Düfte statt Pestizide

Die Forschenden vom Deutschen Zentrum für integrative Biodiversitätsforschung Halle–Jena–Leipzig (iDiv) und weiterer vor Ort ansässiger wissenschaftlicher Einrichtungen führten molekulare Analysen Hunderter Duftproben durch. Des Weiteren beklebten sie Blätter mit Raupenattrappen aus Plastik und dokumentierten regelmäßig die Biss- und Pickspuren von Vögeln und anderen Räubern. Sie erfassten und analysierten außerdem Vorkommen und Verteilung auftretender echter Raupen als Schädlinge der Eichen. Abgerundet wurden die umfangreichen Versuche unter anderem durch Verhaltensexperimente mit Schwammspinnerraupen, um herauszufinden, welche Äste und Blätter sie besonders gern mögen. In den vergangenen drei Jahren wurden hierzu sukzessive zahlreiche Ergebnisse veröffentlicht.

Im Fraßtest zeigte sich, dass die Schwammspinnerraupen bestimmte Blätter mieden. Molekulare Analysen bestätigten den Verdacht der Forschenden: Es ließ sich in diesen Fällen stets ein Übermaß an Abwehrstoffen nachweisen, meist an Tanninen. „Diese chemischen Hilferufe sind derart massiv und wirksam, dass sie zugleich maßgeblich die Zusammensetzung der Insektengemeinschaft im Ökosystem Baumkrone beziehungsweise Blätterdach steuern“, sagt Martin Volf, der die Studie leitete und inzwischen am Biology Centre of the Czech Academy of Sciences arbeitet. „Die Ergebnisse verdeutlichen die Dimensionen, in denen biologische Vielfalt wirkt: So bedingen sich die Vielzahl chemischer Abwehrkräfte der Bäume und die Vielfalt davon ‚abhängiger‘ Insektenfresser wechselseitig.“ Nicole van Dam von der Universität Jena und Leiterin des Bereichs Molekulare Interaktionsökologie am iDiv ergänzt: „Die Erkenntnisse könnten bei der Suche nach alternativen Strategien zur Schädlingsbekämpfung in Land- und Forstwirtschaft helfen, und dazu beitragen, Pestizide zu sparen.“

Das Gedächtnis der Pflanzen

Die Strategien der Pflanzen zur Schädlingsabwehr werden offenbar im Genom verankert. So lieferten einige Studien im vergangenen Jahrzehnt deutliche Hinweise darauf, dass Pflanzen über eine Art Gedächtnis verfügen: Sie speichern etwa Informationen über kurzfristig gegenüber Fressfeinden erworbene Abwehrstrategien oder andere biotische Stresssituationen. Treffen die Pflanzen erneut auf diese Art der Bedrohung, reagieren sie schneller und heftiger als bei der ersten Begegnung. Forschende stellten jetzt fest, dass diese Erinnerungen offenbar sogar an die Nachkommen der Pflanzen weitergegeben werden.

In groß angelegten Versuchsreihen an Tomaten- und Arabidopsispflanzen bestätigten mehrere Teams von US-amerikanischen Forschenden diese Beobachtungen. Der erste Kontakt erhöhe die Widerstandsfähigkeit der Pflanzen, die sich dann in den nächsten Generationen deutlich beobachten lasse, schreibt Projektleiter Georg Jander vom Boyce Thompson Institute for Plant Research in Ithaca. Jander und seine Kollegen setzten auf jungen Tomatenpflanzen einen Maisohrwurm aus und auf Arabidopsispflanzen Larven des Kohlweißlings. Dann züchteten sie eine zweite Generation der Pflanzen in einer schädlingsfreien Umgebung und konfrontierten die Gewächse erst nach mehreren Wochen mit den Insekten.

In der Tat zeigte sich: Die Nachkommen von Elternpflanzen mit früherem Kontakt zu Schädlingen sind widerstandsfähiger gegen die Angreifer als jene Artgenossen, deren Eltern in einer schädlingsfreien Umgebung aufwuchsen. Die Blätter der abwehrstärkeren Nachkömmlinge waren weniger zerfressen, und die Raupen nahmen nur 30 bis 50 Prozent der Größe derer an, die ihre Eltern befallen hatten. Bei Arabidopsispflanzen schlug diese Form der Weitergabe sogar bis in die dritte Generation durch: Denn selbst wenn die Elternpflanzen keinerlei Schädlingen ausgesetzt waren, waren die Enkel der einst von Insekten geplagten Pflanzen widerstandsfähiger als ihre nicht derart geprägten Artgenossen. Die Forschenden konnten außerdem zeigen, dass die Intensität der Stimulation offenbar festlegt, wie ausgeprägt die Abwehrreaktion bei den Nachkommen ist oder wie lang diese anhält.

