Mibi 06: Hefe-Ökologie

• Die Vorlesung behandelt das Thema Hefeökologie.
• Die Schwerpunkte liegen auf der Verbreitung von Hefen, der Anzahl der Arten, dem Terroir im Vergleich zur Ökologie am Beispiel von Kupfer sowie der Ökologie von Hefen in Verbindung mit Wespen und Schnecken.

Alles ist überall

• Lourens G. M. Baas Becking (1895-1963) postulierte: "alles is overal: maar het milieu selecteert" (Baas Becking, 1934).
• Mikroben sind allgegenwärtig, jedoch ist nicht jede Mikrobe überall zu finden.
• Mikroben haben ökologische Nischen, in denen sie vorkommen, nicht aber anderswo.
• Mikroorganismen sind Kosmopoliten und können sich passiv als "Luftplankton" weltweit verbreiten.
• An einem bestimmten Ort findet man nur die Mikroben, die unter den dort gegebenen Umweltbedingungen proliferieren und bestehen können.
• Unterschiede in der mikrobiellen Geographie entstehen auch durch Assoziationen bestimmter Mikroben mit Tieren, wodurch die Verbreitung der Mikroorganismen an die Verbreitung des Wirtes geknüpft ist.

Hefebiodiversität

• Seit 2011 wurden jährlich etwa 60 Arten beschrieben.
• In den Jahren 2004, 2008, 2010–2013 und 2019 gab es einen Anstieg der Artenentdeckungsraten.
• Der erste Höhepunkt stand im Zusammenhang mit wachsenden Entdeckungen aus Nordamerika, Asien und Europa, während spätere Höhepunkte ausschließlich auf vermehrter Forschungstätigkeit in Asien beruhten.
• Geringe Entdeckungsraten wurden in den Jahren 2002 und 2014 beobachtet (33 bzw. 34 Arten).
• Diese Tiefpunkte korrelierten mit rückläufigen Zahlen neuer Hefearten, die aus Nordamerika beschrieben wurden.
• Das zweite Minimum resultierte aus global rückläufigen Beschreibungen in Asien, Europa und Amerika in den Jahren 2013 und 2014.
• Dieser Trend hat sich jedoch durch zunehmende Forschungstätigkeiten in Asien, Europa und Südamerika geändert.
• Seit 2019 wächst die Zahl der neu beschriebenen Arten rapide, und es wird erwartet, dass sich dieses Wachstum im Jahr 2020 fortsetzt.

Historische Erkenntnisse über Hefe

• Antoni van Leeuwenhoek untersuchte 1680 als erster Hefe unter dem Mikroskop, hielt sie aber nicht für lebende Organismen.
• Theodor Schwann erkannte 1837, dass Hefe ein Pilz ist und wies experimentell nach, dass Hefe lebendig ist.
• Julius Meyen übersetzte 1838 die Bezeichnung ins Lateinische und gab dem Organismus den biologischen Namen Saccharomyces.
• Die Erkenntnisse von Schwann wurden nicht sofort akzeptiert, da Justus Liebig annahm, Hefe sei ein Rückstand der Zersetzung von Zucker.
• Louis Pasteur konnte in den 1850er- bis 1870er-Jahren beweisen, was Hefe ist und wie sie funktioniert.
• Justus von Liebig bekämpfte die neuen Theorien über die Gärung mit seiner Autorität und Persönlichkeit.
• Liebig erklärte, dass Hefe nebensächlich bei der Gärung sei.
• Liebig verglich die Meinung der Hefeentdecker mit der Ansicht eines Kindes, welches den raschen Lauf des Rheins durch die vielen Mühlen bei Mainz erklärt.
• Er veröffentlichte unter dem Titel „Das enträtselte Geheimnis der geistigen Gärung“ Spott über die Entdecker der Hefe.
• Julius Wortmann setzte die Arbeit Müller-Thurgaus fort und gründete 1894 die erste Weinhefe-Reinzuchtstation Deutschlands in Geisenheim.
• Müller-Thurgau, Wortmann, Aderhold und Meißner schufen von 1875-1900 die wissenschaftlichen Grundlagen der neuzeitlichen Weinbereitung.

Mikrobielle Diversität und Terroir

• Wissenschaftler der UC Davis untersuchen Mikroben in Weinbergen und Weinen, um einen einzigartigen biogeografischen Fingerabdruck zu beweisen.
• Mikrobielle Gemeinschaften korrelieren mit spezifischen klimatischen Merkmalen, was auf einen Zusammenhang zwischen den Umweltbedingungen im Weinberg und den Mustern der mikrobiellen Besiedlung hindeutet.
• Das erklärt das Vorhandensein des "mikrobiellen Terroirs" als Faktor bei der regionalen Variation der Weingärung.
• Es gibt Unterschiede in der Biodiversität je nach Weinberg und Jahr.
• Die Biodiversität von Saccharomyces Stämmen wird durch die klimatischen Bedingungen und weinbergspezifische Faktoren wie Alter und Grösse beeinflusst.
• Stämme, die als Terroir Hefe-Kandidaten bezeichnet werden könnten, wurden nicht gefunden
• AОС Wallis ist ein Schutzsiegel für landwirtschaftliche Produkte, um deren Herkunft zu garantieren
• Hauptkäufer von gefälschten Weinen waren Caves Garnier, Fenaco, Mövenpick Wein oder Giroud Vins SA.
• Die Frage, ob ein Wein authentisch ist, kann anhand klassischer Analyseverfahren nur eingeschränkt überprüft werden.

