Germany
June 19, 2023
Universities of Hohenheim and Mainz: Extensive study of all proteins in five wheat species as a basis for further research and targeted breeding of new varieties
The five types of wheat – einkorn, emmer, spelt, and durum and common wheat – and their varieties differ significantly in the composition of their proteins. This is the result of a large-scale study conducted by the University of Hohenheim in Stuttgart and the University Medical Center Mainz. The researchers identified a total of 2,896 different proteins in 150 flour samples. In addition to the place of cultivation, the respective variety plays a major role. That information could be put to good use: Proteins, whose occurrence depends primarily on the variety, could be influenced by targeted breeding. This could lead to better baking quality, higher yields, and also improved tolerance.
The various types of wheat show great differences in the composition of their proteins as shown in a study conducted by the Universities of Hohenheim and Mainz. | Image source: University of Hohenheim / Dorothee Barsch
Wheat is an important and usually healthy staple food for human and animal nutrition. Together with dietary fiber, minerals, and vitamins, it provides about 20 percent of the daily required amount of protein when consumed with 100 to 150 g of wheat flour. At the same time, the proteins in wheat flour are important for its baking quality. That is why knowledge about the totality of all proteins formed in cereals, known as the proteome, is of great importance – both for selecting the right variety and for further targeted breeding research.
However, not all wheat is the same. Even though they are closely related botanically, the ingredients of bread or common wheat (Triticum aestivum ssp. aestivum) and durum wheat(Triticum turgidum ssp. durum) differ, as do those of spelt(Triticum aest ivum ssp. spelta), emmer(Triticum turgidum ssp. dicoccum), and einkorn(Triticum monococcum ssp. monococcum). So far, however, there has been little meaningful data that could allow for a direct comparison.
Milestone for future protein research
Against this background, researchers from the Universities of Hohenheim and Mainz analyzed all proteins contained in whole grain flour from these five different types of wheat. They examined ten varieties of each species. In order to also capture the influence of environmental factors, these were each grown at three different locations.
In total, the researchers were able to identify 2,896 different proteins in the 150 flour samples – over 2,500 in each species. In the process, about half of all proteins differed among the individual species. “To our knowledge, this is one of the most comprehensive proteomic studies in cereals to date. It sets a milestone for much more targeted protein research in wheat in the future,” said Prof. Dr. Friedrich Longin of the State Plant Breeding Institute at the University of Hohenheim.
Protein composition depends on location and variety
For their analyses, the researchers matched the proteins or subsections of them found with different databases whenever possible. However, a large part of them had not been studied in detail yet. “Many of the known proteins play a role in product quality, such as in the formation of cereal starch or in stress regulation of plants, but also in allergic reactions in humans,” Prof. Dr. Longin stated.
It is true that an appreciable proportion of proteins is formed as a result of environmental influences. But many proteins occur more in certain varieties. In einkorn, for example, the researchers identified a total of 2,540 proteins, 1,940 of which were formed in at least one cultivar at all three locations. “Since genetic factors are primarily responsible for this, we have a good starting point for selecting and breeding better wheat varieties,” said Longin. To this end, the researchers compiled lists of those proteins that could be influenced by variety selection.
Significantly fewer allergenic proteins in einkorn
“Up to ten percent of people who eat products made with wheat flour complain of discomfort afterwards. The proteins found in wheat cause them to develop what is known as non-celiac wheat sensitivity (NCWS), which has not yet been well-defined. Another result is celiac disease – an inflammatory disease of the small intestine caused by gluten proteins in wheat, and some people develop a classic (immediate type) wheat allergy. In addition, there is also a much more frequent wheat allergy of the delayed type, especially in patients diagnosed with irritable bowel syndrome,” stated Prof. Dr. Dr. Detlef Schuppan from the University Medical Center of the Johannes Gutenberg University Mainz.
The wheat species studied differ significantly in the amount of their potentially allergenic proteins. Common wheat and spelt have about the same total allergen frequency. In comparison, these are reduced by about two times in durum wheat and emmer and by 5.4 times in einkorn. The researchers do not yet have an explanation for this phenomenon.
In particular, the amount of ATIs (alpha-amylase/trypsin inhibitors) differs significantly. “They are suspected of being responsible for inflammatory reactions,” said Prof. Dr. Stefan Tenzer from the Institute of Immunology at the University Medical Center Mainz. “Compared to the other wheat species, einkorn has a significantly lower amount of ATIs.”
Clinical studies urgently needed
However, the researchers point out that they estimated the allergenic potential solely by cross-referencing with databases that list possible allergenic proteins. Targeted studies would have to show whether these results are also clinically relevant. “In light of our results, a clinical trial with einkorn compared to modern wheat would be particularly interesting,” said Prof. Dr. Dr. Schuppan. The comprehensive mapping of these proteins can help design representative test diets, for example.
“To find products that are better tolerated, especially for people with wheat-related diseases, we also need to investigate what influence different processes in flour and bread production, such as a long sourdough fermentation, have on allergens,” stated Prof. Dr. Longin.
