Auswirkungen von Bt-Mais auf Maisstroh abbauende Mikroorganismen

(2008 – 2011) Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e.V., Institut für Landschaftsstoffdynamik, Müncheberg

Thema

In diesem Projekt sollten mögliche Auswirkungen von gentechnisch verändertem Bt-Mais (MON89034xMON88017), der drei verschiedene Bt-Proteine bildet, auf die Maisstroh abbauenden Bakterien und Pilze ermittelt werden. Bisherige Untersuchungen mit einfach-resistentem Bt-Mais ergaben nur geringfügige Effekte, die sich im Rahmen natürlicher Schwankungen bewegten. Die Kombination unterschiedlicher Bt-Gene könnte jedoch durch wechselseitige Beeinflussung die Wirkung auf die Mikroorganismen und deren Aktivität verstärken.

Beim pfluglosen Anbau von Bt-Mais könnte ein möglicherweise verlangsamter Abbau des Maisstrohs zu einer Anreicherung von Getreideschimmelpilzen (Fusarien) führen, die für den Menschen giftige Substanzen (Mykotoxine) produzieren.

Folgende Fragestellungen wurden untersucht:

  • Ändert sich die Zusammensetzung der Mikroorganismen-Gemeinschaft in der Streu beim Anbau von Bt-Mais?
  • Ändert sich die Zusammensetzung der aktiv am Abbau des Maisstrohs beteiligten Mikroflora?
  • Reichern sich Fusarien, die giftige Mykotoxine bilden, im Maisstroh an und geschieht dies in Fruchtfolgen mit Bt-Mais in stärkerem Ausmaß als bei konventionellem Mais?

Zusammenfassung

In den drei Versuchsjahren wurden keine Unterschiede im mikrobiellen Maisstrohabbau zwischen Bt-Mais und isogener Sorte gefunden. Der Strohabbau des Bt-Maises war nicht verlangsamt. Es wurden aber Sortenunterschiede gefunden.

Der größte Teil der das Maisstroh besiedelnden Bakterien und Pilze war zu den Probenahme-Zeitpunkten stoffwechselaktiv. Es ließ sich kein Einfluss der unterschiedlichen Maissorten auf die Struktur der Mikroorganismen-Gemeinschaften erkennen. Es zeigte sich aber eine Abhängigkeit von der Bodenbeschaffenheit.

Über die drei Untersuchungsjahre zeigte sich eine Akkumulation der mykotoxinbildenden Fusarien im Erntematerial. Im zweiten und dritten Jahr wurden Effekte des Bt-Maises gefunden. Die signifikanten Unterschiede waren jedoch zeitlich begrenzt, so dass keine nachhaltige Wirkung auf die Dichte mykotoxinbildender Fusarien nachgewiesen werden konnte. Da das Saatgut mit verschiedenen Beizen und damit teilweise mit unterschiedlichen Fungiziden behandelt worden war, könnten die Ergebnisse dadurch möglicherweise beeinflusst worden sein.

Versuchsbeschreibung

In einem Freilandversuch wurden die gentechnisch veränderte Sorte, ihre isogene Ausgangssorte sowie zwei weitere konventionelle Maissorten zum Vergleich angebaut. Auf diese Weise können potenzielle Bt-Effekte von Sorteneffekten unterschieden werden.

Nach der Ernte auf dem Feld verbliebenes Maisstroh

Bestimmung des mikrobiellen Maisstrohabbaus

Nach der Ernte wurde von allen Versuchsvarianten Maisstroh entnommen, getrocknet und gemahlen. Um den Maisstrohabbau zu quantifizieren, wurde die Freisetzung von CO2 (Bodenatmung) in einem definierten Boden-Strohmehl-Gemisch während eines Zeitraums von hundert Stunden gemessen. Aus dem getrockneten Maisstroh wurde DNA extrahiert.

Das Stroh verblieb nach dem Drusch auf dem Versuchsfeld. Vier und acht Wochen nach der Ernte sowie im folgenden Frühjahr wurde verrottendes Pflanzenmaterial mit anhaftendem Boden von der Versuchsfläche entnommen. Aus diesen Proben wurden DNA und RNA isoliert.

Charakterisierung der Bakterien- und Pilzgemeinschaften, die am Abbau des Maisstrohs beteiligt waren

Um herauszufinden, welche Bakterien- und Pilzgruppen sich beim Abbau des Maisstrohs anreichern, wurden mit der DNA aus verrottendem Pflanzenmaterial so genannte genetische Profile (Fingerprints) erstellt. Dabei wurde ein Gene untersucht, das bei allen Bakterien bzw. Pilzen vorhanden ist, jedoch gruppenspezifische Unterschiede in der DNA-Sequenz aufweist. Für einzelne mikrobielle Gruppen wurden genauere Sequenzvergleiche durchgeführt.

Um zu ermitteln, welche Bakterien bzw. Pilze aktiv am Abbau des Maisstrohs beteiligt sind, wurden genetische Profile (s.o.) ausgehend von der ribosomalen RNA aus verrottendem Pflanzenmaterial erstellt. Im Gegensatz zur Untersuchung der DNA erfasst man durch die Untersuchung der RNA die stoffwechselaktiven Mikroorganismen, bei denen in starkem Maße die DNA abgelesen und in Proteine übersetzt wird und die somit maßgeblich den Strohabbau vermitteln.

