Blatt mit Pilzkrankheit

„Impfen“ mit RNA - Wie Pflanzen Krankheiten und Schädlinge abwehren können

Eigentlich ist es ein natürliches System, mit dem Zellen die Aktivität von Genen regulieren: RNA-Interferenz (RNAi). Pflanzen nutzen es aber auch, um schädliche Viren oder Pilze zu blockieren, ganz ähnlich wie Impfstoffe. Damit zeichnet sich ein neues Konzept für einen alternativen „biologischen“ Pflanzenschutz ab. Erste Pflanzen sind bereits auf dem Markt. Doch schon bald könnte es neue Anwendungsformen geben, die keine gentechnische Veränderung der Pflanzen mehr erfordern: Sprays.

RNA-Interferenz (RNAi) - auch Gene Silencing genannt - ist ein natürlicher Mechanismus, um die Aktivität von Genen zu regulieren. Wie alle lebenden Zellen können auch Pflanzen damit einzelne Gene abschalten, so dass nur solche Gene in Proteine übersetzt werden, welche die jeweiligen Zellen zu einem bestimmten Zeitpunkt tatsächlich benötigen.

Mais, Befall Diabrotica 2

Ein Mais mit einer RNAi-vermittelten Resistenz gegen den Maiswurzelbohrer ist in den USA bereits zugelassen.

Bohne, Virus

Gerade gegen pflanzliche Pilz- und Viruserkrankungen eröffnen sich mit dem RNAi-Konzept neue Möglichkeiten für einen nachhaltigen Pflanzenschutz. In Brasilien sind Bohnen entwickelt worden, die Infektionen mit dem Golden Mosaic Virus (Foto) besser überstehen.

Fotos: Mihaly Czepo; Howard F. Schwartz, Colorado State University / Bugwood.org; großes Foto oben: Adisak Mitrprayoon, iStock

Das RNAi-System kann jedoch nicht nur pflanzeneigene Gene blockieren, sondern auch fremde. Ähnlich wie ein Immunsystem können Pflanzen so Infektionen durch „feindliche“ Viren oder Pilze abwehren. Ihr „Angriffspunkt“ dafür ist die Boten-RNA (mRNA), welche den genetischen Code für ein bestimmtes Protein vom DNA-Strang im Zellkern zu den Eiweißfabriken (Ribosomen) im Zellplasma transportiert. Im Fall einer Infektion bildet die Pflanze kurze RNA-Schnipsel, die an die komplementäre Boten-RNA binden und sie so „unlesbar“ machen. Die Folge: Die darin codierte Information kommt nicht an, das entsprechende Protein wird nicht gebildet.

In der Grundlagenforschung wird das RNAi-System schon länger eingesetzt, indem man damit einzelne Gene abschaltet und anschließend untersucht, welche Funktionen oder Merkmale durch den Eingriff beeinflusst wurden. Inzwischen nutzt man diesen Mechanismus auch, um in Pflanzen unerwünschte Stoffe zu reduzieren, etwa Allergene, bestimmte Enzyme oder Pilzgifte wie Aflatoxine. Vor allem aber ist es ein neues Konzept, um schädliche Viren, Pilze und sogar Schädlinge abwehren zu können. Mit Hilfe des RNAi-Systems schalten Pflanzen deren lebenswichtige Proteine aus und können so die Folgen einer Infektion oder Attacke abmildern. Einige Pflanzen können das von Natur aus, doch oft ist ihre RNAi-Antwort zu schwach oder setzt zu spät ein.

Um dennoch einen wirksamen Schutz zu gewährleisten, ist es inzwischen möglich, die natürliche RNAi-Abwehr zu stimulieren. So haben Wissenschaftler in Brasilien eine Pinto-Bohne mit einer deutlich besseren Widerstandsfähigkeit gegen das Golden Mosaik Virus (BGMV) entwickelt. Es löst eine in Südamerika weit verbreitete Pflanzenkrankheit aus, die viele Bohnenarten befällt. Häufig kommt es daher zu großen Ernteausfällen.

