Resistent durch Selektion

Mutationen im Genom machen Schädlinge resistent gegen weitere Bt-Toxin Gruppe

02.12.2015 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Eine Genmutation macht die gefräßigen Raupen der Baumwollkapsel-Eule resistent gegen Bt-Toxine.(Bildquelle: © USDA Forest Service/ wikimedia.org/ CC BY 3.0 us)
Eine Genmutation macht die gefräßigen Raupen der Baumwollkapsel-Eule resistent gegen Bt-Toxine.(Bildquelle: © USDA Forest Service/ wikimedia.org/ CC BY 3.0 us)

Eine Mutation in einer Gensequenz von Baumwollpflanzenschädlingen macht diese höchstwahrscheinlich resistent gegenüber Cry2 Bt-Toxinen. Eine weitere Kategorie bakterieller Giftstoffe von Bacillus thuringiensis, die speziell von Bt-Baumwollpflanzen zum Schutz vor Schadinsekten gebildet werden.

Angst und Sorge vor Resistenzen treibt Experten in unterschiedlichsten Fachkreisen um. Stets spielen Faktoren wie Intensivierung, Konzentration und Selektion eine Rolle. Dabei sind Resistenzen ein vollkommen natürliches Phänomen und biologisch betrachtet sogar eine Triebfeder der Evolution. Prominentes Beispiel ist die Resistenz von Schadinsekten gegenüber Bt-Toxinen. Jene Giftstoffe der Bakterienart Bacillus thuringiensis, mit denen seit Anfang des 20. Jahrhunderts in einem permanenten Wettrüsten versucht wird, Pflanzenschädlingen die Stirn zu bieten. Ein internationales Forscherteam lieferte nun erste Erkenntnisse über die Resistenzbildung gegenüber Cry2 Bt-Toxinen bei einer Familie von Baumwollpflanzenschädlingen (Helicoverpa).

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Australischen Baumwollproduzenten sind die gefräßigen Raupen seit Jahren ein Dorn im Auge.

Australischen Baumwollproduzenten sind die gefräßigen Raupen seit Jahren ein Dorn im Auge.

Bildquelle: © CSIRO / CC BY-SA 3.0

Das Problem war von Anfang an bekannt

Ausgangspunkt der Forschungsarbeiten war eine Baumwollplantage im Südosten Australiens. Wie auf den mittlerweile meisten kommerziellen Baumwollplantagen gedeihen dort seit Jahren gentechnisch veränderte Baumwollpflanzen (Gossypium), die zum Schutz vor Schadinsekten Bt-Toxine in ihren Zellen produzieren.

Anders als zum Zeitpunkt der Zulassung der ersten gentechnisch veränderten Bt-Nutzpflanzen im Jahr 1996, wurden die heute dort wachsenden Baumwollfpflanzen befähigt, nicht mehr nur eine Kategorie von Bt-Toxinen, sondern gleich mehrere zu bilden. Pflanzenforscher und -züchter sahen sich zu dieser Kombination veranlasst, nachdem sich schneller als erwartet erste Anzeichen von Resistenzen gegenüber den Giften der Kategorie Cry1 zeigten. Betroffen waren alle Bt-Nutzpflanzen der ersten Generation.

Auch im Öko-Landbau im Einsatz

Bt-Toxine werden nicht nur von gentechnisch veränderten Pflanzen zur Abwehr genutzt, auch werden im klassischen Pflanzenschutz Bt-Präparate ausgebracht. Im Unterschied zu gentechnisch veränderten Pflanzen werden diese von Biobauern und intensiv wirtschaftenden Landwirten gleichermaßen genutzt. Sie gelten als natürliche Pflanzenschutzmethode, können aber ebenso zu Resistenzen führen.

Hält doppelt wirklich besser?

Zurück aber zu den Baumwollpflanzen, die den Wirkstoff in ihren eigenen Zellen produzieren: Schnell setzten sich Bt-Baumwollpflanzen durch, die mehrere Bt-Toxine kombinierten. Auf nahezu allen Baumwollplantagen, u.a. in Australien (94%) und Indien (91%), wachsen heute Baumwollpflanzen, die sowohl Cry1 als auch Cry2 Bt-Eiweiße bilden. 

