27.09.2018

Ein Team der TU Darmstadt wird in den kommenden Jahren Sexuallockstoffe wichtiger Schadinsekten in Pflanzen herstellen und für den Pflanzenschutz nutzbar machen.

Teil des interdisziplinären Projektteams: Andreas Jürgens, Janine Gondolf, Heribert Warzecha (v.l.). Bild: Katrin Binner
Teil des interdisziplinären Projektteams: Andreas Jürgens, Janine Gondolf, Heribert Warzecha (v.l.). Bild: Katrin Binner

Wer sich schon einmal um eine Bepflanzung gekümmert hat, egal ob auf dem Feld, im Garten oder auf der Fensterbank, weiß, wie gnadenlos Schädlinge Gewächsen zusetzen können. Die Übeltäter sind schnell ausgemacht. Viren, Bakterien, Pilze und Insekten vernichten ganze Ernten und profitieren zudem vom Klimawandel, weil sie sich in warmen Sommern stärker ausbreiten und in milden Wintern weniger Schaden nehmen. Derzeit werden diese Schädlinge vor allem mit Pestiziden bekämpft. Allerdings dezimieren diese Substanzen auch die Nützlinge, sie mindern die Artenvielfalt und belasten Böden und Grundwasser. Der Bedarf nach nachhaltigen und umweltverträglichen Lösungen ist groß.

Hier setzt das europäische SUSPHIRE-Projekt an, hinter dem ein Konsortium aus England, Spanien, Slowenien und der Bundesrepublik steht. Von deutscher Seite sind drei Professoren der TU Darmstadt beteiligt: Heribert Warzecha, Professor für Pflanzen-Biotechnologie, Andreas Jürgens, Professor für Chemische Pflanzenökologie, und Alfred Nordmann, Professor für Philosophie. Das Projekt verfolgt ehrgeizige Ziele. Motten, Wollläuse und Co sollen in Zukunft nicht mehr durch Insektizide getötet werden, sondern durch den unorthodoxen Gebrauch von Sexuallockstoffen an ihrer Fortpflanzung gehindert werden. Normalerweise laden Insektenweibchen die Männchen mit solchen Sexuallockstoffen, die auch Pheromone genannt werden, zur Paarung ein. Warzecha und seine Kollegen werden Pflanzen durch Gentransfer so verändern, dass sie ebenfalls Pheromone bilden. Das wird die Männchen derart verwirren, dass sie das knappe Zeitfenster für die Paarung verpassen und keine Nachkommen zeugen werden.

„Dadurch, dass jede Insektenart ihr eigenes Parfüm zur Vorbereitung der Paarung synthetisiert, können Pheromone sehr gezielt zur Verwirrung und zum Weglocken einzelner Arten eingesetzt werden“, erklärt Professor Warzecha im Gespräch. „Ein solches Parfüm besteht mitunter aus einem einzigen Pheromon, mitunter aus mehreren Pheromonen, aber es funktioniert immer nur für eine Art, nicht für andere Spezies“, so der pharmazeutische Biologe weiter. Pheromone werden derzeit schon in Form von Pheromonfallen oder als Spritzmittel verwendet. Allerdings ist die Herstellung dieser Produkte sehr kostspielig. Das liegt daran, dass ihre chemische Struktur kompliziert ist. Viele Synthesen sind aufwendig und vieles ist auch technisch gar nicht machbar. Daher wollen Warzecha und seine Kollegen die Pheromone von Pflanzen herstellen lassen.

Pflanzen als perfekte Biofabriken

Pflanzen werden seit geraumer Zeit zur Produktion komplexer Proteine oder Substanzen verwendet, weil sie ein nachwachsender Rohstoff sind und ihre Kultur an die jeweiligen Bedingungen angepasst werden kann. Das macht sie zu perfekten Biofabriken. Mit den richtigen Bauanleitungen im Genom synthetisieren sie selbst die kompliziertesten Moleküle und brauchen dafür nur einen gedeihlichen Standort mit genügend Wasser, Sonnenlicht und Kohlendioxid. Heute werden bereits eine ganze Reihe technischer Enzyme in Pflanzen produziert, aber auch Kosmetika und ein Medikament gegen eine seltene Erkrankung.

