Nachhaltige Intensivierung: Vom chemischen zum biotechnologischen Pflanzenschutz

Den Einsatz „chemischer Pestizide“ in der Landwirtschaft halbieren, weniger düngen und mehr Flächen unter Naturschutz – auch wenn die ehrgeizigen Pläne der EU-Kommission inzwischen etwas abgeschwächt sind, das Grundproblem bleibt: Die Landwirtschaft muss nachhaltiger werden und weniger Ressourcen verbrauchen, zugleich aber mehr produzieren, um auch in Zukunft alle zu ernähren. Nachhaltige Intensivierung - das hat auch der Weltklimarat (IPCC) als Ziel ausgegeben. Das neue Konzept eines biotechnologischen Pflanzenschutzes kann dazu einen Beitrag leisten. Erste Anwendungen sind bereits praxisreif.

Pflanzenschutzmittel – etwas abwertend meist Pestizide genannt – haben heute ein Negativ-Image: Sie gelten als Hauptursache für Insektensterben, weniger Singvögel und einen dramatischen Rückgang der Artenvielfalt. Viele Wirkstoffe der Pflanzenschutzmittel seien länger im Boden und in Gewässern nachweisbar als erwartet, mahnte eine Expertengruppe der Leopoldina, der Nationalen Akademie der Wissenschaften.

In Politik und Gesellschaft wollen viele eine andere Landwirtschaft ohne „Chemie“ auf den Feldern. Das ist auch das Ziel der EU-Kommission, die mit ihrem ehrgeizigen, inzwischen abgeschwächten Green Deal den Einsatz „chemischer Pestizide“ halbieren will. Dazu weniger Düngemittel und mehr Flächen unter Naturschutz.

Doch die Herausforderung könnte kaum größer sein: Wie soll das gehen, ohne dafür einen Rückgang der Erträge in Kauf nehmen zu müssen? Noch immer ist das Spritzen – wenn auch zurückhaltender und mit besseren Wirkstoffen als noch vor Jahren – in vielen Fällen unverzichtbar, um Schädlinge und Pflanzenkrankheiten in Schach zu halten. Ein sofortiges Verbot von Pflanzenschutzmitteln würde zu drastischen Ertragseinbußen und damit für viele Betriebe zu großen wirtschaftlichen Problemen führen. Nicht zuletzt daran sind die Pläne der EU erst einmal gescheitert.

Auch die politisch geförderte „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. Der Wirkstoff Spinosad, ein Fraß- und Kontaktgift, ist als Insektizid für verschiedene Anwendungen im ökologischen Landbau offiziell erlaubt. Einige Schädlinge werden mit „biologischen“ Bt-Präparaten bekämpft, die den gleichen Wirkstoff enthalten wie er auch in gentechnisch verändertem Bt-Mais aktiv ist.

Alles auf ökologischen Landbau umzustellen, kann schon deswegen keine umfassende Alternative sein, weil deren Erträge deutlich hinter denen des konventionellen Anbaus zurückbleiben. Je nach Kulturart sind es zwischen 40 und 70 Prozent weniger. Mehr Öko bedeutet immer auch mehr benötigte Flächen – doch die sind knapp. Wenn nicht noch mehr Agrarproduktion in andere Länder ausgelagert werden soll, wird vor allem der Nutzungsdruck auf die hiesigen 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.

Intensiver und nachhaltiger zugleich – die Landwirtschaft steht vor einem fundamentalen Systemwechsel. Er betrifft viele Bereiche, ganz besonders den Pflanzenschutz. Das lange bewährte Rezept, immer wieder neue – und bessere – chemisch-synthetische Wirkstoffe zu entwickeln, ist an seine Grenzen gestoßen.

Auch die herkömmliche Pflanzenzüchtung allein wird das nicht schaffen. Zwar haben Züchter schon immer versucht, die Widerstandsfähigkeit von Pflanzen gegen Krankheiten und Schädlinge zu verbessern. Doch geeignete Resistenz-Gene im Genpool einer Kulturpflanze zu finden und sie – wenn es überhaupt möglich ist – in gängige, standortangepasste Sorten einzukreuzen, braucht viel Zeit, manchmal bis zu 15 Jahre. In einigen Fällen gibt es bis heute keine resistenten Sorten, vor allem gegen Pilzkrankheiten. Zudem haben es viele Schädlinge und Erreger mit der Zeit geschafft, die eingezüchteten Resistenzen zu überwinden.

