Ein rundum ökologischer Pflanzenschutz

Duftstoff der Tabakpflanze hält Blattläuse fern

25.06.2018 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Tabakpflanzen produzieren Cembratrienol in ihren Blättern. Mit diesem Molekül schützen sich die Pflanzen vor Schädlingen. (Bildquelle: © pixabay, CC0)
Tabakpflanzen produzieren Cembratrienol in ihren Blättern. Mit diesem Molekül schützen sich die Pflanzen vor Schädlingen. (Bildquelle: © pixabay, CC0)

Es lässt sich aus pflanzlichen Abfällen herstellen, ist biologisch abbaubar und schädigt keine Nicht-Zielorganismen: Eine Münchner Forschungsgruppe hat ein „grünes“ Pflanzenschutzmittel entdeckt und einen nachhaltigen Produktionsprozess dafür entwickelt. Obendrein könnte das Molekül für die Medizin interessant sein.

Pflanzenschutzmittel sind eine zweischneidige Angelegenheit: Einerseits würde die landwirtschaftliche Produktion ohne sie deutlich einbrechen und an Verlässlichkeit verlieren, andererseits schädigen viele Mittel nützliche Insekten und belasten Böden und Gewässer. Dass sich dieser Konflikt auflösen lässt, hat jetzt eine Forschungsgruppe der TU München bewiesen.

Die Idee haben sich die Pflanzenforscher bei der Tabakpflanze abgeschaut. Tabak produziert in seinen Blättern den sekundären Pflanzenstoff Cembratrienol, ein Terpenoid. Dieses modifiziert die Pflanze zu unterschiedlichen Derivaten, die der Abwehr von Insekten, pathogenen Mikroben und Pflanzenfressern dienen. Blockiert man in der Pflanze die Weiterverarbeitung von Cembratrienol, erhöht sich dessen Konzentration in den Blattausscheidungen und gleichzeitig steigt auch die Abwehrkraft der Pflanze gegen Blattläuse. Somit ist Cembratrienol bereits ein wirksames Pflanzenschutzmittel. In einer 0,5-prozentigen Lösung auf die Blätter aufgebracht, verringerte es in den ersten 48 Stunden den Befall mit Blattläusen um bis zu 70 Prozent.

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Haben Blattläuse die Wahl zwischen Weizenkeimlingen mit (rechts) und ohne Cembratrienol-Behandlung (links), so meiden sie die behandelten Keimlinge.

Bildquelle: © W. Mischko / TUM

Vertreiben statt töten

Eine andere Forschungsgruppe hatte zuvor berichtet, dass konzentriertes Cembratrienol toxisch auf Insekten wirkt. Das konnten die Münchener nicht bestätigen: Die Anwendung des Terpenoids sorgte lediglich dafür, dass Blattläuse die behandelten Blätter mieden. Die Forscher vergleichen das mit der Wirkung von Mückenschutzmittel, die wir auf die Haut auftragen, um die Plagegeister fernzuhalten. Kommerziell erhältliche Pflanzenschutzmittel mit dem Wirkstoff Pyrethrin töteten hingegen sämtliche Blattläuse. „Statt Gift zu versprühen, das immer auch nützliche Arten gefährdet, vergrämen wir gezielt nur die Schädlinge“, betont Teamleiter Thomas Brück.

Auch nach seiner Anwendung ist Cembratrienol harmlos. Es ist gut biologisch abbaubar und wird von der heranwachsenden Pflanze abgebaut. Feldstudien haben zudem belegt, dass äußerlich angewendetes Cembratrienol natürlich zersetzt wird, ohne sich in der Umwelt anzureichern.

Abfallprodukt als Nährmedium

Die Herausforderung für eine praktische Anwendung des neuen Wirkstoffes lag woanders: Angesichts seiner natürlichen Konzentration von nur 0,18 Prozent in den Blättern der Tabakpflanze wäre die Gewinnung dieser Substanz aus der Pflanze schwierig und wohl unwirtschaftlich. Bakterien sollen stattdessen den Wirkstoff in großen Mengen produzieren.

Die Gruppe der TU München hat deshalb die Genomabschnitte für die Herstellung des Terpenoids mittels sogenannter BioBricks in das Bakterium E. coli integriert. Ein BioBrick ist ein standardisierter „Gen“-Baustein der synthetischen Biologie. Er besteht aus einem DNA-Plasmid und enthält die Geninformationen eines kompletten Stoffwechselwegs. Auch bei der Wahl des Nährmediums für die Bakterien dachten die Biotechnologen wieder „grün“: Sie nutzten Weizenkleie, die als Nebenprodukt in Getreidemühlen in der Größenordnung von jährlich sieben Millionen Tonnen allein in der EU anfällt.

Bioaktivitätstests mit Cembratrienol gezeigt hatten, dass das Molekül zumindest auf einige Bakterienarten antibakteriell wirkt. Daher blieb die Frage spannend, ob der Wirkstoff auch für die E. coli-Bakterien irgendwann toxisch werden würde. Bei Vortests zeigte sich, dass die Bakterien Konzentrationen des Wirkstoffes von bis zu zwei Gramm pro Liter vertragen konnten. In einem 50-Liter-Bioreaktor produzierten die gentechnisch veränderten Bakterien allerdings bisher nur maximal 80 Milligramm pro Liter. „Wir schätzen, dass 500 bis 1.000 Milligramm pro Liter für eine kommerzielle Nutzung ausreichend wären“, schreibt das Team um Brück – eine Konzentration, die die Forscher durch weitere Optimierungen der Bakterien und des Fermentationsprozesses für durchaus erzielbar halten.

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Bioreaktor des TUM-Forschungszentrums für Weiße Biotechnologiewurde, in dem das Cembratrienol, kurz CBT-ol, hergestellt wurde.

Bildquelle: © Andreas Battenberg / TUM

Premiere bei Aufreinigung

„Die größte Herausforderung bei der Produktion lag darin, die Wirkstoffe am Ende des Prozesses von der Nährlösung abzutrennen“, schildert die Biothermodynamikerin Mirjana Minceva. Mittels der zentrifugalen Trennungschromatographie (CPC) erzielten die Forscher schließlich eine Reinheit von 95 Prozent – und das bei sehr niedrigem Einsatz von organischen Lösungsmitteln. Das Verfahren ist als höchst effizient bekannt und funktioniert auch im industriellen Maßstab, wurde aber zuvor wahrscheinlich noch nie für die Auftrennung von Produkten aus Fermentationsprozessen eingesetzt.

„Mit unserem Ansatz ermöglichen wir einen fundamentalen Wechsel im Pflanzenschutz“, fasst Brück den rundum ökologischen Prozess zusammen: pflanzliche Abfälle als Rohstoff, ein für Nicht-Zielorganismen harmloses und leicht biologisch abbaubares Wirkmolekül und ein Aufreinigungsprozess, der nur wenig organische Lösungsmittel benötigt.

Zusatznutzen für Medizin?

Doch damit nicht genug. Neben dem Pflanzenschutz kommt Cembratrienol noch für weitere Anwendungen in Frage. Zum einen könnte es aufgrund der guten Verträglichkeit als Grundlage für Insektenschutzmittel für die Haut geeignet sein. Zum anderen hat es eine antibakterielle Wirkung gegen bestimmte grampositive Bakteriengruppen und könnte in Krankenhäusern in Desinfektionssprays gegen Krankheitserreger wie Staphylococcus aureus (MRSA-Erreger), Streptococcus pneumoniae (Erreger der Lungenentzündung) oder Listeria monocytogenes (Erreger der Listeriose) eingesetzt werden.

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