyhyde (TBARS) Ethan Substrate für Sekundär- Stoffwechsel Acyl-Hydrolasen TCATCA 1O2 O2 - H2O2 1O2 O2 - H2O2 CO2+H2O + Energie +Aroma Lipid- Peroxyl α- Tocopherolω- oder Innenketten- Oxidation Lipoxygenase (LOX) Aroma Lipoxygenase (LOX)
  31. 31. Literaturübersicht 22 Lipidperoxidation eine von vielen Reaktionen, die durch reaktive Sauerstoffspezies (‚freie Radikale’) ausgelöst wird. Die Peroxidationsreaktionen unterscheiden sich je nach Anzahl und Position der Doppelbindungen in der Acylkette (Frankel, 1985), wobei durch die Entstehung weiterer reaktiver Radikale (Lipid-Peroxyl) eine Art Kettenreaktion in Gang kommt (Winston, 1990). Das entstandene Lipid-Peroxyl-Radikal wird meist schnell durch die Wirkung von α-Tocopherol oder einem anderen H+ -Donator in ein Lipid-Hydroperoxid reduziert (Buettner, 1993), wobei seinerseits das dabei entstehende stabilere Tocopheroxyl-Radical im Ascorbin- säure-Zyklus entschärft wird. Lipid-Hydroperoxide können die hydrophilen Eigenschaften erhöhen und so die Membranfunktion abschwächen (Frenkel, 1991). Unter den Abbauprodukten der Lipid-Hydroperoxyde sind sogenannte Thiobarbitursäure- reaktive Substanzen (TBARS) wie Aldehyde (Malondialdehyd) und Ketone. Aber auch Kohlenwasserstoffe, z.B. Ethan und auch Ethylen, können als Endprodukte der Lipid- peroxidation festgestellt werden (Kunert und Dodge, 1989; Winston, 1990). Für jede Lipidperoxidations-Reaktion innerhalb der Zellen gibt es jedoch pflanzeneigene antioxidative Mechanismen, die die Lipid-Peroxidation verhindern können (siehe dazu Kapital 2.4.). Der Abbau der Fettsäuren in Pflanzen läuft über mindestens vier Stoffwechselwege ab und zwar über die ß-Oxidation, die α-Oxidation, die ω-Oxidation, die Innenketten-Oxidation und den Lipoxygenase-(LOX)-Stoffwechselweg (Abbildung 5). Dabei dürfte der wichtigste Abbauweg die ß-Oxidation sein (Kays, 1991). α- und ß-Oxidation erfolgen durch Entfernung einer bzw. zweier Kohlenhydrat-Einheiten vom Carboxyl-Ende der Fettsäurekohlen- stoffkette. Die ß-Oxidation läuft über mehrere Schritte unter Einbeziehung eines Acyl- Thioesters und resultiert in einem letzten Schritt in der Bildung von Acetyl-CoA, das im TCA-Zyklus seine Energie frei gibt (Shine und Stumpf, 1974). Durch die α-Oxidation können freie Fettsäuren direkt zu CO2, H2O und Energie abgebaut werden. Dieser Abbauweg soll aber nur wenig Bedeutung haben, nicht zuletzt wegen seiner schlechten Energieausnutzung. Er kann aber unter extremen Situationen wie bei Gewebe- verletzungen stärker in den Vordergrund treten, wo der anfängliche Respirationsanstieg möglicherweise auf die α-Oxidation von Fettsäuren zurückzuführen ist (Gerhardt, 1993). ω-Oxidation resultiert durch Oxidation des Methyl-Endes des Fettsäuremoleküls. Die Innenketten-Oxidation und ω-Oxidation von Fettsäuren erzeugt Hydroxyl-, Oxo- und Epoxy- Derivate und ist beteiligt bei der Bildung polyfunktionaler Fettsäuren, die Bestandteile von Oberflächen Lipid Polymeren sind (wie z.B. Kutin und Suberin). Die ω-Oxidation und Innen- Ketten-Oxidation sind daher eher biosynthetische als katabolische Vorgänge und dienen der Lieferung von Substraten für den Sekundärstoffwechsel (Harwood, 1989).
