Untersuchungen zum Einfluss von Bt-Mais (Cry3Bb1) auf im Boden lebende Nicht-Ziel-Organismen und deren Prädatoren

(2005 – 2008) Julius Kühn-Institut (JKI), Institut für Pflanzenbau und Bodenkunde, Braunschweig

Thema

In Bt-Mais, der gegen den Maiswurzelbohrer (Diabrotica v. virgifera) resistent ist (MON88017), wird das Bt-Toxin (Cry3Bb1) besonders in den Wurzeln ausgebildet, da der Maiswurzelbohrer den Mais dort angreift. In diesem Projekt wurden die Auswirkungen des Cry3Bb1-Proteins auf im Boden (besonders im Wurzelraum) lebende Insekten und deren Larvenstadien untersucht.

Trauermückenlarven

Trauermückenlarven (Lycoriella castanescens)

Räuberischer Laufkäfer: Braunfüßiger Breithalskäfer (Calathus fuscipes)

Foto: O. Schlein

Es wurden zum einen Fliegen und Mücken (Zweiflügler, Diptera), insbesondere Trauermücken, beobachtet, die direkt an der Zersetzung von Pflanzenmaterial im Boden beteiligt sind.

Zum anderen wurden räuberische Käfer und deren Larven (Coleoptera) untersucht, die sich von den „Primärzersetzern“ (z.B. Dipteren-Larven, Springschwänze, Milben, Regenwürmer) ernähren. Da auch der Maiswurzelbohrer, gegen den das Cry3Bb1-Toxin wirkt, ein Käfer ist, ist nicht auszuschließen, dass auch räuberische Käfer und vor allem deren im Boden jagende Larven durch die Aufnahme Bt-haltiger Beutetiere beeinträchtigt werden.

Zusammenfassung

Bt-Protein Cry3Bb1 in Maispflanzenstreu beeinträchtigt Trauermückenlarven bis zur getesteten Menge von 16,45 Mikrogramm pro Gramm nicht in ihrer Entwicklung. Streu der Bt-Maissorte MON88017 wird im Freiland nicht langsamer zersetzt als die Maisstreu von Nicht-Bt-Sorten. Auch die Diversität der Zweiflügler wurde nicht beeinträchtigt.

Trauermückenlarven und -puppen nehmen das Cry3Bb1-Protein (nachgewiesen bis zu 263,92 ng/g) auf, Prädatoren (Kurzflügelkäferlarven) bis zu 27,7 Nanogramm pro Gramm. Das Cry3Bb1-Protein wird in der Nahrungskette weitergegeben.

Nach Aufnahme von Trauermückenlarven, die mit MON88017-Bt-Maisstreu aufgezogen worden waren, wurde bei dem Kurzflügelkäfer Atheta coriaria eine signifikante Reduktion der Nachkommensproduktion beobachtet. Fraßraten und Lebensdauer dieser Käferart wurden demgegenüber nicht von der Maissorte beeinflusst.

Die Summe der frisch geschlüpften Laufkäfer erreichte in der Bt-Mais-Variante zwischen 50 und 60 Prozent der Nicht-Bt-Maisvarianten.

Halmfliegen darunter insbesondere die Fritfliege (Oscinella frit) sowie auf Blattläuse spezialisierte Gallmücken (Aphidoletes aphidimyza) wurden mit signifikant höherem Vorkommen im Bt-Mais registriert. Dies weist auf eine Förderung sekundärer Pflanzenschädlinge (Halmfliegen, Blattläuse) durch Bt-Mais hin – die Absicherung dieser Beobachtung bedarf jedoch weiterer Untersuchungen.

Versuchsbeschreibung

Fraßversuche unter Laborbedingungen

Fütterung von Trauermückenlarven mit Pflanzenmaterial aus dem Freilandversuch (s.u.). Larven einer Trauermückenart (Lycoriella castanescens) wurden mit Streu (BBCH80), Wurzeln (BBCH19 und 51) sowie mit Pollen der vier im Freilandversuch angebauten Maissorten (transgen, isogen und zwei konventionelle Sorten) gefüttert. Verglichen wurden die Verpuppungs- und Schlupfraten, die Sterblichkeit sowie die Dauer der Larvalentwicklung und der Puppenruhe.

