Jeden Morgen sieht sich Broc Zoller erst einmal die Wettervorhersage an. Wie alle Farmer in Kalifornien hat er in den letzten Jahren teils extreme Dürrezeiten erlebt. 2017 macht gerade das Gegenteil Probleme. Hier in Kelseyville hat es nämlich in den ersten Monaten des Jahres schon mehr als im ganzen Jahr davor geregnet. Zoller baut Weintrauben und Walnüsse an und hat etwas Land an andere verpachtet, die dort Birnen wachsen lassen. Das Wetter hat die Schnittmaßnahmen verzögert, und das Versprühen von Insektenschutzmitteln gegen die Schädlinge im Winter musste ebenfalls verschoben werden. Wenn es nun im Frühjahr mit dem Regen so weitergeht, wird die Kombination aus Wärme und Feuchtigkeit den Pilz- und Bakterienbefall stark befördern. Deshalb vermutet Zoller schon jetzt, dass er wohl bald mehrere Pestizide einsetzen muss, um seine Pflanzen zu schützen.

Doch die Auswahl wird immer geringer, weil sich zunehmend Resistenzen entwickeln. Feuerbrand ist eine durch Bakterien verursachte Pflanzenkrankheit, bei der die Blätter von Birnenbäumen plötzlich welken. Normalerweise wirken hier Antibiotika recht gut, aber wenn diese zu häufig eingesetzt werden, verringert sich der Effekt. Der Birnenschorf wird ebenfalls von einem Pilz verursacht, der unschöne braune Flecken auf der Frucht hinterlässt und während der Wachstumsperiode mit einer ganzen Reihe von Fungiziden bekämpft wird. Zoller arbeitet auch als Berater in Sachen Schädlingsbekämpfung und weiß, dass bei einigen der Substanzen die Wirkung schon nach einmaligem Einsatz nachlässt. »Die Resistenzen treten unglaublich schnell auf«, sagt er. »Wir können nur hoffen, dass es nicht zu viel regnet und wir mit dem vorhandenen Arsenal gut durch die Saison kommen.«

Weltweit klagen die Farmer über Resistenzen gegen die gängigen Pestizide zur Abwehr von Insekten, Unkraut und Pflanzenpathogenen. Der in Brüssel ansässige Industrieverband CropLife International unterstützt Untersuchungen zur Resistenz von Pathogenen; bisher zeigten sich bei 586 Arthropodenspezies, 235 Pilzarten und 252 Unkräutern Resistenzen gegen mindestens ein synthetisches Pestizid. Dabei handelt es sich aber nur um die bisher von den Wissenschaftlern formal erkannten und beschriebenen Fälle. Die agrochemische Industrie bringt seit Jahrzehnten immer neue Substanzen auf den Markt, um die alten zu ersetzen. Doch bei vielen Nutzpflanzen wird die Luft langsam dünn. Die Entdeckung und Entwicklung neuer Pestizide »ist in den letzten zehn Jahren auf fast null zurückgegangen«, weiß Sara Olson, die Leiterin der Abteilung für Forschungsanalyse bei Lux Research in Boston/Massachusetts, die sich auf neue Technologien spezialisiert haben. Neue Chemikalien sind nämlich nur schwierig und für viel Geld zu finden, und sobald ein Produkt in der Landwirtschaft eingesetzt wird, vor allem nicht mit Bedacht, entwickeln die Schädlinge sofort Resistenzen dagegen.

»Die rasante Entwicklung von Resistenzen ist der eigentliche Driver auf der Suche nach Alternativen«
Sara Olson

Um den Einsatz synthetischer Pestizide auf den Feldern zu mindern oder gar umgehen zu können, suchen die Wissenschaftler nun nach Alternativen. Besonders interessant sind hierbei Lösungen aus der Biologie, weshalb sie auf Mikroorganismen, Gentechnik und Biomoleküle schielen, in deren Entwicklung auch große Chemieunternehmen schon kräftig investieren. Das bedeutet natürlich keineswegs das Ende der synthetischen Pestizide, aber vielleicht könne man mit neuen Möglichkeiten die Ausbreitung von Resistenzen eindämmen. Möglicherweise ließen sich auch die Ausgaben der Farmer senken, die Feldarbeiter besser schützen und die Bevölkerung beruhigen, die über den Einsatz von immer mehr synthetischen Substanzen zunehmend besorgt ist. »Die rasante Entwicklung von Resistenzen ist der eigentliche Driver auf der Suche nach Alternativen«, erklärt Olson. »Meist geht es gar nicht um die Wahl zwischen chemischen, biologischen oder anderen Möglichkeiten – es ist mehr die Erkenntnis, dass sich mit den neuen Tools viel spezifischer gegen Schädlinge vorgehen lässt.«

