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Quelle: BioSicherheit / GMO Safety

Wissenschaftler aus Frankreich und der Schweiz haben die Bodenbakterien eines Feldes untersucht, auf dem zehn Jahre lang gentechnisch veränderter Bt-Mais angebaut wurde. Sie wollten  überprüfen, ob eine Übertragung der umstrittenen Antibiotikaresistenz-Gene aus transgenen Pflanzen auf Bakterien, wie vielfach befürchtet, tatsächlich stattfindet. Ihr Fazit: Transgene Pflanzen spielen keine Rolle bei der Verbreitung von Antibiotika-Resistenzen.

Bakterien verfügen über spezielle Mechanismen, um Erbinformationen direkt - außerhalb geschlechtlicher Fortpflanzung - auszutauschen. Deshalb wird befürchtet, Antibiotikaresistenz‑Gene , die bei transgenen Pflanzen als Markergene eingesetzt werden, könnten von krankheitserregenden Bakterien aufgenommen und damit die Wirksamkeit wichtiger Antibiotika-Medikamente eingeschränkt werden. Antibiotika werden häufig in der Human- und Tiermedizin eingesetzt und lange Zeit wurden sie auch dem Tierfutter beigemischt, um Wachstum und Leistung der Tiere zu steigern. Das hat die Entstehung von Resistenzen gegen medizinisch genutzte Antibiotika bei Bakterien gefördert. Die Frage ist, tragen auch gentechnisch veränderte Pflanzen dazu bei, solche Antibiotika-Resistenzen zu verbreiten?

Eine Genübertragung von Pflanzen-DNA in Bakterien gilt als höchst unwahrscheinlich, weil es eine ganze Reihe von Bedingungen braucht, damit diese überhaupt stattfinden kann. Bislang konnte unter Feldbedingungen ein solcher horizontaler Gentransfer noch nicht nachgewiesen werden. Auch im Labor konnte er nur mit Hilfe speziell konstruierter Empfängerbakterien provoziert werden.

Um die Wahrscheinlichkeit und die Bedeutung eines möglichen Transfers von Antibiotikaresistenz-Genen aus transgenen Pflanzen in Bakterien einschätzen zu können, haben nun Wissenschaftler aus Frankreich und der Schweiz Bodenbakterien eines Feldes in Südwestfrankreich untersucht, auf dem zehn Jahre lang gentechnisch veränderter Mais Bt176 angebaut wurde. Zum Vergleich wurden Proben von einem konventionellen Maisfeld sowie von einem Boden, der ackerbaulich nicht genutzt wird ("Prärie"boden), untersucht.

Bt 176-Mais enthält zusätzlich zu dem Gen, dass ihn widerstandsfähig gegenüber dem Maiszünsler macht, ein so genanntes bla-Gen (blaTEM116) als Markergen. Dieses Gen sorgt durch Bildung eines bestimmten Enzyms , einer so genannten beta-Lactamase für eine Ampicillin‑ und Carbenicillin-Resistenz. Es ist eines der am häufigsten vorkommenden bla-Gene aus einer ganzen Familie von beta-Lactamasen. Die passenden Antibiotika sind die größte Gruppe von Antibiotika, die in der Medizin eingesetzt werden. Dazu gehört unter anderem auch Penicillin.

Ampicillin-Resistenz: Weit verbreitet

Zunächst wurden aus den Bodenproben nur Bakterien, die auf Nährmedium vermehrt werden können, untersucht. Diese machen weniger als ein Prozent der Bodenmikroorganismen aus. Zwischen 0,4 und acht Prozent dieser Bakterien aus den Bodenproben der ackerbaulich genutzten Flächen stellten sich als resistent gegen Ampicillin heraus. Es machte dabei keinen Unterschied, ob auf den Feldern konventioneller Mais oder Bt-Mais gewachsen war. Jedoch unterschied sich die Anzahl resistenter Bakterien deutlich zwischen den kultivierten Böden einerseits und dem "Prärie"boden andererseits, der einen sehr hohen Anteil resistenter Bakterien aufwies. Dies gebe einen Hinweis darauf, so die Wissenschaftler, dass bakterielle Gemeinschaften, die nicht durch landwirtschaftliche Praktiken beeinflusst werden, einen höheren Anteil an natürlich vorkommenden Antibiotika-Resistenzen aufweisen. Oftmals tragen Bakterien, die selber Antibiotika bilden, auch Resistenzgene zu ihrem eigenen Schutz.

