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Pflanzenschutz: Impfen gegen Schädlinge

Forscher wandeln natürliche Abwehrstrategien von Pflanzen in eine gezielte Waffe gegen Viren oder Käfer um. Kann die Methode chemische Pflanzenschutzmittel ersetzen?
Heuschrecke

Weltweit verursachen Schädlinge Ernteeinbußen von rund 100 Milliarden US-Dollar jährlich. Um ihre Ernte zu bewahren, greifen die meisten Landwirte zu chemischen Pflanzenschutzmitteln. Doch Pestizide geraten zunehmend in Verruf: Sie reichern sich im Boden an und stehen im Verdacht, Mensch, Umwelt und Tiere zu schädigen. Hinzu kommt, dass Schädlinge mit der Zeit Resistenzen entwickeln, das heißt, die Mittel verlieren ihre Wirksamkeit.

So suchen Forscher rund um den Globus fieberhaft nach ökologisch verträglichen Alternativen des Pflanzenschutzes (PDF). »Wir verstärken das bereits vorhandene natürliche Abwehrsystem in Pflanzen«, erklärt der Molekularbiologe und Studienleiter Manfred Heinlein vom Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in Straßburg.

Werden Pflanzen, Pilze oder Tiere von Viren angegriffen, aktiviert das einen Mechanismus, der Virengene stilllegt, so dass sich die Erreger nicht mehr vermehren können. Diesen Abwehrmechanismus, die so genannte RNA-Interferenz (RNAi), können Forscher verstärken und gezielt auch gegen andere Schädlinge wie etwa Insekten anwenden. »Das ist ein neuer, hochspezifischer Wirkmechanismus der Schädlingsbekämpfung, der das Potenzial hat, chemische Pflanzenschutzmittel zu ersetzen oder zu ergänzen«, sagt Jörg Romeis vom schweizerischen Agroscope, dem Kompetenzzentrum des Bundes für landwirtschaftliche Forschung.

Virenvermehrung wird gestört

Infiziert ein Virus eine Zelle, hat es nur ein Ziel: Vermehrung. Dazu muss es zunächst sein Erbgut kopieren, das bei vielen Viren aus RNA besteht. RNA ähnelt dem Erbgutmolekül DNA, kommt in einer Zelle in der Regel aber nur einzelsträngig vor. Beim Kopieren des Viren-Erbguts entsteht jedoch doppelsträngige RNA (dsRNA). Diese wird vom Abwehrsystem der Zelle als fremd erkannt und zerstückelt. Die entstandenen RNA-Bruchstücke docken an das restliche Viren-Erbgut an und sorgen dafür, dass es von speziellen RNAi-Proteinen zerschnitten wird. Die Virenvermehrung wird dadurch erheblich gestört.

Genutzt wird der RNAi-Mechanismus bereits bei einigen Feldfrüchten. Ein von Monsanto gentechnisch veränderter Mais etwa hält damit einen gefürchteten Schädling in Schach: den Westlichen Maiswurzelbohrer, der sich auch in Europa immer weiter ausbreitet. Der Monsanto-Mais produziert selbst dsRNA, die zu einer für den Schädling lebenswichtigen Gensequenz namens Snf7 passt. Frisst der Käfer nun am Mais, nimmt er die dsRNA auf. Diese gelangt über den Darm in die Zellen und wird dort zur Waffe: Die RNA-Schnipsel docken gezielt nur an die Snf7-Sequenz an und zerstören sie, wodurch der Käfer stirbt.

2017 hat die US-amerikanische Umweltbehörde EPA die Anwendung von RNAi in Mais als Insektizid erstmals genehmigt. In einigen Ländern, etwa den USA, Japan und Brasilien, ist der Mais bereits zugelassen und wird voraussichtlich 2019 angebaut. Ein weiteres Beispiel ist die ebenfalls gentechnisch manipulierte Pinto-Bohne in Südamerika. Mit Hilfe des RNAi-Systems ist sie widerstandsfähiger gegen das Golden-Mosaik-Virus, das eine in Südamerika weit verbreitete Pflanzenkrankheit auslöst.

