Weizenfeld

Weniger Chemie, mehr Artenvielfalt. Wie biotechnologischer Pflanzenschutz die Landwirtschaft nachhaltiger macht

Bis 2030 will die EU den Einsatz „chemischer Pestizide“ in der Landwirtschaft halbieren. Zugleich soll der Anteil ökologisch bewirtschafteter Flächen auf ein Viertel ansteigen. Dabei müssten die Ernten eigentlich steigen, denn die Weltbevölkerung wächst. Mehr ernten, aber gleichzeitig weniger Ressourcen und Flächen verbrauchen - ein neuer biotechnologischer Pflanzenschutz kann einiges dazu beitragen, solche ehrgeizigen Ziele zu erreichen. - Drei Konzepte.

Weltweite Ernteverluste durch Krankheiten und Schädlinge, 2016/17

Weltweite Ertragsverluste durch Schädlinge und Krankheiten.

Häufigkeit von Pflanzenschutzanwendungen, Deutschland 2020, JKI

So häufig wird in Deutschland gespritzt - vor allem gegen Pilzkrankheiten.

Grafiken: i-bio, großes Foto oben: iStock

Pflanzenschutzmittel – etwas abwertend meist Pestizide genannt – gelten heute als Übeltäter: Sie sollen schuld sein am Insektensterben, an weniger Singvögeln und einem dramatischen Rückgang der Artenvielfalt. Viele Wirkstoffe seien länger im Boden und in Gewässern nachweisbar als erwartet, mahnte eine Expertengruppe der Leopoldina, der Nationalen Akademie der Wissenschaften. Besonders langfristige Auswirkungen auf die Ökosysteme würden heute nicht ausreichend untersucht.

Der chemische Pflanzenschutz ist in Verruf geraten – bei den Konsumenten wie in der Politik. Der Green Deal der EU mit einer ambitionierten Biodiversitätsstrategie hat das Ziel gesetzt, bis 2030 den Einsatz „chemischer Pestizide“ zu halbieren. Die EU-Kommission will dazu „geeignete Maßnahmen“ einleiten. Denn noch ist das Spritzen - wenn auch kontrollierter und mit besseren Wirkstoffen als noch vor Jahren – notwendig. Ein radikales, schnelles Verbot würde zu drastischen Ertragseinbußen führen.

Auch die „natürliche“ Alternative, der ökologische Landbau, kommt nicht ohne Pflanzenschutzmittel aus. Zahlreiche Wirkstoffe – einige durchaus problematisch – sind dafür zugelassen. So setzen Öko-Landwirte bei einigen Pilzkrankheiten, etwa Wein, Kartoffeln und im Obstanbau, umweltbelastende Kupferpräparate ein, die sich im Boden anreichern und dort für viele Organismen giftig sind. Einige Schädlinge werden mit „biologischen“ Bt-Präparaten bekämpft, die den gleichen Wirkstoff enthalten, wie er auch in gentechnisch verändertem Bt-Mais aktiv ist.

Das größte Manko: Die Erträge im ökologischen Landbau bleiben deutlich hinter denen ihrer konventionellen Kollegen zurück. Je nach Kulturart sind es zwischen 40 und 70 Prozent weniger. Um die gleichen Erntemengen zu erzielen, benötigen Bio-Landwirte etwa die doppelte Fläche.

Wenn in Deutschland und der EU die Öko-Landwirtschaft wachsen soll, reicht es nicht, einfach die Anbauweise umzustellen. Mehr Öko bedeutet mehr landwirtschaftliche Flächen. Doch wo sollen die herkommen? Wenn sie nicht durch mehr Importe kompensiert werden, wird vor allem der Nutzungsdruck auf Wald- und Naturschutzgebiete zunehmen - zu Lasten der Artenvielfalt. „Nachhaltige Intensivierung“ hat der Weltklimarat (IPCC) deswegen als großes strategisches Ziel vorgegeben. Gemeint sind landwirtschaftliche Systeme, die genug produzieren, um alle auf der Welt gut und ausreichend zu ernähren, ohne mehr Flächen und natürliche Ressourcen zu verbrauchen – und das alles unter den sich ändernden klimatischen Bedingungen.

Einfach so weiter machen wie bisher, wird dafür nicht reichen. Es braucht einen fundamentalen Systemwechsel – für die Landwirtschaft insgesamt, aber auch für Pflanzenschutz und Pflanzenzüchtung. Das alte Konzept, immer wieder neue – und bessere – chemisch-synthetische Wirkstoffe zu entwickeln, ist an seine Grenzen gestoßen.

Es wird auch nicht reichen, allein auf die herkömmliche Pflanzenzüchtung zu setzen. Schon immer haben Züchter versucht, Pflanzen widerstandsfähiger gegen Krankheiten und Schädlinge zu machen. Oft mit Erfolg, nicht immer von Dauer. Geeignete Resistenz-Gene im Genpool einer Kulturpflanze zu finden und sie dann in gängige, standortangepasste Sorten einzukreuzen, braucht viel Zeit, manchmal bis zu 15 Jahre. In einigen Fällen – vor allem gegen Pilzkrankheiten - gibt es bis heute keine resistenten Sorten.

Für das große Ziel einer „nachhaltigen Intensivierung“ ist eine neue grüne Revolution nötig. Der Schlüssel dazu sind moderne Pflanzenzüchtung, Molekularbiologie, Genomik und neuen biotechnologischen Verfahren. Was sie leisten konnen, zeigen die folgenden Beispiele.

