Rund zehn Jahre vor dem ersten Gentransfer in Pflanzen entwickelten die Wissenschaftler Herbert Boyer von der University of California und Stanley Cohen von der Universität Stanford erstmals Methoden, um Teile der Erbsubstanz verschiedener Organismen zu kombinieren. Bereits kurz danach löste die Vermutung, es gebe potentielle biologische Risiken rekombinanter DNA, heftige Diskussionen aus. Anlaß war der Plan, Gene eines Affen-Tumorvirus mit dem Genom eines anderen Virus zu verknüpfen, das Bakterien der Art Escherichia coli befällt, um sie mit der natürlichen Fähre in diese normalerweise harmlosen Bewohner des menschlichen Darmsystems einzuschleusen. Die beteiligten Forscher selbst hatten vor möglichen Gefahren gewarnt, wenn solche Gene in den menschlichen Darm gelangen würden.

Im Februar 1975 versammelten sich deshalb im Asilomar-Konferenzraum nahe Monterey (Kalifornien) mehr als hundert Molekularbiologen. Sie empfahlen eine Reihe von Sicherheitsregeln für die noch neue Gentechnologie. Zum einen sollten biologische und physikalische Barrieren, Containments genannt, speziell das Laborpersonal schützen und generell verhindern, daß transgene Bakterien unkontrolliert in die Umwelt gelangen. Zum anderen sollten Vorkehrungen gegen den sogenannten horizontalen Gentransfer getroffen werden. Denn routinemäßig übertrug man außer den fremden DNA-Sequenzen, auf die es eigentlich ankam, auch solche als Marker, die Bakterien unempfindlich für Antibiotika oder sonstige desinfizierende Agenzien machen; werden dann derartige Substanzen eingesetzt, um die erfolgreich veränderten Zellen zu identifizieren, erzeugen sie einen Selektionsdruck, der – wie man damals schon wußte – das Wandern der Antibiotika-Resistenzgene zwischen verschiedenen Bakterienarten fördert (Spektrum der Wissenschaft, August 1981, Seiten 46 bis 61, insbesondere Seiten 54 und 55).

Trotzdem sind mittlerweile viele Antibiotika-Resistenzgene weit verbreitet und verursachen große Probleme in der medizinischen Behandlung. Das rührt freilich nicht von Nachlässigkeiten der Gentechnologie her, sondern vom übermäßigen Verabfolgen von Antibiotika in Krankenhäusern und Viehmastbetrieben sowie von der Verbreitung etwa über Abwässer.


Eine neue Dimension

Der großflächige Anbau von transgenen Nutzpflanzen mit Resistenzen gegen Antibiotika oder Herbizide wirft die auf der Asilomar-Konferenz debattierten Fragen erneut auf; nur haben sie nun eine Tragweite, die damals noch nicht konkret gesehen werden konnte: Das ganze Ökosystem ist als ein durch Emissionen von genetischem Material bedrohter Raum zu betrachten. Chancen der Gentechnik für den Pflanzenbau, die weit über die Einführung einfacher Resistenzen hinausgehen, werden in den vorangehenden Beiträgen erörtert und sind in dieser Zeitschrift auch in einem früheren Artikel aufgezeigt worden (Spektrum der Wissenschaft, August 1992, Seite 44); darum konzentriert sich der vorliegende Beitrag auf die Risiken.

Mit dem Übertragen von Resistenzen auf Nutzpflanzen war man zunächst recht erfolgreich. Häufig reicht dafür nämlich ein einziges Gen aus.

Abiotische Stressfaktoren, die auf diese Weise ausgeschaltet werden können, sind Herbizide (von denen einige, so Glyphosat und Basta, auch antibiotisch gegen bestimmte Mikroorganismen wirken), Antibiotika (von denen wiederum etliche, so Kanamycin, Neomycin und Hygromycin, auch als Herbizide wirken), Allelochemikalien (natürliche Herbizide, die von Pflanzen, Pilzen oder anderen Organismen gebildet und meist in den Boden oder die Luft abgegeben werden), Schwermetalle, Ozon, Salz, Hitze, Kälte und Trockenheit; biotische Stressfaktoren sind Viren, Bakterien, Pilze, Nematoden (Fadenwürmer) und Insekten. Resistenz ist hier so zu verstehen, daß die normale Pflanze durch einen dieser Stressfaktoren geschädigt oder abgetötet wird, während die transgene ungeschädigt bleibt.

