Biene, Varroa-Milbe

RNAi: Gene gezielt blockieren - ein elegantes Konzept gegen Viren und Schädlinge

Einige Pflanzen haben eine geschickte Strategie, um sich gegen schädliche Viren zu schützen. Diese so genannte RNA-Interferenz (RNAi) wird inzwischen auch in der Pflanzenzüchtung genutzt, um gezielt einzelne Gene zu blockieren - nicht nur die pflanzeneigenen, sondern auch die von Viren und Schädlingen. Damit eröffnen sich ganz neue Möglichkeiten im Pflanzenschutz - und auch gegen Bienenparasiten wie die Varroa-Milbe.

RNA-Interferenz (RNAi) ist ein natürlicher Mechanismus. Pflanzen – aber auch andere Lebewesen – regulieren damit die Aktivität von Genen, etwa um in den unterschiedlichen Zellen dafür zu sorgen, dass nur die Gene in Proteine übersetzt werden, welche in den jeweiligen Zellen auch tatsächlich benötigt werden. Mit dem gleichen Mechanismus können Pflanzen aber auch „feindliche“ RNA „neutralisieren“ und sich so etwa bei einer Infektion durch Viren schützen.

Papaya

Kranke Papayas: In den 1990er Jahre bedrohte das Papaya Ringspot Virus (PRV) den Papayaanbau auf Hawaii. Innerhalb weniger Jahre ging die Ernte nahezu um die Hälfte zurück. Einer Gruppe von Wissenschaftlern gelang es, innerhalb kurzer Zeit virusresistente Papayas zu entwickeln. Ohne den Mechanismus im einzelnen zu kennen, nutzten sie eher zufällig die RNAi-Technik, um die Vermehrung des Virus zu blockieren. Mit Erfolg: Ohne die resistenten Papayas wäre der Anbau auf Hawaii wohl heute weithegend verschwunden.
Foto: Wikimedia

Pintobohnen Versuchsfeld

Robuste Pintobohnen: Im Feldversuch: Pflanzen mit Resistenz gegen das Golden Mosaik Virus (vorne) im Vergleich zu konventionellen Kontrollpflanzen.

Foto: Embrapa

Mais, Befall Diabrotica 2

RNAi: In Pflanzen und als Sprays. Pflanzen können maßgeschneiderten RNAi-Schnipsel in ihren Zellen produzieren und sich so gegen Fraßschädlinge wehren, etwa Kartoffelkäfer oder Maiswurzelbohrer (Foto). Es ist aber auch möglich, diese Schnipsel als Spray aufzusprühen - ohne die Pflanzen dafür gentechnisch verändern zu müssen. Schon bald könnten solche RNAi-Sprays gegen einen gefürchteten Bienen-Parasit eingesetzt werden, die Varroa-Milbe.

Großes Foto oben: Biene mit Varroa-Milbe, Scott Bauer USDA/ARS, Bugwood.org

In der Grundlagenforschung wird das RNAi-System schon länger eingesetzt, indem man damit einzelne Gene damit abschaltet und anschließend untersucht, welche Funktionen oder Merkmale durch den Eingriff beeinflusst wurden. Inzwischen nutzt man diesen Mechanismus auch in der Züchtung, um so gezielt einzelne Gene einer Pflanze abzuschalten. Damit lassen sich etwa unerwünschte Stoffe reduzieren, etwa Allergene, bestimmte Enzyme oder Pilzgifte wie Aflatoxine. Vor allem aber ist es ein neues Konzept, um schädliche Insekten oder Viren gezielt abwehren zu können.

Zum Beispiel: Virusresistenz. In Brasilien haben Wissenschaftler des Agrarforschungsinstituts Embrapa unter Verwendung des RNAi-Systems eine Pinto-Bohne gezüchtet, die widerstandsfähiger gegen das Golden Mosaik Virus (BGMV) ist. Es löst eine in Südamerika weit verbreitete Pflanzenkrankheit aus, die viele Bohnenarten befällt. Häufig kommt es daher zu großen Ernteausfällen.

Bei einer Virusinfektion schützt die Bohnenpflanze sich von Natur aus durch ihr eigenes RNAi-System - allerdings erst, wenn die Pflanze tatsächlich mit dem Virus infiziert ist. Dann ist es jedoch oft schon zu spät, um eine Ausbreitung des Virus und der damit verbundenen Krankheit wirksam zu verhindern.

Mit gentechnischen Methoden wurden die Bohnen so verändert, dass ihre RNAi-Abwehr permanent aktiv ist, also auch schon vor einem Virus-Befall. Kommt es zu einer Infektion, wird ein Gen, welches das Virus für seine Vermehrung benötigt, blockiert. Das Virus kann sich dann nicht mehr in der Pflanze ausbreiten, die Bohne ist resistent.