Anfang des 20. Jahrhunderts rottete eine mysteriöse Epidemie in ganz Japan die hoch geschätzte Seidenraupe aus. Schon 1901 hatte der Bakteriologe Ishiwata Shigetane ein unbekanntes Bodenbakterium in toten Seidenraupen als Ursache beschrieben. Ein Jahrzehnt später entdeckte der Biologe Ernst Berliner aus Thüringen das Bakterium in den Raupen der Mehlmotte, einem allseits bekannten Schädling. In seiner Beschreibung gab er dem Insektenkiller den Namen Bacillus thuringiensis (Bt). Die von Bt gebildeten Proteine durchlöchern den Darm verschiedener Insektenarten und wurden jahrzehntelang als natürliches Pestizid eingesetzt. Die Wissenschaft sucht schon länger nach neuen Mikroorganismen zum Einsatz als Schädlingskiller. »Als ich vor fast 45 Jahren studierte, war es schon kein ganz neues Feld mehr«, erzählt Roger Beachy, der als Biologe und Pflanzenpathologe an der Washington University in St. Louis in Missouri tätig ist.

Inzwischen gibt es immer mehr Mikroorganismen als Helfer in der Agrochemie. Im Jahr 2012 kaufte Bayer CropScience für 425 Millionen US-Dollar das Unternehmen AgraQuest, das in Davis in Kalifornien Biopestizide entwickelte. Im Lauf der letzten Jahre haben auch andere multinationale Unternehmen, darunter DuPont, Monsanto und Syngenta, in diesem Bereich investiert. Beachy galt als Pionier in der Entwicklung gentechnisch veränderter Nutzpflanzen und hat sich zusammen mit dem bei Boston ansässigen Start-up Indigo Agriculture ins Bakterienbusiness gestürzt. Die Forscher von Indigo wollen mit bestimmten Bakterien das Endobiom der Pflanzen verbessern, sprich die Gesamtheit der Mikroorganismen, die im Gewebe der Pflanzen sitzen. Aus ihnen wollen die Forscher eine Art Hülle für den Samen entwickeln. Wenn sich der junge Spross beim Keimen durch diese harte Hülle drängen muss, fügt sie ihm kleinste Kratzer zu, über die gute Bakterien die Pflanze besiedeln und sie vor Stress durch die Umwelt, beispielsweise Dürre, schützen können. Das Unternehmen konnte nach eigenen Angaben im Jahr 2016 100 Millionen US-Dollar an Fördergeldern einwerben.

Farmer sind bereit für Neues

Über den speziellen Bakterienstamm will sich Indigo natürlich nicht äußern. Doch ein paar Farmer haben auf 20 000 Hektar Baumwoll- und 8000 Hektar Weizenfeldern in den USA bereits umhüllte Samen ausgesät. Im Vergleich zu den vier Millionen Hektar mit Baumwolle und 21 Millionen Hektar mit Weizen bepflanzten Feldern der USA im Jahr 2016 ist das natürlich nicht viel – aber es zeigt, dass die Leute gewillt sind, Neues auszuprobieren. Beachy war anfangs leitender Wissenschaftler und ist immer noch im wissenschaftlichen Beratungsgremium des Unternehmens tätig. Wie er erzählt, will Indigo unbedingt zeigen, dass diese Samenhülle von Vorteil ist und zur Resistenz gegen Schädlinge führt: »Ich hoffe, innerhalb von fünf Jahren wird es zumindest eine Hand voll Produkte geben.«

Andere Firmen nutzen Bakterien bereits jetzt als Pestizide. Marrone Bio Innovations aus Davis beispielsweise züchtet Bakterien und setzt diese neben ihren chemischen Produkten gegen Schädlinge ein. Das Unternehmen hat 18 000 Bakteriengenome gescreent und bisher fünf Produkte auf den Markt gebracht. Einer seiner Kandidaten ist ein Stamm der Gattung Burkholderia, der je nach Kulturbedingungen unterschiedliche Substanzen produziert: Das kann ein Insektizid oder ein Nematizid (gegen bestimmte Würmer) sein oder auch ein Herbizid. Burkholderia »besitzt die genetische Maschinerie, um Substanzen ganz verschiedener Klassen zu produzieren«, erklärt Pamela Marrone, die Geschäftsführerin und Gründerin des Unternehmens. Die Ursache für den Schutz der Pflanze könnte letztlich in der Entwicklung pflanzeneigener Abwehrmechanismen liegen.

