Projekt HOPTIMIZE

Wer durch die Hallertau fährt, durch Tettnang oder das US-amerikanische Yakima Valley, sieht endlos weite Hopfenfelder. An langen Drähten winden sich die Kletterpflanzen bis zu sieben Meter in die Höhe. So bekommen sie ausreichend Licht und können kiloweise Hopfendolden produzieren, die später für die Bierherstellung verwendet werden.

Doch in den letzten Jahren sind die Erträge nicht mehr so stabil wie früher, und auch die Qualität der Inhaltsstoffe schwankt. Grund dafür ist der Klimawandel, der sich in den Hopfenanbaugebieten noch stärker bemerkbar macht als in anderen Regionen. „Die Temperatur ist dort in den letzten zehn Jahren um durchschnittlich 2,5 Grad gestiegen – also sehr viel stärker als der globale Durchschnitt“, sagt Dr. Sebastian Gresset von der Bayerischen Landesanstalt für Landwirtschaft.

Die Hopfensorten, die unter Hitze und Wassermangel leiden, sind häufig noch die gleichen wie vor hundert Jahren. Gerade die alten Landrassen, die den Geschmack der untergärigen europäischen Bierstile prägen, sind züchterisch kaum oder gar nicht an die veränderten Klimabedingungen angepasst worden. Das Projekt HOPTIMIZE – ein Kofferwort aus HOPfen und OPTIMIZE – will das ändern.

Die Projektpartner und das übergeordnete Ziel

Wissenschaftliche Partner

• Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft: Dr. Sebastian Gresset
• Landwirtschaftliches Technologiezentrum Augustenberg: Dr. Heike Knörzer
• Technische Universität München: Prof. Dr. Chris-Carolin Schön, Prof. Dr.-Ing. habil Thomas Becker

Industriepartner

• HGV, Hopfenverwertungsgenossenschaft e.G.: Dr. Johannes Stampfl, Dr. Florian Schüll

Das experimentelle Vorgehen

Etablierung einer Kreuzungspopulation

Hopfen ist zweihäusig – es gibt also männliche und weibliche Pflanzen. Für das Bierbrauen eignen sich nur die weiblichen, denn nur sie bilden Dolden. Für die Züchtung sind jedoch auch die Männchen wichtig, da sie die Hälfte des Erbguts beisteuern.

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Zunächst erstellten die Forschenden eine Kreuzungspopulation aus einem Vater und fünf unterschiedlichen Müttern. Die fünf Mutterpflanzen bringen eine große genetische Diversität ein, während der immer gleichbleibende Vater die statistische Auswertung der Daten erleichtert. „Wir wissen immer, welches Chromosom oder welches Allel vom Vater kommt. Das alternative Allel muss dann also von der Mutter sein“, erklärt Gresset.

Bei dieser Kreuzung entstanden rund 850 Nachkommen – die sogenannte F1-Population. Diese wurden mithilfe genetischer Marker zunächst in Männchen und Weibchen getrennt. Denn laut Gesetz dürfen in Hopfenanbaugebieten keine männlichen Pflanzen wachsen: Ihr Pollen könnte vom Wind über Kilometer hinweg verbreitet werden und weibliche Pflanzen befruchten. In deren Dolden würden sich Samen bilden – was die Brauqualität erheblich beeinträchtigen würde.

Von allen Nachkommen wurden etwa 400 Weibchen für die Feldversuche ausgewählt und vegetativ über Stecklinge vermehrt, sodass mindestens 15 Pflanzen pro Genotyp vorlagen. Einige Genotypen ließen sich nur schwer vermehren, bei etwa 350 gelang es erfolgreich. Sie bilden den Grundstock für die Feldversuche.

Trockenstress im Feld

„Feldversuche in dieser Dimension haben beim Hopfen noch nie stattgefunden, weil der Platzbedarf gigantisch ist“, erklärt Gresset. „Jede Pflanze braucht rund fünf Quadratmeter – insgesamt ist jedes Versuchsfeld also deutlich über einen Hektar groß.“

Auf zwei Feldern in der Hallertau, dem Hauptanbaugebiet für Hopfen, soll in den nächsten Jahren das Verhalten der Pflanzen bei Trockenstress untersucht werden. Ein Teil der Felder wird bewässert, ein anderer Teil gezielt unter Trockenstress gesetzt. Ein weiteres Feld am Standort Tettnang dient als Vergleich, um die maximale Leistungsfähigkeit der Genotypen zu bestimmen. Dort sind die klimatischen Bedingungen und die Niederschlagsmenge für Hopfen so optimal, dass die Erträge als Ertragsmaximum gelten.