»Bei dsRNA wird, wie bei vielen neuen Technologien im Entwicklungsstadium, im Moment das praktische Potenzial eher überschätzt, die Risiken werden eher unterschätzt«
(Lucius Tamm)

Die gentechnische Herkunft solcher RNAi-Pflanzen hat aber auch Nachteile: Die Entwicklung kostet Zeit, unter anderem, weil diese Pflanzen aufwändige Sicherheitsprüfungen durchlaufen müssen. Außerdem haben sie ein Imageproblem, vor allem im Europa, wo solche Pflanzen verpönt und daher unverkäuflich sind.

RNAi aufsprühen verändert Ergbut nicht

Heinlein und andere Forscher konzentrieren sich deshalb auf die äußere Anwendung von RNAi in Form von Sprays. Diese dsRNA-Sprays kann man auf Pflanzen aufsprühen, ohne deren Erbgut zu verändern. Heinlein konnte zeigen, dass Tabak-Mosaik-Viren sich nicht weiter vermehrten, nachdem Tabakpflanzen mit einem entsprechenden dsRNA-Spray behandelt worden waren. »Es handelt sich um biologische Moleküle, die ein Teil der Natur sind: Sie kommen überall vor, in und außerhalb von Organismen, auch in Lebensmitteln. Sie sind gesundheitlich unbedenklich und in wenigen Tagen vollständig biologisch abgebaut, reichern sich also nicht in der Umwelt an«, so Heinlein.

Ein weiterer Vorteil gegenüber Pestiziden sei die wesentlich geringere Wahrscheinlichkeit, dass Resistenzen entstünden: »Aus einer dsRNA entstehen zahlreiche RNA-Bruchstücke, die zu einer bestimmten Gensequenz eines Schädlings passen und ihn dadurch bekämpfen. Selbst wenn Teile des Schädlingsgens mutieren, bleibt ein Großteil der RNA-Stückchen aktiv«, erklärt Heinlein.

Schädlingsabwehr
Schädlingsabwehr | Nicht nur als ganze Pflanze, auch abgeerntet halten Kräuter, Obst und Gemüse ihre Abwehrmechanismen gegen Fressfeinde aufrecht. Ohne einen natürlichen Tag-Nacht-Rhythmus verliert sich die Fähigkeit aber schnell, punktgenau vor einer Fressattacke durch Schädlinge antiherbivore Abwehrstoffe auszuschütten.

Ist die Impfung von Pflanzen mit dsRNA also die perfekte Waffe gegen Schädlinge? »Es bestehen berechtigte Hoffnungen, dass diese Produkte selektiver sind und weniger Nebenwirkungen verursachen als konventionelle Pestizide wie Neonikotinoide«, sagt Lucius Tamm, stellvertretender Direktor des Forschungsinstituts für biologischen Landbau im schweizerischen Frick. »Allerdings wird bei dsRNA, wie bei vielen neuen Technologien im Entwicklungsstadium, im Moment das praktische Potenzial eher überschätzt, die Risiken werden eher unterschätzt.«

»Im Vergleich zu Pestiziden mit einem oft breiten Wirkungsspektrum sind wir auf einem guten Weg«
(Jörg Romeis)

Ein Risiko der neuen Technologie sind Off-target-Effekte, bei denen versehentlich Gene stillgelegt werden, die eine ähnliche Sequenz wie das Zielgen aufweisen. Das kann im Schädling selbst oder in einer anderen Art geschehen. »Dem sorgfältigen Design der dsRNA kommt deshalb große Bedeutung zu«, so Tamm, »denn das entscheidet, ob Nebeneffekte auftreten oder nicht.« Konkret bedeutet das: Der Kartoffelkäfer soll sterben, wenn er an Kartoffelpflanzen frisst, andere Insektenarten aber nicht. Der Schlüssel zu dieser Spezifität ist die richtige Gensequenz.

