Germany
January 2, 2024
Schädlinge auf Pflanzen wirkungsvoll bekämpfen, ohne dabei anderen Organismen zu schaden – daran arbeiten Forschende in dem vom Julius Kühn-Institut (JKI) koordinierten Verbundprojekt ViVe_Beet, das vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) gefördert wird. An dem Projekt beteiligt sind Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des JKI-Instituts für Pflanzenschutz in Ackerbau und Grünland, des Fraunhofer-Instituts für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME und des Instituts für Zuckerrübenforschung (IfZ). Die Projektpartner verfolgen den Ansatz, speziell zugeschnittene doppelsträngige RNA-Moleküle zu nutzen, welche mittels gängiger Auftragsmethoden in geeigneter Formulierung ausgebracht werden, um Zuckerrüben zukünftig vor Vergilbungsviren zu schützen.
© Fraunhofer IME | Leonie Graser
Abb. 1 Die Grüne Pfirsichblattlaus ist Überträger von verschiedenen Vergilbungsviren, die zu hohen Einbußen in der Zuckerrübenernte führen.
© Fraunhofer IME | Maurice Pierry
Abb. 2 Beim Prozess der RNA-Interferenz (RNAi) wird die doppelsträngige RNA (dsRNA) aufgenommen und vom Enzym Dicer in kleinere small interfering RNA (siRNA) zerteilt. Die siRNA wird in den Enzymkomplex RISC aufgenommen und dient als Matrize für passgenaue Sequenzen, die bei Bindung abgebaut werden.
Der Einsatz von chemisch-synthetischen Insektiziden und Pestiziden in der Landwirtschaft hat einen negativen Einfluss auf die Insektenvielfalt und Bienengesundheit. Deshalb hat die EU 2019 die Zulassung von systemisch wirksamen Neonikotinoiden auslaufen lassen, was jedoch zu neuen Problemen in der Landwirtschaft führte: Die Grüne Pfirsichblattlaus (Myzus persicae), eines der Insekten mit den meisten Resistenzen gegen chemisch-synthetische Insektizide, lässt sich seitdem schwer bekämpfen. Vor allem die Zuckerrübe ist stark betroffen, da die Pflanzenlaus Überträger von mehreren Vergilbungsviren ist, welche zu enormen Einbußen in der Zuckerrübenernte führen. »Wir reden hier von 20 bis 50 Prozent Ertragsverlust nur durch die Viren«, erläutert Maurice Pierry, der das Projekt ViVe_Beet am Institutsteil Bioressourcen des Fraunhofer IME in Gießen von Beginn an begleitet.
Neuer Ansatz der Schädlingsbekämpfung: RNA-Interferenz (RNAi)
Um die Pflanzenlaus nachhaltig und wirksam zu bekämpfen, sind neue Ansätze der Schädlingsbekämpfung dringend erforderlich. Das Fraunhofer IME und die Projektpartner JKI und Ifz wählen hierfür einen biologischen, artspezifischen Ansatz und arbeiten gemeinsam daran, die Pflanzenlaus durch RNA-Interferenz (RNAi) zu bekämpfen.
Die RNAi ist eine natürliche Immunantwort der Wirte auf fremdes virales Erbgut, welches oftmals als doppelsträngige RNA (dsRNA) vorliegt. Maurice Pierry erklärt: »Viren haben RNA als Erbgut, und wenn diese in die Zelle eines Lebewesens eindringt, in unserem Fall vom Insekt, dann wird diese von einem Enzym namens Dicer in kleinere sogenannte small interfering RNA (siRNA) zerteilt. Das Ganze wird dann in einen weiteren Enzymkomplex aufgenommen und als Schablone benutzt, um darauf passende mRNA-Sequenzen abzubauen. Wenn wir diese dsRNA so auswählen, dass sie auf ein lebenswichtiges Gen des Insekts passt, dann kann man den Organismus dahin bringen, sich durch sein eigenes RNAi-System wirksam zu kontrollieren.«
Vom Labortest bis zum Feldeinsatz
Zu Beginn des Projekts, mit einer Laufzeit von Oktober 2021 bis September 2024, mussten potenziell wirksame Gene und ihre Basensequenzen identifiziert werden. Darauffolgend wurde dsRNA, welche spezifisch auf diese Basensequenzen angepasst ist, über biologische Verfahren hergestellt. Pierry erläutert: »Als Erstes mussten wir ein Gen finden, das einen Effekt hat, wenn man es mit dem RNA-Interferenz-Mechanismus ausschaltet. Die Effekte variieren von Häutungsproblemen über Rückgang der Nachkommen bis hin zur erhöhten Mortalität der Schädlinge. Nach einigen Tests haben wir schließlich mehrere Gene gefunden, die zu einer hohen Mortalität bei der Blattlaus führen, wenn man sie ausschaltet. Damit war die erste Hürde geschafft.«
Im nächsten Schritt musste eine Formulierung gefunden werden, die das doppelsträngige RNA-Molekül vor möglichen Umweltfaktoren wie Temperatur, Feuchtigkeit, UV und RNA-abbauenden Enzymen beschützt, bis es am Zielort angekommen ist, z. B. im Darm der Blattlaus, wo es dann von der Zelle aufgenommen wird. »Auch da haben wir gute Ergebnisse erlangt. Das heißt unsere dsRNA ist geschützt von einer Formulierung, die den Effekt verbessert und lange haltbar ist«, so Pierry.