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Während der Anbausaison überwachen Sensoren im Boden den Wassergehalt. Mit Wärmebildkameras ausgestattete Drohnen messen die Temperatur der Pflanzen. Eine erhöhte Temperatur deutet darauf hin, dass die Pflanzen aufgrund von Wassermangel ihre Stomata schließen – dann kann keine kühlende Transpiration mehr stattfinden. Auch das Wachstum soll künftig mit Drohnen automatisiert überwacht werden. Alle zwei Wochen überfliegen sie die Felder und erfassen den Zuwachs an Blattmasse und Pflanzenlänge.

„Wir gehen davon aus, dass das Längenwachstum durch frühen Trockenstress massiv eingeschränkt wird und hoffen, dass wir Genotypen finden, die trotzdem weiterwachsen“, sagt Gresset. Auch der Zeitpunkt der Blüte wird genau dokumentiert. Pflanzen mit einem frühen Blühzeitpunkt könnten im Vorteil sein, da der größte Trockenstress von Anfang Juli bis Mitte August auftritt. Günstig für den Ertrag wäre es also, wenn die Pflanzen ihre Blüten bereits vor diesem Zeitraum ausgebildet hätten.

„In anderen Kulturpflanzen ist der Blühzeitpunkt ein Merkmal, das sehr stark genetisch bestimmt ist. Wir gehen daher davon aus, dass wir anhand des Genoms den Blühzeitpunkt gut vorhersagen können“, so Gresset.

Genomische Selektion

Von rund 100 der F1-Hopfenpflanzen lag der Genotyp bereits vor Projektbeginn vor. Die übrigen wurden zu einem Partner nach Kanada geschickt und dort mit einem SNP-Chip analysiert, der 15.000 SNPs im Genom erfasst. Die statistische Auswertung dieser Daten steht noch aus. „Wir hoffen, dass wir mit diesen Daten und unseren Ergebnissen aus den Feldversuchen Kandidatengene oder QTLs identifizieren können, die den Hopfenpflanzen eine bessere Trockentoleranz oder andere vorteilhafte Eigenschaften verleihen“, sagt Gresset. Für die Analysen arbeitet er mit Prof. Chris-Carolin Schön vom Lehrstuhl für Pflanzenzüchtung an der TU München zusammen.

Analyse der Inhaltsstoffe

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Am Ende jeder Saison werden die Dolden geerntet, gewogen und auf ihre Inhaltsstoffe hin untersucht. Denn neben der Quantität der Hopfendolden ist auch deren Qualität ein wichtiges Merkmal für Brauerinnen und Brauer. Für die Analyse kommen u.a. Massenspektrometer zum Einsatz. Einerseits werden damit bekannte, für die Bierherstellung wichtige Inhaltsstoffe erfasst, andererseits auch bislang unbekannte Substanzen.

„Von den etwa 450 Aromakomponenten, die wir im Massenspektrometer detektieren können, können wir nur rund 200 benennen – alle anderen sind noch unbekannt“, erklärt Gresset. „Wir erwarten, dass wir bei einigen dieser unbekannten Stoffe herausfinden können, worum es sich handelt.“

Am Lehrstuhl für Brau- und Getränketechnologie der TU München werden die Dolden anschließend zum Bierbrauen verwendet. Dabei wird zunächst ein Grundbier hergestellt und entalkoholisiert. Dieses alkoholfreie Bier wird anschließend mit den unterschiedlichen Dolden kaltgehopft. Der Vorteil: Bei einer Kalthopfung gehen auch die flüchtigen Aromaöle in das Bier über.

Ein Team aus 40 Spezialisten der Hopfenverwertungsgenossenschaft und der TU München verkostet diese Biere und bewertet ihre Sensorik – also Geruch, Geschmack, Vollmundigkeit und andere Eigenschaften. „Wir wissen bisher kaum etwas darüber, wie sich Trockenstress auf den Brauprozess auswirkt und wie er etwa die Schaumstabilität oder die Vollmundigkeit beeinflusst“, sagt Gresset. Dabei seien das alles Eigenschaften, die der Konsument sehr deutlich wahrnimmt.

Ausblick

In den nächsten Jahren wird das HOPTIMIZE-Konsortium daran arbeiten, aus den genomischen Daten Vorhersagen über die Leistungsfähigkeit der Genotypen im Feld ableiten zu können. „Ich hoffe, dass wir ein besseres Verständnis davon bekommen, welche physiologischen Mechanismen im Hopfen bei Trockenstress ablaufen, und dass wir Genomregionen identifiziert haben, die für die Wassernutzungseffizienz des Hopfens verantwortlich sind“, sagt Gresset.

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Titelbild: Damit Hopfen auch in Zukunft wächst, wo er gebraucht wird: HOPTIMIZE sucht nach robusteren Sorten in Zeiten des Klimawandels. (Bildquelle: © Pflanzenforschung.de, erstellt mit DALLE)