Forscher haben herausgefunden, dass sich Schädlinge auf unerwartete Weise an gentechnisch veränderte Pflanzen anpassen. Die Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung einer genauen Überwachung und Bekämpfung der Resistenz von Schädlingen gegen Biotech-Pflanzen.
Die Resistenz von Wollkapselwürmern gegen insektentötende Baumwollpflanzen bringt vielfältigere genetische Veränderungen mit sich als erwartet, berichtet ein internationales Forscherteam in der Zeitschrift Proceedings der National Academy of Sciences.
Raupen des Baumwollkapsels Helicoverpa armigera ernähren sich von vielen verschiedenen Pflanzen und stellen eine ernsthafte Bedrohung für den Baumwollanbau dar. (Foto von György Csoka)
Um breitspektrale Insektizidsprays zu verringern, die andere Tiere als die Zielschädlinge schädigen können, wurden Baumwolle und Mais gentechnisch so verändert, dass sie Toxine produzieren, die vom Bakterium Bacillus thuringiensis oder Bt stammen.
Bt-Toxine töten bestimmte Insektenschädlinge ab, sind jedoch für die meisten anderen Lebewesen, einschließlich der Menschen, harmlos. Diese umweltfreundlichen Toxine werden seit Jahrzehnten in Sprays von Bio-Landwirten und seit 1996 in gentechnisch veränderten Bt-Pflanzen von Mainstream-Landwirten verwendet.
Im Laufe der Zeit haben Wissenschaftler gelernt, dass anfänglich seltene genetische Mutationen, die Resistenzen gegen Bt-Toxine verleihen, immer häufiger auftreten, da sich eine wachsende Anzahl von Schädlingspopulationen an Bt-Pflanzen anpasst.
In der ersten Studie zum Vergleich der Resistenzentwicklung von Schädlingen gegen Bt-Pflanzen im Labor im Vergleich zum Feld stellten die Forscher fest, dass einige der im Labor ausgewählten Mutationen zwar in der Wildpopulation vorkommen, einige jedoch deutlich von den in der Wildpopulation beobachteten Mutationen abweichen Labor sind auf dem Gebiet wichtig.
Raupen des Baumwollkapsels Helicoverpa armigera können an einer Vielzahl von Pflanzen fressen, bevor sie als Motten auftreten. Diese Art ist der wichtigste Baumwollschädling in China, in dem die Studie durchgeführt wurde.
Bruce Tabashnik, Leiter der Abteilung für Entomologie am College für Landwirtschaft und Biowissenschaften der Universität von Arizona, der die Studie mitverfasst hat, betrachtet die Ergebnisse als Frühwarnung an Landwirte, Aufsichtsbehörden und die Biotech-Industrie.
Bruce Tabashnik, Leiter der UA-Abteilung für Entomologie, arbeitet mit chinesischen Wissenschaftlern an der Überwachung und Bekämpfung der Resistenz von Schädlingen gegen gentechnisch veränderte Pflanzen, durch die Insektizidsprays drastisch reduziert wurden. (Foto von Beatriz Verdugo / UANews)
"Wissenschaftler haben damit gerechnet, dass sich die Insekten anpassen, aber wir finden gerade heraus, wie sie auf diesem Gebiet resistent werden", sagte Tabashnik.
Um Überraschungen zu vermeiden, haben Forscher in kontrollierten Laborexperimenten Bt-Toxinen in Baumwollpopulationen ausgesetzt und die genetischen Mechanismen untersucht, mit denen sich die Insekten anpassen.
"Wir versuchen, dem Spiel einen Schritt voraus zu sein", sagte er. „Wir möchten vorhersehen, welche Gene beteiligt sind, damit wir proaktiv Strategien entwickeln können, um die Wirksamkeit von Bt-Pflanzen aufrechtzuerhalten und die Abhängigkeit von Insektizidsprays zu verringern. Die implizite Annahme ist, was wir aus dem im Labor ausgewählten Widerstand lernen, wird im Feld zutreffen. “
Diese Annahme war laut Tabashnik noch nie zuvor auf Resistenz gegen Bt-Pflanzen getestet worden.
Zum ersten Mal sammelte das internationale Team genetische Beweise von Schädlingen auf dem Feld, um die Gene, die an der Resistenz von Wild- und Laborpopulationen beteiligt sind, direkt zu vergleichen.
Sie stellten fest, dass einige resistenzerzeugende Mutationen auf dem Feld die gleichen waren wie bei Schädlingen, die im Labor gezüchtet wurden, aber andere waren auffällig unterschiedlich.
"Wir haben genau die gleiche Mutation im Feld gefunden, die im Labor nachgewiesen wurde", sagte Tabashnik. "Wir haben aber auch viele andere Mutationen gefunden, die meisten im selben Gen und eine in einem völlig anderen Gen."
