Pflanzenschutz

Mit CRISPR und Genome Editing: Vom chemischen zum biologischen Pflanzenschutz

(27.09.2017) Resistente Schädlinge, Verbote von Wirkstoffen, besorgte Verbraucher – der chemische Pflanzenschutz stößt an seine Grenzen. Das bewährte Rezept – alte Wirkstoffe durch neue, bessere zu ersetzen – funktioniert nicht mehr richtig. Und auch der Öko-Landbau hat hier seine Schwachstellen. Der Pflanzenschutz steht vor einem Strategiewechsel. Der Schlüssel dazu liegt in neuen biotechnologischen Verfahren und den Erkenntnissen aus der Pflanzenforschung.

Reisanbau China

Chemischer Pflanzenschutz unter Druck: Keine neuen Wirkstoffe mehr, Verbote oder stark eingeschränkte Zulassungen - und Konsumenten, die sich um Rückstände in ihren Lebensmitteln Sorgen machen.

Grauschimmel an Weinrebe

Auch im biologischen Pflanzenschutz sind zahlreiche Mittel erlaubt. Nicht immer sind sie frei von Nebenwirkungen. Gegen Pilzerkrankungen (Foto: Mehltau bei Weinreben) sind Öko-Landwirte auf umweltbelastende Kupferpräparate angewiesen, die sich im Boden anreichern. Seit Jahren wird eine Minimierungsstrategie verfolgt - bisher mit wenig Erfolg.

Kartoffeln, Forschung

Der neue biologische Pflanzenschutz: Gezielte Mutationen - zugunsten der Pflanzen, zulasten der Krankheitserreger.

Fotos: iStockphoto, Syngenta, i-bio; großes Foto oben: Valentin Valkow, 123RF

Dass Schädlinge und Krankheitserreger früher oder später resistent werden gegen die Mittel, die sie in Schach halten sollen, wissen Praktiker seit langem. Bisher wurden dann die alten Wirkstoffe durch neue – meist bessere – ersetzt. Das verschaffte den Nutzpflanzen für eine gewisse Zeit erneut einen Vorsprung gegenüber ihren „Feinden“ und Konkurrenten. Doch dieses Prinzip stößt immer häufiger an seine Grenzen: Neue chemische Wirkstoffe gibt es praktisch nicht mehr. Fast alle geeigneten Wirkmechanismen, um Schädlinge und Erreger zu treffen, ohne die Nutzpflanze selbst zu schädigen, werden bereits genutzt.

Zudem sind die Anforderungen beim Umwelt- und Gesundheitsschutz deutlich gestiegen: Viele Wirkstoffe sind bereits verboten oder ihre Anwendungen stark eingeschränkt. Konsumenten sorgen sich - unabhängig von tatsächlichen Gefahren - um Rückstände chemischer Pflanzenschutzmittel in Lebensmittel. Und 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 Umwelt belastende Kupferpräparate zurückgreifen.

Kaum neue Wirkstoffe mehr, eingeschränkte Zulassungen, geringe Verbraucherakzeptanz - das treibt die Suche nach alternativen Konzepten im Pflanzenschutz an. Vor allem mit dem Genome Editing (Gen-Schere, Gen-Chirurgie) - aber auch mit anderen molekularbiologischen Verfahren - haben sich ganz neue Optionen eröffnet.

Schon immer haben die Züchter sich bemüht, Pflanzen widerstandsfähiger zu machen. Wenn es gelang, geschah das oft eher zufällig. Heute sind nicht nur viele der molekularen Interaktionen zwischen Pflanzen und ihren „Feinden“ viel besser verstanden. Mit den neuen Verfahren ist es zudem 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 den 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 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 „fremden“ 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 noch mit einem weiteren „Immunsystem“ 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. Sogar im Inneren der Pflanze zwischen den Zellen gibt es Mikrobengemeinschaften, die Einfluss auf die Vitalität einer Pflanze und ihre Widerstandskraft gegen Schädlinge oder Krankheitserreger haben.

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, Mais und Reis haben Forscherteams zeigen können, dass das RNAi-Konzept grundsätzlich funktioniert.

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 Schädlinge 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.

Diskussion / Kommentare

Kommentare werden geladen…