Preharvest and postharvest factors affecting the quality profile of onion landraces

Abstract

Onion cultivation has been practiced for over 4000 years and does not exist as a wild species. Over time onions have adapted to different climates, creating a wide range of varieties and landraces. Today, in modern agriculture, commercial onion breeders focus almost exclusively on conventional farming which increases the demand for certain well-known varieties and hybrids but lowers the diversity available in the mainstream market. Additionally, a clear need for new varieties of onions is heralded by organic farming systems, where pesticides and chemical fertilizers are banned. A way to preserve biodiversity and enrich the range of varieties available in organic farming systems is to re-evaluate traditional landraces and introduce their benefits to the broader public. Onions are known for their good storability, particular aroma, as well as for their health-promoting benefits due to the rich content of non-structural carbohydrates, flavonoids, and S-containing compounds. However, the quality status and sensorial characteristics of onions can be influenced through preharvest and postharvest factors. Some of those factors are genotype, soil, and storage conditions. Preharvest abiotic factors such as soil salinity can lead to several reduction of yield and quality aspects. Much like many other vegetable species, onions have always been classified as salt-sensitive crop. However, to date, there was very little evidence to that claim, and information about the impact of salinity on onion quality and physiology is lacking. This thesis aims to characterize onion landraces and compare them using targeted and untargeted metabolomics with commercial cultivars when grown under organic farming conditions. A part of this is evaluating the differences of landrace metabolite profile and the storage impact after five months of cold storage. Furthermore, this thesis discusses the effect of increased soil salinity on the metabolism and physiology of onion plants. In chapter 2, yield and quality aspects of studied onion varieties demonstrated that landraces can achieve similar or even better results than modern varieties Sturon and Red Baron when grown under organic farming conditions of South-West Germany. Furthermore, differences between Sturon and landraces demonstrated that parts of the aromatic and flavor properties found in landraces have been lost in modern genotypes (Chapter 3). These results indicate that the maximum potential of the modern onion varieties has not yet been reached and further optimization of their yield and quality parameter could be attained through future breeding programs that include local landraces. Among the studied landraces, Birnförmige, Stunova, and Rijnsburger 4 are the most interesting and promising candidates. For instance, Birnformige demonstrated not only good storability but also high levels of S-containing compounds and fructans. Stunova presented good yield stability and capacity, while Rijnsburger 4 exhibited the highest levels of amino acids suitable as precursors of aromatic substances as well as good storability. Despite several reports claiming that onions are sensitive to salinity, chapter 4 of this thesis demonstrated there is no reduction in plant growth, quality, or aroma in onion plants after moderate Na+ treatments. Nevertheless, in comparison with the landrace Birnformige, modern variety Sturon showed a slight increase of compatible solutes by Na+ accumulation, demonstrating that the potential of certain varieties for onion production under increased soil salinity is actually much higher than previously assumed.

Die Speisezwiebel wird seit mehr als 4000 Jahren kultiviert. Ihr genauer Ursprungsort ist unbekannt, eine Wildform existiert nicht. Über Jahrhunderte haben sich Zwiebeln jedoch an unterschiedliche Klimazonen angepasst, es ist eine Vielzahl an Landsorten entstanden. In der modernen Landwirtschaft liegt der Fokus oft im konventionellen Anbau, dies führt zu einer Limitierung des nutzbaren Sortenspektrums und zur Extensivierung der Erhaltungszüchtung von Populationssorten. Darüber hinaus werden neue Zwiebelsorten benötigt, die an Bedingungen im ökologischen Anbausystem (ohne Anwendungen von Pestiziden und chemischen Düngemitteln) angepasst sind. Ein Weg, um die biologische Vielfalt zu erhalten und das Sortenspektrum des ökologischen Landbaus zu bereichern, besteht darin, traditionelle Landsorten neu zu bewerten und ihre besonderen Charakteristiken herauszuarbeiten. Zwiebeln zeichnen sich durch eine gute Lagerfähigkeit, ihr besonderes Aroma und ihre gesundheitsfördernde Wirkung, bedingt durch das Vorhandensein nicht-struktureller Kohlenhydraten, Flavonoide und S-haltige Verbindungen, aus. Diese Qualitätsparameter und sensorischen Eigenschaften können jedoch durch Vor- sowie Nacherntefaktoren beeinflusst werden. Zu diesen Faktoren zählen: Genotyp, Bodenbedingungen, und Lagerbedingungen. Vorerntefaktoren, wie beispielsweise ein erhöhter Salzgehalt des Bodens, können auch zu Ertragsminderungen und Qualitätsänderungen von Zwiebeln führen. Ähnlich wie bei anderen Gemüsearten wurden Zwiebeln bisher als salzempfindliche Pflanzen eingestuft. Bisher gibt es jedoch nur sehr wenige Hinweise für diese Behauptung, des Weiteren fehlen Informationen zu Auswirkungen des Salzgehalts auf die Zwiebelqualität sowie deren Physiologie. Das Ziel dieser Arbeit ist es, durch gezielte und nicht zielgerichtete Analyse von Metaboliten (Metabolomics) Zwiebellandsorten zu charakterisieren und diese mit kommerziellen Sorten, die unter ökologischen Landbau-Bedingungen erzeugt wurden, zu vergleichen. Zudem werden in dieser Studie auch die Auswirkungen von fünf-monatiger Kühllagerung und die Veränderung des Metabolitenprofils der Landsorten bewertet. Abschließend wird in der vorliegenden Arbeit der Effekt eines erhöhten Salzgehalts im Boden auf den Stoffwechsel und die Physiologie von Zwiebelpflanzen erörtert. In Kapitel 2, Ergebnisse von Ertrags- und Qualitätsaspekten der untersuchten Zwiebelsorten zeigen, dass Landsorten teilweise höhere Ertragswerte erreichten, als die modernen Sorten Sturon und Red Baron wenn diese unter Bedingungen des ökologischen Landbaus in Südwestdeutschland angebaut wurden. Außerdem zeigen Unterschiede des Metabolitprofils zwischen Sturon und Landsorten, dass ein Teil der in Landsorten gefundenen Aromaeigenschaften in modernen Genotypen verloren gegangen ist (Kapitel 3). Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass das maximale Potenzial der modernen Zwiebelsorten noch nicht erreicht wurde und eine Optimierung ihrer Ertrags- und Qualitätsparameter durch Züchtungsprogramme unter Einbeziehung der Landsorten noch verbessert werden könnte. Interessante Landsorten sind z. B. Birnförmige, Stunova und Rijnsburger 4. Die Birnförmige hatte z. B. hohe Konzentrationen an S-haltigen Verbindungen und Fructanen. Die Sorte Stunova hatte einen guten Ertrag und Rijnsburger 4 hatte die höchsten Konzentrationen solcher Aminosäuren, die als Vorstufen aromatischer Substanzen dienen, sowie auch eine gute Lagerfähigkeit. Trotz einiger Studien, die von einer hohen Empfindlichkeit der Zwiebeln gegenüber erhöhtem Salzgehalt in Böden berichten, zeigen die hier vorgelegten Ergebnisse in Kapitel 4, dass nach einer moderaten Na+-Behandlung keine Verringerung des Pflanzenwachstums erfolgte und dass auch die Qualität der Zwiebeln erhalten blieb. Lediglich zeigte die moderne Sorte Sturon, im Vergleich zur Landessorte Birnförmige eine leichte Erhöhung von kompatiblen Soluten durch Na+-Akkumulation. Die Ergebnisse zeigen das das Potenzial für die Zwiebelproduktion unter erhöhter Bodensalinität tatsächlich viel höher als bisher angenommen ist.