Von Anfang an war unter Experten klar, dass es nur eine Frage der Zeit sein dürfte, bis auch die ersten Fälle von Cry2-Resistenzen auftauchen werden. Dass dies bereits im Jahr 2002 der Fall war, dürfte dennoch viele überrascht haben und ließ Unternehmen entlang der gesamten Textilwertschöpfungskette aufhorchen. Doch brauchte es nun über ein Jahrzehnt, um Klarheit über die Hintergründe auf der genetischen Ebene zu erhalten.

Ursachenforschung auf genetischer Ebene

Wie die Forscher herausfanden waren an der Entstehung der Cry2-Resistenz insgesamt 30 Kandidatengene involviert. Von entscheidender Bedeutung waren letztlich aber Mutationen in einer bestimmten Gensequenz (HaABCA2), auf der die Informationen zur Bildung spezieller Transporterproteine gespeichert waren. Dort führten die Mutationen zu einer Verkürzung eines Transporterproteins und somit zu einer Funktionsbeeinträchtigung (Loss-of-function Mutation).

Die Forscher fanden die Mutationen, wenn auch mit kleinen Unterschieden, bei all jenen Insektenlinien an besagtem Gen vor, die nachweislich resistent gegenüber Cry2 Toxinen waren. Von der Baumwollkapseleule (Helicoverpa armigera) über die australische Baumwolleule (H. punctigera) bis hin zum Baumwollkapselbohrer (H. zea). Und zwar unabhängig davon, ob sie aus Australien, China, Indien oder Amerika stammten.

Sie alle sind Mitglieder einer international gefürchteten Nachtfalterfamilie, die nicht nur auf Baumwollplantagen, sondern auch bei einer Reihe von anderen Nutz- und Zierpflanzen jährlich Schäden in Millionenhöhe verursacht, weil ihr gefräßiger Nachwuchs weder von Früchten noch Blättern lassen kann.

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Ausgewachsene Australische Baumwolleule (Helicoverpa punctigera).

Ausgewachsene Australische Baumwolleule (Helicoverpa punctigera).

Bildquelle: © CSIRO / CC BY-SA 3.0

Bestehen Zusammenhänge zwischen Resistenzen?

Doch wie hingen Mutation und Resistenz zusammen? Bestand womöglich ein Zusammenhang zwischen der bereits länger bekannten Resistenz gegenüber des Bt-Toxins der Kategorie Cry1? Schließlich handelte es sich um das Gift ein und desselben Bakteriums. Hinzu kam, dass unter den 30 Kandidatengenen alte Bekannte auftauchten, die bereits in die Cry1-Resistenz involviert waren.

Anders als zunächst vermutet, geben die Forscher Entwarnung. Sie konnten keinen Zusammenhang feststellen. Beide Resistenzen entstanden in den untersuchten Populationen scheinbar völlig unabhängig voneinander. Weder führte die Cry1-Resistenz zu einer Resistenz gegenüber den Cry2 Bt-Toxinen noch andersherum.

Warum setzt sich die Resistenz letztlich nicht durch?

So beobachteten die Forscher, dass im Jahr 2002 erste resistente Populationen von Baumwollkapseleulen auf der australischen Plantage auftauchten. Zwar stieg ihre Größe binnen weniger Generationen sprunghaft an, jedoch flachte die Wachstumskurve nach wenigen Jahren wieder ab, zeigte von da an Zuwachsraten von nur noch wenigen Prozentpunkten. Warum setzte sich die auf den ersten Blick so vorteilhafte Resistenz nicht durch?