Antibiotika- oder Herbizidresistenzen werden, wie erwähnt, routinemäßig auch als selektierbare Marker künstlich erzeugt. Bei der Übertragung von Herbizid-Resistenzgenen besteht jedoch des weiteren das kommerzielle Interesse, Breitbandherbizide im großen Maßstab einsetzen zu können. Weil diese Wirkstoffe zwar eine Vielfalt von Unkräutern, aber zugleich Nutzpflanzen abtöten, sind sie bisher nur in Spezialfällen anwendbar; deshalb möchte man Feldfrüchte dagegen schützen.

Die derzeit in der Landwirtschaft verwendeten selektiven Herbizide, die jeweils nur ausgewählte Unkräuter vernichten, haben ihrerseits oft nachteilige Eigenschaften. Für Breitbandherbizide führen die Hersteller an, daß sie schneller als herkömmliche im Boden zersetzt und gentechnisch dagegen resistent gemachte Nutzpflanzen daraus keine toxischen Stoffwechselprodukte bilden würden. Auch in dem populären Lehrbuch "Rekombinierte DNA" von James D. Watson und anderen (Spektrum Akademischer Verlag, 2. Auflage 1993) ist auf Seite 448 zu lesen, das Breitbandherbizid Glyphosat, aktiver Wirkstoff des Markenprodukts "Round up", wirke "schon bei sehr geringer Dosierung" und sei "für die Umwelt weitaus unschädlicher als frühere Herbizide, weil es von Bodenmikroorganismen schnell abgebaut wird". Solche Vorteile sind bislang jedoch nicht wissenschaftlich belegt. Vielmehr liegt die empfohlene Dosierung von Glyphosat bei Mengen von 500 bis 2000 Gramm pro Hektar und ist damit vergleichbar mit der anderer Herbizide; zudem kann sein Abbau auf manchen Böden Jahre dauern.

Bei den Resistenzen gegen die übrigen genannten biotischen und abiotischen Stressoren stellen sich nicht solche Probleme wie bei Herbizidresistenzen. Nur ist ihr landwirtschaftlicher Wert noch nicht erwiesen. Die Betrachtung von Herbizid-Resistenzgenen ist besonders aktuell, da in den USA der großflächige Anbau von damit ausgestatteten Soja-, Mais- und Baumwollpflanzen bereits zugelassen wurde. Mehr als 1200 Freisetzungsversuche hat man allein mit transgenen Nutzpflanzen durchgeführt, die gegen das Breitbandherbizid Basta resistent gemacht worden sind; es enthält den Wirkstoff L-Phosphinothricin, der wie Glyphosat zur Gruppe der Aminosäure-Derivate gehört. Trotzdem ist immer noch unklar, in welchem Maße Resistenzgene aus transgenen oder aus gentechnisch veränderten Pflanzen heraus in das Ökosystem abwandern können.

Zwei Wege könnten Resistenzgene einschlagen: Außer dem bereits erwähnten horizontalen Gentransfer auf Mikroorganismen im Boden oder speziell solche, die mit der jeweiligen Pflanze assoziiert sind (etwa Epiphyten oder Mykorrhizapilze) ist eine Übertragung auf andere Pflanzen durch Pollen, also ein sexueller Gentransfer – denkbar.

Besonders bei Raps ist die Wanderung von Herbizid-Resistenzgenen durch Pollenübertragung in verwandte Pflanzenarten bereits nachgewiesen. Und horizontaler Gentransfer von mikrobiellen Resistenzgenen gegen Antibiotika, die in Krankenhäusern oder in der Viehmast eingesetzt wurden, ist für Mikroorganismen verschiedener Umweltbereiche ebenfalls gut dokumentiert. Die Gene werden meist mit Plasmiden transportiert, ringförmigen genetischen Elementen, die außerhalb der eigentlichen Erbmasse liegen und zwischen unterschiedlichen Bakterienarten übertragen werden können.