Eine große Überraschung kam, als das Team zwei unabhängige, dominante Mutationen in der Feldpopulation identifizierte. "Dominant" bedeutet, dass eine Kopie der genetischen Variante ausreicht, um Resistenz gegen Bt-Toxin zu verleihen. Im Gegensatz dazu sind Resistenzmutationen, die vor der Laborauswahl charakterisiert wurden, rezessiv. Dies bedeutet, dass zwei Kopien der Mutation, eine von jedem Elternteil, erforderlich sind, um ein Insekt resistent gegen Bt-Toxin zu machen.
"Dominanter Widerstand ist schwieriger zu bewältigen und kann nicht ohne Weiteres durch Schutzhütten gebremst werden, die besonders nützlich sind, wenn der Widerstand rezessiv ist", sagte Tabashnik.
Refuges bestehen aus Pflanzen, die kein Bt-Toxin-Gen besitzen und somit das Überleben von Insekten ermöglichen, die für das Toxin anfällig sind. Schutzhütten werden in der Nähe von Bt-Feldfrüchten gepflanzt, um genug anfällige Insekten zu produzieren, um die Population resistenter Insekten zu verdünnen, da es unwahrscheinlich ist, dass sich zwei resistente Insekten paaren und resistente Nachkommen hervorbringen.
Laut Tabashnik hat die Schutzstrategie hervorragend gegen den rosafarbenen Poller in Arizona gewirkt, wo dieser Schädling die Baumwollbauern ein Jahrhundert lang geplagt hatte, jetzt aber rar ist.
Die in China entdeckten dominanten Mutationen haben die Strategie der Zuflucht entscheidend beeinflusst, da resistente Nachkommen aus Paarungen zwischen anfälligen und resistenten Insekten hervorgehen.
Eine erwachsene Baumwollkapselwurmmotte. (Foto von Ettore Balocchi)
Er fügte hinzu, dass die Studie es Regulierungsbehörden und Landwirten ermöglichen wird, aufkommende Resistenzen gegen Bt-Pflanzen besser zu bewältigen.
„Wir haben spekuliert und indirekte Methoden angewendet, um vorherzusagen, was auf diesem Gebiet passieren wird. Erst jetzt, wo an vielen Stellen Widerstand zu spüren ist, ist es möglich, den Widerstand vor Ort tatsächlich zu untersuchen. Ich denke, die Techniken aus dieser Studie werden auf viele andere Situationen auf der ganzen Welt angewendet werden, und wir werden beginnen, ein allgemeines Verständnis der genetischen Grundlagen von Resistenzen auf diesem Gebiet zu entwickeln. "
Die aktuelle Studie ist Teil einer von der chinesischen Regierung finanzierten Zusammenarbeit, an der ein Dutzend Wissenschaftler an vier Einrichtungen in China und der US-Amerikaner Yidong Wu von der Nanjing Agricultural University beteiligt waren, die die Studie entworfen und die chinesischen Bemühungen geleitet haben. Er betonte die Bedeutung der laufenden Zusammenarbeit für die Bekämpfung der Resistenz gegen Bt-Pflanzen, die in China ein großes Problem darstellt. Er wies auch darauf hin, dass die Entdeckung dominanten Widerstands die wissenschaftliche Gemeinschaft ermutigen werde, die Zufluchtsstrategie zu überdenken.
Tabashnik sagte, China sei der weltweit führende Baumwollproduzent mit etwa 16 Milliarden Pfund Baumwolle pro Jahr. Indien ist die Nummer zwei, gefolgt von den USA, die etwa halb so viel Baumwolle produzieren wie China.
Im Jahr 2011 haben Landwirte weltweit 160 Millionen Morgen Bt-Baumwolle und Bt-Mais angebaut. Der Anteil der Baumwolle, die mit Bt-Baumwolle bepflanzt wurde, lag 2011 in den USA bei 75 Prozent, seit 2004 jedoch in Nordchina, wo der größte Teil der chinesischen Baumwolle angebaut wird, bei über 90 Prozent.
Die Forscher berichten, dass resistenzvermittelnde Mutationen bei Wollkapselwürmern in Nordchina dreimal häufiger vorkommen als in Gebieten im Nordwesten Chinas, in denen weniger Bt-Baumwolle angebaut wurde.
Sogar in Nordchina hätten die Erzeuger den aufkommenden Widerstand noch nicht bemerkt, sagte Tabashnik, da nur etwa 2 Prozent der Baumwollkapseln dort resistent sind.
"Wenn Sie als Züchter 98 Prozent der Schädlinge mit Bt-Baumwolle töten, werden Sie nichts bemerken. Aber diese Studie sagt uns, dass es Probleme am Horizont gibt. “
Neuauflage mit Genehmigung der University of Arizona.