  32. 32. Literaturübersicht 23 Eine weitere wichtige Möglichkeit des oxidativen Abbaus von mehrfach ungesättigten Fettsäuren ist die direkt Inkorporation von Sauerstoff mit Hilfe der Lipoxygenase (LOX). Die Einführung von Sauerstoff erfolgt dabei vornehmlich entweder am C-9 oder am C-13 Atom der Linol- oder Linolen-Säure (Grosch et al., 1977). Die aus dieser Reaktion entstandenen Fettsäure-Hydroperoxide werden vornehmlich weiter umgesetzt, wie bereits zuvor unter Lipidabbau beschrieben und in Abbildung 5 dargestellt wurde. Hydroperoxid-Lyase kata- lysiert die Spaltung der Fettsäurehydroperoxide in Aldehyd und Oxosäurefragmente (Vick, 1993). Das 13- und 9-Hydroperoxid der Linol oder Linolensäure dient als Substrat für das Enzym. Birnen sind ein Beispiel dafür, dass nur das 9-Hydroperoxid-Isomer ein brauchbares Substrat für die Hydroperoxid-Lyase darstellt (Tressl und Drawert, 1973; Kim und Grosch 1981). Die flüchtigen Aldehyde, entstanden durch die Hydroperoxid-Lyase, sind wichtige Bestandteile des charakteristischen Aromas und Geruches vieler Früchte und Gemüse. Der oxidative LOX Stoffwechselweg läuft nicht nur als katabolische Reaktion in alterndem Pflanzengewebe ab, sondern kann auch in jungem, gesunden Pflanzengewebe zur Vermittlung von Substraten für Biosynthesen dienen (Vick, 1993). LOX kann zahlreiche polyungesättigte Fettsäure oder Fettsäure enthaltende Moleküle (vor allem Linolsäue oder Linolsäure enthaltende Moleküle) angreifen, das bedeutet, dass die LOX-Aktivität durch Kompar- timentierung (Elstner, 1991) und durch Erhaltung der Fettsäuren in veresterter Form (Hildebrand, 1989) kontrolliert werden kann. Wu et al. (1999) beobachteten bei Pfirsichen bei 20 °C die höchste Aktivität von LOX etwa 2- 3 Tage vor dem Maximum der Ethylenproduktion. Wenn die Früchte bei 5°C gelagert wurden, war die LOX Aktivität und Ethylenproduktion deutlich verringert und das Weichwerden der Früchte verzögert. Bei reich mit Ca und/oder P versorgten Äpfeln wurde eine niedrigere Aktivität von LOX im Vergleich zu besser mit K und/oder Mg versorgten Früchten gemessen. Bei letzteren traten auch mehr physiologische Störungen (Stippigkeit, Fleischbräune) während der Lagerung auf (Marcelle, 1991). 2.4 Das fruchteigene zelluläre Abwehrsystem Früchte sind einer Vielzahl von Faktoren ausgesetzt, die Auslöser für oxidativen Stress darstellen können (Scandalios, 1993; McKersie und Leshem, 1994). In Stresssituationen, wie dies z.B. auch unter extremen Lagerbedingungen der Fall sein kann, entstehen vermehrt reaktive Sauerstoffspezies (ROS), die, wenn die Kapazität der Abwehrmechanismen überschritten wird, zu einer Schädigung von Pflanzeninhaltsstoffen wie z. B. ungesättigten Fettsäuren, Aminosäuren oder Nukleinsäuren führen können (Scandalios, 1993), Zu diesen reaktiven Sauerstoffverbindungen gehören das Superoxid-Anion (O2 - ) das Wasserstoffperoxid (H2O2), das Hydroxyl-Radikal (OH· ) und Singulett-Sauerstoff (1 O2) sowie