George W. Sundin und Carol L Bender von der Oklahoma State University in Stillwater haben kürzlich beschrieben, daß man Mikroorganismen, die gegen das Antibiotikum Streptomycin resistent geworden sind, zunächst im menschlichen und tierischen Darmtrakt gefunden hat (eben solche Risiken waren schon in Asilomar diskutiert worden). Jetzt sind die entsprechenden Gene aber auch häufig in Bakterien von Abwässern und zunehmend in solchen aus Böden und von Pflanzen – zum Beispiel Obstbäumen, Tomaten und Kartoffeln – nachzuweisen. Die weite Verbreitung der Resistenzgene für Streptomycin ist nicht mehr mit Selektionsdruck durch das Antibiotikum allein zu erklären, obgleich er wahrscheinlich das auslösende Moment war; eventuell ist an dem Geschehen eine Eigendynamik der Plasmide oder ein überall vorkommender Umweltstressor beteiligt.

Ein Szenario für horizontalen Gentransfer

Breitbandherbizide können Nebenwirkungen gegen bestimmte empfindliche Mikroorganismen haben. So wurde die aktive Komponente von Basta ursprünglich als wirksamer Teil zweier Antibiotika entdeckt; und den Wirkungsmechanismus von Glyphosat hat man weitgehend durch Hemmversuche an Mikroorganismen aufgeklärt.

Viele Bodenmikroorganismen vermag man jedoch nicht im Labor zu kultivieren, und sie leben in schwer untersuchbaren Mikro-Umgebungen, etwa an Oberflächen von Bodenpartikeln. Erst in den letzten Jahren sind zu ihrem Nachweis neue Methoden entwickelt worden, unter anderem im Zusammenhang mit dem Roggenstein-Freisetzungsversuch, auf dessen Ergebnissen der vorliegende Artikel weitgehend beruht: Auf dem Versuchsgut Roggenstein bei München hatte Gerhard Fischbeck, inzwischen emeritierter Ordinarius für Pflanzenbau und Pflanzenzüchtung der Technischen Universität München-Weihenstephan, 1993 ein interdisziplinäres Freisetzungsprojekt über Basta-resistenten Raps und Mais initiiert; dabei ging es um Genverbreitung durch Pollenübertragung, um das Überdauern des pat-Resistenzgens in der Pflanze und im Boden sowie um neue Nachweismethoden für Gene und für nicht-kultivierbare Mikroorganismen im Boden.

In ihren ökologischen Eigenschaften können sich selbst nahe verwandte Bodenbakterienarten auf unerwartete Weise unterscheiden. Beispielsweise wird Rhizobium japonicum stark durch Glyphosat gehemmt, aber zwei eng verwandte Rhizobium-Arten vermögen dieses Breitbandherbizid aktiv abzubauen und zu entgiften. Auch für Basta ist die Koexistenz empfindlicher und resistenter Bodenbakterien beschrieben worden.

Bei Pflanzen und empfindlichen Mikroorganismen sind bereits niedrige Konzentrationen von Glyphosat und Basta wirksam. Aber da die publizierten Halbwertszeiten dieser Herbizide in Böden sich auf etwa zehn Tage (Basta) beziehungsweise 60 Tage (Glyphosat) belaufen, ergibt sich bei praxisüblichen Ausbringungsmengen von etwa 900 Gramm Wirkstoff pro Hektar, daß nach einmaliger Anwendung über Wochen (Basta) oder Monate (Glyphosat) hinweg Selektionsdruck im Boden besteht (Bild 1). Auch die Nachweiszeiten von Resistenzgenen in Böden liegen im Bereich von etwa zwei Monaten bis zu einem Jahr, wie außer im Roggenstein-Versuch auch in vier weiteren Freisetzungsversuchen gezeigt wurde.

Mithin ließe sich folgendes Szenario eines Biofilms – der Schicht aus Mikroorganismen auf der Oberfläche von Bodenpartikeln – entwerfen: Die Breitbandherbizide, die bei der Verrottung von Biomasse freigesetzte DNA und Teilpopulationen von Mikroorganismen treffen auf der Oberfläche von Bodenpartikeln in hoher lokaler Konzentration aufeinander. Sind Mikroorganismen anwesend, die das Herbizid abbauen, wird der Selektionsdruck beseitigt. Wenn empfindliche Mikroorganismen überwiegen, könnte jedoch analog zur Verbreitung von Antibiotikaresistenzen über Artschranken hinweg ein Gentransfer stattfinden. Allerdings ist nur wenig wahrscheinlich, daß chromosomale Resistenzgene der Pflanze über die für Bakterien bekannten Mechanismen (Transformation, Transduktion, Konjugation) weiterwandern; geschieht dies allerdings doch, könnte ein einziges Ereignis dieser Art unter Selektionsdruck weiter verstärkt werden.