Evolution und Ko-Evolution

Auch die unaufhörlich fortlaufenden Prozesse von Evolution und Ko-Evolution spielen mit hinein. So sind einige Raupenarten ihren Wirten bereits wieder einen Schritt voraus: Sie kehren die Wirkung des gegen sie gerichteten Duftstoffes um. Ein Beispiel ist das der gefürchteten Maisschädlinge. Sie sind für verheerende Ernteausfälle verantwortlich und gelten, zumal sie sich kaum bekämpfen lassen, weltweit als die größten Feinde der Landwirte. Zu den hartnäckigsten Fressfeinden gehört der Westliche Maiswurzelbohrer Diabrotica virgifera virgifera, der die Wurzel attackiert. Der ursprünglich aus Mittelamerika stammende Schädling lässt sich weder von biologisch-chemischen Waffen beeindrucken noch von eigens gezüchteten, insektenpathogenen Fadenwürmern, sogenannten Nematoden.

Forschende vom Max-Planck-Institut für chemische Ökologie in Jena und von der Universität Bern fanden den Grund für das umfassende Scheitern der Bekämpfung in der Larve des Käfers. Sie kann giftige Abwehrstoffe, die die Maispflanze über ihre Wurzeln abgibt, chemisch umwandeln und in ungiftiger Form speichern. Bei Bedarf aktiviert sie diese wieder als Giftstoff und nutzt die mehrfach modifizierte Substanz zur eigenen Verteidigung. „Wir konnten zeigen, wie ein spezialisierter Schädling, der verheerenden Schaden anrichtet, die Hauptabwehrstoffe seiner Wirtspflanze missbraucht, um sich selbst vor seinen natürlichen Feinden im Boden zu schützen“, sagt Christelle Robert von der Universität Bern. Die Leiterin der Studie entschlüsselte jüngst mit ihrem Team eine ebenso ausgeklügelte wie überraschende Verteidigungsstrategie, die den Schädling nahezu unangreifbar macht.

Demnach fügt die Larve des Maiswurzelbohrers ein Zuckermolekül an ein Abbauprodukt des Abwehrstoffs Benzoxazinoids an und verhindert so, dass sich die giftigen Eigenschaften ausbilden. Diese Form des Stoffs können die Larven zwischenzeitlich speichern und zu einem späteren Zeitpunkt in eine giftige Substanz umwandeln, den sie in den Boden abgeben, um sich vor angreifenden Nematoden zu schützen. „Jetzt wissen wir, warum all die Versuche, den Schädling mit Nematoden zu bekämpfen, erfolglos bleiben: Der Maiswurzelbohrer schützt sich selbst mit den ursprünglich gegen ihn gerichteten Abwehrstoffen der Pflanze“, sagt Robert.

Neuer Mechanismus entdeckt

Bei all den sensationellen Leistungen überrascht es kaum noch, dass im Kontext dieser Forschung erstmals auch ein sogenannter horizontaler Gentransfer zwischen Pflanzen und Insekten nachgewiesen wurde. So gelang es einem der global gefürchtetsten Nutzpflanzenschädlinge, der etwa einen Millimeter kleinen Weißen Fliege (Bemisia tabaci), die pflanzliche Abwehr gleich im ganz großen Maßstab zu umgehen. Mehr als 600 Pflanzenarten stehen auf dem Ernährungsplan des Schädlings. Die Insekten – mit Blattläusen näher verwandt als mit Fliegen – saugen Pflanzensaft und übertragen dabei gefürchtete Viruskrankheiten. Die Pflanzen sind nahezu machtlos. Ihre sonst hilfreichen Waffen, Substanzen aus der Familie der Phenolglykoside, wirken gegen die Weiße Fliege nicht. Erschwerend kommt hinzu, dass man die Schädlinge mit vorhandenen Insektiziden kaum noch bekämpfen kann. Verheerende Ernteausfälle sind die Folge.

Ein internationaler Verbund von Forschenden aus Belgien, China, der Schweiz und den USA konnte nun aufklären, warum die Phenolglykoside bei der Weißen Fliege nicht mehr wirken: Dem Insekt ist es gelungen, die tödlichen Moleküle mithilfe eines Proteins zu neutralisieren. Das dafür kodierende Gen gehört ursprünglich nicht zum Genmaterial des Tieres, sondern stammt aus dem Genom eines fremden, höheren Lebewesens und wurde von dort in das Erbgut der Fliege integriert. Zwar ist bekannt, dass diese Art der Genübertragung von Mikroorganismen wie Pilzen und Bakterien auf Insekten und Pflanzen stattfinden kann. Gentransfers von Pflanzen auf Insekten wiederum waren für die Forschenden neu. Möglicherweise diente ein Virus als Genshuttle. Ungeklärt ist bislang noch, aus welcher Pflanze das Gen stammt und der genaue biomolekulare Weg der Übertragung.

