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Lexikon der Biologie: gentechnische Schädlingsbekämpfung

gentechnische Schädlingsbekämpfung, gezielter Einsatz der Gentechnologie zur Bekämpfung von Schädlingen. Dabei stehen Resistenzen gegen Viren, Insekten und phytopathogene Pilze im Vordergrund ( ä vgl. Infobox ). Die Pflanzen können durch geeignetes „genetic engineering“ mit rekombinanten DNA-Techniken verändert werden. Hierzu gehören die Mikroinjektion (z.B. von manipulierten P-Elementen aus Drosophila melanogaster), die Elektroporation und die Verwendung von Transformations-Vektoren (Transformation). Für letztere Methode verwendet man bei Zweikeimblättrigen Pflanzen in der Regel das Ti-Plasmid von Agrobacterium tumefaciens und bei Einkeimblättrigen Pflanzen im allgemeinen Mosaik-Viren. Die transformierenden Gene stammen hauptsächlich aus Mikroorganismen und Viren, doch wurden auch bereits pflanzliche Gene (Gen) übertragen. Bei dieser Art der gentechnischen Schädlingsbekämpfung wird z.B. eine Nutzpflanze mit geeigneten Abwehrmechanismen (pflanzliche Abwehr) gegenüber ihren Freßfeinden ausgestattet. Von besonderem Interesse ist die Übertragung des Bt-Gens aus dem Bodenbakterium Bacillus thuringiensis, einem toxigenen Sporenbildner, in wichtige Kulturpflanzen (Bacillus-thuringiensis-Toxin, Abb.). Das Bt-Gen konnte bereits erfolgreich in so bedeutende Kulturarten wie Baumwollpflanze, Raps (Kohl), Mais, Tabak, Tomate, Kartoffelpflanze und Reis übertragen werden. – Der Einbau von Proteinaseinhibitorgenen (z.B. des Trypsin-Inhibitorgens aus der Kundebohne, Vigna unguiculata, einem Hülsenfrüchtler) in Pflanzen ist eine andere Möglichkeit des Schutzes gegen Schadinsekten. Ihre toxische Wirkung basiert auf der Blockierung des tierischen Trypsins und anderer Endopeptidasen im Verdauungstrakt. Mit dem Trypsin-Inhibitor aus der Kundebohne transformierter Tabak zeigte eine erhöhte Resistenz gegen die Tabak-Eule (Heliothis virescens). Die erfolgreiche Insertion der Proteinase-Inhibitoren wurde des weiteren in Kartoffel- und Tomatenblättern nachgewiesen. Das besonders breite Wirkungsspektrum der Proteinase-Inhibitoren ist ihr größter Vorteil im Vergleich mit den hochspezifischen Bt-Toxinen. Verschiedene pflanzliche Lectine – z.B. aus dem Schneeglöckchen und der Erbse – haben ebenfalls eine insektizide Wirkung (Insektizide), die in der gentechnischen Schädlingsbekämpfung Anwendung findet. So zeigen z.B. Kartoffeln, in die ein Lectin aus dem Schneeglöckchen transformiert wurde (GNA-Kartoffeln), eine deutliche Resistenz gegenüber Blattläusen. Eine weitere Möglichkeit zur gentechnischen Schädlingsbekämpfung ist die Übertragung von Genen, die für eine Behaarung der Blätter codieren. Bei der Kartoffel konnte die Schädigung der Pflanze durch Züchtung haariger Formen stark reduziert werden, da die Haare eine klebrige Flüssigkeit absondern, in der sich kleinere Insekten verfangen, und die von größeren Insekten nur schlecht verdaut wird. Neben einer indirekten Schädlingsbekämpfung durch gentechnische Modifikation von Nutzpflanzen versucht man auch, direkt die Schadinsekten zu vernichten. Versuche mit transgenen Baculoviren, die Schmetterlingsraupen befallen, zeigen erste Erfolge. Diesen Viren werden aus Raubmilben und Skorpionen (z.B. Androctonus australis) isolierte Gene, die insektizid wirkende Nervengifte (Neurotoxine) codieren, eingeschleust. Infiziert man mit solchen Viren Insektenzellen, so produzieren diese das Nervengift, wodurch die Raupen gelähmt werden und einige Tage nach der Infektion absterben. Überdies versucht die Pflanzen-Biotechnologie, virusresistente Pflanzen zu züchten (Pflanzenviren). Seit 1929 ist die Möglichkeit bekannt, eine sog. Präimmunität (virus cross protection) gegenüber starken Virus-Stämmen durch die vorsätzliche Infektion der Pflanzen (Virusinfektion) mit einem schwachen Virus-Stamm auszulösen. Da die Präimmunität durch die akkumulierten Hüllproteine des ersten Virus, welche die Replikation des starken, nachfolgenden Virus blockieren, hervorgerufen wird, reicht es, lediglich die Hüllproteine produzieren zu lassen. Mittels Erstellung einer cDNA des die Hüllproteine codierenden RNA-Genoms, das über einen Agrobacterium-Transfer in die Rezeptorpflanzen geschleust wurde, konnte eine Hüllprotein-Produktion in allen Zellen induziert und somit eine Resistenz gegen das jeweilige Virus hervorgerufen werden. Erfolgreiche Versuche zur Präimmunisierung mit dieser Methode wurden bereits an Tabak, Tomaten und Kartoffeln sowie einigen anderen Kulturpflanzen vorgenommen. Damit sind die mögliche Mutation der bis dahin schwachen Stämme zu starken Stämmen und die damit einhergehende Vernichtung der eigentlich zu schützenden Pflanzen sowie die ohnehin auftretenden Ertragsverluste bei einer schwachen