  33. 33. Literaturübersicht 24 Hydroperoxyl (HOO. ), Peroxyl (ROO. ) und Alkoxyl (RO. ) Radikale und Lipidhydroperoxide (ROOH). Die Toxizität der ROS beruht auf deren Fähigkeit Kettenreaktionen auszulösen, die zur Bildung von weiteren ROS und zu den Schädigungen an Proteinen, Lipiden führen können und schließlich das Absterben von Zellen verursachen (Elstner, 1987). Die Organismen haben daher antioxidative Abwehrmechanismen entwickelt, mit denen sie die freien Radikale entschärfen können, sei es durch enzymatische wie nichtenzymatische Strategien. Zum pflanzeneigenen Abwehrsystem gehören neben den Enzymen Superoxid-Dismutase (SOD), Katalase (CAT) und Peroxidase auch nichtenzymatisch wirkende Substanzgruppen mit den Vitaminen A, C und E sowie dem Glutathion. Auch Phenole können zur fruchteigenen Stressabwehr beitragen (Larson, 1988). 2.4.1 Enzymatische Stressabwehr Superoxid-Dismutase (SOD) (EC 1.15. 1. 1.) hat wegen seiner weiten Verbreitung in allen aerobisch lebenden Organismen und in den meisten subzellulären Strukturen der Zellen eine zentrale Bedeutung bei der oxidativen Stressabwehr (Beyer et al., 1991). SOD katalysiert die Disproportionierung von zwei Superoxid-Radikalen zu Wasserstoff-Peroxid und Sauerstoff. 2O2 · + 2H+ H2O2 + O2 Dabei wird ein Superoxid-Radikal eliminiert, wobei jedoch gleichzeitig ein reaktives Wasserstoffperoxid entsteht. Es gibt drei verschiedene SOD-Typen (Cu/Zn-SOD, Mn-SOD, Fe-SOD), die sich aufgrund ihres metallischen Co-Faktors unterscheiden (Bannister et al., 1987). Katalasen (CAT) (EC 1. 11. 1. 6.) können Wasserstoffperoxid aus den Zellen durch Bildung von Wasser und molekularem Sauerstoff entfernen. Sie katalysieren nachfolgende Reaktion (Butt, 1980): H2O2 + H2O2 2H2O + O2 Zusammen mit SOD kann CAT zwei reaktive Sauerstoffspezies, nämlich Superoxid und Wasserstoffperoxid in den Zellen deaktivieren (Scandalios, 1993). Damit sind sie in der Lage, die Entstehung des aus Superoxid und Wasserstoffperoxid äußerst reaktiven Hydroxyl- Radikals (OH· ) zu verhindern und die Zellen vor oxidativen Schädigungen zu bewahren (Schmitz, 1997). SOD CAT
  34. 34. Literaturübersicht 25 Peroxidasen ermöglichen die Oxidation von Substraten durch Wasserstoffperoxid, wobei im Gegensatz zu Katalasen ein H+ -Donor notwendig ist (Butt, 1980). Dabei wird das Substrat oxidiert und zusätzlich entsteht Wasser. Neben Peroxidasen, die substratunspezifisch wirken, ist z.B. die Ascorbat-Peroxidase (APX) (EC 1.11.1.11.) ein wichtiges Enzym im Ascorbat- Dehydroascorbat-Zyklus, lokalisiert in den Chloroplasten und im Cytosol höherer Pflanzen (Asada, 1992) und verantwortlich für die Beseitigung von Wasserstoffperoxyd: Ascorbat + H2O2 Monodehydroascorbat + 2 H2O Diese Reaktion stellt auch den ersten Schritt im Ascorbat-Glutathion-Zyklus dar (siehe nächstes Kapitel). Die Funktion der Peroxidasen besteht jedoch nicht nur in der Abwehr von H2O2. Peroxidasen können auch an synthetischen Prozessen wie der Ligninbildung beteiligt sein. 2.4.2 Nichtenzymatische Stressabwehr In dieser Literaturübersicht werden nicht alle antioxidativ wirkenden Substanzen