Farmer waren schon immer skeptisch gegenüber Biopestiziden, nicht zuletzt weil sie etwas schwieriger in der Handhabung sind als synthetische Pflanzenschutzmittel. So zerfallen manche sehr schnell im Sonnenlicht oder unter großer Hitze, und sie sind in der Regel nicht so potent und wirksam wie synthetische Produkte. Aber es geht gar nicht unbedingt darum, die bisherigen Substanzen völlig zu umgehen. Stattdessen sollen die Biopestizide dazu beitragen, den Einsatz synthetischer Chemikalien zu reduzieren, sagt Marrone. Die Schutzbakterien »müssen gar nicht so perfekt wie die chemischen Mittel wirken, auch wenn einige unserer Kandidaten es wahrlich mit ihnen aufnehmen könnten«, fügt sie hinzu. »Schon wenn man sie als Zusatz nutzt, steigen Ertrag und Qualität gegenüber dem alleinigen Einsatz von Chemikalien.«

CRISPR als neue Hoffnung und Gefahr

Neue Möglichkeiten bietet nun das sehr leistungsstarke Gene-Editing-Tool CRISPR-Cas9. Mit bisherigen Ansätzen wie der Entwicklung so genannter GVOs (gentechnisch veränderter Organismen) durch das Einbringen neuer Gene in Organismen lassen sich Schadinsekten direkt abtöten oder Nutzpflanzen unempfindlich gegen starke Herbizide machen. Die Entwicklung krankheitsresistenter Pflanzen ist allerdings schwieriger. Ein Grund dafür ist die Regulation von Resistenzgenen in Pflanzenzellen. »Resistenzgene haben in der Natur relativ wenig Spielraum«, sagt der Pflanzenpathologe Adam Bogdanove von der Cornell University in Ithaca in New York. Wenn sie zu aktiv würden, könnten sie nämlich die Pflanze schädigen. In gewöhnlichen GVOs lässt sich nicht steuern, wo sich das zugefügte Gen ins Genom integriert. Das wäre aber wichtig, weil Resistenzgene nicht richtig exprimiert werden, wenn sie an falscher Stelle eingefügt sind. CRISPR ist deshalb besonders hilfreich, erklärt Bogdanove, weil sich damit »die Insertionsstelle genau bestimmen und so die Expression kontrollieren lässt«.

Bogdanove entwickelt mit dieser Methode Reis, der von Haus aus resistent gegenüber Rußtau und Blattbrand ist, zwei der verheerendsten Pflanzenkrankheiten überhaupt. Sein Kooperationspartner Jan Leach forscht als Pflanzenpathologe an der Colorado State University in Fort Collins. Er möchte mittels CRISPR und anderen, älteren Gene-Editing-Tools das Immunsystem der Pflanzen modulieren, um auf diese Weise Reis zu züchten, der gegen eine ganze Reihe von Krankheiten resistent ist, nicht nur gegen eine einzelne. Auch andere Nutzpflanzen sollen mit CRISPR verändert werden, insbesondere solche, bei denen bisher weniger GVOs entwickelt wurden, weil dies zu schwierig war. Wissenschaftler von der Rutgers University in New Brunswick in New Jersey wollen mit Hilfe der Technologie Weintrauben entwickeln, die dem Falschen Mehltau trotzen. Außerdem wurden in den USA schon Tomaten gezogen, die gegen mehrere Pseudomonas- und Xanthomonas-Arten resistent sind, und in Peking eine gegen den Echten Mehltau gewappnete Weizensorte. Die Modifikation von Weizen ist aber nicht so einfach, weil die Pflanzen drei fast identische Genome besitzen. Das Team in Peking musste damit drei Versionen eines Resistenzgens verändern. Mit CRISPR »lassen sich mehrere Gene gleichzeitig ausschalten«, erklärt der Pflanzenbiologe und Gruppenleiter Caixia Gao vom Institut für Genetik und Entwicklungsbiologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften.