Stabilisotopenanalytik von Wein

• Die Authentizität von Wein kann mit klassischen Analysenverfahren in der Regel nicht ausreichend überprüft werden, da Hauptinhaltsstoffe wie Wasser und Zucker nicht von anderen Quellen unterschieden werden können.
• Die einzige Möglichkeit, die geographische Herkunft und Zusammensetzung zu prüfen, besteht darin, die natürlich vorkommenden schweren Isotope der Elemente Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff in den Weininhaltsstoffen zu analysieren.
• Isotopenverhältnisse sind wie ein Fingerabdruck für authentischen Wein, seine geographische Herkunft und den Jahrgang.
• Die amtliche EU-Weindatenbank enthält Daten von jährlich 1380 Proben Keltertrauben, Grundlage sind die EU-Verordnungen Nr. 2729/2000 und Nr. 2220/2004.
• Lourens Gerhard Marinus Baas Becking postulierte, dass alles überall ist, aber die Umwelt selektiert.
• Ökologie erforscht die Beziehungen von Lebewesen untereinander und zu ihrer unbelebten Umwelt.
• Die dünnen Häute und das dichte Wachstum der Zinfandel Rebsorte führt zur Ballung und dem Aufplatzen der Beeren.
• Das erklärt wohl das erhöhte Auftreten von Gluconobacter, Lactobacillales und fermentativen Hefen besonders Candida zemplinina / Starmerella bacillaris auf der Oberfläche von Zinfandel Beeren.
• Wege, die Biodiversität zu reduzieren, sind der Einsatz von Pestiziden.

Kupfer in der Weinproduktion

• Kupfer ist ein essentielles Spurenelement, das aber auch gegen Mikroben eingesetzt werden kann.
• Die Anwendung von Kupfer wird seit 1991 reguliert, seit 2006 sind bis zu 6 kg/ha/Jahr erlaubt.
• In den USA ist das Spritzen von Kupfersulphat nicht notwendig; in Europa ja, um in regnerischen Perioden den Falschen Mehltau zu bekämpfen.
• Falscher Mehltau: Oomycete Plasmopara viticola, Bremia, Peronospora und Sclerospora.
• Plasmopara viticola, auch bekannt als Falscher Mehltau, wurde erstmals 1878 beschrieben.
• Er überwintert im Falllaub am Boden als geschlechtlich gebildete Oosporen und keimt im Frühjahr bei Temperaturen ab 11 °C.
• Schäden durch Falschen Mehltau sind braune bis graue Flecken auf der Blattoberseite, weißer Sporenrasen auf der Blattunterseite und Abwurf der Blätter.
• Echter Mehltau (Erysiphales) wird durch dauerhaftes Schwefeln bekämpft, während Falscher Mehltau mit Kupfer behandelt wird.
• Erhöhter Kupfereinsatz führt zu dichteren und härteren Traubenhäuten, was mehr Schutz vor Botrytis bietet.
• Bei später Behandlung kann Kupfer die Tannine trockener machen und einen metallischen Geschmack hinterlassen.
• Aureobasidium pullulans und St. bacillaris sind resistenter gegen Kupfer.
• In S. cerevisiae bewirkt ein Metallothionein (CUP1) die Entgiftung von Kupfer über Chelatbildung.
• In Candida albicans sind die Gene CUP1 und CRP1 an der Entgiftung von Kupfer beteiligt, wobei CRP1 für einen Kupfertransporter kodiert.
• Phytoplasmen werden durch Scaphoideus titanus übertragen, der durch die Flavescence dorée(Goldgelbe Vergilbung) verursacht wird.
• Wespen verbreiten Hefen in ihrer Umwelt.

Hefen und Wespen

• Saccharomyces cerevisiae und Wespen leben in Symbiose, wobei die Wespen die Hefezellen verbreiten.
• Königinnen von überwinternden sozialen Wespen können Hefezellen tragen und an ihre Nachkommen weitergeben, was sie zu einer wichtigen Nische für die Evolution natürlicher S. cerevisiae Populationen macht.
• Hefen erhalten einen sicheren Platz zum Überwintern, Wespen dienen als Taxi/Transportmittel zu neuen Nahrungsquellen
• Wespen dienen als proteinreiche Nahrung.

Alternativen zum Pestizid-Einsatz

• "Sonnencreme", bestehend aus Wasser und weißer Tonerde (Kaolin), schützt die Trauben vor Verbrennen.
• Hefen- und Schneckenvielfalt als natürlicher Schädlingsbekämpfung
• Cepaea nemoralis und Cepaea hortensis sind Taxis für Mikroben in Weinbergen.
• Eine Erhöhung der mikrobiellen Biodiversität im Weinberg kann das Wachstum von pflanzenpathogenen Pilzen einschränken.
• Die Hefeisolate von Schnecken decken eine weiten Bereich von Ascomyzeten und Basidiomyzeten ab.
• Interessanterweise wurde mehrfach Candida glabrata isoliert.
• Hanseniaspora uvarum dient zur "Attract and Kill"-Methode.
• Die Parameter, die die Hefepopulationen von Trauben beeinflussen, umfassen Temperatur, Regen, Pestizideinsatz und Verletzungen der Traubenhaut.