Outlook: Einkorn as a sustainable crop for marginal lands
In addition to the lower amount of potential allergens, einkorn contains more protein and significantly higher amounts of secondary plant compounds, vitamins, and minerals compared to common wheat. Einkorn is also interesting from an agricultural point of view: “It has almost complete resistance to fungi. Moreover, it can be sown either before or after winter, which is not the case with other cereals,” Prof. Dr. Longin said.
However, einkorn yields are much lower than common wheat under good soil conditions. “However, in marginal lands, such as sandy soils, higher elevations in mountainous regions, or where the use of nitrogen fertilizer is not possible, good results are obtained with einkorn, while the productivity of common wheat decreases,” stated Prof. Dr. Longin, describing a possible field of application.
Publication
Afzal, M., Sielaff, M., Distler, U. et al. Reference proteomes of five wheat species as starting point for future design of cultivars with lower allergenic potential. npj Sci Food 7, 9 (2023). https://doi.org/10.1038/s41538-023-00188-0
Weizen, Einkorn, Emmer, Dinkel: Große Unterschiede in der Proteinzusammensetzung
Unis Hohenheim und Mainz: Umfangreiche Studie zur Gesamtheit der Proteine in fünf Weizenarten als Grundlage für weitere Forschung und gezielte Züchtung von neuen Sorten
Die fünf Weizenarten Einkorn, Emmer, Dinkel sowie Hart- und Weichweizen und ihre Sorten unterscheiden sich deutlich in der Zusammensetzung ihrer Proteine. Dies ist das Ergebnis einer großangelegten Studie der Universität Hohenheim in Stuttgart und der Universitätsmedizin Mainz. Die Forschenden identifizierten in 150 Mehlproben insgesamt 2.896 verschiedene Proteine. Neben dem Anbauort spielt vor allem die jeweilige Sorte eine Rolle. Das ließe sich nutzen: Proteine, deren Vorkommen vor allem von der Sorte abhängt, könnten durch zielgerichtete Züchtung beeinflusst werden – für eine bessere Backqualität, für bessere Erträge, aber auch für eine bessere Verträglichkeit.
GEMEINSAME PRESSEMITTEILUNG DER UNIVERSITÄT HOHENHEIM UND DER UNIVERSITÄTSMEDIZIN DER JOHANNES-GUTENBERG-UNIVERSITÄT MAINZ
Weizen ist ein wichtiges und in der Regel gesundes Grundnahrungsmittel für die menschliche und tierische Ernährung. Zusammen mit Ballaststoffen, Mineralien und Vitaminen liefert er bei einem Verzehr von 100 bis 150 g Weizenmehl täglich rund 20 Prozent der täglich benötigten Menge an Eiweiß. Gleichzeitig sind die Proteine im Weizenmehl wichtig für seine Backqualität. Deshalb ist die Kenntnis über die Gesamtheit aller im Getreide gebildeten Proteine, das sogenannte Proteom, von großer Bedeutung – sowohl für die Wahl der richtigen Sorte als auch für die weitere zielgerichtete Züchtungsforschung.
Weizen ist jedoch nicht gleich Weizen. Auch wenn sie botanisch eng miteinander verwandt sind, unterscheiden sich die Inhaltsstoffe von Brot- oder Weichweizen (Triticum aestivum ssp. aestivum) und Hartweizen (Triticum turgidum ssp. durum) sowie von Dinkel (Triticum aestivum ssp. spelta), Emmer (Triticum turgidum ssp. dicoccum) und Einkorn (Triticum monococcum ssp. monococcum). Bislang gab es für einen direkten Vergleich jedoch nur wenige aussagekräftige Daten.
Meilenstein für künftige Proteinforschung
Vor diesem Hintergrund analysierten Forschende der Universitäten Hohenheim und Mainz die Gesamtheit aller im Vollkornmehl enthaltenen Proteine dieser fünf verschiedenen Weizenarten. Von jeder Art untersuchten sie jeweils zehn Sorten. Um auch den Einfluss von Umweltfaktoren zu erfassen, wurden diese jeweils an drei verschiedenen Standorten angebaut.
Insgesamt konnten die Forschenden in den 150 Mehlproben 2.896 verschiedene Proteine identifizieren – in jeder Art über 2.500. Dabei unterschied sich bei den einzelnen Arten rund die Hälfte aller Proteine. „Nach unserem Wissen ist das eine der umfangreichsten Proteom-Studien bei Getreide, die es bisher gab. Sie setzt einen Meilenstein für eine zukünftig deutlich zielgerichtetere Proteinforschung bei Weizen“, ist Prof. Dr. Friedrich Longin von der Landessaatzuchtanstalt an der Universität Hohenheim überzeugt.
Proteinzusammensetzung hängt von Standort und Sorte ab
Für ihre Analysen glichen die Forschenden die gefundenen Proteine bzw. Teilbereiche von ihnen mit verschiedenen Datenbanken ab – sofern möglich. Denn ein Großteil wurde bisher noch gar nicht genauer untersucht. „Viele der bekannten Proteine spielen eine Rolle für die Produktqualität, etwa bei der Bildung von Getreidestärke oder bei der Stressregulierung der Pflanzen, aber auch bei allergischen Reaktionen beim Menschen“, fährt der Experte fort.