Auch die Industrieforschung ist schon auf CRISPR angesprungen. So unterschrieb Monsanto im September 2016 einen nichtexklusiven Lizenzvertrag mit dem Broad Institute in Cambridge (Massachusetts), das im Februar 2017 einen Patentstreit zur CRISPR-Technologie gewonnen hatte. Wie Tom Adams, der Vizepräsident der Sektion Biotechnologie bei Monsanto, sagt, beschäftigt sich sein Unternehmen derzeit damit, wie CRISPR für Fortschritte in der Krankheitsresistenz, Dürretoleranz und dem Ertrag von Nutzpflanzen genutzt werden kann. Allerdings besteht die Gefahr, dass auf Grund der neuen Ansätze eher noch mehr Pestizide eingesetzt werden als bisher. Laut Adams könnten mittels Gene-Editing nämlich auch Pflanzen entstehen, die noch toleranter gegenüber Herbiziden sind, so wie die glyphosattoleranten Sorten der Firma Monsanto. Das wird natürlich sehr kontrovers diskutiert, weil die Farmer damit Glyphosat großzügig einsetzen können und zu sehr darauf vertrauen.

Stummschalten von Genen mit Hürden

Schon lange bevor CRISPR versprach, die Welt zu verändern, waren die Biowissenschaftler von einer anderen Methode zur Schädlingskontrolle begeistert: der RNA-Interferenz (RNAi). Hierbei wird Doppelstrang-RNA von Zellen aufgenommen, die dann ein bestimmtes Gen effizient abschaltet. Mit dieser Methode schien es einfach, Schädlinge ganz gezielt zu treffen. Man startet mit einer spezifischen Gensequenz und baut kleine Moleküle, die mit der Genaktivität interferieren, erklärt Sonny Ramaswamy, der Direktor des National Institute of Food and Agriculture, des Organs des amerikanischen Landwirtschaftsministerium, das verschiedene RNAi-Studien fördert. Der Trick ist dabei, das Molekül zum richtigen Zeitpunkt an die richtige Stelle am Zielgen zu bringen. Die RNA muss natürlich über die ganze Pflanze verteilt sein, um überall saugende Insekten abzuwehren. Das lässt sich gentechnisch zwar erreichen, ist aber teuer und hat dieselben Zulassungshürden und Anfeindungen der Öffentlichkeit zu überwinden wie sonstige GVOs. Außerdem müssen komplett neue Pflanzen entwickelt werden, wenn die Schädlinge resistent gegen die RNAi werden.

Laut Wissenschaftlern in Forschung und Industrie könnte es besser sein, die RNAi direkt in den Blättern oder Wurzeln der Pflanzen anzuwenden. Das ist »einfacher und flexibler als transgene Pflanzen«, erklärt Xuexia Miao, die als Expertin für Pflanzen-Insekten-Interaktionen am Institut für Pflanzenphysiologie und Ökologie der Shanghai Institutes for Biological Sciences in China arbeitet. Im Jahr 2015 konnte sie mit ihrem Team zeigen, wie das Einbringen von RNAi über die Wurzeln von Reis und Mais die Pflanzen gegen Insekten schützt. Allerdings könnte es schwierig sein, die benötigten Beregnungsanlagen in der Praxis umzusetzen. Das Problem ist, dass die Böden voll von Bakterien und Enzymen sind, welche die RNA schon wegfangen, bevor sie überhaupt die Pflanze erreichen. Neben diesem Ansatz arbeitet Miao zudem an Sprays, mit denen sich die RNAi direkt auf die Pflanzen und Insekten aufbringen ließe.

Unternehmen wie Monsanto und Syngenta interessieren sich natürlich auch für die Möglichkeiten der RNAi-Technologie. Monsanto will Mitte 2020 die ersten Entwicklungen auf den Markt bringen: ein Produkt gegen die Honigbienenmilbe Varroa destructor und eines gegen einen Flohkäfer, der Raps attackiert. Und Syngenta will seine ersten Produkte gegen den Kartoffelkäfer Leptinotarsa decemlineata »in den frühen 2020er Jahren« bereit haben, sagt Steven Wall, der die Zulassungs- und Produktsicherheitsunterlagen für RNAi-Produkte bei Syngenta in Research Triangle Park in North Carolina bearbeitet.

