30.07.2009
Forschung Live
Bindung von Bt-Protein an Bodenpartikel
Von Bindungsplätzen und Bodenhorizonten
Ein kühler, sonniger Julimorgen auf dem Mais-Versuchsfeld. Wissenschaftler der Universität Göttingen graben ein so genanntes Bodenprofil auf. Das Institut für Biotechnologie der Tropen (IBT) an der Universität Göttingen ist innerhalb des Mais-Forschungsverbundes dafür zuständig, den Boden der Versuchsfläche zu charakterisieren. Außerdem wird im Labor untersucht, wie viel Bt-Protein der Boden binden kann und ob sich das Bt-Protein in tiefere Bodenschichten verlagern kann.
Dr. Jürgen Niemeyer (oben) und Dr. Christian Ahl (unten) graben ein Bodenprofil auf.
Zuerst wird der Oberboden ausgehoben und dann der erste Unterbodenhorizont.
Ein Bodenprofil auf dem Mais-Versuchsfeld. Der Oberboden ist am dunkelsten, da er den höchsten Anteil an organischer Substanz aufweist. Die helleren Unterbodenhorizonte enthalten größere Anteile an Ton und Eisenoxiden.
Lässt man ein Boden-Wasser-Gemisch (links) über mehrere Stunden oder sogar Tage stehen, dann sinken die großen Teilchen wie z.B. Sandkörner als erste auf den Grund, während die kleineren, leichteren Teilchen wie etwa Tonteilchen länger im Wasser schweben. Da die Bt-Proteine in erster Linie an die Tonteilchen binden, wird nur das Ton-Wasser-Gemisch abgesaugt (rechts). Die Tonteilchen werden gefriergetrocknet und für die weiteren Untersuchungen verwendet.
Dr. Sibylle Pagel-Wieder bereitet die Sorptionsmessungen vor.
Definierte Mengen von Ton und Bt-Protein werden in Wasser gemischt und für eine halbe Stunde zusammen geschüttelt (links). Anschließend werden die Proben zentrifugiert. Dadurch setzen sich die Bodenteilchen ab (rechts). Die überstehende Lösung wird weiter untersucht.
Ergebnisse des ELISA-Farbtests, bei dem mit Hilfe eines markierten Antikörpers die Menge an Bt-Protein gemessen wird. Links in den ersten drei Reihen die Bt-Ausgangslösung, rechts daneben die überstehenden Lösungen, nachdem sie für 30 Minuten mit Ton geschüttelt wurden. Da die Tonpartikel einen Teil des Bt-Proteins gebunden haben, hat sich die Konzentration des Proteins in den betreffenden Lösungen verringert und die Blaufärbung fällt heller aus.
Am Feldrand ist ein ganzes Arsenal von Schaufeln, Spaten, Bohrstöcken und Zollstöcken zu besichtigen. Auf einer Fläche von ein mal ein Meter wird der Boden ausgehoben. Nach einer Viertelstunde hat der Erdhaufen schon eine beachtliche Größe. Die obersten 30 Zentimeter sind abgetragen, und plötzlich wird der Boden deutlich heller. Der Ackerboden besteht aus mehreren übereinander liegenden Schichten, so genannten Horizonten. Diese sind unterschiedlich zusammengesetzt und haben daher unterschiedliche chemische und physikalische Eigenschaften. Nach und nach legen Jürgen Niemeyer und Christian Ahl drei verschiedene Horizonte frei; am Ende ist die Grube fast einen Meter tief. Die verschiedenen Schichten werden getrennt ausgehoben und später in der richtigen Reihenfolge wieder eingefüllt.
Vor der ersten Maisaussaat 2008 in dem insgesamt dreijährigen Versuchszeitraum wurden an drei Stellen auf der Versuchsfläche Bodenprofile aufgegraben und in jeder der insgesamt 40 Parzellen an 40 verschiedenen Stellen Bodenproben genommen. An den Bodenproben werden wichtige Parameter wie pH-Wert, Korngrößenverteilung sowie Humus- und Stickstoffgehalt gemessen. Die Ergebnisse der bodenkundlichen Charakterisierung werden den übrigen Teilnehmern des Forschungsverbundes zur Verfügung gestellt, damit diese beurteilen können, ob Unterschiede zwischen den verschiedenen Maisvarianten möglicherweise auch auf die unterschiedliche Bodenbeschaffenheit der Parzellen zurückzuführen sind. Die bisherigen Untersuchungen haben aber ergeben, dass der Boden auf der Versuchsfläche sehr homogen ist.
Nachweis gebundener Proteine: Nur indirekt möglich
Am Nachmittag beginnt Sibylle Pagel-Wieder im Labor des IBT mit der Analyse der Bodenproben. Auf der Arbeitsfläche stehen große Glasflaschen, die mit einem bräunlichen Boden-Wasser-Gemisch gefüllt sind. Was für den Laien wie gewöhnlicher Schlamm aussieht, ist ein Sedimentationsversuch. Dabei werden die verschiedenen Bestandteile eines Bodenhorizonts voneinander getrennt, indem man das Gemisch eine Weile stehen lässt und die größeren, schwereren Teilchen auf den Grund sinken.
