02.08.2005

Forschung Projekte

Abbau von Bt-Mais in Böden und Auswirkungen auf die Mikroorganismen

(2001 – 2004) Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft (FAL) (seit 2008 Johann Heinrich von Thünen-Institut (vTI)), Institut für Agrarökologie; Braunschweig

Thema

Proteine und DNA werden in Böden normalerweise sehr effizient von Mikroorganismen zersetzt. Auf Anbauflächen mit Bt-Mais wird deshalb auch das Bt-Toxin und das dafür verantwortliche Gen (cry1ab) vermutlich durch diese Organismengruppe abgebaut. Andererseits könnte jedoch das Bt-Toxin selber negativ auf solche Organismen wirken, oder die rekombinanten Gene könnten von den Bt-Pflanzen auf z.B. Bakterien übertragen werden.

Im Rahmen dieses Projektes wurden Forschungsarbeiten mit Bezug zu diesen bodenökologischen Fragen durchgeführt, und dabei galt es, folgende Fragen zu klären:

• Beim Freilandanbau von Bt-Mais gelangt das Bt-Toxin möglicherweise über die Wurzeln in den wurzelnahen Boden (Rhizosphäre) bzw. bei der Verrottung des Pflanzenmaterials in den Boden, der an diesen Pflanzenresten hängt (Residuesphäre). Finden sich in der Rhizosphäre von Bt-Mais (Mon810) andere Mikroorganismen als bei nicht gentechnisch veränderten Sorten?
• Lassen sich solche Bt-Toxin-Freisetzungen in Böden nachweisen, und wenn ja, wie viel Bt-Toxin kann dabei in den Boden gelangen und wie lange bleibt es dort?
• Bleibt das Bt-Gen (cry 1Ab) in den Böden von Anbauflächen über die Vegetationsperiode hinaus und führt so zu einer nicht-natürlichen Anreicherung dieses genetischen Materials?

Zusammenfassung

Die Expression des Bt-Toxins in Pflanzenwurzeln führt vermutlich zu geringfügigen strukturellen Veränderungen innerhalb der Gemeinschaft der Rhizophärebakterien. Diese Veränderungen sind kleiner als Veränderungen durch unterschiedliche Böden, Alter der Pflanzen oder variable Feldbedingungen.

Beim Anbau von Bt-Mais gelangt das Bt-Toxin in Böden; die größte Quelle sind die Wurzelreste der abgeernteten Maispflanzen. Geringfügige Mengen des Bt-Toxins überdauern eine Vegetationsperiode und könnten zur Anreicherung des Bt-Toxins in Böden bei Monokulturen führen.

Die freigesetzten Bt-Toxin-Mengen sind unterhalb der Wirkungsschwelle für die Zielorganismen – eine Wirkung auf Nicht-Zielorganismen ist daher unwahrscheinlich.

Transgene aus Mon810 lassen sich nach der Ernte in verrottenden Pflanzen nachweisen – eine Beteiligung an horizontalem Gentransfer ist jedoch sehr unwahrscheinlich.

Versuchsbeschreibung

Probenahmen

An zwei Standorten mit Bt-Mais und einer isogenen Linie wurden während der Vegetationsperiode, unmittelbar nach der Ernte und am Ende der Winterperiode verschiedene Proben genommen: aus der Rhizosphäre von Mais, von Wurzelresten und von verrottendem Pflanzenmaterial, freier Boden und Rhizosphärenboden. Die Untersuchungen erstreckten sich über drei Vegetationsperioden. Die Proben stammen von Feldern in Maismonokultur, da dort eine mögliche Anhäufung des Toxins einfacher nachweisbar ist.

Untersuchungen der Proben

• Mikroorganismen-Gemeinschaften. Aus den Bodenproben wurde die dort vorhandene DNA extrahiert und die Vielfalt und eine mögliche Änderung in der Zusammensetzung der Bodenmikroorganismen-Gemeinschaft untersucht. Dabei wurde ein besonders empfindliches Verfahren eingesetzt (PCR-SSCP), das ähnlich funktioniert wie die genetischen Fingerabdrücke in der Kriminalistik.
• Toxin-Gehalt. Die gesiebten Bodenproben wurden auf den jeweiligen Gehalt an Bt-Toxin analysiert (ELISA).
• Nachweis von Bt-Genen. Aus den Bodenproben wurde die dort vorhandene DNA extrahiert und untersucht, ob sich darin mittels PCR Bt-Gene je nach ihrer Herkunft nachweisen lassen: aus natürlichen Bt-Produzenten (Bacillus thuringiensis) in Ackerböden oder aus dem Bt-Mais.

Ergebnisse

Mikroorganismen-Gemeinschaften. Mit Hilfe molekularbiologischer Methoden (PCR-SSCP von 16S rRNA Genen) ließ sich die Vielfalt von Bakterien im Wurzelbereich (Rhizosphäre) wie in genetischen Fingerabdrücken darstellen.

• Die genetischen Fingerabdrücke der Rhizosphärebakterien zeigten mit abnehmender Intensität:
• eine Veränderung in Abhängigkeit vom Pflanzenalter
• Unterschiede zwischen den gleichen Sorten an zwei Standorten
• Unterschiede im gleichen Feld, als Ergebnis verschiedener Wachstumsbedingungen (Feldheterogenität) und
• eine für Mon810 typische Veränderung

Toxin-Gehalt. Ein für den Bt-Nachweis in Böden entwickeltes Verfahren (ELISA) erlaubte es, noch geringfügige Spuren des Bt oder seiner Zwischen-Abbauprodukte (70 pg g-1) im Boden zu detektieren. Im Jahr 2002 wurden erstmals Bodenproben aus mehreren Parzellen mit dieser Methode untersucht. Die Probenahmen erfolgten vier Mal pro Vegetationsperiode, jeweils an genau definierten Mais-Entwicklungsstadien. Erwartungsgemäß lagen die Messwerte im Wurzelanhangsboden meistens deutlich höher als diejenigen im freien Boden. Auch fanden sich Unterschiede in Abhängigkeit vom Pflanzenalter.

Im zweiten Anbaujahr lagen an beiden Standorten alle gemessenen Bt-Werte deutlich über denen von 2002. Dabei betrug die Zunahme der Toxingehalte je nach Standort das fünf- bzw. siebenfache des Vorjahres. Selbst in Bodenproben, die im April 2003, d.h. vor der nächsten Aussaat entnommen wurden, konnte noch etwas nachgewiesen werden. Auch wenn die ermittelten Werte im Boden von einem Jahr zum nächsten anstiegen, sind sie immer noch sehr gering und belaufen sich zum Vergleich lediglich auf Eintausendstel der Bt-Konzentrationen, die typischerweise in Wurzeln von Bt-Mais gemessen werden.

Untersucht wurden auch verrottende Pflanzenreste (Blätter und Wurzeln), die nach der Ernte ca. sieben Monate auf der Anbaufläche verblieben waren. Die Werte in diesen Pflanzenresten betrugen ca. zehn Prozent derjenigen, die in Wurzeln von intakten Bt-Pflanzen gefunden wurden. Es zeigte sich auch, dass das Bt-Toxin in Wurzelresten offensichtlich langsamer abgebaut wird als in verrottenden Blättern. Bei einer weiteren Probenahme im Sommer nahmen die Messwerte in Proben von Pflanzenresten deutlich ab.

Nachweis von Bt-Genen. Ein PCR-Verfahren zum Nachweis von transgenen cry1Ab-Genen wurde etabliert. In Pflanzenresten aus der vorhergehenden Vegetationsperiode fanden sich noch Transgene.