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Originalpublikation

Jiang Zhang, Sher Afzal Khan, Claudia Hasse, Stephanie Ruf, David G. Heckel, Ralph Bock
Full crop protection from an insect pest by expression of long double-stranded RNAs in plastids

RNA-Interferenz schützt Kartoffelpflanzen

Mit Hilfe von RNA-Interferenz lassen sich Kartoffelpflanzen gegen ihren größten Fraßfeind wappnen

26. Februar 2015

Kartoffelkäfer sind weltweit gefürchtete Landwirtschaftsschädlinge. Da sie in den meisten Anbaugebieten keine natürlichen Feinde haben, werden sie in der Regel mit Pestiziden bekämpft. Allerdings haben die Insekten Resistenzen gegen nahezu alle Wirkstoffe entwickelt. Wissenschaftler der Max-Planck-Institute für molekulare Pflanzenphysiologie in Potsdam-Golm und chemische Ökologie in Jena konnten nun zeigen, dass Kartoffelpflanzen durch RNA-Interferenz vor den Käfern geschützt werden können. Dazu veränderten sie die Pflanzen so, dass diese doppelsträngige RNA-Moleküle in ihren Chloroplasten herstellen, die gegen Gene des Kartoffelkäfers gerichtet sind.
Der Kartoffelk&auml;fer (<em>Leptinotarsa decemlineata</em>): Jede seiner Larven frisst im Durchschnitt 40 bis 50 Quadratzentimeter Blattmaterial. Ein Bild vergrößern
Der Kartoffelkäfer (Leptinotarsa decemlineata): Jede seiner Larven frisst im Durchschnitt 40 bis 50 Quadratzentimeter Blattmaterial. Ein Befall mit Kartoffelkäfern kann zu Ernteverlusten von bis zu 50 Prozent führen, wenn er nicht rechtzeitig erkannt und bekämpft wird. [weniger]

RNA-Interferenz (RNAi) ist ein natürlicher Prozess der Genregulation. Pflanzen, Pilze und Insekten schützt die RNAi aber auch vor bestimmten Viren. Bei einer Infektion schleusen die Erreger ihre Erbsubstanz in Form von doppelsträngiger RNA (dsRNA) in die Zellen ihres Wirts ein, um sich dort zu vermehren. Bei der Vervielfältigung der viralen RNA in der Zelle wird diese durch das RNAi-System erkannt und in kleinere Stücke zerlegt. Die Bruchstücke, sogenannte siRNAs (small interfering RNAs), nutzt die Zelle für die Erkennung und Zerstörung der fremden RNA.

Dieser Mechanismus lässt sich auch künstlich nutzen, indem man dsRNAs in eine Zelle einbringt, die genau zur Boten-RNA (mRNA) eines Zielgens passt. Wählt man als Ziel ein lebenswichtiges Gen eines Schädlings, so wird aus der dsRNA ein sehr präzises und wirkungsvolles Insektizid. Die dsRNAs gelangen über das Verdauungssystem in die Zellen des Insekts und können dort  die Produktion des entsprechenden Proteins verringern oder sogar vollständig blockieren.

In der Vergangenheit haben Wissenschaftler bereits Pflanzen so verändert, dass sie dsRNAs gegen bestimmte Insekten produzierten. „Dies hat die Pflanzen aber nicht vollständig geschützt“, erklärt Ralph Bock vom Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie. „Schuld daran ist das pflanzeneigene RNAi-System, das die Ansammlung größerer Mengen fremder dsRNA verhindert. Als mögliche Lösung dieses Problems erschien uns die Produktion von dsRNA in den Chloroplasten.“ Diese Zellorganellen stammen von ursprünglich frei lebenden Cyanobakterien ab, einer Gruppe von Einzellern, die kein RNAi-System besitzen.

Die Forscher um Ralph Bock entschieden sich deshalb dafür, sogenannte transplastomische Pflanzen herzustellen. Das sind Pflanzen, bei denen nicht das Kerngenom, sondern das Genom der Chloroplasten gentechnisch verändert wird. Als Zielorganismus für die dsRNA wählten die Wissenschaftler den Kartoffelkäfer aus. Die gestreiften Käfer wurden Ende des 19. Jahrhundert von Amerika nach Europa eingeschleppt und können große Schäden in der Landwirtschaft verursachen. Heute sind sie weltweit verbreitet. Neben Kartoffelblättern fressen die Käfer und ihre Larven auch die Blätter anderer Nachtschattengewächse, wie zum Beispiel Tomate, Paprika oder Tabak. „Mit Hilfe der Chloroplastentransformation ist es uns gelungen  Kartoffelpflanzen herzustellen, die große Mengen langer dsRNAs stabil in den Chloroplasten anreichern“, so Ralph Bock.

F&uuml;tterungsexperiment mit abgetrennten Kartoffelbl&auml;ttern: Dargestellt sind Wildtyp-Bl&auml;tter im Vergleich mit Bl&auml;ttern einer Pflanze, Bild vergrößern
Fütterungsexperiment mit abgetrennten Kartoffelblättern: Dargestellt sind Wildtyp-Blätter im Vergleich mit Blättern einer Pflanze, bei der die DNA der Chloroplasten verändert wurde. Auf diesen Blättern, die täglich durch neue ersetzt wurden, hatten Kartoffelkäferlarven im ersten Larvenstadium an drei aufeinanderfolgenden Tagen jeweils 24 Stunden lang gefressen. [weniger]

Die Wissenschaftler überprüften die Wirksamkeit von dsRNA als Insektizid am Max-Planck-Institut für chemische Ökologie in Jena. Sie ermittelten die Sterblichkeit von Larven des Kartoffelkäfers, die neun Tage mit den Blättern unterschiedlicher Kartoffelpflanzen gefüttert wurden. Getestet wurden dabei auch dsRNAs gegen zwei verschiedene Gene des Kartoffelkäfers.

„Fressen Larven transplastomische Kartoffelblätter, deren dsRNA gegen das Aktin-Gen des Käfers gerichtet ist, sterben sie innerhalb von fünf Tagen zu 100 Prozent“, erklärt Sher Afzal Khan aus Jena.  Das Aktin-Gen codiert die Information für ein Strukturprotein, das für die Stabilität der Zellen unverzichtbar ist. Im Gegensatz dazu sterben die Larven nur selten, wenn sie Kartoffelpflanzen fressen, deren Zellkern gentechnisch verändert wurde. Sie wachsen dann lediglich langsamer.

Die aktuellen Ergebnisse zeigen, dass der Wechsel von der Transformation des Kerngenoms zur Transformation des Chloroplastengenoms die bisher bestehenden Hürden beim Einsatz von RNAi im Pflanzenschutz überwindet. Da Insekten zunehmend Resistenzen gegenüber chemischen Pestiziden und auch biologischen Mitteln wie Bt-Toxinen entwickeln, stellt die RNAi-Technologie eine zukunftsweisende Strategie in der Schädlingsbekämpfung dar. Die Methode ermöglicht gezielten Schutz ohne Chemikalien und ohne die Produktion fremder Proteine in der Pflanze.

KD/AO/HR

 
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