Inzwischen sind die Forschenden schon beim dritten Schritt: den ersten Sprühversuchen direkt an der Zielpflanze. »Wir haben eine RNA-Spray-Methode entwickelt, die wir in Gewächshausversuchen getestet haben. Bei unseren Sprühversuchen kommen wir bisher auf 70 Prozent Mortalität sowie einer Minderung der Populationsgröße. Das ist ein sehr guter Wert«, erläutert Pierry.
Der letzte Schritt sind dann Feldversuche, bei denen alle bisher ausgeklammerten Umweltfaktoren einbezogen werden. Diese werden im kommenden Sommer vom JKI und dem IfZ durchgeführt.
Selektives Pflanzenschutzmittel ist ungefährlich für andere Organismen
Der innovative Ansatz des Projektes ViVe_Beet birgt das Potenzial, künftig vollkommen neue, umweltverträgliche, selektive Pflanzenschutzmittel zu entwickeln. Denn die spezifischen natürlichen Moleküle könnten dabei nicht nur gegen Insekten, sondern auch gegen Viren oder Pilzerreger wirken. »Das Besondere daran ist also, dass die spezifisch angepasste dsRNA eine Wirkung auf den Ziel-Organismus hat, in unserem Fall die Grüne Pfirsichblattlaus, und nicht auf andere Organismen wie uns Menschen oder Nützlingen wie z. B. der Biene«, erklärt Pierry. Diese neue Methode der Schädlingsbekämpfung weckt Hoffnung auf nachhaltigen Pflanzenschutz und zeigt hohes Potenzial für die Zukunft.
Environmentally friendly crop protection - Targeted pest control with RNA spray
Protecting plants efficiently against pests without harming other organisms — this is the objective of the joint research project ViVe_Beet, which is coordinated by the Julius Kühn Institute (JKI) and funded by the German Federal Ministry of Food and Agriculture (BMEL). Scientists from the JKI Institute for Plant Protection in Field Crops and Grassland, the Fraunhofer Institute for Molecular Biology and Applied Ecology IME and the Institute of Sugar Beet Research (IfZ) are involved in the project. The strategy adopted by the project partners involves the use of customized double-stranded RNA molecules, incorporated into a suitable formulation. This formulation is then applied through conventional application methods to protect sugar beets from yellowing viruses in the future.
Application of synthetic chemical insecticides and pesticides in agriculture has a negative impact on insect diversity and bee health. To avoid such harm, the EU phased out approval of systemically effective neonicotinoids in 2019. However, this has led to new issues in agriculture, particularly because green peach aphids (Myzus persicae), among the insects displaying high resistance to synthetic chemical insecticides, have proven exceptionally challenging to manage. These aphids transmit several yellowing viruses - affecting sugar beets in particular - leading to enormous losses in sugar beet harvests. “We’re actually speaking of a 20 to 50 percent loss in yield due to the viruses alone,” says Maurice Pierry who has been supporting the ViVe_Beet project at the Fraunhofer IME Bioresources branch in Gießen from the start.
New approach to pest control: RNA interference (RNAi)
The scale of the issue means that new approaches are urgently required to ensure sustainable and efficient control of the aphids. Fraunhofer IME and its project partners JKI and IfZ have chosen a biological, species-specific approach and are working together to control these aphids with the help of RNA interference (RNAi).
RNAi is a natural immune response of the hosts to the foreign genetic material of viruses, which is often present in the form of double-stranded RNA (dsRNA). Maurice Pierry explains: “Viruses have genetic material in the form of RNA. When RNA enters the cell of a living being (i.e., an insect in our case), an enzyme called ‘Dicer’ chops it into smaller segments known as small interfering RNA (siRNA). They are then incorporated into the RNA induced silencing complex (RISC) and used as a template to degrade matching mRNA sequences. If we select these dsRNAs so that they match a crucial gene of the insect, you can induce the organism to control itself effectively via its own RNAi system.”
From lab tests to the field
At the start of the project, which is scheduled from October 2021 to September 2024, potentially effective genes and their base sequences had to be identified. This was followed by biological methods to produce dsRNA specifically adapted to these base sequences. Pierry states: “To start with, we had to identify a gene that has an effect when silenced with the RNA interference mechanism. Effects vary from molting problems and a drop in offspring to increased mortality of the pests. After conducting a number of tests, we managed to identify several genes that cause high mortality in the aphids when silenced. This was the first major milestone.”
In a second step, the Fraunhofer IME scientists had to create a formulation that would protect the double-stranded RNA molecule from environmental factors such as temperature, humidity, UV rays and RNA-degrading enzymes until it reaches its destination, e.g., in the aphids’ intestines, where it is absorbed by the cell. “We have also been successful in this area. This means that our dsRNA is protected by a formulation that boosts the effect and has prolonged longevity,” says Pierry.
In the meantime, the researchers have embarked on the third step: the first spray trials directly on the target plant. “We have developed an RNA spray method and tested it in greenhouse spray trials. So far, we have achieved a mortality rate of 70 percent and a reduction in population size. These are great results,” says Pierry.
The final step will involve field trials including all previously excluded environmental factors. These will be carried out by JKI and the IfZ next summer.
Selective plant protection agents are harmless to other organisms
The innovative approach of the ViVe_Beet project can potentially lead to the development of new, environmentally friendly, selective plant protection agents, as the specific and natural molecules can be used not only to control insects but also viruses or fungi. “This method is special as the specifically adapted dsRNA affects the target organism, in this case, the green peach aphids, but no other organisms such as humans or beneficial insects like bees,” says Pierry. This new method of pest control raises hope for sustainable plant protection and has a high potential for future applications.
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