der Stress- abwehr dargestellt, sondern nur diejenigen, die auch im praktischen Teil der Arbeit untersucht wurden. Die Ascorbinsäure (AS) ist in Pflanzen an vielfältigen physiologischen Prozessen beteiligt. AS in Pflanzen funktioniert als Enzym-Kofaktor, Radikalfänger und als Donor/Akzeptor beim Elektronentransport entweder in der Plasmamembran oder in den Chloroplasten. Auch soll AS in Pflanzen als Substrat für Synthese von Oxalat und Tartrat dienen (Foyer et al., 1991; Diplock et al., 1998; Noctor und Foyer, 1998; Davey et al., 2000). AS kann enzymatisch und nichtenzymatisch auf schädliche ROS einwirken, wobei AS im Gegensatz zu anderen Antioxidantien wie z.B. α-Tocopherol, Carotinoide auch in der Lage ist, Kettenreaktionen bei der Radikalentstehung durch Bildung von nicht-toxischen und nicht- radikalen Produkten zu beenden. Das sind die Dehydro-Ascorbinsäure und die 2,3-Diketo- Gulonsäure (Winston, 1990). Tatsächlich scheint die wichtigste Eigenschaft der AS bei ihrer antioxidativen Aktivität die Regeneration des bei der Entschärfung von Lipidradikalen entstehenden α-Tocopheroxyl- Radikals zu α-Tocopherol zu sein (Foyer, 1993). So wurde festgestellt, dass α-Tocopherol nur in Anwesenheit von Ascorbinsäure effizient als Radikalkettenbrecher funktioniert. Wenn der Vorrat an Ascorbinsäure abnimmt, weil die Regenerationsmöglichkeiten für oxidiertes Ascorbat erschöpft sind, wird auch α-Tocopherol sehr schnell oxidiert und abgebaut. Tocopheroxyl-Radikal + Ascorbat α-Tocopherol + Monodehydro-Ascorbat APX
  35. 35. Literaturübersicht 26 Der Ascorbat-Glutathion-Zyklus (Abbildung 6) ist ein Kreislauf in dem Ascorbinsäure und Glutathion zusammen als Elektronen-’carrier’ dienen und so immer wieder in die reduzierte Form zurückgebracht werden. Dabei wird letztlich Wasserstoffperoxid durch die Ascorbat- Peroxidase (APX) zu Wasser reduziert (Foyer, 1993). Diese bereits im vorigen Kapitel (Kapitel 2.4.1) beschriebene Reaktion ist der erste Schritt im Ascorbat-Glutathion-Zyklus. Das durch APX gebildete Monodehydroascorbat (MDHA) kann sowohl nicht-enzymatisch zu Ascorbinsäure und Dehydroascorbat disproportioniert werden oder auch enzymatisch durch die NAD(P)H-abhängige Monodehydroascorbat-Reduktase (MDHAR) zu Ascorbinsäure reduziert werden. Das bei der Disproportionierung gebildete Dehydroascorbat (DHA) wird weiter mit Hilfe von reduziertem Glutathion (GSH) und der Dehydroascorbat-Reduktase (DHAR) wieder zu Ascorbinsäure regeneriert. Das oxidierte Glutathion (GSSG) wird im letzten Schritt durch die Glutathion-Reduktase (GR) zurück in die reduzierte Form gebracht. Allerdings kann DHA auch durch weitere Oxidation zu 2,3-Diketo-Gulonsäure aus dem Zyklus ausscheiden (Loewus und Loewus, 1987; Noctor und Foyer, 1998). Abbildung 6: Der Ascobat-Glutathion-Zyklus (verändert nach Noctor und Foyer, 1998) Aufgrund dieses Kreislaufs kann die Ascorbinsäure zum größten Teil in ihrer wirksamen reduzierten Form gehalten werden. Der Zyklus findet sowohl in den Chloroplasten als auch im Cytosol statt, und