Bei diesem Ansatz werden im Gegensatz zu anderen gentechnisch eingebrachten Resistenzen keine neuen Proteine in der Pflanze gebildet, die sonst auf eventuelle allergeneoder toxische Wirkungen untersucht werden müssten. Die Bohne ist seit 2011 in Brasilien für den Anbau und als Lebens- und Futtermittel zugelassen. Auf dem Markt ist sie jedoch noch nicht (Stand 12/2017).

Auch bei anderen Pflanzenarten werden mit Hilfe der RNAi-Technik Virusresistenzen entwickelt. Ganz neu ist das nicht. Ohne die Funktionsweise im einzelnen zu kennen, hat man damit schon in den 1990er Jahren Resistenzen gegen Pflanzenviren erzeugt. Eine dieser frühen gv-Pflanzen wird bis heute erfolgreich eingesetzt: Papayas mit einer gentechnisch vermittelten Resistenz gegen das Papaya Ringspot Virus. Seit 1998 werden sie auf Hawaii angebaut.

Alternativen im Pflanzenschutz. Heute ist der RNAi-Mechanismus molekularbiologisch weitaus besser verstanden. Damit haben sich weitere erfolgversprechende Anwendungsmöglichkeiten ergeben, etwa zum Schutz der Pflanzen gegen Fraßinsekten.

So ist in den USA, Kanada und Brasilien bereits ein gentechnisch veränderter Mais (MON87411) für den Anbau zugelassen, der das RNAi-Konzept als neues Mittel gegen einen verbreiteten, äußerst „erfolgreichen“ Schädling nutzt: den Maiswurzelbohrer. In den USA ist er in allen Maisanbaugebieten anzutreffen und richtet dort große Schäden an („Eine-Milliarde-Dollar-Käfer“). Was bei anderen Maisschädlingen gut funktionierte, erwies sich beim Wurzelbohrer als keine dauerhafte Lösung: Nach wenigen Jahren hatte der Schädling Resistenzen gegen das Bt-Protein entwickelt, jenen Wirkstoff, der in vielen gv-Maissorten gegen Fraßschädlinge gebildet wird.

Mit RNAi sind neue, alternative Ansätze im Pflanzenschutz möglich. Der von Monsanto und Dow AgroScience entwickelte MON87411-Mais produziert RNA-Schnipsel, die ein bestimmtes Gen (Snf7) im Erbgut des Maiswurzelbohrers blockieren. Das entsprechende Protein wird nicht mehr gebildet, das Wachstum des Schädlings verlangsamt sich bis er stirbt. Die US-amerikanische Umweltbehörde EPA hat das in diesem Mais angewandte RNAi-Konzept bereits als Insektizid zugelassen. Der RNAi-Mais soll ab 2020 in Nord- und Südamerika auf die Felder kommen. Ein Antrag, den Import in die EU zu genehmigen, ist bereits gestellt.

Doch dieser Mais ist erst der Anfang: Mehrere Forscherteams konnten zeigen, dass RNAi grundsätzlich als spezifisch wirksames „biologisches“ Schutzkonzept funktioniert. Es wurden bereits Pflanzen entwickelt, die gegen den Baumwollkapselwurm, Kartoffelkäfer oder Nematoden resistent sind.

Gentechnik oder Spray. Pflanzen mit RNAi-vermittelten Resistenzen bilden keine neuen Proteine, sondern kurze RNA-Abschnitte, die bestimmte Gene blockieren. Um Pflanzen zu befähigen, in ihren Zellen diese RNA-Stücke zu produzieren, werden entsprechende Gene mit den bekannten gentechnischen Verfahren in das Erbgut eingeführt. Daher gelten solche Pflanzen als gentechnisch veränderte Organismen (GVO) und unterliegen allen dafür geltenden Vorschriften, Zulassungs- und Kennzeichnungspflichten eingeschlossen.

Inzwischen gibt es Anwendungen, die nicht unter die strengen Gentechnik-Regulierungen fallen und dennoch auf dem RNAi-Prinzip beruhen: Sprays. Sie werden wie Pflanzenschutzmittel aufgesprüht und sollen die Pflanzen etwa gegen Viren, Schadinsekten oder Trockenheit schützen. Die darin enthaltenen RNA-Schnipsel werden aufgenommen und blockieren das jeweilige Zielgen, ohne das Genom der Pflanze oder des Schädlings zu verändern. Erste kommerzielle Produkte sollen 2019 auf den Markt kommen. Die Sprays müssen dann als Pflanzenschutzmittel zugelassen werden und nicht als gentechnisch veränderte Organismen.

Die Sprays gelten als umweltfreundliche, sehr gezielt wirkende Alternative zu chemischen Pflanzenschutzmitteln, haben allerdings mit einer Wirkungszeit von derzeit bis zu 20 Tagen einen deutlich geringeren Wirkungsgrad als gv-Pflanzen, in die der RNAi-Mechanismus integriert wurde.

Solche Sprays sollen auch gegen die Varroa-Milbe eingesetzt werden, die als Parasit in Bienenstöcken lebt und als einer der wesentlichen Ursachen des Bienensterbens gilt.

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