Fütterung räuberischer Käfer mit Beutetieren (Prädationsversuche). Der auf dem Maisfeld dominante Laufkäfer, der Braunfüßige Breithalskäfer (Calathus fuscipes), die Larven eines weiteren Laufkäfers, des Kupferfarbenen Listkäfers (Poecilus cupreus) sowie die L3-Larven eines Kurzflügelkäfers (Atheta coriaria) wurden im Labor mit Trauermückenlarven (L. castanescens) gefüttert, die mit Pflanzenteilen (z.B. Wurzelstücke, Blatt- oder Stängelstücke) jeweils einer der vier verschiedenen Maissorten aufgezogen worden waren. Vier Tage lang wurde täglich kontrolliert, wie viele Trauermückenlarven gefressen wurden.

Bei den Fütterungsversuchen wurden Parameter wie die Überlebensrate, Fraßleistung, Dauer bis zur Verpuppung bzw. bis zum Schlupf der erwachsenen Käfer, Verpuppungs-/Schlupfrate, Gewichtsentwicklung sowie Verhaltensänderungen ermittelt.

Es wurde zusätzlich ein Langzeitversuch durchgeführt, in dem über ein halbes Jahr Kurzflügelkäfer (A. coriaria) täglich mit einer auf Maiswurzeln der verschiedenen Bt- und Nicht-Bt-Maissorten gehaltenen Trauermückenlarve (L. castanescens) gefüttert wurden.

Toxinanalyse. Ergänzend wurden mit der Nachweismethode ELISA die Toxingehalte der in den Fraßversuchen eingesetzten transgenen Pflanzenteile sowie auch der Trauermückenlarven und räuberischen Käfer untersucht.

Ebenso wurde der Gehalt an Cry3Bb1 der in den Versuchsparzellen gefangenen Tiere bestimmt.

Kleine Minicontainer werden mit je 0,2 Gramm Maisstreu bestückt und in Containerstäben in den Boden eingebracht.

Foto: A. Müller

Schema Minicontainer Stab

Schematische Darstellung eines Minicontainerstabes mit den darin eingelassenen Minicontainern (pro Stab zwölf, abgebildet hier nur sechs).

Photoeklektor

Bodenfotoeklektor zur Erfassung der Artenzahlen

Foto: M. Musche

Schema Bodenfalle für Käfer-Larven

Schema des Aufbaus und der Funktionsweise einer unterirdischen Bodenfalle zur Erfassung der Aktivität von Käfer-Larven und anderen Raubarthropoden im Boden. Die Tiere wandern seitlich durch die Löcher der Seitenwände ein und fallen dann in das Fanggefäß.

Bestimmung der Zersetzungsleistung

Minicontainer im Freiland. In jeder der 32 Versuchsparzellen wurden vier Minicontainerstäbe (s. Abb.) ausgebracht, von denen in Monatsabständen jeweils einer entnommen wurde. Jeder Container wurde vor dem Ausbringen mit 0,2 Gramm Maisstreu bestückt. Die Containerstäbe wurden in ca. fünf Zentimeter Tiefe horizontal in den Boden eingebracht. Die Zersetzung der Streu wurde durch Bestimmung des Trockengewichts in Prozent vom Anfangsgewicht ermittelt.

Minicontainer unter standardisierten Bedingungen. Um die Zersetzungsleistung speziell von Trauermücken-Larven zu untersuchen, wurden Bodenproben mit einem Stechrahmen (Durchmesser 16 Zentimeter; Einstichtiefe 20 Zentimeter) aus jeder Versuchsparzelle entnommen und durch Erhitzen tierfrei gemacht. Im Gewächshaus wurden in die Bodenproben Minicontainer eingesetzt, die Maisstreu aus den verschiedenen Bt- und Nicht-Bt-Maisvarianten enthielten. Jeweils sechs wurden auf bzw. fünf Zentimeter unter der Oberfläche platziert. In jede Bodenprobe wurden ca. 50 Trauermücken-Larven gesetzt. Monatlich wurde ein Minicontainer entnommen und die Zersetzungsleistung durch Bestimmung des Trockengewichts des Pflanzenmaterials bestimmt.