* bezogen auf den Anteil kultivierbarer Bakterien

Um dem Ursprung der Resistenzgene auf den Grund zu gehen, wurden die gefundenen resistenten Bakterien in einem nächsten Schritt verschiedenen Antibiotika ausgesetzt und so ihr Resistenzmuster bestimmt. Die meisten der 576 isolierten Bakterien waren gegenüber mehreren Antibiotika unempfindlich (s. Abb.1)

Die gefundenen Resistenzgene wurden anschließend  molekularbiologisch (PCR) näher untersucht. Dabei wurde bei 505 der 576 Bakterien (87,7 Prozent) ein bla-Gen nachgewiesen. Dies zeige laut Autoren die natürliche Bevorzugung dieser Gene unter ampicillin-resistenten Bodenbakterien.

Achtzig der PCR-Ergebnisse wurden noch weiter aufgeschlüsselt. Es fanden sich u. a. auch zehn blaTEM116-Gene, verteilt auf alle Böden. Das Ampicillinresistenz-Gen, welches für Bt176 genutzt wurde, ist demnach auch in Böden zu finden, auf denen zuvor keine transgenen Pflanzen angebaut wurden. Das ist nicht verwunderlich, weil das Gen für die gentechnische Transformation aus Bodenbakterien isoliert wurde. Dass auch in dem 400 Kilometer weiter entferntem Prärieboden blaTEM-Gene nachgewiesen wurden, bestätigt die Verbreitung dieser Gene.

Zusätzlich wurde auch der große Anteil der Bakterien, die nicht kultivierbar sind, molekularbiologisch untersucht. Es wurden mehr als 150 verschiedene blaTEM-Gene nachgewiesen.

Bakterielle Vielfalt

Auch Vielfalt und Zusammensetzung der Bakteriengemeinschaften in den verschiedenen Bodenproben wurden untersucht, um zu überprüfen, ob das Vorkommen ähnlicher bla-Gene auf ähnliche mikrobielle Gemeinschaften schließen lässt. Dem ist offenbar nicht so. Es gab erhebliche Unterschiede in der Zusammensetzung der Mikroorganismen-Gemeinschaften der drei Böden, wobei der größte Unterschied zwischen den Maisfeldern und der ackerbaulich nicht genutzten Fläche zu finden war. Mögliche Veränderungen durch den Anbau des Bt-Maises sind demnach kleiner als die Änderungen, die durch Bodentyp,  Pflanzenwachstumsstadium, Sorten oder Kulturartenunterschiede zustande kommen.

Horizontaler Gentransfer - kein Risiko

Auch wenn horizontaler Gentransfer grundsätzlich möglich sei, bleibt er nach Ansicht der Autoren jedoch ohne Bedeutung für die mikrobiellen Gemeinschaften im Boden. Der Anbau von transgenen Pflanzen über mehr als zehn Jahre auf einem Feld habe das Auftreten von Antibiotikaresistenzen und deren Spektrum nicht messbar beeinflusst. Dies liege hauptsächlich daran, dass die Gene im Boden ohnehin verbreitet seien. Horizontaler Gentransfer von transgener Pflanzen-DNA in Bakterien sei so selten, dass er keinen Beitrag zu einer weiteren Zunahme der bereits natürlich bei Bakterien weit verbreiteten Antibiotika-Resistenz leiste.

Ten years of Bt maize cultivation: Horizontal gene transfer of no significance

Scientists from France and Switzerland have been studying soil bacteria from a field where genetically modified Bt maize has been growing for 10 years. They wanted to find out whether controversial antibiotic-resistance genes can in fact transfer from transgenic plants to bacteria, as is widely feared. They have concluded that transgenic plants play no part in the spread of antibiotic resistances.