Dass Pflanzen auch Insekten-Pheromone bilden können, ist schon vor einigen Jahren von den spanischen Projektpartnern und anderen Arbeitsgruppen gezeigt worden. Professor Diego Orzaez und seine Kollegen von der Universität Valencia haben die Gene für die Synthese von Motten-Pheromonen in Tabak eingeschleust. Sie konnten zeigen, dass die gebildeten Pheromone tatsächlich funktionieren und Motten anlocken. Allerdings werden diese Sexuallockstoffe noch nicht an die Luft abgegeben, sondern bleiben noch in den Pflanzenzellen. Das Konsortium wird zeitnah Lösungen entwickeln. Weil die Mottenmännchen die Pheromon-produzierende Tabakpflanze wegen der Lockstoffe für ein Weibchen halten, hat man dieser Pflanze den Namen „Sexy Plant“ gegeben. Sie ist ein erster wichtiger Prototyp. „Wir wissen durch diese Ergebnisse, dass das Konzept prinzipiell funktioniert“, sagt Professor Warzecha. „Im Englischen heißt das „Proof of Concept“. Wir können Pflanzen also in der Tat so ausstatten, dass sie sich selbst vor Insekten schützen und dadurch einen relevanten landwirtschaftlichen Mehrwert haben.“

Warzecha und seine Kollegen verfolgen zwei grundsätzliche Strategien. Es geht ihnen zum einen darum, Insekten-Pheromone oder deren Vorstufen kostengünstig herzustellen, um mit den isolierten Substanzen Pheromonfallen zu bestücken oder sie als Spritzmittel zu verwenden. Das würde die Produktionskosten für solche Produkte erheblich senken und ihren Einsatz deutlich rentabler machen. Das langfristige Ziel des Konsortiums ist allerdings, die Pheromonproduzierenden Pflanzen zusammen mit den Nutzpflanzen aufs Feld zu bringen. Dann müssten die Pheromone nicht mehr isoliert werden, sondern könnten von den Pflanzen direkt in die Umgebung abgegeben werden. Derzeit unterliegen solche Anwendungen mit gentechnisch veränderten Pflanzen allerdings einer strengen Regulierung. „Wir werden für die Produktion der Pheromone keine Futter- oder Lebensmittelpflanzen verwenden, sondern Tabak und könnten die Pflanzen auch in speziellen Containern aufs Feld bringen“, sagt Warzecha. „Wir werden in den kommenden Jahren mit den Behörden ausloten, was möglich ist und was nicht. Das SUSPHIRE Projekt wird sich auch mit Fragen verantwortungsvoller Forschung und den ökonomischen Konsequenzen dieser Arbeit befassen“.

Pheromonen der Wollläuse

Warzecha und seine Kollegen suchen derzeit auch intensiv nach den Pheromonen der Wollläuse, insbesondere der Zitrusschmierlaus. Diese Läuse ruinieren viele Anpflanzungen, indem sie die Zitruspflanzen mit einer wachsartigen Substanz überziehen. Bevor Warzecha und seine Kollegen allerdings die Pheromone der Zitrusschmierlaus in Pflanzen produzieren können, müssen sie die Gene dafür kennen, damit sie die entsprechenden Bauanleitungen in den Pflanzen hinterlegen können. „Zur Identifizierung der Pheromon-Gene werden wir sämtliche Botenribonukleinsäuren, die von befruchten und unbefruchteten Weibchen gebildet werden, miteinander vergleichen. In dem Pool der von den unbefruchteten Weibchen gebildeten Ribonukleinsäuren müsste sich auch die Blaupause für die Pheromone befinden. Wir werden das Gen dann mit passenden Steuerungselementen in Tabakpflanzen transferieren. Dann müssen wir schauen, ob genügend Pheromone gebildet werden und ob dies auch zur rechten Zeit und am rechten Ort geschieht“, so Warzecha weiter. Er und seine Kollegen hoffen, auf diese Weise eine ganze Palette an Pheromonen in Pflanzen produzieren und für bestimmte Anwendungen maßschneidern zu können. Der Bedarf ist groß. Der Weltmarkt für Insektizide soll 2022 bei 17,5 Milliarden Euro liegen. Die Konzepte des Konsortiums sind deutlich umweltverträglicher.

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