Freilanderhebungen von Dipteren und räuberischen Käfern

Bodenfotoeklektoren. Zur Ermittlung der Dichten, Schlupfhäufigkeiten und des Artenspektrums von Dipteren und räuberischen Käfern unter Anbaubedingungen im Freiland wurden in den Parzellen so genannte Bodenfotoeklektoren aufgestellt. In diesen Fallen wurden aus dem Boden ausschlüpfende Tiere gefangen. Damit wurde ermittelt, ob zwischen Bt- und Nicht-Bt-Maissorten Unterschiede auftreten.

Die Eklektoren wurden von 2005 bis 2007 aufgestellt. Sie wurden von Mai bis Oktober 14-tägig geleert und monatlich umgesetzt. Zwischen Ernte und Neuaussaat (November bis April) erfolgte die Leerung alle vier Wochen ohne Umsetzen der Eklektoren. Dipteren und adulte Käfer wurden in der Regel bis zur Art bestimmt.

Lebendfallen. Mit Lebendfallen wurden Laufkäfer für Labor-Fraßversuche gefangen. Es sind ebenerdig eingegrabene Fallenbecher, deren Boden mit Blähtonkugeln bedeckt ist. Die Lebendfallen wurden zu Beginn der Vegetationsperiode bzw. kurz vor dem geplanten Start der Fraßversuche installiert.

Endogäische Bodenfallen. Sie erfassen die Aktivität von Wirbellosen im Boden. In jeder Parzelle des Freilandversuches wurden zwei unterirdische Fallen in den Boden eingelassen. Diese Fallen wurden nach dem Auflaufen der Maispflanzen in der Nähe der Pflanzen bzw. in der Pflanzenreihe ausgebracht, um die Aktivität von Arthropoden im Wurzelraum zu erfassen. Die Fallen wurden in der Vegetationsperiode 14-tägig, in der übrigen Zeit monatlich kontrolliert.

Bodenprobenextraktion. Mit der Bodenprobenextraktion kann die Dichte von im Boden lebenden Larvenstadien räuberischer Käfer abgeschätzt werden. Alle sechs Wochen wurden mit einem Probenstecher (Durchmesser 16 Zentimeter) in jeder Parzelle zwei Bodenproben (0-5 cm und 5-10 cm Tiefe) entnommen. Im Labor wurden aus den Bodenproben in einem schonenden Extraktionsprozess (über zwei bis drei Wochen) die Bodentiere ausgetrieben und bestimmt.

Ergebnisse

Fraßversuche unter Laborbedingungen

Fütterung von Trauermückenlarven mit Pflanzenmaterial aus dem Freilandversuch. Die Fütterung von Trauermückenlarven mit verschiedenen Pflanzenteilen von Bt- bzw. Nicht-Bt-Maissorten verminderte nicht deren Verpuppungs- und Schlupfraten. Die Dauer der Puppenruhe war in allen Maisvarianten fast identisch.

Bei Fütterung mit Bt-Maisstreu war die Sterblichkeit der Puppen – statistisch nicht signifikant – etwas höher als nach Aufnahme von isogener Maisstreu. Unterschiede in der Entwicklungsdauer der Zersetzerlarven waren in allen vier Versuchsreihen nicht signifikant.

Bei Ernährung mit Maispollen (Bt-Mais mit Bt-Gehalt von 4,04 μg/g) verschiedener Sorten unterschied sich die Anzahl der Puppen und der ausgewachsenen Trauermücken nicht signifikant. Auch die Dauer der Entwicklung der Larven und der Puppenruhe war statistisch gleichwertig.

Mittlere Dauer bis zur Verpuppung (Tage) von Kurzflügelkäfer-Larven nach Ernährung mit Trauermückenlarven, die in Wurzelmaterial von vier verschiedene Maisvarianten gezogen wurden. (N=40).

Abbauraten der Maisstreu durch Trauermücken- larven der Art Lycoriella castanescens (Streu 5 cm unter der Boden-oberfläche exponiert, Boden und Maisstreu aus jeweils 8 Parzellen je Maissorte). Es gab keine signifikanten Unterschiede in den Streuabbauraten der Varianten.