Resistent auf Kosten der Fitness

Die Forscher vermuten zum einen, dass die Resistenz gegenüber Cry2 Bt-Toxinen nicht vor den tödlichen Folgen der ebenfalls von den Pflanzen gebildeten Cry1 Bt-Toxinen schützte. Darüber hinaus, dass die genetische Mutationen die Widerstandskraft gegen das Bt-Eiweiß der Klasse Cry2 zwar stärkte, in anderen Punkten jedoch schwächte.

Somit scheint das betroffene Transporterprotein, tatsächlich die Achillesferse zu sein, wenn es um Bt-Toxine geht, jedoch schützt selbiges anscheinend vor einer Reihe anderer giftiger Pflanzenabwehrstoffe. Doch welche Rolle spielte nun die genetische Mutation?

Wirkungsweise von Bt-Toxinen

Ihre tödliche Wirkung entfalten die Bt-Toxine im Verdauungstrakt ihrer Zielorganismen, in den diese als noch ungiftige Vorstufe (Pro-Toxin) gelangen. Durch die Aktivitäten von Verdauungsenzymen (Proteasen) werden aus den Pro-Toxinen die toxisch wirkenden Verbindungen. Nach der strukturellen Veränderung im Verdauungstrakt der Schädlinge docken diese an speziellen Rezeptoren der Darmwand an, infolgedessen sich an diesen Stellen Poren bilden, wodurch die Darmwand letztlich zerstört wird. Das Todesurteil für die Insekten.

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Neben den gefräßigen Raupen werden Baumwollpflanzen immer wieder auch von anderen Schadinsekten heimgesucht. 

Neben den gefräßigen Raupen werden Baumwollpflanzen immer wieder auch von anderen Schadinsekten heimgesucht. 

Bildquelle: © CSIRO / CC BY-SA 3.0

Was genau bewirkt die Mutation?

Dass Geheimnis hinter der Resistenz gegenüber den Cry-2 Toxinen, so vermuten die Forscher, liegt darin, dass der letzte Schritt, also das Andocken an die Darmwandrezeptoren, aufgrund der funktionsunfähigen Transporterproteine nicht mehr gelingt. Was genau en detail passiert und wie alle beteiligten Mechanismen auf molekularer Ebene ineinandergreifen, müsse jedoch noch abchließend geklärt werden.

Lücken im Resistenzmanagement

Doch wie kommt es dazu, dass Resistenzen entstehen können? Ein anschauliches Beispiel zeigt, dass Lücken im Resistenzmanagement verantwortlich sind. Solche entstehen, wenn z. B. Beispiel Bt-Toxine nicht in ausreichend hohen (tödlichen) Dosierungen über einen kontinuierlichen Zeitraum von den Bt-Pflanzen produziert werden. Schwankungen treten dabei nicht nur über die gesamte Vegetationsperiode, sondern bereits zwischen verschiedenen Pflanzenteilen auf. In der Folge erhalten Schädlinge die Möglichkeit, sich über niedrige, nicht-tödliche Dosierungen an Bt-Toxine zu gewöhnen, während gleichzeitig besonders empfindliche Artgenossen getötet werden.

Bei guten Standortbedingungen können binnen einer Vegetationsperiode mehrere Generationen durchlaufen werden, sodass sich bis zum Ende der Saison eine - wenn auch nicht völlig resistente - doch zumindest widerstandsfähigere Population entstanden ist.

Faszination Evolution

Die Arbeit der Forscher leistet einen wichtigen Beitrag, für ein besseres Verständnis der Resistenzbildung gegenüber Cry2 Bt-Toxinen und zeigen, welche Lücke im Resistenzmanagement es zu schließen gilt. Sie zeigt aber auch, dass die Evolution nicht einfach stoppt. Durch die Landwirtschaft und insbesondere die intensive Form wurden und werden diese Prozesse jedoch immens beschleunigt. Bereits wenige Generationen und Jahre können bereits ausreichen, um sich über die vom Menschen errichteten Schutzbarrieren hinzwegzusetzen. Nur durch die Kombination verschiedener Schutzmaßnahmen und die Vermeidung von Monokulturen kann dem Lauf der Dinge bzw. der Evolution ein Stück weit Einhalt geboten werden.

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