Bienenbestäubung verbessert Qualität und Haltbarkeit von Erdbeeren

Untersuchung zur Bestäubung gesteuerter hormoneller Fruchtentwicklung

  • Honigbiene bei der Bestäubung einer Erdbeerblüte. (Quelle: Alexander Wietzke)Honigbiene bei der Bestäubung einer Erdbeerblüte. (Quelle: Alexander Wietzke)
  • Honigbiene bei der Bestäubung einer Erdbeerblüte. (Quelle: Alexander Wietzke)
  • Abb. 1: Versuchsfeld (Erdbeerpflanzen) in der Nähe von Göttingen. (Quelle: Alexander Wietzke)
  • Abb. 2: Exemplarische Erdbeerfrüchte im Reifeverlauf (grüne, weiße und rote Erdbeeren) unter Berücksichtigung der verschiedenen Bestäubungsvarianten: SB = Selbstbestäubung, OB = offene Bestäubung, HB = Handbestäubung. Links unten: Gewicht (g) und Konzentration des wachstumsbeeinflussenden Phytohormones Indol-3-Essigsäure (IAA, ng/g) der Erdbeerfrüchte im Reifeverlauf und unter Berücksichtigung der verschiedenen Bestäubungsvarianten.
  • Graphische Versuchsbeschreibung.
  • Abb. 3: Nisthilfen für Wildbienen. (angrenzend zum Erdbeerfeld)

Die Bienenbestäubung führt nicht nur zu Ertragssteigerungen bei Erdbeeren, sondern hat auch einen entscheidenden Einfluss auf die hormonellen Prozesse während der Fruchtentwicklung. Dies wiederum führt zu einer deutlich verbesserten Qualität und Vermarktbarkeit der Erdbeerfrüchte. Zusätzlich weisen aus Bienenbestäubung hervorgegangene Früchte eine sortentypischere Zusammensetzung von geschmackgebenden Inhaltstoffen auf [1].

Einleitung und Methoden

Etwa ein Drittel der weltweiten landwirtschaftlichen Produktion stammt von Kulturfrüchten, deren Ertrag und Qualität durch Tierbestäubung, insbesondere Insekten wie beispielsweise Wild- und Honigbienen, deutlich verbessert werden kann. Dies konnte z. B. bei Erdbeeren, Äpfeln, Zuckermelonen, Ackerbohnen und Raps gezeigt werden. Eine Forschungsstudie zu Erdbeeren konnte zudem aufzeigen, dass die Ertragssteigerungen auch merkliche ökonomische Auswirkungen haben können: Auf den Forschungsergebnissen basierte Berechnungen ergaben, dass ausgehend vom europäischen Erdbeerumsatz 2009 (2,90 Milliarden US-$), Bienenbestäubung etwa die Hälfte des Gesamtumsatzes beitragen kann (1,44 Milliarden US-$). Dies verdeutlicht die Bedeutung der Bienenbestäubung für die landwirtschaftliche Produktion, welche letztendlich auch Nahrungsmittelangebot, –vielfalt und -qualität für uns Verbraucher bestimmt. Insbesondere deswegen sollten uns aktuelle Forschungsergebnisse alarmieren, welche in Deutschland über einen Zeitraum von 27 Jahren einen dramatischen Rückgang der Insektenzahl von über 75 % aufzeigen.

Auch wenn mittlerweile einige Studien über den positiven Einfluss von Bienenbestäubung auf den Ertrag und die Qualität verschiedener Kulturfrüchte vorliegen, so ist bislang jedoch nur wenig darüber bekannt, welchen Einfluss die Bienenbestäubung auf die pflanzenphysiologischen Prozesse während der Fruchtentwicklung und die damit zusammenhängende Fruchtqualität und Vermarktbarkeit hat.

Um diese Frage zu beantworten, wurde im Zeitraum von April bis Juni 2014 ein Bestäubungsexperiment in einem Erdbeerfeld nahe Göttingens (Abb. 1) durchgeführt (Erdbeersorte Fragaria x ananassa ‘Honeoye’).

