15.08.2008

Forschung Projekte

Abbau des Bt-Toxins und Auswirkungen auf die Bodenmikroorganismen

(2005 – 2008) Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft (FAL) (seit 2008 Johann Heinrich von Thünen-Institut (vTI)), Institut für Agrarökologie, Braunschweig

Thema

In diesem Projekt wurden mögliche Auswirkungen des Anbaus von Diabrotica-resistentem Bt-Mais auf den Boden untersucht. Das Hauptinteresse galt unmittelbaren Wechselwirkungen zwischen den Pflanzen und den Bodenbakterien, die an den Pflanzenwurzeln anhaften. Mit Hilfe molekularbiologischer Methoden wurde die Vielfalt der Bakterien im Wurzelbereich, der so genannten Rhizosphäre, von Bt-Mais und konventionellen Maissorten verglichen.

Zusätzlich wurde das Bt-Protein (Cry3Bb1) in Bodenproben und Pflanzenresten nach der Ernte quantifiziert. Diese Konzentrationsangaben dienten auch als Datengrundlage für andere Projekte des Verbundes, die mögliche Auswirkungen auf Nicht-Zielorganismen untersuchen.

Zusammenfassung

Quantifizierung des Cry3Bb1-Proteins

Analyse des Bodens. Insgesamt sind die Cry3Bb1-Gehalte im Boden mit Werten unter einem Nanogramm Toxin pro Gramm Boden sehr gering im Vergleich zu den Gehalten in intakten Wurzeln (100 -370 µg/g). Dies deutet darauf hin, dass Cry3Bb1-Protein von den Wurzeln nicht in den Boden abgegeben wird bzw. sehr schnell im Boden abgebaut wird.

Analyse der Ernterückstände. In den auf dem Feld verbliebenen Wurzeln wurden vier Wochen nach der Ernte Cry3Bb1-Konzentrationen gemessen, die in etwa einem Prozent der Gehalte in intakten Wurzeln entsprechen. In den verbleibenden Blättern wurden deutlich geringere Konzentrationen nachgewiesen.

Bodenmikrobiologische Auswirkungen des Cry3Bb1-Proteins

Die genetischen Fingerprints zeigten keine Unterschiede der Bakteriengemeinschaften in Rhizosphären, die auf die Maissorte bzw. auf die transgene Veränderung zurückgeführt werden können.

Versuchsbeschreibung

Quantifizierung des Cry3Bb1-Proteins

Es wurde ein kommerziell verfügbares -Testsystem so weiterentwickelt, dass es möglich war, geringe Spuren des Cry3Bb1-Proteins aus Diabrotica-resistentem Mais in Umweltproben nachzuweisen (Nachweisgrenze 10 Pikogramm Cry3Bb1 Protein pro Gramm Trockengewicht des Ausgangsmaterials). Mit dieser Methode wurden Bodenproben sowie verrottende Pflanzenreste (Blätter und Wurzelstrünke von abgeernteten Pflanzen) von der Bt-Mais-Anbaufläche auf ihre Cry3Bb1-Gehalte hin untersucht.

Die Bodenprobenahmen erfolgten zu vier verschiedenen Wachstumsstadien des Maises (zwei frühe, zur Blüte und zur Reife). Zusätzlich wurden vier Wochen nach der Ernte Bodenproben und Pflanzenmaterial (Streu und Wurzelstrünke) gesammelt. Die verbleibenden Ernterückstände wurden in den Folgejahren weiter beprobt und analysiert.

Die Bodenproben wurden für ein weiteres Projekt des Verbundes für Biotests mit Nematoden zur Verfügung gestellt.

Bodenmikrobiologische Auswirkungen des Cry3Bb1-Proteins

DNA wurde aus Rhizosphärenboden aus der Blütezeit der Maispflanzen extrahiert. Mit Hilfe eines genetischen Fingerprint-Verfahrens wurde die Vielfalt der Bakterien im Wurzelbereich von Bt-Mais mit drei konventionellen Maissorten verglichen.