Anzahl der während der Versuchsdauer (125 Tage) von Kurzflügelkäfer (Atheta coriaria)-Weibchen bei Ernährung mit Trauermückenlarven, die in Wurzelmaterial von verschiedenen Maisvarianten gezogen wurden, produzierten Larven pro Weibchen (N=40)

Anzahl geschlüpfter Laufkäfer in den verschiedenen Maisvarianten während der Vegetationsperiode 2007

Häufigkeit (Ind./m2) von Gallmücken (Aphidoletes aphidimyza) in den verschiedenen Maisvarianten 06/2005 – 10/2007

Fütterung räuberischer Käfer mit Beutetieren (Prädationsversuche). Der Braunfüßige Breithalskäfer (C. fuscipes) sowie die Larven des Kupferfarbenen Listkäfers (P. cupreus) zeigten eine signifikant geringere Akzeptanz gegenüber den in Bt-Maisstreu aufgezogenen Beutelarven im Vergleich zu den mit isogener bzw. konventioneller Maisstreu gefütterten Trauermückenlarven. Dieser Effekt zeigte sich allerdings nur in den ersten zwei Versuchstagen und hob sich danach auf. Die Hintergründe dieses Phänomens konnten nicht geklärt werden.

Auch bei den Larven eines weiteren Kurzflügelkäfers (Atheta coriaria) war der durchschnittliche Konsum von Bt-gefütterten Mückenlarven im Vergleich zu solchen aus zwei anderen Maisvarianten signifikant geringer. Außerdem war bei diesen Larven der räuberischen Käfer die Dauer der Larvalentwicklung bis zur Verpuppung verlängert. Es muss jedoch beachtet werden, dass diese Befunde nur im Vergleich zur isogenen Maissorte und einer von zwei konventionellen Sorten signifikant waren und somit Sorteneffekte nicht ausgeschlossen werden können.

Während sich Beuteaufnahme (Fraßrate) und Lebensdauer der räuberischen Kurzflügelkäfer-Weibchen in den Bt-und Nicht-Bt-Maisvarianten nicht unterschieden, war die Fruchtbarkeit der Weibchen (Produktion von Nachkommen) in der Bt-Mais-Gruppe ca. fünfzig Prozent geringer als in den anderen drei Gruppen. In der Bt-Maisgruppe wurden die meisten Nachkommen zu Beginn des Versuches produziert. Anschließend nahm die Nachkommensproduktion sehr rasch ab. In den Nicht-Bt-Maisvarianten stieg die Nachkommensproduktion dagegen bis zum Ende des Versuchs langsam an.

Die Ergebnisse weisen auf eine Reduktion der Fruchtbarkeit von Atheta-coriaria-Weibchen nach Aufnahme von Bt-kontaminierter Beute hin.

Toxinanalyse. Ausgehend vom Cry3Bb1-Toxingehalt in Pollen (404,0 ng/g) bzw. in Wurzeln (1645 ng/g) wurden nach sechstägiger Fütterung in den Zersetzerlarven ca. zehn Prozent ( = 42,4 ng/g, bezogen auf Pollen) bzw. ca. 16 Prozent ( = 263,9 ng/g, bezogen auf Wurzeln) des Toxingehaltes nachgewiesen. Auch in den Puppen wurde nach Fütterung mit Bt-Pollen Bt-Toxin nachgewiesen (78,8 ng/g). Puppen, die Bt-Maiswurzeln gefressen hatten, enthielten 39,5 Nanogramm Cry3Bb1 pro Gramm. D.h., dass das Toxin mit dem Kot nicht vollständig ausgeschieden wird. Im Kot von sechzig Trauermückenlarven wurden 0,33 Nanogramm Cry3Bb1 nachgewiesen. Dadurch nehmen räuberische Bodentiere wie z.B. Kurzflügelkäfer, die Dipterenlarven und -puppen fressen, Cry3Bb1 mit auf (Larven: 27,7 ng/g: Imagines: 12,2 ng/g). Das Cry3Bb1-Toxin wird somit in der Nahrungskette weitergegeben.

