Freising, Germany
September 16, 2025
Quelle: Leibniz-Institut für Lebensmittel-Systembiologie
Field trial at IPK Gatersleben. The photo shows the trial fields where four wheat lines with semi-dwarf, dwarf, and extremely dwarf variants were grown for comparison with tall wild-type wheat. Photo: IPK Leibniz Institute/ M. Schierenbeck
Wheat is one of the world's most important staple foods, especially in the form of bread. A joint study by the Leibniz Institute for Food Systems Biology at the Technical University of Munich (LSB) and the Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research (IPK) now shows that extremely dwarf wheat has a less favorable gluten composition than semi-dwarf, dwarf, or tall wild type wheat, and therefore produces flour with poorer baking properties.
The introduction of so-called dwarfing genes (Reduced height-Rht genes) during the “Green Revolution” in the 1960s is considered a milestone in agriculture. These genes ensure that wheat plants are shorter and therefore less susceptible to wind damage (lodging). They can also invest more energy in grain filling, which has significantly increased yields. “Today, more than 70 percent of all wheat varieties grown worldwide carry at least one of these genes,” says co-author Andreas Börner, scientist of the Genebank Department at the IPK and co-author of the study.
Unclear influence on gluten
Until now, however, it was unclear whether the Rht genes not only alter the straw length but also the gluten composition in the grain. Wheat gluten consists of two storage protein groups: gliadins and glutenins. Gliadins make doughs stretchy and viscous and act as a softener. Glutenins give doughs elasticity and strength. A balanced gliadin-glutenin ratio is crucial for good baking quality. If gliadins predominate too much, the dough becomes too soft, the bread volume decreases, and the baking result is poor.
To clarify the influence of the Rht genes on gluten composition, the research team compared tall wild-type wheat with five nearly identical variants in four wheat lines that differed only in the Rht genes. All lines were grown over three growing seasons at the IPK in Gatersleben to obtain comparable sample material. The climatic conditions of the 2021, 2022, and 2023 harvest years varied greatly.
The team came to the following conclusions:
The dwarfism genes found in modern wheat varieties (Rht1, Rht2, and their combination) had little effect on gluten composition. However, genes that cause extreme dwarfism (Rht3 and the combination Rht2+3) reduced the gluten content and shifted the gliadin-glutenin ratio, with potentially negative consequences for baking properties. However, environmental conditions had an even greater impact on gluten composition than genes: warm and humid conditions in 2021 during the grain filling phase led to a particularly high and unfavorable gliadin-glutenin ratio.
“Our results show that the introduction of semi-dwarf and dwarf genes during the Green Revolution did not negatively affect the gluten composition of modern wheat varieties,” explains first author and principal investigator Sabrina Geisslitz from the LSB. She adds: “However, in the future, consideration should be given to whether genes that cause extreme dwarfism should be introduced into new breeds. Such genes could impair baking quality and also increase the immunoreactive potential, as both are associated with a high gliadin content.”
“The study highlights how complex wheat breeding is,” adds Katharina Scherf, head of the Food Biopolymer Chemistry research group at the LSB. "As we were able to demonstrate, it is not only genes but also environmental conditions that determine the gluten composition in wheat. In view of climate change, this poses further challenges in optimizing breeds in terms of their gluten composition."
Publication: Geisslitz, S., Schierenbeck, M., Börner, A., and Scherf, K.A. (2025). Semi-Dwarfing Reduced Height Genes Hardly Influenced Gluten Protein Composition While Extreme Dwarfing Genes Decreased Glutenins in Wheat. Food Sci Nutr 13, e70649. 10.1002/fsn3.70649. https://doi.org/10.1002/fsn3.70649
Funding: This study was supported by the Alexander von Humboldt Foundation (Dr. Matías Schierenbeck) and by core funding from the Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research. Open access funding was enabled and organized by Project DEAL.
More Information:
The “Green Revolution” refers to the worldwide introduction of modern agricultural technologies beginning in the 1960s. In addition to short-stature wheat, fertilizers, pesticides, irrigation, and mechanization contributed to a significant increase in yields, with ecological and social consequences that continue to this day.
Grain filling is the final growth phase of cereal plants, during which the pollinated ovaries develop into fully formed grains through the accumulation of starch and other nutrients from the plant's foliage. This process involves the transfer of carbohydrates and the accumulation of dry matter and water, which directly affects the final weight, size, and quality of the grains and thus the overall yield of the plant.