Doch inzwischen zeichnen sich neue „biologische“ Pflanzenschutzkonzepte ab, die weitgehend ohne chemische Wirkstoffe auskommen. Ihr größter Vorteil ist ihre Spezifität: Anders als herkömmliche Pflanzenschutzmittel haben sie weniger Nebenwirkungen: Sie treffen nur den jeweiligen Schädling oder Erreger, nicht aber andere Tiere und Pflanzen (Nicht-Zielorganismen). Geringere Ernteverluste gehen dann weitaus weniger zu Lasten der Biodiversität in den Agrarlandschaften.

Die Basis für neue, nachhaltigere Konzepte sind moderne Genetik und das enorm gewachsene molekularbiologischen Wissen, die Früchte aus vielen Jahren der Gen- und Pflanzenforschung.

(1) Mit der Gen-Schere CRISPR/Cas zu widerstandsfähigen Pflanzen

Mit den neuen genomischen Züchtungstechniken (NGT) – vor allem der Gen-Schere CRISPR/Cas – können Pflanzen entwickelt werden, die gegenüber Krankheiten, Umweltbedingungen und Auswirkungen des Klimawandels widerstandsfähiger sind und weniger „Pestizide“ benötigen – präziser und vor allem schneller als mit herkömmlichen Verfahren.

Die eu-sage-Datenbank (European Sustainable Agriculture Through Genome Editing), ein gemeinsames Projekt von 134 europäischen Pflanzenforschungsinstituten, verzeichnet 210 Forschungsprojekte, die mit NGT-Verfahren, in erster Linie CRISPR/Cas, die Widerstandsfähigkeit von Pflanzen gegen biotischen Stress – Schädlinge und Krankheitserreger aller Art – verbessern wollen (Februar 2025). Die meisten Projekte beschäftigen sich mit Reis (57), Tomaten (37), Weizen und Sojabohnen (je 11). Bei insgesamt 30 Pflanzenarten wird an einer höheren Toleranz gegen biotischen Stress geforscht. Die ersten, aus solchen Projekten hervorgegangenen Sorten sind außerhalb Europas bereits oder auf dem Markt, weitere stehen kurz vor der Kommerzialisierung.

Solche neuartigen Resistenz-Konzepte setzen voraus, dass die Interaktionen zwischen Pflanzen und ihren „Feinden“ auf molekularer Ebene erforscht sind und man den jeweiligen genetischen Hintergrund kennt. Das können etwa bestimmte Proteinstrukturen von Pflanzenzellen sein, welche die Krankheitserreger benötigen, um sich auszubreiten. Mit den neuen genomischen Techniken – heute in erster Linie mit der Gen-Schere CRISPR/Cas und ihren Varianten – können an einer vorgegebenen Stelle im Genom gezielt einzelne DNA-Bausteine „umgeschrieben“ oder „ausgeschnitten“ werden, um so die Wirkung von schädlichen Viren, Pilzen oder Bakterien einzudämmen. Nichts anders ereignet sich bei einer zufälligen Mutation, die zu einer „natürlichen“ Resistenz einer Pflanze führt.

Ein anderer Ansatz ist es, die natürliche „Immunantwort“ der Pflanzen zu verstärken. Man weiß inzwischen, dass Pflanzen nach einer Erstinfektion etwa durch Pilze oder Viren 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.

Bei vielen wichtigen Kulturarten – etwa Bananen, Zitrusfrüchten, Wein, 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.

Und vor allem: Die neuen Verfahren schreiben einzelne DNA-Bausteine um, ohne zufällige, nicht zielführende Veränderungen im Genom einer Pflanze, wie sie bei herkömmlicher, auf Kreuzen basierender Züchtung unvermeidlich sind. Die Entwicklung resistenter Sorten ist damit nicht nur erheblich schneller möglich, sie kann auch besser auf neu auftretende Schadorganismen reagieren, die angetrieben durch den Klimawandel nach Norden wandern.