Bestimmung der Zersetzungsleistung

Minicontainer im Freiland. Im ersten Winter (2005/2006) war die Maisstreu in den Bt-Mais-Parzellen nach vier Monaten zu siebzig Prozent abgebaut. Die Abbaurate war bei einer der konventionellen Sorten stets signifikant geringer als bei den anderen Sorten.

Im Winter 2006/07 gab es keine signifikanten Unterschiede im Abbau der Maisstreu in allen Varianten. Im November 2006 war in der Bt-Maistreu durchschnittlich 7,918 Mikrogramm Cry3Bb1 pro Gramm Streu vorhanden.

Minicontainer unter standardisierten Bedingungen. In allen Maisvarianten stieg die Zersetzungsrate im ersten Monat stark an und verlief dann flacher. Nach viereinhalb Monaten war die Streu zu ca. siebzig Prozent von den Trauermückenlarven abgebaut. Bt-Maisstreu wird im gleichen Maße von Trauermückenlarven zersetzt wie die Streu der isogenen sowie konventionellen Sorten.

Bodenfotoeklektoren. In der dritten Vegetationsperiode schlüpften durchschnittlich 1632 Dipteren pro Quadratmeter. Dies waren wesentlich mehr als in den Vegetationsperioden 2006 (1078 Tiere/m²) und 2005 (535 Tiere/m²). Die Auswertung ergab, dass die Unterschiede der Schlupfraten insgesamt und der einzelnen Dipterenfamilien in den Maisvarianten statistisch nicht signifikant waren. Im Winterhalbjahr war die Anzahl der geschlüpften Dipteren gut doppelt so hoch wie in der Vegetationsperiode.

Dipterenfamilien, wie z.B. die Halmfliegen (Chloropidae), von denen einige Arten als Pflanzenschädlinge auftreten können, wurden mit signifikant höheren Schlupfabundanzen im MON88017 Bt-Mais erfasst, darunter vor allem die Fritfliegen (Oscinella frit).

Ebenso wurden im Bt-Mais im Vergleich zu den Nicht-Bt-Varianten signifikant höhere Schlupfraten der Gallmücke Aphidoletes aphidimyza ermittelt. Die Larven der Art ernähren sich ausschließlich von Blattläusen und werden im Rahmen biologischer Pflanzenschutzmaßnahmen z.B. auch in Gewächshäusern eingesetzt. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass durch Bt-Mais evtl. Sekundärschädlinge wie z.B. Blattläuse und Fritfliegen gefördert werden. Hierzu sind jedoch weitere Untersuchungen er-forderlich.

Bezüglich der Artenzahlen, der Diversität und der Evenness waren keine Unterschiede zwischen den Varianten abzusichern.

Von den räuberischen Käfern wurden insgesamt über dreißig Gruppen ausgewertet, zur statistischen Analyse der Schlupfraten waren jedoch nur sieben Gruppen geeignet. Signifikante Unterschiede ergaben sich für vereinzelte Laufkäfergruppen beim Vergleich zwischen einzelnen Maissorten. Jedoch gab es zwischen dem Bt-Mais und den konventionellen Sorten im Mittel keine signifikanten Unterschiede.

Bodenfallen. Nur das Auftreten der Laufkäfer (Carabidae) wurde durch die Maissorten nachweisbar beeinflusst. Sie traten in einer konventionellen Sorte sowie im Bt-Mais im Vergleich zu den anderen beiden Sorten (inkl. isogener Sorte) in signifikant geringerer Dichte auf. Aus den im Boden lebenden Larven schlüpften im dritten Versuchsjahr in der Bt-Mais-Variante nur etwa halb so viele Laufkäfer wie in den übrigen Varianten.

Bodenprobenextraktion. Die Zahl der aus den Bodenproben ausgetriebenen Käferlarven war für eine statistische Auswertung zu gering. Höhere Dichten wurden für Springschwänze, Ringelwürmer und Tausendfüßer aus den Bodenproben ausgetrieben, diese wurden in diesem Projekt jedoch nicht untersucht.