Nicht bekannt ist bislang, ob die an Oberflächen von Bodenpartikeln fest gebundenen Breitbandherbizide bioverfügbar sind, also in die Bakterien eindringen können. Da sie jedoch offenbar von abbaufähigen Mikroorganismen aufgenommen werden, ist wahrscheinlich, daß auch empfindliche Mikroorganismen es tun. Prinzipiell ist bereits nachgewiesen, daß Bakterien die an Bodenpartikeln stabilisierte DNA aufnehmen und dann unter Umständen eine Transformation, die Eingliederung freier DNA in das Genom der Zelle, stattfindet.

Die molekularbiologische Forschung über die Wechselwirkung von Pflanzen und Bodenmikroorganismen wie Rhizobium und Agrobacterium hat in den letzten Jahren viele weitere unerwartete Ergebnisse geliefert. So wurden im Wurzelbereich Transmittersubstanzen, Allelochemikalien und Prozesse gegenseitiger Gen-Induktion (also das Aktivieren der sonst ruhenden Produktion bestimmter Proteine) entdeckt. Die Rolle von lokalem Selektionsdruck und Biofilmen ist jedoch bisher weitgehend unbekannt.


Ein Schema der abzuklärenden Risiken

Die hypothetische Wanderung eines Resistenzgens von einer transgenen Pflanze in Mikroorganismen und in gewöhnliche Pflanzen ist in Bild 2 dargestellt. Ausgehen könnte sie zum Beispiel von der in den USA bereits großflächig angebauten Sojabohne mit Glyphosat-Resistenz. Die enge Symbiose von Rhizobium, das als erster aufnehmender Mikroorganismus aufgeführt ist, mit Leguminosen wie Soja ist gut bekannt, und bestimmte Rhizobium-Arten sind empfindlich gegen Glyphosat oder Basta.

Die dann als weitere Empfänger abgebildeten Bodenbakterien umfassen Arten, für die Wanderungen von Genen für Antibiotikaresistenz bekannt sind, die also einen Gen-Pool darstellen können. Schließlich sind die Übertragung durch Pollen und ein Gentransfer aus Agrobacterium in eine nichttransgene Pflanze denkbar. Das Ti-Plasmid von Agrobacterium tumefaciens dient normalerweise vielfach als Vektor, also als Bote für das Einschleusen von DNA in Pflanzenzellen. Die ungewollte Genübertragung in nichttransgene Pflanzen ist zwar für viele Arten belegt, aber statistisch dennoch unwahrscheinlich. Der dargestellte Prozeß ist darum nur als bisher nicht geklärtes Arbeitsmodell zu verstehen.

Auffällig ist, daß die wenigen verfügbaren ökologischen Daten zu dem hier diskutierten Problemkomplex überwiegend von deutschen Forschergruppen stammen, obwohl in der Bundesrepublik nur ein kleiner Teil der weltweit bereits mehr als 3000 Freisetzungsversuche durchgeführt wurde. Sowohl dabei als auch bei dem großflächigen Anbau transgener Pflanzen mit Herbizidresistenz, der inzwischen Praxis ist, hat man sich auf Plausibilitätsbetrachtungen verlassen, statt die erforderlichen ökologischen Versuche durchzuführen. Umweltprobleme sind in der Vergangenheit aber meist aus wenig plausiblen Prozessen heraus entstanden. Es ist zu hoffen, daß der Anbau transgener Pflanzen in den USA wenigstens von einem guten Überwachungsprogramm begleitet wird.

Freilich hat das ökologische Interesse, sobald es um die Finanzierung wissenschaftlicher Untersuchungen geht, auch in Deutschland Grenzen. Die Bayerische Forschungsstiftung zum Beispiel war nicht bereit, die methodische Pilotphase des Freisetzungsversuchs Roggenstein weiterzuführen.


Kreuzresistenz als weiteres Selektionsprinzip?