es besteht die Möglichkeit des Transports von Ascorbinsäure und den reduzierten Äquivalenten zwischen den Kompartimenten (Foyer, 1993). Glutathion (GSH) ist ein Tripeptid (Glutamat-Cystein-Glycin), dessen antioxidative Funktion durch die Sulfhydryl-Gruppe des Cysteins ermöglicht wird (McKersie und Leshem, 1994). GSH kann auf vielerlei Arten als Antioxidant wirken. Es kann chemisch mit dem Singulett- Sauerstoff (1 O2) , dem Superoxid-Anion (O2 - ) und dem Hydroxyl-Radikal (OH· ) reagieren. Eine Schutzfunktion für die Membranstruktur besitzt es durch die Beseitigung von Acyl- Peroxiden (Price et al., 1990). Und, wie schon im voraus gegangenen Kapitel beschrieben, ist GSH das Reduktionsmittel für die Ascorbinsäure von ihrer oxidierten in die reduzierte Form AS NADPH+H+ NADP+ GR DHAR 2 GSH GSSG DHA MDHA H2O2 H2O NADPH+H+ NADP+ APXMDHAR 2,3-Diketo- Gulonsäure AS NADPH+H+ NADP+ GR DHAR 2 GSH GSSG DHA MDHA H2O2 H2O NADPH+H+ NADP+ APXMDHAR 2,3-Diketo- Gulonsäure
  36. 36. Literaturübersicht 27 unter der Mitwirkung von Dehydro-Ascorbinsäure-Reduktase (Loewus, 1988). Nach Foyer und Halliwell (1976) kann die Reduktion der Dehydro-Ascorbinsäure durch GSH auch nicht- enzymatisch bei pH >7 und GSH Konzentrationen > 1 mM besonders in den Chloroplasten erfolgen. Die Reduktion von GSSG zu GSH wird durch das Enzyme Glutathione-Reduktase (GR) katalysiert. Für diese Reaktion wird NADPH2 oxidiert (Asada, 1992) (Abbildung 6). Das Verhalten der Ascorbinsäure in Früchten unter dem Einfluss von Vor- und Nachernte- faktoren wird in einer Zusammenfassung von Lee und Kader (2000) beschrieben. Neben dem Sorten- und Belichtungseinfluss (Harris, 1975) ist vor allem der Reifezustand bei der Ernte von Bedeutung. Allerdings ist zwischen den verschiedenen Fruchtarten kein einheitliches Verhalten zu erkennen. So haben Pfirsiche ihren höchsten AS-Gehalt im vollreifen Zustand, während der höchste Gehalt bei Äpfeln bereits bei halber Fruchtreife erreicht war (Lee und Kader, 2000). Allerdings kann diese Aussage nach Angaben von Chennan und Streif (2002) nicht generell für alle Apfelsorten gelten. Der Gehalt an Ascorbinsäure in den Früchten war bei CA-Lagerung, besonders bei höheren CO2-Konzentrationen, fast immer niedriger als die bei Kühllagerung (Bangerth, 1977; Burmeister et al., 1997; Veltman et al., 2000). Nach Agar et al. (1997) wurde bei Beerenfrüchten, die bei hohen CO2-Konzentrationen gelagert wurden, der Gehalt an Vitamin C, wobei besonders der Ascorbinsäureanteil betroffen war, stark vermindert. An CA- gelagerten Birnen konnte gezeigt werden, dass unmittelbar nach Lagerbeginn der Ascorbinsäuregehalt stark abnahm. In Früchten, die bei wenig CO2 gelagert wurden, erfolgte jedoch eine gewisse Regeneration von AS, was bei unter viel CO2 gelagerten Birnen aber nicht beobachtet werden konnte (Larrigaudiere et al., 2000). Eine Folgerung aus diesen Untersuchen war, dass die Wirkung von CO2 auf den Gehalt an Ascorbinsäure vor allem auf eine Beeinflussung des Ascorbat-Glutathion-Zykluses beruhen könnte.
