Resistenz gegen Herbizide Biotechnologie

Resistenz gegen Herbizide

Herbizide sind chemische Verbindungen, die auf landwirtschaftlichen Böden aufgebracht werden, um das Wachstum von nicht erwünschten Wild- und Schadpflanzen zu beeinträchtigen oder ganz zu unterdrücken. Durch die Vernichtung solcher "Unkräuter", welche die Flächenerträge in erheblichem Maße vermindern, werden Konkurrenten um Nährstoffe, Licht, Wasser und Lebensraum ausgeschaltet, die Nutzpflanzen können besser heranwachsen. Herbizide, die auf fast alle Pflanzen wirken, werden unter dem Namen "Totalherbizide" bzw. "Breitbandherbizide" (gegen ganze Pflanzengruppen wirksam) zusammengefasst. Da ihr Anwendungsspektrum naturgemäß begrenzt ist, werden selektiv wirkende Herbizide eingesetzt, um die Nutzpflanzen nicht zu schädigen. Oft existieren jedoch solche selektiven Herbizide nicht, und außerdem sind einige der Herbizide nur langsam im Boden abbaubar. Seit etwa 1980 hat die Chemische Industrie daher Pflanzenschutzmittel entwickelt, die besonders "umweltverträglich" sein sollen, d.h. besser abbaubar sind und eine vergleichsweise geringere Persistenz aufweisen. Diese Herbizide gehören jedoch fast ausschließlich zur Gruppe der Breitbandherbizide, d.h. sie greifen die meisten Pflanzen an und machen keinen Unterschied zwischen Nutz- und Wildpflanzen. Durch die Gentechnik ist es nun möglich, bisher gegen Herbizide nicht resistente Nutzpflanzen resistent zu machen, und damit den Einsatzbereich dieser, die Umwelt weniger belastenden Herbizide entsprechend auszudehnen.

                                                    Wirkweise von Herbiziden und Resistenzerzeugung

HerbizidBetroffener
Syntheseweg
ZielenzymMethode für
Resistenz

 ____________________________________________________________________________

Glyphosat          

Synthese aromatischer Aminosäuren

5-Enol-Pyruvyl-
shikimat-3-phosphat (EPSP)-Synthase 
1. Überexpression der EPSP-Synthase
2. Einführung des Resistenzgens aroA
Glufosinat

Synthese von Glutamin

Glutaminsynthetase1. Überexpression der Glutaminsynthetase
2. Einführung der Resistenzgene bar oder pat
Sulfonyle

Synthese verzweigter Aminosäuren 

Acetolactat-SynthaseEinführung des als-Resistenzgens

Um eine Herbizidresistenz zu erhalten, muss die Blockade der durch das Herbizid angegriffenen Enzyme in der Nutzpflanze verhindert bzw. aufgehoben werden. Durch die Übertragung von Genen, die für Proteine codieren, welche das Herbizid in der Pflanze "entgiften", ist dies möglich. Kulturpflanzen wie Mais, Raps, Rüben oder Reis sind gegenüber einzelnen Breitbandherbiziden auf diese Weise resistent gemacht worden. Die Herbizide greifen auf verschiedenste Weise in den Stoffwechsel der Pflanze ein. Die durch das Herbizid ausgelöste Funktionsstörung ist dabei so gravierend, dass die Pflanzen absterben. Die Hemmung der Photosynthese oder der Synthese von Aminosäuren seien hier als Beispiele genannt.

Prinzipiell sind dabei drei Resistenzmechanismen und damit drei Gengruppen zu unterscheiden:

  • Gene, die das Zielprotein des Herbizids überproduzieren
  • Gene, die ein verändertes Zielprotein codieren, an dem das Herbizid nicht mehr wirksam ist
  • Gene, die ein Protein codieren, welches das Herbizid inaktiviert oder abbaut.

Als Beispiel wurde die Resistenz gegen Phosphinothricin (PPT) gewählt, den Wirkstoff eines Breitbandherbizids, das unter dem Handelsnamen Basta® vom Unternehmen AgrEvo GmbH hergestellt und vertrieben wird. Wie wirkt PPT in der Pflanze? PPT ahmt in der Struktur eine Aminosäure, die Glutaminsäure, nach und hemmt so das zentrale Enzym für die Stickstofffixierung, die Glutaminsynthetase. Die Fixierung von Stickstoff in der Pflanze funktioniert mit Ammonium-Ionen (NH4+; protonierte Form des Ammoniaks) und Glutaminsäure. Wird der Bindeplatz für die Glutaminsäure im Enzym von PPT blockiert, kann das Enzym den Ammoniak nicht mehr mit der Glutaminsäure verbinden. In Folge kommt es zu einer Anreicherung von toxischen Mengen an Ammoniak, und alle grünen Pflanzenteile sterben innerhalb weniger Tage ab.

Wie kann das Herbizid PPT inaktiviert oder abgebaut werden? Aus dem Bodenmikroorganismus Streptomyces hygroscopicus wurde das sogenannte bar-Gen isoliert, das eine "PPT-Transacetylase" codiert, die einen Acetyl(Essigsäure-)rest an das PPT anhängt und es damit inaktiviert: mit dem "Anhängsel Acetylrest" passt das PPT nicht mehr in die Bindetasche der Glutaminsynthetase, kann das Enzym also nicht mehr blockieren.