(1) Mit der Gen-Schere CRISPR/Cas zu einem biologischen Pflanzenschutz

Neue Genome Editing-Verfahren - vor allem die Gen-Schere CRISPR/Cas - können dazu beitragen, besser und schneller Pflanzen zu entwickeln, „die gegenüber Krankheiten, Umweltbedingungen und Auswirkungen des Klimawandels widerstandsfähiger sind“ und mit weniger „Pestiziden“ auskommen. Manchmal werden überhaupt erst damit resistente Sorten möglich.

Der Bericht der Gemeinsamen Forschungsstelle (JRC) der EU-Kommission über den Anwendungsstand von Genome Editing bei Pflanzen – hier als Neue genomische Technologien (NGT) bezeichnet – führt weltweit allein 113 Projekte auf, die eine bessere Toleranz gegen biotischen Stress zum Ziel haben. Die ersten stehen kurz vor der Kommerzialisierung, 37 befinden sich in einem fortgeschrittenen Stadium. (Stand 2021)

Solche Resistenz-Konzepte sind nur möglich, wenn die Interaktionen zwischen Pflanzen und ihren „Feinden“ auf molekularer Ebene erforscht sind und man den genetischen Hintergrund kennt. Daraus ergeben sich die Ziele im Pflanzengenom, an denen gezielte Mutationen herbeigeführt werden - 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 – jedoch oft schwach und zeitlich 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.

43 der in dem JRC-Bericht aufgeführten Projekte zu einer besseren Stresstoleranz gegen Schädlinge und Krankheiten beschäftigen sich mit Getreidearten, vor allem Reis, 21 mit Öl- und Faserpflanzen, 18 mit Frucht- und 13 mit Gemüsearten. Bei Bananen, Zitrusfrüchten, Gerste und vor allem Weizen eröffnet Genome Editing endlich eine realistische Perspektive, etwas gegen hartnäckige, weltweit grassierende Krankheiten unternehmen zu können, die Jahr für Jahr einen Teil der Ernten verschlingen. Wenn die neuen Konzepte funktionieren, können erhebliche Mengen „chemischer Pestizide“ eingespart werden – und anders als bei der klassischen Gentechnik müssen auch keine „fremden“ Gene eingeführt werden.

(2) Mikroben machen Pflanzen stark

Inzwischen beschäftigen sich Forschende überall auf der Welt 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. 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 Züchter 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 funktionalen Mikroorganismen ganz am Anfang, doch immer mehr Start-ups verfolgen diesen Ansatz. Ein erstes Produkt mit genom-editieren Bakterien, die Stickstoff fixieren und die Pflanzen besser mit Nährstoffen versorgen, wird in den USA bereits von Landwirten eingesetzt.

(3) Mit RNA eine „Immunantwort“ der Pflanzen stimulieren

Auch ein weiterer innovativer Ansatz nutzt einen natürlichen Schutzmechanismus der Pflanzen. Mit der sogenannten RNA-Interferenz (RNAi) kann eine Zelle einzelne Gene abschalten und so Genaktivitäten regulieren. Auf diese Weise werden nur solche Gene in Proteine übersetzt, welche die Zelle zu einem bestimmten Zeitpunkt tatsächlich benötigt. Da dieses Abschalten von Genen auch bei fremden Organismen funktioniert, etwa Viren oder Schädlingen, lässt es sich für den Pflanzenschutz nutzen.

Werden Pflanzen durch eingefügte Genkonstrukte dazu gebracht, ein bestimmtes RNA-Fragment zu bilden, das genau zu der RNA eines Virus oder Schädlings passt, wird diese Sequenz „neutralisiert“. Die Folge: Die darin codierte Information kann nicht „abgelesen“ werden und das betroffene Gen wird nicht in das entsprechende Protein umgesetzt. 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 der RNAi-Mechanismus auch dann wirksam sind, wenn zum Ziel passende RNA als Spray auf Pflanzen gesprüht und dort von den jeweiligen Schädlingen oder Krankheitserregern aufgenommen wird. In den USA werden bereits RNA-Sprays gegen den Kartoffelkäfer im Feld getestet und schon bald auf den Markt kommen. In der Pipeline befinden sich RNA-Sprays gegen Grauschimmel (Botrytis), Mehltau und Fusarium – Pilzkrankheiten, die viele Kulturarten, besonders Getreide befallen. Noch in einem frühen Forschungsstadium befinden sich Projekte gegen Schädlinge und Krankheitserreger bei Mais, Sojabohnen, Raps, Reis, Bananen und Weinreben. Solche Sprays herzustellen ist weitaus weniger aufwändig als die jeweiligen RNA-Fragmente von den Pflanzen selbst bilden zu lassen. Diese müssten zudem nach den komplizierten Gentechnik-Gesetzen zugelassen werden, während die RNA-Sprays rechtlich als Pflanzenschutzmittel gelten.

Anders als bei der bisherigen Gentechnik, aber auch anders als herkömmliche Pflanzenschutzmittel, sollen die neuen „biologischen“ Ansätze sehr genau wirken: Sie greifen nur die jeweiligen Zielorganismen an, ohne Streuverluste und Nebeneffekte. Noch ist einiges an Forschung nötig. Doch am Ende wird nicht nur die biologische Vielfalt auf den Agrarflächen davon profitieren.

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