Insekten

Die neue grüne Revolution: Vom chemischen zum biotechnologischen Pflanzenschutz

Weniger und mehr zugleich: Um den Verlust biologischer Vielfalt zu stoppen, will die EU mit ihrem Green Deal den Einsatz „chemischer Pestizide“ in der Landwirtschaft bis 2030 um 50 Prozent reduzieren. Gleichzeitig soll der Anteil der Öko-Landwirtschaft auf ein Viertel ansteigen. Unter dem Strich bedeutet das: Weniger Erträge. Dabei müsste sogar mehr produziert werden, denn die Weltbevölkerung wächst. Um das dennoch zu schaffen, ist eine neue Grüne Revolution nötig – sie wird eine biotechnologische sein.

Häufigkeit von Pflanzenschutzanwendungen bei verschiedenen Kulturpflanzenarten 2019, JKI

So häufig wird in Deutschland gespritzt. Besonders häufig werden Pflanzenschutzmittel gegen Pilze eingesetzt. Gerade hier gibt es zahlreiche biotechnologische Ansätze, um die Kulturpflanzen widerstandsfähiger zu machen.

Weltweite Ernteverluste durch Krankheiten und Schädlinge, 2016/17

Weltweite Ertragsverluste durch Schädlinge und Krankheiten. 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. Doch noch ist das Spritzen - wenn auch kontrollierter und mit besseren Wirkstoffen als noch vor Jahren – notwendig, ein 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 bei Getreide, Wein oder Kartoffeln, 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.

Zudem erreicht der Ökologische Landbau je nach Kulturart nur zwischen 40 und 70 Prozent der Erträge des konventionellen Anbaus. Um die gleichen Ernten einzufahren, benötigen Bio-Landwirte etwa die doppelte Fläche.

Wenn der Öko-Anbau wachsen soll, müssen die landwirtschaftlichen Flächen ausgeweitet werden. Doch das ginge wohl nur zu Lasten von Wald- und Naturschutzgebieten. Extensivieren ohne mehr Flächen zu verbrauchen – das geht weder in der EU, noch global. „Nachhaltige Intensivierung“ hat der Weltklimarat (IPCC) deswegen als großes strategisches Ziel vorgegeben. Und das bedeutet einen grundsätzlichen Systemwechsel – für die Landwirtschaft, den Pflanzenschutz und auch die Pflanzenzüchtung. Künftig werden chemische Wirkstoffe nicht mehr industriell hergestellt und dann auf den Feldern ausgebracht, sondern es sind die Pflanzen selbst, die sich gegen Krankheiten und Schädlinge schützen. Diese neue grüne Revolution wird von der Biotechnologie geprägt.

Pflanzen: Stressresistent aus eigener Kraft

Schon immer haben Züchter versucht, Pflanzen widerstandsfähiger gegen Krankheiten und Schädlinge zu machen. Manchmal 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. In einigen Fällen – vor allem gegen Pilzkrankheiten - gibt es bis heute keine resistenten Sorten.

Doch inzwischen stehen den Züchtern neue mikrobiologische Verfahren zur Verfügung, allen voran die Gen-Schere CRISPR/Cas. Obwohl noch eine junge Technologie, zeichnet sich bereits deutlich ab, dass damit die Entwicklung von Pflanzen, die aus eigener Kraft widerstandsfähiger sind, deutlich schneller, einfacher und präziser wird. Manchmal werden überhaupt erst damit resistente Sorten möglich.

Der aktuelle Bericht der Gemeinsamen Forschungsstelle (JRC) der EU-Kommission über den Anwendungsstand Neuer genomischer Technologien (NGT, auch Genome Editing) 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.

Voraussetzung ist, dass die molekularen Interaktionen zwischen Pflanzen und ihren „Feinden“ 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. 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.

Mikroben helfen Pflanzen

Inzwischen beschäftigen sich Wissenschaftler 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.

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 die Bildung bestimmter Proteine regulieren oder unterdrücken, auch die von Viren oder Schädlingen. Werden Pflanzen dazu gebracht, ein bestimmtes RNAi-Fragment zu bilden, das genau zu dem 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 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 Schädling 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.

Es sind tatsächlich die Konturen einer „neuen grünen Revolution“.

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