Dabei wurden drei verschiedene Bestäubungsvarianten miteinander verglichen:
Selbstbestäubung: Übertragung des eigenen Pollens der Blüte ohne das Zutun von Bienen
Handbestäubung: Manuelle Bestäubung mit Pollen derselben Blüte mithilfe eines Pinsels
Offene Bestäubung: Pollenübertragung durch Bienen bzw. in sehr geringen Anteilen durch Wind

Im Gegensatz zu der offenen Bestäubung, wurden bei Selbst- und Handbestäubung Blütenknospen vor dem Erblühen mit speziellen Kunststofftüten eingehüllt, welche einen Mikroklimaaustausch zulassen, jedoch Fremdbestäubung durch Wind oder Bienen verhindern. Die Tüten wurden abgenommen, sobald die Narben der Blüten nicht mehr empfänglich für Pollen waren. Die drei verschiedenen Bestäubungsvarianten wurden in einer Erdbeerreihe randomisiert angeordnet und vierfach repliziert. Je Bestäubungsvariante wurden 64 Blüten, jeweils eine Blüte pro Erdbeerpflanze, untersucht. Die Früchte wurden in drei verschiedenen Reifestadien geerntet und auf die Wirkung der Bestäubungsvarianten untersucht:

grüne Früchte = jüngstes Fruchtstadium
weiße Früchte = mittleres Furchtstadium
rote Früchte = reifes Fruchtstadium

Der Einfluss der Bestäubungsvarianten wurde für folgende die Frucht-Physiologie und -Qualität beeinflussende Parameter untersucht:

Größe, Gewicht, Farbe und Festigkeit

Die Größe, das Gewicht, die Färbung und die Festigkeit wurden an frisch geernteten Erdbeeren untersucht. Die Größe wurde mithilfe eines Messchiebers und das Gewicht ohne Kelch und Blütenstiel ermittelt. Die Fruchtfarbe wurde mittels eines portablen Chromameters im L*a*b* Farbmodus gemessen. Die Festigkeitsmessung der Früchte erfolgte durch einen Textur Analyser.

Lösliche Trockensubstanz, titrierbare Säure und Fruchtansatz

Für die Untersuchung der löslichen Trockensubstanz, der titrierbaren Säure, des pH-Werts und des Fruchtansatzes wurden frische, reife Erdbeerfrüchte mithilfe eines Pürierstabes homogenisiert und anschließend zentrifugiert. Der Überstand wurde dafür genutzt, um die lösliche Trockensubstanz mittels eines Refraktometers und die titrierbare Säure mittels automatisiertem Titrators zu bestimmen. Schließlich wurde das Zucker-Säureverhältnis durch die Division der löslichen Trockensubstanz durch die Säure-Konzentration berechnet. Der Fruchtansatz, welcher den Bestäubungserfolg wiederspiegelt, wurde mithilfe der Anzahl der befrucheteten Achänen bestimmt. Erdbeeren sind sogenannte Sammelnussfrüchte. Die eigentlichen Früchte sind die Nüsschen (Achänen), welche sich an der Oberfläche des Fruchtfleisches befinden. Die Anzahl der befruchteten Achänen wurde bestimmt, indem die homgenisierte Erdbeerfruchtmasse in Wasser gegeben wurde. Nicht befruchtete Archänen schwimmen an der Oberfläche, wohin gegen befruchtete Achänen herabsinken. Anschließend wurde die Anzahl der befruchteten Achänen mit einem automatischen Samenzähler ermittelt.

Bestimmung des Phytohormons Indol-3-Essigsäure

Für die Messung der Phytohormonkonzentration wurden Erdbeerfrüchte mittels flüssigem Stickstoff gefroren und bei –80°C gefriergetrocknet. Anschließend wurde die Phytohormonkonzentration in entsprechend präparierten Proben mittels Reversed Phase-Chromatographie in Kombination mit einem Triple-Quadrupol-Massenspektrometer ermittelt.

Haltbarkeit/Lagerfähigkeit

Um die Lagerfähigkeit bzw. die Haltbarkeit der Erdbeeren zu untersuchen, wurden Erdbeefrüchte mit standardisierten Mengen von Schimmelpilzsporen (Botrytis cinerea) inokuliert und bei 20°C sowie 90-98% relativer Luftfeuchtigkeit gelagert. Anschließend wurde über mehrere Tage die prozentual von Botrytis infizierte Oberfläche pro Erdbeere erfasst.

Vermarktbarkeit und Handelswert

Anhand von Deformationen wurden reife Erdbeerfrüchte in vermarktbare und nicht vermarktbare Früchte eingeteilt. Zudem wurden die Früchte anhand der offiziellen Europäischen Handelsrichtlinien in Preiskategorien eingeordnet und der Handelswert wurde aufgrund der durchschnittlichen Erdbeerpreise in Deutschland errechnet.

