Pflanzenschutz

Nicht nur CRISPR & Co: Vom chemischen zum biotechnologischen Pflanzenschutz

(07.06.2018) Der chemische Pflanzenschutz stößt an seine Grenzen. Die Bauern spritzen zu viel, heißt es, und deswegen sterben Bienen und Insekten. Doch einfach alte, problematische Wirkstoffe durch neue, umweltverträglichere zu ersetzen – dieses Rezept funktioniert nicht mehr. Und auch der Öko-Landbau hat hier keine saubere Weste. Es muss sich etwas ändern, fordern Experten. Neue biotechnologische Verfahren und Konzepte werden dabei eine Schlüsselrolle spielen. Stehen wir vor einer neuen Grünen Revolution?

Leopoldina Pflanzenschutz

Der stumme Frühling. In einem „Diskussionspapier“ fordert eine Expertengruppe der Leopoldina, der Nationalen Akademie der Wissenschaften, strengere Verfahren für die Zulassung von Pflanzenschutzmitteln. Neben anderen Faktoren habe „der Einsatz von Pestiziden zu einem dramatischen Rückgang der Artenvielfalt geführt.“

Grauschimmel an Weinrebe

Auch im biologischen Pflanzenschutz sind zahlreiche Mittel erlaubt - und nicht immer sind sie frei von Nebenwirkungen. Gegen Pilzerkrankungen - vor allem bei Kartoffeln, Weinreben (Foto) und Äpfeln - sind Öko-Landwirte auf umweltbelastende Kupferpräparate angewiesen, die sich im Boden anreichern. Seit Jahren wird eine Minimierungsstrategie verfolgt. Bei starkem Befall sind manchmal sogar die zugelassenen Höchstmengen nicht ausreichend, um Ernteausfälle zu verhindern. [

CRISPR Gerste

Der neue Pflanzenschutz: Durch gezielte Mutationen im Erbgut der Pflanzen werden Interaktionen zwischen Krankheitserreger und Pflanze unterbrochen. Hier schematisch dargestellt bei Gerste und einem Virus. Infolge einer editierten Veränderung eines Oberflächenproteins der Pflanzenzellen wird die Vermehrung des Virus unterbunden.

Fotos: Syngenta, i-bio; großes Foto oben: Roksana Bashyrova, 123RF

Für große Teile der Öffentlichkeit gelten Pflanzenschutzmittel – etwas abwertend meist Pestizide genannt – insgesamt als Übeltäter: Sie sollen schuld sein am Insektensterben, an weniger Singvögeln und einem dramatischen Rückgang der Artenvielfalt. Schon kleinste Rückstände in Lebensmitteln - auch weit unterhalb einer Gefährdungsschwelle - werden schnell zum öffentlichen Skandal.

Strengere Zulassungsvorschriften für Pflanzenschutzmittel fordert auch ein aktuelles „Diskussionspapier“ einer Expertengruppe der Leopoldina, der Nationalen Akademie der Wissenschaften. Viele Wirkstoffe seien länger im Boden und in Gewässern nachweisbar als erwartet. Besonders langfristige Auswirkungen auf die Ökosysteme würden heute nicht ausreichend untersucht.

Doch die derzeitigen chemischen Wirkstoffe durch neue, „umweltverträglichere“ zu ersetzen – so einfach ist das nicht. Fast alle geeigneten Wirkmechanismen, die Schädlinge und Erreger treffen, ohne die Nutzpflanze selbst zu schädigen, werden bereits genutzt. Und selbst wenn ein neuer Wirkstoff entdeckt würde - die Anforderungen beim Umwelt- und Gesundheitsschutz sind in den letzten Jahren deutlich gestiegen und Zulassungsverfahren entsprechend teuer.

Auch die „natürliche“ Alternative, der ökologische Landbau, kommt nicht ohne Pflanzenschutzmittel aus. Bei einigen Pilzkrankheiten – etwa Mehltau bei Getreide und Wein oder Krautfäule bei Kartoffeln – müssen Öko-Landwirte auf umweltbelastende Kupferpräparate zurückgreifen, die sich im Boden anreichern und dort für viele Organismen, etwa Regenwürmer, giftig sind.

Kaum neue Wirkstoffe, hohe Zulassungshürden, eine skeptische bis ablehnende Öffentlichkeit - all das treibt die Suche nach alternativen Konzepten im Pflanzenschutz an. Vor allem Dank der neuen Genome Editing–Verfahren („Gen-Schere“) zeichnet sich ein grundsätzlicher Strategiewechsel ab: Es sind nicht mehr chemische Wirkstoffe, die flächendeckend ausgebracht werden, sondern die Pflanzen selbst, sie sich gegen Krankheiten und Schädlinge schützen sollen.

Schon immer haben die Züchter sich bemüht, Pflanzen widerstandsfähiger zu machen. Wenn es überhaupt gelang, geschah das oft eher zufällig. Das Einkreuzen von Resistenzeigenschaften kann Jahrzehnte dauern, in einigen Fällen gibt es bis heute keine resistenten Sorten.

Inzwischen können die molekularen Interaktionen zwischen Pflanzen und ihren „Feinden“ viel besser verstanden werden. Wenn man den genetischen Hintergrund kennt, ist es mit den neuen Verfahren möglich geworden, die jeweilige Schnittstelle gezielt zu modifizieren - zugunsten der Pflanze und zulasten der Erreger.

Oft reicht es aus, mit Hilfe von Genome Editing einzelne DNA-Bausteine im Erbgut der Pflanze „umzuschreiben“, um ihren Widersachern den Zugang zu den Pflanzenzellen zu versperren. In anderen Fällen können die Nutzpflanzen dazu gebracht werden, die Vermehrung eingedrungener Viren zu unterbinden.