  37. 37. Material und Methoden 28 3 Material und Methoden 3.1 Überblick über die durchgeführten Versuche Die verschiedenen Versuche wurden in den Jahren 1998, 1999, 2000 und 2001 am Institut für Obst-, Gemüse- und Weinbau (seit 2002 Institut für Sonderkulturen und Ertragsphysiologie) sowie an der Versuchsstation für Obstbau der Universität Hohenheim (seit 2001 Kompetenz- zentrum für Obstbau-Bodensee) in Ravensburg - Bavendorf durchgeführt. Tabelle 1 gibt einen Überblick über die in den verschiedenen Jahren durchgeführten Versuche. Das dabei verwendete Fruchtmaterial, die verschiedenen Spritzbehandlungen und Lagerungsvarianten sowie die verwendeten Untersuchungsmethoden werden im Folgenden näher beschrieben. Tabelle 1: Überblick über die durchgeführten Versuche mit Birne, cv. ‚Conference’ und Apfel, cv. ‘Breaburn’ Jahr Sorte Baum- material Sprit- zung CA-Lagerung Temperatur Untersuchte Merkmale 1998 Conference Pflanzjahr: 1979 0.7% CO2 + 2% O2 Physiolog. Erkrankungen (alte Bäume) Unterlage: Quitte A 5% CO2 + 2% O2 Qualität, Mineralstoffe Abstand: 4.0x2.4m -1°C Biochemische Parameter 1999 Conference Pflanzjahr: 1992 Bor 5% CO2 + 2% O2 Physiolog. Erkrankungen (junge Bäume) Unterlage: Quitte A -1°C Qualität, Mineralstoffe Abstand: 3.0x0.8m Biochemische Parameter 2000 Conference Pflanzjahr: 1979 Bor, Physiolog. Erkrankungen (alte Bäume) Unterlage: Quitte A Calcium 5% CO2 + 2% O2 Qualität, Mineralstoffe Abstand: 4.0x2.4m (Bor+Ca) -1°C Biochemische Parameter Conference Pflanzjahr: 1992 Bor, Physiolog. Erkrankungen (junge Bäume) Unterlage: Quitte A Calcium 5% CO2.+ 2% O2 Qualität, Mineralstoffe Abstand: 3.0x0.8m (Bor+Ca) -1°C (Nachwirkung) 2000 Braeburn Pflanzjahr: 1996 Bor, Physiolog. Erkrankungen Unterlage: M9 Calcium 3% CO2 + 1% O2 Qualität, Mineralstoffe Abstand: 3.0x0.80m (Bor+Ca) 1°C 2001 Conference Pflanzjahr: 1979 Bor, Physiolog. Erkrankungen (alte Bäume) Unterlage: Quitte A Calcium 5% CO2 + 2% O2 Qualität, Mineralstoffe Abstand: 4.0x2.4m (Bor+Ca) -1°C Conference Pflanzjahr: 1992 Bor, Verzögerte CA- Physiolog. Erkrankungen (junge Bäume) Unterlage: Quitte A Calcium Lagerung, -1°C Qualität, Mineralstoffe Abstand: 3.0x0.8m (Bor+Ca) 5% CO2 + 2% O2 Biochemische Parameter
  38. 38. Material und Methoden 29 3.2 Versuchsmaterial 3.2.1 Auswahl der Sorten und Bäume Für die Lagerversuche und zur Untersuchung der Fruchtfleischverbräunungen bzw. der Kavernenbildung wurden dafür besonders anfällige Sorten ausgewählt. Das war bei Birnen die Sorte ’Conference’ und bei Apfel die Sorte ’Braeburn’. Die Früchte stammten von Bäumen der Versuchsstation für Obstbau in Bavendorf. Nähere Angaben zum Baumalter, zur Unterlage und zum Pflanzabstand sind der Tabelle 1 zu entnehmen. 3.2.2 Mineralstoff-Applikationen Die Applikationen von Bor (B), Calcium (Ca) bzw. dem Mischpräparat aus Bor plus Calcium (B + Ca) erfolgten als Blattspritzungen. Im Gegensatz zu den im Obstbau sonst üblichen Bor- Behandlungen während oder nach der Blüte wurden diese Spritzungen erst zu einem späteren Entwicklungszustand der Früchte ausgebracht, wobei ca. 8 Wochen vor der voraussichtlichen Ernte mit den Spritzungen begonnen wurde. Die Anzahl der Spritzungen war je nach Versuch unterschiedlich, betrug aber meist 6 Spritzungen in jeweils 10-tägigem Abstand. Die genaue Anzahl der Spritzungen und die Applikationstermine sind der Tabelle 2 zu entnehmen. Tabelle 2: Spritztermine und Erntetermine in den einzelnen Versuchsjahren Jahr Sorte Spritz- behandlung Spritzdatum Ernte 1999 Conference 6 mal 9.7.,19.7., 29.7., 6.8., 16.8., 26.8. 