Bacteria have special mechanisms which enable them to exchange genetic information directly without sexual reproduction. For this reason it is feared that antibiotic‑resistance genes that are used as marker genes in transgenic plants could be absorbed by pathogenic bacteria and so reduce the effectiveness of important antibiotic drugs. Antibiotics are widely used in human and veterinary medicine and for a long time they were also added to animal food to promote animal growth and performance. This has led to the emergence of bacterial resistances to antibiotics used in medicine. The question is, do genetically modified plants also help spread this kind of antibiotic resistance?

Gene transfer from plant DNA to bacteria is considered to be highly unlikely because a whole series of conditions are required before it can occur at all. As yet, this type of horizontal gene transfer has not been detected under field conditions. Even in the laboratory, it could only be provoked with the help of specially constructed recipient bacteria.

To assess the likelihood and the significance of a possible transfer of antibiotic- resistance genes from transgenic plants to bacteria, scientists from France and Switzerland have studied soil bacteria from a field in south western France where genetically modified Bt176 maize has been growing for 10 years. By way of comparison, soil samples from a conventional maize field and from uncultivated land (prairie soil) were also investigated.

Bt 176 maize contains a "bla gene" (blaTEM116) as a marker gene, in addition to the gene which makes it resistant to the corn borer . This gene confers ampicillin and carbenicillin resistance by producing a specific beta-lactamase enzyme . It is one of the most commonly occurring bla genes from a whole family of beta-lactamases. The corresponding antibiotics, which include penicillin, are the largest group of antibiotics used in medicine.

Widespread ampicillin resistance

The researchers initially studied only those bacteria from the soil samples which could be propagated on a culture medium. These account for less than 1 percent of soil micro-organisms. Between 0.4 and 8 percent of these bacteria from the soil samples collected from agricultural land were found to be resistant to ampicillin. It made no difference whether conventional or Bt maize had been grown on the fields. However, the number of resistant bacteria varied significantly between the cultivated soils on the one hand and the prairie soil on the other, which had a very high proportion of resistant bacteria. According to the scientists, this is an indication that bacterial communities which are not affected by farming practices have a higher proportion of naturally occurring antibiotic resistances. Bacteria which produce antibiotics themselves often carry resistance genes for their own protection.
 

* as a proportion of the number of cultivable bacteria

To discover the origin of the resistance genes, the resistant bacteria identified were then exposed to various antibiotics and their resistance patterns were recorded. Most of the 576 bacteria isolated were resistant to several antibiotics (see Fig.1)

The resistance genes identified were then examined in more detail using molecular-biological methods (PCR). A bla gene was identified in 505 of the 576 bacteria (87.7 percent). According to the authors, this indicates the natural preference for these genes amongst ampicillin-resistant soil bacteria.

Eighty of the PCR results were broken down further. Among other things, ten blaTEM116 genes were found, distributed over all the soil types. This indicates that the ampicillin-resistance gene, which was used for Bt176, is also found in soils where no transgenic plants have been grown. This is not surprising, because the gene for the genetic transformation was isolated from soil bacteria. The fact that blaTEM genes were also found in the prairie soil 400 kilometres away confirms the prevalence of these genes.

In addition, the large number of non-cultivable bacteria was also studied using molecular-biological methods. More than 150 different blaTEM genes were identified.

Bacterial diversity

The diversity and composition of the bacterial communities in the different soil samples were also investigated to find out whether the occurrence of similar bla genes implies similar microbial communities. This is apparently not the case. There were significant differences in the composition of the micro-organism communities in the three soils, with the greatest difference occurring between the maize fields and the uncultivated land. Possible changes resulting from the cultivation of Bt maize are therefore less significant than the changes resulting from soil type, plant growth stage, variety or crop differences.

Horizontal gene transfer - no risk

Even if horizontal gene transfer is possible in principle, the authors believe that it is of no significance to microbial communities in the soil. They claim that the cultivation of transgenic plants for more than 10 years in one field has had no measurable effect on the occurrence of antibiotic-resistances and their spectrum. They believe that this is largely due to the fact that the genes are already commonly found in the soil. Horizontal gene transfer from transgenic plant DNA to bacteria is so rare that it could not contribute to a further increase in the widespread antibiotic resistance which already occurs naturally in bacteria.

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