Ein anderer Ansatz ist es, die natürliche „Immunantwort“ der Pflanzen zu verstärken. Man weiß inzwischen, dass Pflanzen nach einer Erstinfektion bestimmte Proteine bilden, mit denen die jeweiligen Erreger abgewehrt werden können. Bei einem erneuten Befall werden sie wieder aktiviert – jedoch oft verzögert. Wird die Bildung dieser Abwehrproteine verstärkt – etwa durch gezielte Mutationen an den Steuersignalen (Promotoren) - , setzt die Immunantwort effektiver und schneller ein – die Pflanze kann die Infektion besser und mit weniger Ertragsausfällen überstehen.

Im Rahmen von Forschungsprojekten - noch nicht in der praktischen Züchtung – ist es bereits gelungen, etwa Reis, Tomaten, Gurken, Kakao und Wein zu entwickeln, die sich aus eigener Kraft besser gegen krank machende Bakterien, Viren oder Pilze schützen können. Bei Bananen, Zitrusfrüchten, Gerste und vor allem Weizen eröffnet das Genome Editing endlich eine realistische Perspektive, etwas gegen hartnäckige, weltweit grassierende Krankheiten unternehmen zu können.

Anders als bei der klassischen Gentechnik, bei der wie beim Bt-Konzept das Gen für einen bakteriellen Wirkstoff übertragen wird, aktivieren die neuen Verfahren die in einer Pflanze oder ihrem Genpool bereits vorhandenen spezifischen Abwehrreaktionen gegen Krankheitserreger. Das geschieht durch eine gezielt herbeigeführte Punktmutation, ohne dafür in die Pflanzen dauerhaft neue Gene einfügen zu müssen.

Inzwischen beschäftigen sich Wissenschaftler mit einem weiteren biologischen System außerhalb der Pflanzen – dem Mikrobiom. Darunter versteht man die Gesamtheit aller Mikroorganismen und die Wechselwirkungen zwischen ihnen. Für den Pflanzenschutz interessant ist etwa das Mikrobiom im wurzelnahen Boden oder auf den Blättern. Bestimmte Bakterien oder Pilze helfen Pflanzen bei der Nährstoffaufnahme oder fixieren Stickstoff, andere schützen die Pflanze vor Kälte oder Trockenheit. Mikrobielle Stoffwechselprodukte verbessern die Widerstandskraft der Pflanzen gegen Schädlinge und Krankheiten und erhöhen so ihre Vitalität.

Vor allem dank der heute extrem leistungsfähigen Analyse- und Sequenzierverfahren verstehen die Wissenschaftler immer mehr über die Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und dem sie umgebenden Mikrobiom. Schon jetzt nutzen Pflanzenzüchter solche Erkenntnisse für praktische Anwendungen (Biologicals), etwa wenn Saatgut mit einer Trägerschicht umhüllt wird, in der verschiedene, für die jeweilige Pflanzensorte nützliche Mikroorganismen eingepackt sind. Noch ist der kommerzielle Einsatz von gezielt kombinierten Mikroorganismen ganz am Anfang, doch immer mehr Start-ups verfolgen diesen Ansatz, nicht nur in den USA.

Auch ein weiterer innovativer Ansatz nutzt einen natürlichen Schutzmechanismus der Pflanzen. Mit der sogenannten RNA-Interferenz kann die Bildung bestimmter Proteine reguliert oder unterdrückt werden, auch die von Viren oder Schädlingen. Werden Pflanzen dazu gebracht, bestimmte RNAi-Fragmente zu bilden, die genau zu der eines Virus oder Schädlings passt, wird diese Sequenz „neutralisiert“. Die Folge: Die darin codierte Information kann nicht „abgelesen“ und deswegen das jeweilige Gen nicht in das entsprechende Protein umgesetzt werden. Ist es für den Eindringling lebensnotwendig, stirbt er oder kann sich nicht mehr vermehren. Bei Bohnen, Kartoffeln, und Reis haben Forscherteams zeigen können, dass das RNAi-Konzept grundsätzlich funktioniert. In den USA ist ein Mais (MON87411) für den Anbau zugelassen, dessen Resistenz gegen den Maiswurzelbohrer auf einem in der Pflanze gebildeten RNAi-Fragment basiert.

Inzwischen hat sich gezeigt, dass RNAi-Fragmente auch dann wirksam sind, wenn sie als Spray aufgebracht werden. Derzeit befinden sich RNAi-Sprays gegen den Kartoffelkäfer, einen Rapskäfer und die Varroa-Milbe, einen für das Bienensterben verantwortlichen Parasiten, in der Entwicklung. Solche Sprays herzustellen ist weitaus weniger aufwändig als Pflanzen entsprechend gentechnisch zu verändern. Zudem müssen sie nur dann ausgebracht werden, wenn die Bestände von dem jeweiligen Schädling oder Pathogen tatsächlich befallen sind. Die Sprays enthalten nur die jeweils passenden RNAi-Fragmente, keine vermehrungsfähigen Organismen.

Anders als bei der bisherigen Gentechnik, aber auch anders als herkömmliche Pflanzenschutzmittel, wirken die neuen „biologischen“ Ansätze sehr genau: Sie greifen nur die jeweiligen Zielorganismen an, ohne Streuverluste und Nebeneffekte. Nicht nur die biologische Vielfalt auf den Agrarflächen könnte davon profitieren. Vor allem mit dem Genome Editing, aber auch mit den Anwendungen aus der Mikrobiomforschung, haben sich neue Chancen für eine leistungsfähige, aber zugleich umweltverträgliche und weniger Ressourcen verbrauchende Landwirtschaft eröffnet. Stehen wir, so titelte das Harvard Magazine, vor einer „neuen grünen Revolution“?

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