Zur Quantifizierung des Anteils einzelner Mikroorganismengruppen am Maisstrohabbau benutzt man ein Verfahren, das die Kopienzahl der ribosomalen RNA misst. Daraus kann man auf die Anzahl der aktiven Bakterien der jeweiligen Gruppe in der untersuchten Probe schließen.

Bestimmung der Dichte mykotoxinbildender Fusarien zur Ernte und Prüfung einer Anreicherung der Fusarien

Um herauszufinden, ob sich verschiedene Mykotoxin bildende Pilze im Maisstroh anreichern, benutzt man ein Verfahren, das die Kopienzahl spezifischer Gene misst. Daraus kann man auf die Anzahl der jeweiligen Mykotoxinbildner in der untersuchten Probe schließen.

Statistische Analysen

Mit verschiedenen statistischen Methoden wurden die Daten zu den mikrobiellen Gemeinschaften und zu ihrem stoffwechselaktiven Teil zueinander und zu den einzelnen Maisvarianten in Beziehung gesetzt.

Ergebnisse

Bestimmung des mikrobiellen Maisstrohabbaus

Die Ergebnisse der Versuchsjahre 2008 und 2009 zeigten übereinstimmend einen signifikanten Einfluss der angebauten Maissorte auf den Strohabbau. 2008 war die CO2-Freisetzung (Bodenatmung) des transgenen Bt-Maises sowie der isogenen Ausgangssorte deutlich höher als die der beiden anderen konventionellen Sorten. 2009 war dieser Effekt schwächer ausgeprägt, es zeigte sich aber wiederum eine signifikante Differenz zwischen zwei konventionellen Sorten. 2010 wurden keine signifikanten Unterschiede zwischen den verwendeten Sorten gefunden. Zwischen Bt-Mais und isogener Sorte wurden in allen drei Versuchsjahren keine Unterschiede gefunden.

Maisstrohabbau 2008

Bodenatmung 2008: Kohlendioxid-Menge, die in hundert Stunden beim Strohabbau von den Mikroorganismen freigesetzt wurde.

Analyse der bakteriellen und pilzlichen Gemeinschaften über T-RFLP der rDNA

Fingerprint-Muster sowohl der gesamten als auch der stoffwechselaktiven Bakteriengemeinschaft. Die Probe stammt aus einer Parzelle mit transgenem Mais vier Wochen nach der Ernte 2008.

T-RFLP Sortenvergleich

Fingerprint-Muster der stoffwechselaktiven bakteriellen Gemeinschaften in den verschiedenen Maisvarianten (Probenahme 16.12.2008)

mykotoxinbildende Fusarein

Dichte mykotoxinbildender Fusarien im Maisstroh der verschiedenen Maisvarianten bei wiederholtem Anbau

Charakterisierung der Bakterien- und Pilzgemeinschaften, die am Abbau des Maisstrohs beteiligt waren

Die Fingerprint-Muster der Gesamtbakterienflora (über DNA) stimmten an allen Probenahmeterminen mit denen der stoffwechselaktiven bakteriellen Gemeinschaften (über RNA) zum größten Teil überein. Somit waren offensichtlich die meisten der das Maisstroh besiedelnden Bakterien zu den Probenahmezeitpunkten stoffwechselaktiv.

Es ließ sich kein Einfluss der unterschiedlichen Maissorten auf die Struktur der jeweiligen Mikroorganismen-Gemeinschaften erkennen. Es zeigte sich aber eine Abhängigkeit von der Bodenbeschaffenheit. Ein deutlicher Zusammenhang konnte zwischen der Struktur der bakteriellen Gemeinschaften und der Schluff- und Sandfraktion im Oberboden festgestellt werden, ein schwächerer Zusammenhang wurde auch mit dem pH-Gehalt des Bodens beobachtet.

Auch bei den pilzlichen Gemeinschaften stimmten die Fingerprint-Muster der gesamten und aktiven Gemeinschaft überein. Somit war die am bzw. im Stroh vorhandene pilzliche Mikroflora zur Zeit der Probenahme offensichtlich stoffwechselaktiv. Die Struktur der pilzlichen Gemeinschaften ließ im gesamten Untersuchungszeitraum keine Abhängigkeit von den Maissorten erkennen. Ähnlich wie bei den Bakterien konnten vereinzelt Effekte des Bodens auf die Struktur der pilzlichen Gemeinschaften festgestellt werden. Die Abhängigkeit von der Bodenbeschaffenheit war aber geringer als bei den Bakterien.

Bestimmung der Dichte mykotoxinbildender Fusarien zur Ernte und Prüfung einer Anreicherung der Fusarien

Es wurden Fusarien quantifiziert, die Mykotoxine der Gruppe der Trichothecene und der Fumonisine bilden. Über den dreijährigen Untersuchungszeitraum betrachtet zeigte sich eine Anreicherung der mykotoxinbildenden Fusarien im Erntematerial. Im zweiten und dritten Jahr wurden Effekte des Bt-Maises gefunden. Die signifikanten Unterschiede waren jedoch zeitlich begrenzt, so dass keine nachhaltige Wirkung auf die Dichte mykotoxinbildender Fusarien nachgewiesen werden konnte. Da das Saatgut mit verschiedenen Beizen und damit teilweise mit unterschiedlichen Fungiziden behandelt worden war, könnten die Ergebnisse dadurch möglicherweise beeinflusst worden sein.