Zwar wird ein nennenswerter Anteil der Proteine infolge von Umwelteinflüssen gebildet. Aber viele Proteine treten in bestimmten Sorten verstärkt auf. So identifizierten die Forschenden beim Einkorn insgesamt 2.540 Proteine, wovon 1.940 an allen drei Standorten in mindestens einer Sorte gebildet werden. „Da hierfür in erster Linie genetische Faktoren verantwortlich sind, ist dies ein guter Ansatzpunkt, um bessere Weizensorten auszuwählen und zu züchten“, erklärt Prof. Dr. Longin. Dazu haben die Forschenden diejenigen Proteine in Listen zusammengefasst, die sich durch die Sortenwahl beeinflussen lassen könnten.
Deutlich weniger allergene Proteine in Einkorn
„Bis zu zehn Prozent der Menschen, die mit Weizenmehl hergestellte Produkte essen, klagen hinterher über Beschwerden. Die im Weizen enthaltenen Proteine führen bei ihnen zur sogenannten Nicht-Zöliakie-Weizensensitivität (NCWS), die bisher weniger gut definiert war, neben der Zöliakie – einer entzündlichen Dünndarmerkrankung, die durch Glutenproteine im Weizen hervorgerufen wird, oder einer klassischen (Soforttyp) Weizenallergie. Daneben gibt es aber auch eine viel häufigere Weizenallergie vom verzögerten Typ, insbesondere bei Patienten mit der Diagnose Reizdarm“, erklärt Prof. Dr. Dr. Detlef Schuppan von der Universitätsmedizin der Johannes Gutenberg-Universität Mainz.
Dabei unterscheiden sich die untersuchten Weizenarten deutlich in der Menge ihrer potenziell allergenen Proteine. Weichweizen und Dinkel weisen in etwa die gleiche Gesamthäufigkeit an Allergenen auf. Im Vergleich dazu sind diese bei Hartweizen und Emmer circa um das Zweifache und beim Einkorn um das 5,4-fache reduziert. Eine Erklärung für dieses Phänomen haben die Forschenden bislang nicht.
Vor allem die Menge an sogenannten ATIs (Alpha-Amylase/Trypsin-Inhibitoren) unterscheidet sich erheblich. „Sie stehen im Verdacht, für Entzündungsreaktionen verantwortlich zu sein“, erläutert Prof. Dr. Stefan Tenzer vom Institut für Immunologie der Universitätsmedizin Mainz. „Im Vergleich zu den anderen Weizenarten weist Einkorn eine deutlich geringere Menge an ATIs auf.“
Klinische Studien dringend erforderlich
Die Forschenden weisen jedoch darauf hin, dass sie das allergene Potenzial ausschließlich durch Abgleich mit Datenbanken, die auch mögliche allergene Proteine auflisten, abgeschätzt haben. Ob diese Ergebnisse auch klinisch relevant sind, müssten gezielte Studien zeigen. „Vor dem Hintergrund unserer Ergebnisse wäre eine klinische Studie mit Einkorn im Vergleich zu modernem Weizen besonders interessant“, so Prof. Dr. Dr. Schuppan. Dabei kann die umfassende Kartierung beispielsweise helfen, repräsentative Testnahrungen zu entwerfen.
„Um verträglichere Produkte insbesondere für Menschen mit weizenbedingten Erkrankungen zu finden, müssen wir zudem auch untersuchen, welchen Einfluss verschiedene Verfahren bei der Mehl- und Brotherstellung, wie beispielsweise eine lange Sauerteiggärung, auf die Allergene haben“, betont Prof. Dr. Longin.
Ausblick: Einkorn als nachhaltige Kulturpflanze für Grenzertragslagen
Neben der geringeren Menge an potenziellen Allergenen enthält Einkorn im Vergleich zu Weichweizen mehr Eiweiß und deutlich höhere Mengen an sekundären Pflanzenstoffen, Vitaminen und Mineralstoffen. Auch aus landwirtschaftlicher Sicht sei Einkorn interessant: „Er besitzt eine fast vollständige Resistenz gegen Pilze. Außerdem kann er wahlweise vor oder nach dem Winter ausgesät werden, was bei anderen Getreidearten nicht der Fall ist“, erklärt Prof. Dr. Longin.
Allerdings liefert Einkorn unter guten Bodenbedingungen einen sehr viel geringeren Ertrag als Weichweizen. „In Grenzertragslagen jedoch, wie sandigen Böden, höheren Lagen in Gebirgsregionen oder dort, wo der Einsatz von Stickstoffdünger nicht möglich ist, werden mit Einkorn gute Ergebnisse erzielt, während die Produktivität von Weichweizen sinkt“, beschreibt der Wissenschaftler ein mögliches Einsatzgebiet
Publikation
Afzal, M., Sielaff, M., Distler, U. et al. Reference proteomes of five wheat species as starting point for future design of cultivars with lower allergenic potential. npj Sci Food 7, 9 (2023). https://doi.org/10.1038/s41538-023-00188-0
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