Gliadins and glutenins are two different groups of proteins that differ in their properties. Glutenins are giant macromolecules (polymers) consisting of many individual molecules that have aggregated. Glutenin polymers have molecular weights ranging from 500,000 to over 10 million and are among the largest naturally occurring proteins. In contrast, gliadins are single molecules (monomers) with a molecular weight between 28,000 and 55,000. Research at the LSB has not only led to a better understanding of the function of gliadins and glutenins in baking. It has also helped to elucidate the structure of immunoreactive sequences of gliadins, which cause celiac disease in some people due to their genetic predisposition.
Celiac disease is a chronic disease of the small intestine. Gluten intolerance is the main trigger of the disease, which occurs particularly in people with a genetic predisposition. The other co-factors that stimulate the onset of the disease are not yet fully understood.
Weizen: Extremer Zwergwuchs verschlechtert Gluten-Zusammensetzung und Backqualität
Weizen zählt weltweit zu den wichtigsten Grundnahrungsmitteln, insbesondere in Form von Brot. Eine gemeinsame Studie des Leibniz-Instituts für Lebensmittel-Systembiologie an der Technischen Universität München (LSB) und des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) zeigt nun: Extrem zwergwüchsiger Weizen weist eine ungünstigere Gluten-Zusammensetzung auf als halbzwerg-, zwerg- oder hochwüchsiger Weizen und liefert damit Mehle mit schlechteren Backeigenschaften.
Die Einführung sogenannter Zwergwuchs-Gene (Reduced height-Rht-Gene) während der „Grünen Revolution“ in den 1960er-Jahren gilt als Meilenstein der Landwirtschaft. Die Gene sorgen dafür, dass Weizenpflanzen kürzer und hierdurch weniger anfällig für Windbruch sind. Sie können so auch mehr Energie in die Ausbildung der Körner investieren, was die Erträge deutlich gesteigert hat. „Heute tragen mehr als 70 Prozent aller weltweit angebauten Weizensorten mindestens eines dieser Gene in sich“, sagt Co-Autor Andreas Börner, Wissenschaftler aus der Abteilung Genbank am IPK.
Unklarer Einfluss auf Gluten
Bislang war jedoch unklar, ob die Rht-Gene nicht nur die Halmlänge, sondern auch die Gluten-Zusammensetzung im Korn verändern. Weizengluten besteht aus zwei Speicherproteingruppen: den Gliadinen und Gluteninen. Gliadine machen Teige dehnbar und viskos und wirken wie ein Weichmacher. Glutenine verleihen Teigen Elastizität und Festigkeit. Ein ausgewogenes Gliadin-Glutenin-Verhältnis ist dabei für eine gute Backqualität entscheidend. Überwiegen die Gliadine zu sehr, werden die Teige zu weich, das Brotvolumen sinkt und das Backergebnis ist schlecht.
Um den Einfluss der Rht-Gene auf die Gluten-Zusammensetzung zu klären, verglich das Forschungsteam hochwüchsigen Wildtyp-Weizen mit fünf nahezu identischen Varianten in vier Weizenlinien, die sich lediglich in den Rht-Genen unterschieden. Alle Linien wurden über drei Vegetationsperioden am IPK in Gatersleben angebaut, um vergleichbares Probenmaterial zu gewinnen. Die klimatischen Bedingungen der Erntejahre 2021, 2022 und 2023 waren dabei sehr unterschiedlich.
Das Team kam zu folgenden Ergebnissen:
Die in modernen Weizensorten vorkommenden Zwergwuchs-Gene (Rht1, Rht2 sowie ihre Kombination) beeinflussten die Gluten-Zusammensetzung kaum. Gene, die extremen Zwergwuchs verursachen (Rht3 sowie die Kombination Rht2+3), senkten jedoch den Gluteningehalt und verschoben das Gliadin-Glutenin-Verhältnis, mit potentiell negativen Folgen für die Backeigenschaften. Noch deutlicher als die Gene beeinflussten jedoch die Umweltbedingungen die Gluten-Zusammensetzung: So führten warme und feuchte Bedingungen im Jahr 2021 während der Kornfüllungsphase zu einem besonders hohen und ungünstigen Gliadin-Glutenin-Verhältnis.
„Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Einführung von Halbzwerg- und Zwerg-Genen während der Grünen Revolution die Gluten-Zusammensetzung moderner Weizensorten nicht negativ beeinflusst hat“, erklärt Erstautorin und Studienleiterin Sabrina Geißlitz vom LSB. Sie fügt hinzu: „Allerdings sollte man in Zukunft überlegen, ob man bei Neuzüchtungen Gene einbringt, die einen extremen Zwergwuchs verursachen. Solche Gene könnten die Backqualität verschlechtern und auch das immunreaktive Potenzial vergrößern, da beides mit einem hohen Gliadinanteil assoziiert ist.“
„Die Studie macht deutlich, wie komplex die Weizenzüchtung ist“, ergänzt Katharina Scherf, Leiterin der Arbeitsgruppe Food Biopolymer Chemistry am LSB. „Denn wie wir nachweisen konnten, entscheiden nicht nur die Gene, sondern auch die Umweltbedingungen über die Gluten-Zusammensetzung im Weizen. Angesichts des Klimawandels ergeben sich somit weitere Herausforderungen, Züchtungen hinsichtlich ihrer Gluten-Zusammensetzung zu optimieren.“
Publikation: Geisslitz, S., Schierenbeck, M., Börner, A., and Scherf, K.A. (2025). Semi-Dwarfing Reduced Height Genes Hardly Influenced Gluten Protein Composition While Extreme Dwarfing Genes Decreased Glutenins in Wheat. Food Sci Nutr 13, e70649. 10.1002/fsn3.70649.
https://doi.org/10.1002/fsn3.70649
Förderung: Diese Studie wurde von der Alexander von Humboldt-Stiftung (Dr. Matías Schierenbeck) und durch die Grundfinanzierung des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung unterstützt. Die Open-Access-Finanzierung wurde durch das Projekt DEAL ermöglicht und organisiert.
Hintergrundinformation:
Die „Grüne Revolution“ bezeichnet die weltweite Einführung moderner Landwirtschaftstechnologien ab den 1960er-Jahren. Neben kurzwüchsigem Weizen trugen Dünger, Pestizide, Bewässerung und Mechanisierung zu einer deutlichen Steigerung der Erträge bei, mit bis heute anhaltenden ökologischen und sozialen Folgen.
Die Kornfüllung ist die letzte Wachstumsphase von Getreidepflanzen, in der sich die befruchteten Fruchtknoten durch die Anreicherung von Stärke und anderen Nährstoffen aus dem Blattwerk der Pflanze zu vollwertigen Körnern entwickeln. Dieser Prozess umfasst den Transfer von Kohlenhydraten und die Anreicherung von Trockenmasse und Wasser, was sich direkt auf das Endgewicht, die Größe und die Qualität der Körner und damit auf den Gesamtertrag der Pflanze auswirkt.
Bei Gliadinen und Gluteninen handelt es sich um zwei unterschiedliche Proteingruppen, die sich in ihren Eigenschaften unterscheiden. Glutenine sind riesengroße Makromoleküle (Polymere), die aus vielen Einzelmolekülen bestehen, die sich zusammengelagert haben. Gluteninpolymere weisen Molekulargewichte von 500.000 bis zu über 10 Millionen auf und gehören zu den größten natürlich vorkommenden Proteinen. Dagegen sind Gliadine Einzelmoleküle (Monomere) mit einem Molekulargewicht zwischen 28.000 und 55.000. Die Forschung am LSB hat nicht nur dazu geführt, die Funktion der Gliadine und Glutenine beim Backen besser zu verstehen. Sie hat auch dazu beigetragen, die Struktur von immunreaktiven Sequenzen der Gliadine aufzuklären, die bei einigen Menschen aufgrund ihrer erblichen Veranlagung Zöliakie hervorrufen.
Zöliakie ist eine chronische Erkrankung des Dünndarms. Eine Glutenunverträglichkeit ist Hauptauslöser der Krankheit, wobei die Erkrankung besonders bei erblich vorbelasteten Personen auftritt. Welche weiteren Co-Faktoren den Ausbruch der Erkrankung stimulieren, ist bislang noch nicht vollständig geklärt.
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