Forschung am Genom

Experten, ob Forschende oder Praktiker, sehen in dieser Entdeckung das Potenzial für eine andere Strategie im Pflanzenschutz. Viele meinen: Hier halte man ein neues Fundament für die Züchtung resistenter Kulturpflanzen in Händen. Denn sobald man wisse, welche insektenschützenden Gene die einzelnen Schädlinge durch den Gentransfer erhalten hätten, desto schneller ließen sich die Kulturpflanzen durch RNA-Interferenz wieder resistent gegen ihre Angreifer machen. RNA-Interferenz bezeichnet eine Unterbrechung bei der Übersetzung der mRNA in ein Protein. Es handelt sich um eine nachgelagerte Form der Genregulation: Ein bereits transkribiertes Gen wird nicht oder nur in geringem Umfang in ein Protein umgesetzt (das sogenannte Gen-Silencing, bdw berichtete in Heft 4/2021, „Im Insekten-Labor“).

Dieses Vorgehen erhöht die nachhaltige Wirkung des Pflanzenschutzes. Schließlich lassen sich auf diese Weise Schädlinge bekämpfen, ohne nützliche Insekten wie Bestäuber zu belasten. Derzeit versuchen Teams weltweit, bei den Schadinsekten jene Gene zu identifizieren, die zum einen lebenswichtig und zum anderen spezifisch für die jeweilige Art sind. Findet man solche, dann eröffnet die Methode des Gen-Silencing weitere Möglichkeiten.

Denkbar ist, das Erbgut der Kulturpflanzen so zu manipulieren, dass sie die doppelsträngige RNA gegen ein essenzielles Gen ihres Fressfeindes produziert. Das heißt zum Beispiel: Die sich von Pflanzensäften ernährende Blattlaus zapft die Leitungsbahnen ihrer Wirtspflanzen an. Dabei kommt normalerweise ein bestimmtes Eiweiß mit dem Speichel der Laus in Kontakt und härtet ihn aus. Es entsteht eine Verbindung, die als Trinkhalm dient. Schalten genmanipulierte Pflanzen exakt dieses Eiweiß aus, dann kann die Laus den Trinkhalm nicht mehr synthetisieren und stirbt. Ähnliches gelingt bei Kartoffeln und Kartoffelkäfern als Schädlingen.

Der zweite Weg ist der gebräuchlichere: Biomoleküle oder Zellen als Wirkstoffe nehmen derzeit in der Pflanzenschutz-Forschung an Bedeutung zu. Am Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME im nordrhein-westfälischen Schmallenberg beispielsweise entwickeln diverse Teams Präparate gegen Kartoffel- und Rapsglanzkäfer. Die Anwendung dieser sogenannten Biologika erfolgt, indem das synthetische RNA-Molekül auf die Pflanzen gesprüht wird. Wenn der Schädling danach an der Pflanze nagt, nimmt er gleichzeitig das synthetische Molekül mit auf. Die eigene Immunabwehr des Schädlings attackiert daraufhin die fremde RNA. Da die synthetische RNA-Sequenz aber identisch mit der eines essenziellen Proteins des Schädlings ist, wird diese Proteinsequenz ebenfalls zerstört. Die Folge: Das überlebenswichtige Protein wird nicht mehr gebildet, und der Schädling stirbt. Der Vorteil: Die RNA-Moleküle werden nach wenigen Tagen abgebaut. Da sie nur einzelne Gene blockieren, jedoch kein fremdes Genmaterial auf Dauer verbleibt, entstehen durch ihren Einsatz keine gentechnisch veränderten Organismen. Noch müssen die Herstellungsverfahren für maßgeschneiderte RNA-Moleküle effizienter werden. Ungeklärt ist zudem, wie man die RNA-Moleküle am besten zum Wirkort bringt.

Einem Trugschluss sollte man jedoch nicht erliegen: Es ist nicht davon auszugehen, dass sich die mithilfe biologischer Verfahren hergestellten Duftstoffe sofort und vor allem leichtgängig durchsetzen werden. Selbst wenn sie biologisch abbaubar sind und keine Bestäuber töten: Biolandwirte dürfen sie aufgrund gesetzlicher Vorgaben nicht einsetzen. Schließlich werden all die genannten hilfreichen Substanzen unter Einsatz gentechnischer Verfahren produziert. Ansonsten ist die Insektenabwehr mithilfe solcher Düfte aber sicher ein Weg, die konventionelle Landwirtschaft ein klein wenig zu transformieren.