Bei einer Virusattacke aktiviert die Bohne 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 wurde die Regulation der pflanzeneigenen RNA-Bildung so verändert, dass sie permanent aktiv ist, also auch schon vor einem Virus-Befall. Kommt es zu einer Infektion, wird ein bestimmtes Gen, welches das Virus für seine Vermehrung benötigt, sofort blockiert. Das Virus kann sich dann nicht mehr in der Pflanze ausbreiten, die Bohne ist resistent. Nach vielen Feldversuchen ist diese Bohne mit einer verstärkten RNAi-Immunantwort in Brasilien als Lebens- und Futtermittel zugelassen.

Aber auch gegen Fraßinsekten kann das RNAi-System genutzt werden. So ist in den USA und weiteren Ländern bereits ein gentechnisch veränderter Mais (MON87411) für den Anbau zugelassen, der mit Hilfe von RNAi einen verbreiteten, äußerst „erfolgreichen“ Schädling abwehrt: den Maiswurzelbohrer. Der neue Mais produziert RNA-Schnipsel, die eine RNA-Interferenz herbeiführen und auf diese Weise 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.

Der RNAi-Mais soll bereits in Nord- und Südamerika auf den Feldern stehen. Inzwischen ist auch der Import in die EU sowie in weitere Länder genehmigt.

Doch das ist erst der Anfang: Mehrere Forscherteams konnten zeigen, dass RNAi grundsätzlich als spezifisch wirksames „biologisches“ Schutzkonzept funktioniert - etwa gegen Baumwollkapselwurm, Kartoffelkäfer oder Nematoden, aber auch gegen Pilz- und Virenkrankheiten bei Gerste und weiteren Pflanzenarten.

Es gibt noch eine weitere Idee, RNAi für einen neuen, biologischen Pflanzenschutz zu nutzen – als Spray. Die darin enthaltenen RNA-Schnipsel werden von außen aufgesprüht: Sie gelangen in die Zellen der jeweiligen Zielorganismen – Viren, Pilze oder Schädlinge – und blockieren dort die Biosynthese wichtiger Proteine – ohne das Genom der Pflanzen zu verändern.

Anders als beim Weg über eine gentechnische „Aufrüstung“ der Pflanzen müssen RNA-Sprays als Pflanzenschutzmittel zugelassen werden, nicht als gentechnisch veränderte Organismen (GVO). Allerdings sind Sprays weniger wirksam. Die RNA-Schnipsel darin sind etwa 20 Tage aktiv, während sie in Pflanzen permanent gebildet werden.

Ob in Pflanzen oder als Spray – der RNAi-Ansatz hat gemessen an herkömmlichen Pflanzenschutzmittel mehrere Vorteile: Er wirkt sehr spezifisch und trifft nur den jeweiligen Zielorganismus. RNA-Moleküle werden schnell abgebaut und gelangen weder in die Umwelt, noch in pflanzliche Nahrungs- und Futtermittel. Zudem ist es unwahrscheinlich, dass pathogene Erreger oder Schädlinge selbst Resistenzen entwickeln. Dazu müssten sie sich durch zahlreiche Mutationen so stark verändern, dass die ausgebrachte RNA nicht mehr zu ihrer Ziel-RNA passt.

Die RNAi-Technologie füge sich gut in die Nachhaltigkeitsziele der EU wie sie im Green Deal und der Farm to Fork-Strategie formuliert sind, so das Ergebnis einer aktuellen Studie einer internationalen Wissenschaftlergruppe (siehe: Im Web). Gerade bei der „Verringerung des argrarchemischen Inputs“ und um „einen weiteren Verlust der biologischen Vielfalt aufzuhalten“, werden „Produkte mit hoher Spezifität“ benötigt, „einem gutartigen Umwelt- und Gesundheitsprofil“, die rasch zu entwickeln und kostengünstig herzustellen seien – und genau dieses Anforderungsprofil könne die RNAi-Technologie erfüllen.

Auch die DFG fördert seit Sommer 2020 eine eigene Forschungsgruppe, welche „die Rolle von extrazellulärer RNA bei der Entstehung und Bekämpfung von Pflanzenkrankheiten untersucht.“ „Wir hoffen“, so Prof. Karl-Heinz Kogel, Phytopathologe an der Universität Gießen und Koordinator der Gruppe, „dass wir auf Basis von RNA einen neuen Baustein zur Bekämpfung von alten und durch Klimawandel neu auftretenden Pflanzenkrankheiten mit Hilfe hocheffizienter, sicherer und umweltverträglicher biologischer Verfahren zur Hand haben.“

Datenbank Zulassungen EU