Dass das funktioniert, zeigt der Monsanto-Mais: »Im Zulassungsverfahren für RNAi-Produkte müssen mögliche Nebenwirkungen auf verschiedene Insektenarten in Fütterstudien überprüft werden. Für den genannten RNAi-Mais wurden keinerlei Effekte auf Nichtzielorganismen gefunden«, so Romeis. »Da immer mehr Sequenzen von Organismen zur Verfügung stehen und das Sequenzieren immer einfacher wird, sollte es mit der Zeit leichter werden, die geeigneten Sequenzen zu finden«, sagt Heinlein. Erleichterung versprechen auch Initiativen wie i5K, die das Ziel hat, 5000 Genome von Gliederfüßern, zu denen etwa Insekten und Spinnentiere gehören, zu sequenzieren und frei zugänglich zu machen.

Handfeste technische Schwierigkeiten

Neben potenziellen Off-target-Effekten existieren handfeste technische Schwierigkeiten. So ist dsRNA instabil und kurzlebig. Entsprechend sucht man nach Möglichkeiten, das Molekül zu stabilisieren, um es in Sprays aufzubringen. Das kann mit Nanopartikeln geschehen oder aber in lebenden, genmodifizierten Mikroorganismen (GMO), die die dsRNA produzieren. Von der Stabilisierungsmethode hängt wiederum die Risikobewertung ab und auch die Akzeptanz beim Verbraucher.

Zudem muss unterschieden werden, ob mit den Sprays Insekten oder Viren bekämpft werden sollen. Insekten nehmen die dsRNA beim Fressen auf. Um Viren zu schädigen, muss die dsRNA jedoch in die Pflanzenzelle gelangen. »Die Zellwand ist noch eine große Hürde«, so Heinlein. Die Kosten sind momentan aber das größte Hindernis. Um Feldkulturen mit RNA-Spray zu besprühen, braucht es große Mengen qualitativ hochwertiger dsRNA. Diese kostengünstig herzustellen, ist bislang nicht möglich.

DNA und RNA

DNA besteht aus zwei fadenförmigen Molekülen, der so genannten Doppelhelix, in der die genetische Information gespeichert ist. Wird ein Gen abgelesen, entsteht eine Kopie, die Boten-RNA, die in ein Protein übersetzt wird. Lange Zeit nahm man an, RNA hätte nur die Rolle des Überträgermoleküls. Erst Ende der 1990er Jahre entdeckte man die RNA-Interferenz, die bei der Genregulation, also dem Stilllegen von Genen, in vielen Lebewesen wesentlich mitwirkt. 2006 wurde die Entdeckung mit dem Nobelpreis geehrt.

Heinlein ist mit der Hilfe von Kollegen aus Finnland nun einen Schritt vorwärtsgekommen: Ihnen ist es gelungen, ein effizientes Produktionssystem zu schaffen. Dazu haben sie Teile der Vervielfältigungsmaschinerie eines dsRNA produzierenden Phagen in eine Bakterienart übertragen. Die derart veränderten Bakterien, die sich unkompliziert in großen Fermentern züchten lassen, produzieren nun stabil hochwertige und lange dsRNA – die sich im Spray-Experiment an Tabakpflanzen als wirksam erwiesen hat.

Derzeit befinden sich mehrere RNAi-Sprays in Entwicklung. Etwa gegen den Kartoffelkäfer und die Varroa-Milbe, einen Bienenparasiten, der zum Bienensterben beiträgt. Wann das erste dsRNA-Spray auf den Markt kommen wird, lässt sich noch nicht vorhersagen: Die Pflanzschutzmittelzulassung ist bislang nicht für die Bewertung von dsRNA ausgelegt. »Auf Ebene der Zulassungsbehörden wird derzeit intensiv diskutiert, welche Risiken überhaupt auftreten könnten und wie diese sinnvollerweise in Zulassungsverfahren bewertet werden können«, so Tamm. Bei allen Schwierigkeiten, die es noch zu überwinden gilt, ist Romeis überzeugt: »Im Vergleich zu Pestiziden mit einem oft breiten Wirkungsspektrum sind wir auf einem guten Weg.«

31/2018

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 31/2018

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