13.9. Kontrolle nicht gespritzt 2000 Conference 2 mal 21.7., 24.8. 4.9. 4 mal 30.6., 21.7., 10.8., 24.8. 6 mal 30.6., 12.7., 21.7., 2.8., 10.8., 24.8. Kontrolle nicht gespritzt Braeburn 2 mal 6.9., 9.10. 19.10. 4 mal 16.8., 6.9., 28.9., 9.10. 6 mal 16.8., 28.8., 6.9., 18.9., 28.9., 9.10. Kontrolle nicht gespritzt 2001 Conference 6 mal 29.6., 10.7., 20.7., 30.7., 10.8., 20.8. 10.9. Kontrolle nicht gespritzt Als Bor-Präparat wurde SOLUBOR (enthält 17,4% wasserlösliches Na-Borat, Fa. BASF ) eingesetzt, als Ca-Präparat diente DÜNGAL (Fa. Spiess-Urania). Das Mischpräparat (B + Ca)
  39. 39. Material und Methoden 30 bestand aus den gleichen Mengen an B und Ca wie die Einzelpräparate. Die Ausbringmenge je Spritzung betrug bei Bor 250 g/ha bei Ca 1000 g/ha und wurde auf 1000 l Wasser/ha berechnet. Die Mittelausbringung erfolgte als Blattspritzung mit der Spritzpistole, angeschlossen an eine 4-Kammer-Versuchsspritze. Ausbringzeitpunkt war möglichst frühmorgens, bei bedecktem Himmel. 3.2.3 Ernte und Vorbereitung für die Lagerung Die Ernte der Früchte wurde in der Regel zu einem, gegenüber der Praxis um einige Tage späteren Termin gewählt, da reifere Früchte eine höhere Empfindlichkeit gegenüber den zu untersuchenden Verbräunungen und Kavernen zeigen (Streif, 2000). Die Festlegung des Erntetermins erfolgte stichprobenweise durch Messungen der Festigkeit (kg/0.5cm2 ), des Refraktometerwertes sowie des Stärkeabbaus und dem daraus errechneten ’Streif-Index’ (Streif, 1989). Der für den Erntebeginn maßgebliche Indexwert sollte für ’Conference’ Birnen den Wert von 0,10 erreicht haben, für ’Braeburn’ Äpfel wurde von einem Wert von 0,15 ausgegangen. Im Jahre 1998 wurden ‚Conference’ Birnen zu 3 Terminen geerntet. Der optimalen Erntetermin war am 7. September, der frühere Erntetermin wurde eine Woche vorher, am 31. August, und der späte Termin eine Woche danach, am 14. September, gewählt. Unmittelbar nach der Ernte erfolgte eine Handsortierung der Früchte nach einheitlicher Größe und Färbung, sowie nach einheitlichem Reifegrad. Kranke oder beschädigte Früchte wurden aussortiert. Die ausgewählten Früchte wurden gleichmäßig auf die benötigte Anzahl von Lagerkisten verteilt, wobei die Fruchtmenge je Behandlungsvariante und Auslagerungstermin jeweils ca. 30 kg betrug, was einer Anzahl von120 bis 150 Einzelfrüchten entsprach. 3.2.4 Lagerverfahren Die für die Lagerung vorbereiteten Früchte kamen sofort nach der Sortierung in die Lagerbehälter der Versuchslagereinrichtung und wurden innerhalb weniger Stunden auf die gewünschte Lagertemperatur gekühlt. Die Einstellung der Gasbedingungen in den Lagerboxen erfolgte ebenfalls im Verlauf von 24 Stunden nach Einlagerung. Um bewusst Lagerschäden zu provozieren, wurden teilweise CA-Bedingen gewählt, die für die verwendeten Apfel- und Birnensorten hinsichtlich der Kohlendioxid- und der Sauerstoff- konzentration nicht optimal waren und für die Früchte eine Stresssituation darstellten. Diese Lagerbedingungen waren für ’Conference’ Birnen –1°C, 5% CO2 und 2% O2; für ’Braeburn’ Äpfel 1 °C, 3% CO2 und 1% O2. Die verschiedenen Spritzvarianten und die Kontrollfrüchte wurden unter gleichen Gasbedingungen gelagert. Die Lagerdauer im CA-Lager betrug in der Regel 5 Monate, wobei im Verlauf der Lagerung in regelmäßigen Abständen 3 bis 4 mal Lagerproben entnommen wurden. Bei der

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