Virusinfektion vermeidbar. Virusresistenz kann auch die antisense-Technik bieten. Sie beruht auf der Bildung einer zur viralen mRNA komplementären RNA (antisense-RNA), die sich mit der mRNA zu RNA/RNA-Hybriden zusammenschließen kann und dadurch die mRNA durch die entstehende Bindung blockiert. Eine Translation der mRNA ist nun nicht mehr möglich. Eine andere Strategie zur gentechnischen Erzeugung von Virusresistenz geht aus der Hemmung der Virus-Replikation hervor. Diese kann entweder durch die Induktion von mutierter Virus-RNA oder von einer kleinen extragenomischen RNA (Satelliten-RNA; Satelliten) in transgenen Pflanzen entstehen. Viele Viren können mit solchen nichtgenomischen RNA-Molekülen assoziiert sein, die in bezug auf Replikation und Verbreitung von den Viren abhängig sind. Satelliten-RNAs sind in der Lage, die durch den Virusbefall ausgelöste Schädigung abzuschwächen (Attenuation). Experimentell konnte z.B. beim Befall durch das Gurkenmosaik-Virus (Cucumber mosaic virus) eine via Hefevirus in Tabak eingeschleuste Satelliten-RNA virulenzschwächend wirken und die Krankheitssymptome deutlich reduzieren. Des weiteren ist es möglich, Ribozyme (RNA-Moleküle, die katalytische Aktivität besitzen und so das virale Genom zerstören) in Rezeptorpflanzen einzubringen. – Neben den durch Fraß schädigenden Insektenarten und Viren gehören auch einige Pilze zu den phytopathogenen Organismen, die durch gentechnische Manipulation von Kulturpflanzen (gentechnisch veränderter Organismus, transgene Organismen) bekämpft werden. Ziel der derzeitigen Forschungen sind hierbei der Transfer isolierter Resistenzgene sowie die Übertragung einzelner Pathogenabwehrgene. Zu den Pilz-Resistenz bewirkenden Genen gehören die Chitinase-Gene, deren Induktion eine gesteigerte Synthese der Chitinase bewirkt, welche den Abbau der Zellwände von Pilzen hervorruft und resultierend ein Pilzwachstum hemmt. Gene, die für diese Endochitinasen codieren, konnten aus Bakterien (z.B. aus dem Bodenbakterium Serratia marcescens) sowie aus der Garten-Bohne isoliert, in Escherichia coli kloniert und über Agrobacterium tumefaciens in Pflanzen transferiert werden. Bei Tabak konnte so eine erhöhte Toleranz gegen den Schadpilz Alternaria longipes induziert werden. Ebenfalls war es mit dieser Methode möglich, eine größere Widerstandsfähigkeit von Raps gegenüber dem Pilz Rhizoctonia solani hervorzurufen. Eine andere Variante der gentechnischen Pilzabwehr stellt die Übertragung von Genen, die für Stilbensynthasen codieren, dar. Zu den Stilbenen gehören die Phytoalexine, niedermolekulare Abwehrstoffe der Pflanzen, die postinfektionell gebildet werden. Das codierende Gen für die Synthase des Phytoalexins Resveratrol konnte aus der Erdnuß isoliert und in Protoplasten des Tabaks übertragen werden. Durch die Translation der so induzierten mRNA konnte die Resveratrol produzierende Stilbensynthase gebildet und eine Resistenz gegen den Befall durch Botrytis cinerea hervorgerufen werden. Auch wurde das genannte Gen mittels der indirekten Pollentechnik auf Weizen übertragen und exprimiert. Ob hieraus allerdings auch eine Resistenz gegen phytopathogene Pilze resultiert, wird gegenwärtig noch erforscht. In den Samen einiger Getreidesorten sind Proteine, welche die Proteinsynthese der Schadorganismen durch eine RNA-N-Glykosidase-Modifikation der 28S-rRNA inhibieren, vorhanden. So beinhaltet z.B. die Gerste das ribosomeninaktivierende Protein RIP und der Weizen ein funktionsgleiches Protein (Tritin). Durch das Einbringen eines aus der Gerste isolierten RIPs mittels Agrobacterium-Transformation in Tabakpflanzen ließ sich eine deutlich gesteigerte Resistenz gegenüber dem Pilz Rhizoctonia solani erzielen. Neben den oben bereits erwähnten insektiziden Lectinen gibt es auch Lectine mit antifungaler Wirkung. Besonders stark fungizid ist das Lectin der Großen Brennessel. biologische Schädlingsbekämpfung, biotechnische Schädlingsbekämpfung, chemische Schädlingsbekämpfung, Gengesetz, integrierte Schädlingsbekämpfung, Pflanzenschutz.

S.Gä.

Lit.: Brandt, P.: Transgene Pflanzen. Basel 1995. Heß, D.: Biotechnologie der Pflanzen. Stuttgart 1992. Ibelgaufts, H.: Gentechnologie von A bis Z. Weinheim 1992. Krieg, A., Franz, J.M.: Lehrbuch der biologischen Schädlingsbekämpfung. Berlin, Hamburg 1989. Max-Planck-Institut für Züchtungsforschung Köln (Hrsg.): Pflanzenproduktion und Biotechnologie. Brühl 1992. Nossal, G.J.V., Coppel, R.L.: Thema Gentechnik. Eine lebensverändernde Wissenschaft. Berlin 1992. Odenbach, W. (Hrsg.): Biologische Grundlagen der Pflanzenzüchtung. Berlin 1997. Ordon, F., Friedt, W.: Von Mendel zum Gentransfer. Gelsenkirchen 1998. Skorupinski, B.: Gentechnik für die Schädlingsbekämpfung. Stuttgart 1996.

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