(2) RNA-Interferenz: Schädlinge und Krankheitserreger ausschalten

Ein weiterer innovativer Ansatz nutzt einen natürlichen molekularen Schutzmechanismus der Pflanzen. Mit der sogenannten RNA-Interferenz (RNAi) kann eine Zelle einzelne Gene je nach Bedarf abschalten und damit Genaktivitäten regulieren. Der DNA-Code eines Gens wird nach dem „Ablesen“ in Form von Boten-RNA vom Zellkern zu den Eiweißfabriken (Ribosomen) transportiert. Auf dem Weg dahin wird eine bestimmte RNA-Sequenz durch ein dazu passendes „spiegelverkehrtes“ RNA-Stück „blockiert“ – und damit das entsprechende Protein nicht gebildet. Über diesen RNAi-Mechanismus können nicht nur pflanzeneigene Gene abgeschaltet werden, er funktioniert auch bei fremden Organismen, etwa Krankheitserregern oder Schädlingen. Genau das lässt sich für den Pflanzenschutz nutzen.

Pflanzen können durch gentechnisch eingefügte Genkonstrukte dazu gebracht werden, ein bestimmtes RNA-Fragment zu bilden, das genau auf ein lebenswichtiges Schlüsselprotein eines Schädlings zielt. Nimmt dieser es auf, indem er von der Pflanze frisst, kann der DNA-Code nicht zu den Ribosomen transportiert werden. Die Folge: Das Zielprotein wird nicht gebildet, der Schädling stirbt oder kann sich nicht mehr vermehren. Bei Bohnen, Kartoffeln und Reis haben Forscherteams zeigen können, dass das RNAi-Konzept zum Schutz gegen Schadorganismen 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 ist, wenn die zum Ziel passende RNA als Spray auf Pflanzen gesprüht und dort von den jeweiligen Schädlingen oder Krankheitserregern aufgenommen wird. In den USA hat ein RNA-Sprays gegen den Kartoffelkäfer (Produktname Calantha) im Dezember 2023 eine zunächst auf drei Jahre befristete Zulassung erhalten. Ein RNA-Spray (Norroa) gegen die Varroa-Milbe, die Honigbienen befällt und eine der Ursachen für Verluste von Bienenvölkern ist, könnte bald folgen.

In der Pipeline befinden sich RNA-Sprays gegen Rebenmehltau, Grauschimmel (Botrytis), und Fusarium – Pilzkrankheiten, die viele Kulturarten, besonders Weizen und Gerste befallen und derzeit vor allem mit chemischen Mitteln bekämpft werden. Einige dieser RNA-Sprays wurden bereits in Feldversuchen getestet. Erste Zulassungen für RNA-Sprays sind ab 2028 zu erwarten, mit einer breiteren Anwendung ab 2030.

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 flüchtigen, in der Umwelt schnell zerfallenden RNA-Sprays rechtlich als Pflanzenschutzmittel gelten.

(3) Mikrobiomforschung: Mikroben unterstützen Pflanzen

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 in einem bestimmten Lebensraum und die Wechselwirkungen zwischen ihnen – etwa im menschlichen Darm oder auf der Haut, aber auch bei Pflanzen.

In der Erde, an den Wurzeln, in den Pflanzen selbst und auf ihrer Oberfläche leben Milliarden von Mikroorganismen. Sie bilden komplexe Lebensgemeinschaften, in denen einzelne Pilz- und Bakterienarten miteinander konkurrieren und bestimmte Funktionen ausüben. Für den Pflanzenschutz interessant ist etwa das Mikrobiom im wurzelnahen Boden. 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 Schadorganismen und erhöhen 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. Mit Hilfe von Künstlicher Intelligenz können ideale Mikroorganismen-Gemeinschaften zusammengesetzt werden, welche die Pflanzen dabei unterstützen, mit biotischem – Schädlinge und Krankheitserregern – und abiotischem Stress – Hitze, Trockenheit, Überflutungen – besser fertig zu werden.

Inzwischen gibt es erste praktische Anwendungen (Biologicals), etwa wenn Saatgut mit einer Trägerschicht umhüllt wird, in der verschiedene, für die jeweilige Pflanzensorte nützliche Mikroorganismen eingepackt sind.

Noch sind funktionale Mikroorganismen ein Stück weit von einer kommerziellen Anwendung entfernt, doch eine Reihe von Start-ups arbeiten in diese Richtung. Einige sind Joint Ventures mit großen Agrarkonzernen eingegangen. Ein erstes Produkt mit genom-editieren Bakterien, die Stickstoff fixieren und die Pflanzen besser mit Nährstoffen versorgen, wurde in im Rahmen von Anbauversuchen an Mais getestet. Doch bis stickstoff-fixierende Bodenmikroorganismen die Stickstoff-Düngung vollständig oder zu einem großen Teil ersetzen können, ist noch viel Forschung notwendig.