Das Hauptinteresse der Wissenschaftler vom IBT gilt der möglichen Verlagerung von Bt-Proteinen in tiefere Bodenschichten. Ob eine lösliche Substanz wie ein Protein bei Regen in tiefere Bodenschichten gelangt, hängt unter anderem davon ab, wie stark sie von den oberen Bodenschichten gebunden (sorbiert) und damit zurückgehalten wird. Das wiederum ist abhängig von den chemischen und physikalischen Eigenschaften des Bodens wie auch des Proteins. Die Arbeitsgruppe vom IBT untersucht, welche Boden- und Proteineigenschaften die Sorption verschiedener Bt-Proteine hauptsächlich beeinflussen.
Was diese Untersuchungen so schwierig macht: sorbierte Proteine kann man nicht direkt nachweisen. Wendet man Standardverfahren zur Proteingewinnung auf Bodenproben an, so erhält man diejenigen Proteine, die nicht oder nur leicht an Bodenpartikel gebunden sind. Um sorbierte Proteine nachzuweisen, müsste man sie zunächst von den Bodenpartikeln trennen. Das ist aber kaum möglich, ohne die Proteine chemisch zu verändern bzw. zu zerstören.
Deshalb nutzt Sibylle Pagel-Wieder eine indirekte Messmethode. Nachdem sie in mehreren Arbeitsschritten die Tonteilchen gewonnen hat, an die die Proteine hauptsächlich binden, mischt sie eine genau abgewogene Menge Ton mit Wasser und einer bekannten Menge Bt-Protein, trennt nach einer halben Stunde durch Zentrifugieren die Tonteilchen ab und misst, wie viel Bt-Protein in der Flüssigkeit zurückgeblieben ist. Daraus berechnet sie die Menge des gebundenen Proteins und das Verhältnis von freiem zu gebundenem Protein. Dieser Versuch wird mit verschiedenen Proteinkonzentrationen durchgeführt. Sibylle Pagel-Wieder ist es gelungen, die Messmethode so weiterzuentwickeln, dass man mit so niedrigen Proteinkonzentrationen arbeiten kann, wie sie auch im Feld vorliegen.
Parallel dazu werden an den Proben verschiedene Parameter wie elektrische Ladung und Gesamtoberfläche der Tonteilchen ermittelt. Diese Daten werden zu den Sorptionsmessungen in Beziehung gesetzt.
Bt-Proteine im Boden: Unterschiedliches Verhalten
Das erste Bt-Protein, das vom IBT untersucht wurde, war Cry1Ab, das gegen den Schädling Maiszünsler wirksam ist. Hier sind die Untersuchungen abgeschlossen. Die Bindung von Cry1Ab an Bodenpartikel hängt hauptsächlich von der Menge der elektrischen Ladung und der Gesamtoberfläche der Bodenpartikel sowie von dem Anteil an organischem Kohlenstoff ab. Für Cry3Bb1, das Bt-Maispflanzen vor dem Maiswurzelbohrer schützt, liegen alle Messdaten vor, die Auswertungen werden jedoch erst Ende 2009 abgeschlossen sein. Es zeichnet sich aber bereits ab, dass Cry3Bb1 sich deutlich anders verhält. Im Rahmen des neuen Mais-Forschungsverbundes werden auch Cry1A.105 und Cry2Ab2 untersucht.
Frühere Untersuchungen des IBT haben gezeigt, dass weniger als zehn Prozent des Bt-Proteins wieder desorbiert werden, d.h. Bt-Proteine, die einmal an Bodenpartikel gebunden sind, bleiben in der Regel auch gebunden. Es ist bekannt, dass sorbierte Bt-Proteine nicht von Bakterien abgebaut werden können, ihre insektizide Wirkung aber erhalten bleibt. Die Messungen des IBT haben ergeben, dass das Verhältnis von freiem zu gebundenem Bt-Protein etwa 1:200 beträgt, d.h. wenn in Bodenproben von der Versuchsfläche 0,2 Nanogramm Bt-Protein pro Gramm Boden nachgewiesen werden, sind schätzungsweise 40 Nanogramm sorbiertes Bt- Protein pro Gramm Boden vorhanden. Diese Mengen liegen aber immer noch weit unterhalb der tödlichen Dosis (LD50) für die Zielorganismen und erst recht für Nicht-Zielorganismen. Die Ergebnisse zum Verhalten von Bt-Proteinen im Boden gelten prinzipiell auch für Bt-Proteine, die z.B. im Rahmen des ökologischen Landbaus gespritzt werden.
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