Auch nützliche Insekten können geschädigt werden

Doch die RNAi-Technologie stößt noch auf ganz andere Probleme. So lässt sie sich zwar gegen so manche Insektenarten wie Käfer einsetzen; schwieriger ist es schon bei Motten und deren Larven, wobei der Grund dafür unklar ist. Aber auch Schädlinge, die auf RNAi empfindlich reagieren, können Resistenzen entwickeln. »Die Natur scheint immer irgendeinen Weg zu finden«, sagt Wall. Mit einem RNAi-Spray »muss man wie mit anderen Produkten vorsichtig umgehen – sehr spezifisch und nicht flächendeckend«. Manche Wissenschaftler fürchten zudem Kollateralschäden, auch wenn RNAi die Schädlinge schon direkter als Breitband-Pestizide trifft. So könnte die RNAi nützliche Insekten schädigen, weil diese teils ähnliche Gene wie die Schädlinge haben. Im Jahr 2013 wurde von Wissenschaftlern des US Department of Agriculture ein Review über das Risiko der Technologie veröffentlicht. Laut diesem ist sie zwar Erfolg versprechend, aber die Vorteile müssten gegen die »relativen Umweltrisiken der Technologie« abgewogen werden.

Während die Pestizid-Pipeline langsam austrocknet und die Resistenzen immer mehr zunehmen, brauchen die Farmer neue Optionen. Die tatsächliche Lage ist stark abhängig von der Nutzpflanze und dem landwirtschaftlichen Betrieb – auf manchen Feldern zeigt schon jetzt nur noch ein einziges Pestizid Wirkung. »Da entwickeln sich unweigerlich Resistenzen gegen dieses Produkt«, sagt Zoller. »Und wenn es keine Langzeitwirkung mehr zeigt, wenden es die Farmer einfach öfter an. Es gibt im Moment keine andere Möglichkeit.« Zoller testet inzwischen Biopestizide, obwohl deren Wirkung sehr variabel ist. »Wir untersuchen jedes Jahr wieder welche, weil wir die Hoffnung noch nicht aufgegeben haben«, erklärt er. »So manches wirkt dann ein Jahr und im nächsten Jahr schon nicht mehr. Immerhin lassen sie sich gut mit konventionellen Pestiziden kombinieren.«

»Manches Biopestizid wirkt ein Jahr und im Jahr darauf schon nicht mehr. Es ist gut, viele Möglichkeiten zu haben«
Broc Zoller

Den Verkauf von Produkten auf gentechnischer Basis sieht Zoller skeptisch, weil genveränderte Lebensmittel immer Bedenken auf den Plan rufen. Andere Farmer sind da optimistischer. »CRISPR ist die Zukunft, wenn wir als Industrie überleben wollen«, sagt Tony DiMare, der Vizepräsident des US-amerikanischen Tomatenbauern DiMare. Seiner Meinung nach hat diese Technik viel Potenzial im Kampf gegen Umweltstress, Schädlinge und Pflanzenkrankheiten. Doch Technologien allein werden keine landwirtschaftlichen Betriebe retten. Die Besitzer werden auch weiterhin auf klassische Praktiken und entsprechendes Landmanagement vertrauen. So lässt sich beispielsweise mit Fruchtwechsel der Lebenszyklus von Schädlingen und Pathogenen unterbrechen; wer dies nicht beachtet und Jahr für Jahr dieselben Pflanzen auf seinen Feldern wachsen lässt, bietet Schädlingen beste Nahrungsbedingungen. Enge Pflanzungen können den Unkräutern das Sonnenlicht wegnehmen; andererseits ermöglichen Schnittmaßnahmen ausreichend Luft- und Lichtzufuhr für die Pflanzen, so dass die Feuchtigkeit abdampfen kann, die Schimmelpilze zum Wachsen brauchen.

Nicht nur auf den von Zoller verpachteten Birnenplantagen in Kalifornien lassen die Farmer Wildpflanzen wie wilden Hafer, Roggengras und Prunkwinde zwischen den Baumreihen wachsen. Diese bieten Lebensraum für die natürlichen Feinde der Schadinsekten, die sie in Schach halten. In Zollers Augen müssen alle Ansätze zum Zuge kommen – neue Technologien und alte Methoden, um auf diese Weise die Lebensmittel und damit den Profit zu schützen. Schädlingsbekämpfung ist bei allen Nutzpflanzen ein wichtiges Thema, weiß er. Die Farmer werden auch die neuen Technologien in Betracht ziehen. »Es ist gut, viele Möglichkeiten zu haben.«

Der Artikel ist am 16. März 2017 unter dem Titel »CRISPR, microbes and more are joining the war against crop killers« in Nature 543, S. 302–304, erschienen.