Das Gen für die PPT-Transacetylase wurde aus Mikroorganismen isoliert und auf Pflanzen übertragen. Diese Pflanzen, in deren Genom das mikrobielle Gen für die PPT-Transacetylase eingebaut wurde, sind genauso resistent gegen PPT, wie die Pflanzen, die natürlicherweise dieses Enzym besitzen. Gelangt das Herbizid in die Pflanzenzelle, dann koppelt das Enzym einen Acetylrest an das PPT. Das so veränderte PPT kann die Glutaminsynthetase nicht mehr blockieren. Das ist z.B. beim Mais, ausgehend von Protoplasten, mit Hilfe der Partikelbeschusstechnik gelungen.

Herbizidwirkung des Phosphinothricins: Hemmung der Glutaminsynthetase. Das Enzym Glutaminsynthetase katalysiert die Bildung des Glutamins (Säureamid der Glutaminsäure) aus Glutaminsäure und Ammonium-Ionen. Bei Hemmung des Enzyms durch Phosphinothricin reichern sich Ammonium-Ionen an, die in höheren Konzentrationen als Pflanzenzellgift wirken.

Das bar-Gen konnte mittlerweile in zwölf verschiedene Pflanzenarten, z.B. Tomate, Kartoffel, Raps, Kohl und Mais übertragen werden. Die hergestellten transgenen Pflanzen sind resistent gegenüber PPT. Besonders interessant ist die Übertragung des bar-Gens in Mais als einkeimblättrige Pflanze. Es war lange Jahre nicht möglich, transgene Mais-Protoplasten zu regenerieren. Nach Auswahl eines geeigneten Genotyps mit regenerationsfähigen Protoplasten konnte das bar-Gen durch direkten Gentransfer in das Maisgenom eingeführt werden. Dabei entstanden PPT-resistente Pflanzen. In einem anderen Fall wurde das Gen mit Hilfe der "gene-gun" in embryonale Zellkulturen "eingeschossen".

Warum ist das Interesse an PPT-resistentem Mais so groß? PPT ist biologisch abbaubar - dabei entstehen CO2, Phosphorsäure und Ammoniak - und die über einen Gentransfer eingebrachte Herbizidresistenz kann einen positiven ökologischen Effekt haben: Ein Hauptproblem bei der Unkrautbekämpfung mit Bodenherbiziden ist, dass sie zwar für einen unkrautfreien Boden sorgen, der Boden gleichzeitig aber erosionsgefährdet ist, weil die Bodenflora fehlt. Dies gilt besonders für Mais, der erst relativ spät eine geschlossene, schützende Blattdecke ausbildet. Beim Einsatz von PPT-resistenten Maispflanzen könnte man Unkräuter zunächst wachsen lassen und erst später mit PPT bekämpfen. Die abgestorbenen Unkräuter würden dann unter den weiterwachsenden, PPT-resistenten Maispflanzen eine geschlossene Mulchdecke ausbilden. Der Boden wäre trotz der Unkrautbekämpfung vor Erosion geschützt.

Ob dies tatsächlich auch so ist, kann nur nach entsprechenden Anbauversuchen entschieden werden. Diese Versuche mit PPT-resistentem Mais und Raps wurden vom Bundesgesundheitsamt (BGA) genehmigt (Antragsteller waren die TU München 1993 und die Hoechst Schering AgrEvo GmbH im Frühjahr 1994). Sie sollen bis zum Oktober 1996 an sechs Standorten in Deutschland durchgeführt werden. Nach Aussagen des BGA sollen mit den Freilandversuchen eventuelle Rückstände und Auswirkungen auf das Wachstum erforscht werden. Die Genehmigung durch das BGA ist nach dem Gentechnikgesetz mit einer Reihe von Auflagen erfolgt, z.B. eine unbeabsichtigte Verbreitung von gentechnisch veränderten Pflanzen zu verhindern.

Bei etwa 35 Prozent von weltweit über 1000 Freisetzungsversuchen handelt es sich um solche mit herbizidresistenten Pflanzen. Ein Teil dieser Versuche ist dabei mit speziellen Fragestellungen aus dem Bereich der Sicherheitsforschung durchgeführt worden, da Herbizidresistenz-Gene häufig als Selektionsmarker genutzt werden. Dabei steht die Frage im Vordergrund, ob die gentechnisch erzeugte Eigenschaft der Herbizidresistenz durch Gentransfer z.B. über Pollenflug von einer Nutzpflanze auf eine andere übertragbar ist. Andere Versuche mit herbizidresistenten Nutzpflanzen werden mit dem Ziel der Kommerzialisierung des Saatguts durchgeführt. Im Freiland soll überprüft werden, ob sich die Pflanzen im großflächigeren Anbau hinsichtlich der neuen Eigenschaft bewähren. Die Markteinführung von gentechnisch veränderten Rapssorten wird für 1995/96 und von Maissorten für 1997/98 erwartet.

Quelle: BLL