Neue Wege im Pflanzenschutz zwingen zu neuen Diskussionen

Mit Gene-Drive gegen Schadinsekten

22.09.2017 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Forscher haben die Pigmentierung der Facettenaugen von Mittelmeerfruchtfliegen verändert. (Bildquelle: Bildquelle: © Scott Bauer-USDA/Wikimedia.org/Gemeinfrei)
Forscher haben die Pigmentierung der Facettenaugen von Mittelmeerfruchtfliegen verändert. (Bildquelle: Bildquelle: © Scott Bauer-USDA/Wikimedia.org/Gemeinfrei)

Spätestens seit der Zika-Epidemie sind genbasierte Maßnahmen zur Bekämpfung von Insekten auch einer breiteren Öffentlichkeit bekannt. Auch in der Landwirtschaft hat man das Potenzial längst erkannt. An der Erschließung neuer Anwendungsbereiche und Weiterentwicklung von Methoden wird daher fleißig gearbeitet, wie das jüngste Beispiel zeigt.

Die Mittelmeerfruchtfliege (Ceratitis capitata) ist ein invasiver Schädling, der weltweit über 260 Nutzpflanzenarten befällt, vor allem Obst- und Nussbäume sowie Gemüsepflanzen. Der Schaden entsteht durch Larven, die sich nach dem Schlüpfen ins Innere der Frucht fressen und diese ungenießbar machen. Gegen den Schädling wurden bisher physische (Einnetzen von Früchten) und chemische Methoden (Pestizide) eingesetzt. Genbasierte Ansätze kommen nun hinzu.

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Derzeit wird versucht, die Übertragung von Malaria, Dengue- oder Zikafieber per Gene Drive zu bremsen.

Derzeit wird versucht, die Übertragung von Malaria, Dengue- oder Zikafieber per Gene Drive zu bremsen.

Bildquelle: © Scott Bauer-USDA/Wikimedia.org/Gemeinfrei

Wenn der Zufall regiert

Immer häufiger werden genbasierte Methoden als Alternative zu chemischen Pflanzenschutzmitteln diskutiert. Der Ansatz ist nicht ganz neu. Durch Mutationen sollen sterile Individuen erzeugt werden, die danach im Zielgebiet freigelassen werden. Damit lässt sich die Zahl von Nachkommen in einer Population senken (Sterile-Insekten-Technik). Bereits Mitte der 1990er-Jahre wurde das Genom von Mittelmeerfruchtfliegenembryonen mithilfe von Transposonen entsprechend modifiziert. Knapp zehn Jahre später dann per RNA-Interferenz.

Das eigentliche Problem dieser Methoden war und ist aber, dass sie keine zielgerichteten und vorhersagbaren Mutationen erzeugen: Aus einer Vielzahl von Individuen, deren Genome im Grunde nach dem Zufallsprinzip verändert wurden, müssen die geeigneten Kandidaten unter hohem Aufwand wieder herausgepickt werden. Das änderte sich erst mit dem Einzug der CRISPR-Technologie, die eine hohe Präzision beim Ausschalten bestimmter Gene ermöglicht. Jetzt wurde diese Methode nochmals verbessert: durch den Verzicht auf Fremd-DNA. 

Vorteile durch Outsourcing

Der Clou der weiterentwickelten Methode ist, dass keine DNA in die Zelle eingeführt wird, sondern die einzelnen Reagenzien des Systems als CRISPR/CAS-RNP-Komplex eingeschleust werden. Dadurch werden einerseits Kosten gespart, u. a. weil Cas9-Proteine günstiger sind als Cas9-mRNA. Der Ansatz senkt aber auch die Zahl der Off-Target-Effekte und steigert die Erfolgsrate bei der Einführung der gewünschten Mutation. Mit dieser Methode können nun in den Insekten präziser einzelne Gene stillgelegt werden, um zu testen, ob dadurch z. B. die Tiere steril werden. Wenn es nun gelingt, solche „Sterilitäts-Mutationen“ in den Wildpopulationen der Mittelmeerfruchtfliege zu verbreiten, könnte die Zahl der Schadinsekten drastisch zurückgehen.

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Handelsübliche Falle für Mittelmeerfruchtfliegen. Diese enthalten meist eine Kombination aus chemischen Lockstoffen. 

Handelsübliche Falle für Mittelmeerfruchtfliegen. Diese enthalten meist eine Kombination aus chemischen Lockstoffen. 

Bildquelle: © Scott Bauer-USDA/Wikimedia.org/Gemeinfrei

Mit Gene-Drive möglicherweise zum Erfolg

Mit sogenannten Gene-Drive-Methoden könnte dies tatsächlich gelingen. Gene Drive – oft übersetzt mit Gen-Antrieb oder Gen-Turbo – ist ein Sammelbegriff für Methoden, die das Genom innerhalb einer Population dauerhaft verändern können. Von Generation zu Generation werden mit diesem System die gewünschten Mutationen überproportional häufig auf die Nachkommen  vererbt. Am Ende würde fast die gesamte Population der Schadinsekten z. B. das mutierte Gen enthalten, das zu einer Sterilität führt.

Wo liegen Hürden?                                  

Pläne wie diese werden gerade weltweit geschmiedet. Ob diese so reibungslos aufgehen werden, ist aber noch unklar. Ein Problem sind Resistenzen, genau genommen Resistenzallele, über die man heute noch zu wenig weiß, um sie aus dem Weg räumen zu können. Solche Allele sind vor dem Zugriff durch Gene-Drive-Systeme gefeit. Sie entstehen u. a. dann, wenn das Gene-Drive-System nach einer natürlichen Mutation nicht mehr in der Lage ist, das zu verändernde Gen in späteren Generationen zu erkennen. Denn wie fast alle Elemente im Genom sind auch Gene-Drive-Systeme jenen Kräften unterworfen, die genetische Vielfalt hervorbringen. Generell ist genetische Vielfalt eine Hürde für den Einsatz von Gene Drive in natürlichen Populationen.

Zeit für eine öffentliche Debatte

Während die Entwicklung von effektiveren und effizienteren Gene-Drive-Methoden voranschreitet, hinkt die öffentliche Debatte über den Einsatz dieser Technologie hinterher. Anders als in der Wissenschaft. Dort geht es derzeit um drei konkrete Kernfragen:

Erstens, ob Gene-Drive-Systeme Artgrenzen überwinden können („Escape“). Zweitens, ob bei der gezielten Verbreitung von genetischen Elementen nicht zufällig auch andere Stücke mit transplantiert werden können („Ride along“). Drittens, welche ökologischen Folgen mit dem Einsatz von Gene Drive einhergehen („Ecological impact“).

Wann ist also der Einsatz von genbasierten Maßnahmen angebracht und verantwortbar? Eine Nutzen-Risiko-Bewertung und eine gesellschaftliche Debatte über die richtigen Kriterien bei solchen Abwägungen stehen hier noch aus. 

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