Der Selektionsdruck, der die Wanderung von Resistenzgenen nach dem bisher beschriebenen Muster zur Folge haben kann, ist zunächst auf die Anwendungsfläche der Herbizide beschränkt. Es gibt jedoch außerdem das Phänomen der Kreuzresistenz: daß nämlich die Unempfindlichkeit gegen einen Stressor gleichzeitig gegen einen anderen schützt. So ist nachgewiesen worden, daß eine gegen das Herbizid Paraquat resistente Pflanze auch widerstandsfähiger gegen Trockenheit und die Resistenz gegen das Antibiotikum Hygromycin mit einer gegen das Herbizid Glyphosat verquickt ist. Somit ist denkbar, daß die Resistenz gegen ein nur lokal eingesetztes Herbizid gleichzeitig gegen einen weithin und allgemein wirksamen Stressor schützt, transgene Pflanzen mit dieser Eigenschaft demnach in der Konkurrenz mit anderen bevorteilt sind. Dies könnte eine Genwanderung im gesamten Ökosystem begünstigen.

Auf biochemischer Ebene ist zudem Kreuzinduktion bekannt. So lösen gewisse Schwermetalle die Produktion von Hitzeschock-Schutzproteinen aus; Ozon kann Gene für die Resistenz gegen Viren und Pilze aktivieren und Verwundung die pflanzliche Insektenabwehr stimulieren. Es ist zwar bisher nicht bewiesen, scheint aber möglich, daß solche Prozesse im Freiland zur Kreuzresistenz beitragen.

Bewertung

In Diskussionen über die Gentechnologie stellen Befürworter oft folgende Fragen: Was soll die Risikoforschung überhaupt? Was ist der ökologische Schaden, sollten tatsächlich Prozesse wie der direkte Gentransfer und das Wandern von Resistenzgenen ablaufen? Dazu folgende Anmerkungen:

-nEine weite Verbreitung von Antibiotikaresistenzen wird allgemein als unerwünscht angesehen.

-nDas für bestimmte Herbizide (vor allem Atrazin) gut dokumentierte Auftreten mutierter Unkräuter, die dagegen nicht mehr empfindlich sind, gilt ebenfalls als unerwünscht.

-nDas Argument, Resistenzgene seien ohnehin in der Natur und wanderten auch, ist nicht richtig. Die eng verwandten (sequenzhomologen) Resistenzgene verschiedener Arten sind artspezifisch geblieben, haben sich also bisher nicht im Ökosystem frei ausgebreitet.

-nEbensowenig ist das Argument stichhaltig, Gene für Antibiotika- und Herbizidresistenz seien auch dort vorhanden, wo keine transgenen Pflanzen angebaut werden. Die ursprünglich aus exotischen Bodenbakterien stammenden Resistenzgene für Kanamycin, Neomycin oder Basta sind in heimischen Böden nicht gefunden worden.

Offene Fragen sind beispielsweise: In welchem Umfang wandern Herbizid-Resistenzgene im Ökosystem? Existiert der in Bild 2 aufgeführte Gen-Pool überhaupt? Ist das Phänomen der Kreuzresistenz ökologisch bedeutsam? Sind Breitbandherbizide wirklich besonders starke Stressoren?

Es ist nicht wahrscheinlich, daß alle genannten Stressfaktoren in gleicher Weise einen Selektionsdruck im Ökosystem ausüben; deshalb ist eine differenzierte Beurteilung von Fall zu Fall angebracht. Des weiteren sind alle aufgeführten Fragen auch für nicht-transgene Pflanzen und ihre natürlichen Resistenzgene noch offen. Insgesamt muß man also folgern, daß eine vorausschauende Risikoforschung und ein gründliches Monitoring beim landwirtschaftlichen Einsatz transgener Pflanzen von allgemeinem ökologischem Interesse ist.

Literaturhinweis

"Horizontaler Gentransfer bei Herbizid-Resistenz? Der Einfluß von Genstabilität und Selektionsdruck" von H. Sandermann, H. Rosenbrock und D. Ernst in: Zukunft der Gentechnik. Herausgegeben von P. Brand. Birkhäuser, Basel 1997


Aus: Spektrum der Wissenschaft 7 / 1997, Seite 38
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