Ergebnisse

Quantifizierung des Cry3Bb1-Proteins

Analyse des Bodens. In allen drei Versuchsjahren wurde das Bt-Toxin im Rhizosphären-Boden mit einer durchschnittlichen Konzentration von 0,18 +/- 0,1 Nanogramm pro Gramm nachgewiesen, während es im freien Boden erwartungsgemäß nur vereinzelt gefunden wurde. Im Verlauf des Versuchs wurde im freien Boden zunehmend häufiger Bt-Toxin nachgewiesen und zwar auch in Konzentrationen bis maximal 0,19 Nanogramm pro Gramm. Dies wurde auf eine zunehmende Durchwurzelung des Bodens auf der Versuchsfläche – bedingt durch den wiederholten Maisanbau - zurückgeführt. (Befinden sich in einem g Boden nur 0,1 g Feinwurzel, so könnte das eine Konzentration von bis zu 30 ng Toxin pro g Boden bewirken.)

Insgesamt sind die Cry3Bb1-Gehalte im Boden sehr gering im Vergleich zu den ca. 600.000-fach höheren Gehalten in intakten Wurzeln. Dies deutet darauf hin, dass Cry3Bb1-Protein sehr schnell im Boden abgebaut wird.

Im Vegetationsverlauf unterschieden sich die Konzentrationen des Cry3Bb1-Proteins im Rhizosphärenboden bis auf eine Ausnahme im Jahr 2005 nicht signifikant. Signifikant niedrigere Werte wurden vier Wochen nach der Ernte mit durchschnittlich 0,1 +/- 0,07 Nanogramm pro Gramm Rhizosphären-Boden ermittelt. Dies entspricht der Erwartung, dass das Cry3Bb1-Protein instabil ist und sich nach der Ernte in den verbleibenden Pflanzenresten schnell zersetzt.

Analyse der Ernterückstände. Bei der Analyse der Ernterückstände von Blättern und Wurzelstrünken vier Wochen nach der Ernte wurden die höchsten Cry3Bb1-Konzentrationen in den auf dem Feld verbleibenden Wurzelresten gemessen (durchschnittlich 2,4 +/- 1,2 Mikrogramm pro Gramm Wurzel). Diese Konzentrationen entsprechen in etwa einem Prozent der Gehalte in intakten Wurzeln. Die geringsten Konzentrationen wurden mit durchschnittlich 0,2 Mikrogramm pro Gramm in den verbleibenden Blättern nachgewiesen.

Ein halbes Jahr nach der Ernte waren die Cry3Bb1-Konzentrationen der noch auf dem Feld liegenden Wurzeln auf durchschnittlich 0,3 und 18 Nanogramm pro Gramm im Mai 2006 bzw. Mai 2007 abgesunken.

2007 wurde - abweichend von den Vorjahren - die gesamte Versuchsfläche direkt nach der Ernte umgepflügt, so dass vier Wochen nach der Ernte nur Werte für die unterirdischen Wurzelreste bestimmt werden konnten. Die Cry3Bb1-Konzentrationen in den untergepflügten Wurzelresten lagen mehr als doppelt so hoch wie im Vorjahr (durchschnittlich 4 µg pro g Wurzel).

Bodenmikrobiologische Auswirkungen des Cry3Bb1-Proteins

Die genetischen Fingerprints zeigten keine Unterschiede der Bakteriengemeinschaften in Rhizosphären, die auf die Maissorte bzw. auf die transgene Veränderung zurückgeführt werden können.

Bei einer spezifischeren Untersuchung waren in einzelnen Bakteriengruppen wie z.B. in Untergruppen der Proteobakterien oder der Pseudomonaden ebenfalls keine Unterschiede erkennbar.

In allen drei Jahren waren die Analyseergebnisse sehr ähnlich. Diese Stabilität wird auf die übereinstimmenden Faktoren Pflanzenart, Bodentyp und Alter der Pflanzen, die die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft entscheidend bestimmen, zurückgeführt.