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. Nachdem die Bohne mit verstärkter RNAi-Immunantwort in Brasilien bereits 2011 zugelassen worden war, begann 2020 der Verkauf des Saatguts.

Aber auch gegen Fraßinsekten kann das RNAi-System genutzt werden. So wurde 2017 in den USA ein Mais für den Anbau zugelassen, der mit Hilfe von RNAi einen verbreiteten, äußerst „erfolgreichen“ Schädling abwehrt: den Maiswurzelbohrer. Der Mais (Markenname SmartStax Pro) produziert RNA-Abschnitte, die eine RNA-Interferenz herbeiführen und auf diese Weise ein bestimmtes Gen (snf7) im Erbgut des Käfers blockieren. Das entsprechende Protein wird nicht mehr gebildet, das Wachstum des Schädlings verlangsamt sich bis er stirbt. Der Mais bildet zusätzlich noch drei Bt-Proteine, die spezifisch gegen Käfer, insbesondere den Maiswurzelbohrer wirken. Durch die Kombination verschiedener Wirksysteme soll die Ausbildung von Resistenzen verhindert bzw. verzögert werden. Mit der Markteinführung von SmartStax Pro wird 2022 gerechnet.

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.

Molekularbiologischer Pflanzenschutz: RNA-Sprays

Es gibt noch eine weiteren Ansatz, 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. Allerdings sind Sprays weniger wirksam, da die enthaltenen RNA-Abschnitte nur etwa 20 Tage aktiv sind, während sie in Pflanzen durchgehend gebildet werden können.

In der Entwicklung befinden sich RNAi-Sprays, die beispielsweise gegen den Kartoffelkäfer, die Kohlmotte, den Schimmelpilz Botrytis oder auch gegen die an Honigbienen parasitierende Varroamilbe wirken sollen. RNAi-Sprays müssen als Pflanzenschutzmittel zugelassen werden, nicht als gentechnisch veränderte Organismen (GVO). Ein Spray der US-amerikanischen Firma GreenLight Biosciences, das gegen den Kartoffelkäfer wirkt, befindet sich bereits im Zulassungsverfahren und wird derzeit von der zuständigen Umweltschutzbehörde geprüft. Mit einem Zulassungsbescheid rechnet das Unternehmen Mitte 2022.

Der RNAi-Ansatz hat sowohl in der Pflanze als auch als Spray im Vergleich zu herkömmlichen Pflanzenschutzmitteln mehrere Vorteile: Zum einen wirkt er sequenzspezifisch und kann an den jeweiligen Zielorganismus entsprechend angepasst werden. Zum anderen werden RNA-Moleküle schnell abgebaut und überdauern daher nicht lange in der Umwelt. Diesen Vorteilen stehen allerdings auch Bedenken gegenüber: Bei regelmäßiger Anwendung der RNAi-basierten Produkte oder beim Anbau solcher Pflanzen ist nicht ausgeschlossen, dass sich bei pathogenen Erregern oder Schädlingen Resistenzen entwickeln. Gerade bei RNAi-Sprays sind noch Fragen zur biologischen Sicherheit zu klären, da die Sprays nicht nur auf die Pflanzen treffen, sondern auch auf und in den Boden gelangen, wo unzählige Bodenorganismen leben.

Zur Verhinderung von Resistenzen raten Fachleute bei der Anwendung ein Resistenzmanagement an, beispielsweise durch die Anlage von Refugienflächen, auf denen die RNAi-Technologie nicht eingesetzt wird.

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (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