Ergebnisse und Diskussion

Selbstbestäubung führte in allen Reifestadien zu den kleinsten und leichtesten Erdbeerfrüchten. Zudem waren über 90% dieser Früchte deformiert, wiesen eine kürzere Haltbarkeit auf und hatten folglich den mit Abstand geringsten Handelswert, der lediglich 8% des Handelswertes von aus Hand- und offener Bestäubung resultierenden Früchten betrug. Bienenbestäubte Blüten entwickelten sich hingegen zu wohlgeformten, schwereren und größeren Früchten, welche einen um 92% gesteigerten Handelswert aufwiesen, wobei kein merkbarer Unterschied zwischen Hand- und offener Bestäubung bestand. Bienen- und Handbestäubung führte zudem, wie anhand des Zucker-Säure-Verhältnisses nachgewiesen wurde, zu einem sortenspezifischeren Verhältnis von Geschmackskomponenten in der Frucht (Abb. 2).

Den gesteigerten Ertrag und die verbesserte Fruchtqualität der aus Bienen- und Handbestäubung resultierenden Früchte wurden auf einen deutlich verbesserten und gleichmäßigeren Bestäubungserfolg (befruchetete Achänen) zurückgeführt, welcher wiederum in einer signifikant erhöhten Produktion des Phytohormons Indol-3-Essigsäure resultierte. Indol-3-Essigsäure ist maßgeblich an der Fruchtentwicklung der Erdbeere und vieler anderer Früchte beteiligt. Das Phytohormon stimuliert u.a. das Wachstum des Blütenbodens, welcher letztendlich zu der allgemein beliebten, wohlgeformten Erdbeere heranwächst.

Es konnte somit erstmals gezeigt werden, dass Bienenbestäubung nicht nur eine große Bedeutung für den landwirtschaftlichen Ertrag hat, sondern auch einen bedeutenden Einfluss auf phytohormonelle Prozesse nimmt, welche wiederum entscheidend für die Fruchtentwicklung, Qualität und Vermarktbarkeit sind. Da der positive Effekt der Bienenbestäubung ebenfalls für andere Kulturfrüchte gezeigt werden konnte, wurde geschlussfolgert, dass der in dieser Studie dargestellte Einfluss des Bestäubungserfolges auf physiologische Prozesse ebenfalls auf andere bestäuberabhängige Kulturfrüchte übertragbar ist. Die natürliche Bestäubungsleistung in Agrarökosystemen, welche insbesondere durch Insekten, wie etwa Wildbienen, erbracht wird, ist daher essentiell, um Ernte- und Qualitätsverluste zu verhindern und der global steigenden Lebensmittelnachfrage gerecht werden zu können. Wichtig ist deshalb die aktive Förderung von bestäubenden Insekten. Dies könnte durch verschiedene Maßnahmen geschehen, z. B.: Schaffung von Nistmöglichkeiten (Abb. 3), wie etwa Nisthilfen oder offenen Bodenstellen für Wildbienen; Aussaat spezieller Blühmischungen, welche den Bestäubern von Frühjahr bis Herbst als Nektar- und Pollenquellen dienen; und Reduktion oder Verzicht von Breitbandinsektiziden in der Agrarlandschaft.

Autor
Alexander Wietzke

Kontakt 
Alexander Wietzke

Abteilung Pflanzenökologie und Ökosystemforschung
Albrecht-von-Haller-Institut für Pflanzenwissenschaften
Universität Göttingen
Göttingen, Deutschland
Alexander.wietzke@biologie.uni-goettingen.de

Referenzen

[1] Wietzke, Alexander et al.: Insect pollination as a key factor for strawberry physiology and marketable fruit quality, AGEE 258, 197-204 (2018) https://doi.org/10.1016/j.agee.2018.01.036

[2] Caspar A. Hallmann, Martin Sorg, Eelke Jongejans, Henk Siepel, Nick Hofland, Heinz Schwan, Werner Stenmans, Andreas Müller, Hubert Sumser, Thomas Hörren, Dave Goulson, Hans de Kroon: More than 75 percent decline over 27 years in total flying insect biomass in protected areas, PLoS ONE 12(10) (2017)

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